高中化学专题一多样化的水处理技术第三单元海水淡化学案苏教版选修2 4页

'第三单元　海水淡化1．知道海水是一种重要的资源，海水淡化技术是解决淡水资源紧缺问题的关键。2．了解海水淡化的主要方法。3．了解蒸馏法淡化海水的基本原理。2010年6月23日，以“海水淡化与可持续发展”为主题的2010亚太脱盐大会在青岛开幕，来自10多个国家及地区的400多名海水淡化行业的专家及学者参会，共同为推动海水淡化技术与产业的发展共谋大计。会议为期三天，近80位国内外专家学者就区域水问题概览与前景、装备与配套的创新、热发海水淡化材料、预处理技术的最新进展、脱盐膜材料的研究进展与发展趋势、热法脱盐工艺、创新的水回用技术、膜法海水淡化、水处理化学品的发展等九个专题进行研讨，并作了专题报告。一年一次的青岛海水淡化国际会议已发展成亚太地区规模最大、水平最高、最有影响力和最专业的海水淡化与水再利用会展品牌。一、海水淡化的概念与方法1．概念海水是一种不容忽视的潜在水源，海水淡化技术是解决淡水资源紧缺问题的关键。海水淡化又称脱盐，它是利用物理、化学、生物方法将海水中溶解的盐脱除。2．方法海水淡化的方法有蒸馏法、膜法、冷冻法、离子交换法等，其中蒸馏法、膜法是主要方法。二、海水淡化技术1．蒸馏法(1)主要特点：蒸馏法能耗大，但设备相对简单，技术比较成熟。(2)类型：蒸馏与减压蒸馏。(3)实际应用：蒸馏法淡化的水量约占世界海水总淡化量的70%。实际应用中，人们采用降低容器内压强的方法使水在比较低的温度下沸腾，并充分利用热交换技术，使该法得以普及。2．电渗析法(1)基本原理。在电渗析槽里，阴、阳离子交换膜把渗析槽分隔成三个区域(如教科书中电渗析原理示意图)，两端的两个区域的电极分别与直流电源的两极相连。装满海水后，在外加电场的作用下，处于中间位置海水槽里的阴、阳离子分别透过阴离子交换膜、阳离子交换膜迁移到阳极区、阴极区，中间水槽里的水含盐量就降低了。 (2)特点：电渗析法消耗的电能大，但其成本只有蒸馏法的1/4。(3)离子交换膜：选择性离子交换膜是用离子交换树脂制成的薄膜，也称电渗析膜。它有阴、阳离子交换膜之分，阴离子只能通过阴离子交换膜，阳离子只能通过阳离子交换膜。3．反渗透法(1)渗透压：用一种渗透膜把含盐浓度不同的两种水溶液隔开，将发生渗透现象。浓度较小的溶液中的水分会通过半透膜渗透到浓度较大的溶液中，使原来浓度较大的一侧溶液液面升高，当液面升高产生的压力达到一定的数值时能阻止水的继续渗透，这个压力称为渗透压。(2)基本原理：如果在含盐浓度较大的溶液一侧施加一定的压力，可以迫使水从浓溶液一侧向稀溶液一侧渗透，使浓溶液浓度增大。(3)主要特点：反渗透法的最大优点是节能，利用反渗透技术可以大量、快速地生产淡水。因此，寻找更理想的渗透膜，提高海水淡化效率是目前努力的方向。4．冷冻法(1)基本原理：把冷海水喷入真空室，部分海水蒸发吸热使其余海水冷却形成冰晶。固体冰晶中的杂质要比原溶液中少得多。将得到的冰晶用适量的淡水淋洗、熔化，就得到淡水。(2)主要特点：由于水的比热、汽化热大，这种海水淡化技术要消耗大量的能源。1．海水淡化的方法海水淡化的方法已有十几种，主要的有蒸馏法、电渗析法、离子交换法等。其中蒸馏法的历史最久，技术和工艺也比较完善，是目前海水淡化的主要方法。(1)蒸馏法：蒸馏法虽然是一种古老的方法，但由于技术不断地改进与发展，该法至今仍占统治地位。蒸馏淡化过程的实质就是水蒸气的形成过程，其原理如同海水受热蒸发形成云，云在一定条件下遇冷形成雨，而雨是不带咸味的。根据所用能源、设备、流程不同主要可分设备蒸馏法、蒸气压缩蒸馏法、多级闪急蒸馏法等。(2)冷冻法：冷冻法，即冷冻海水使之结冰，在液态淡水变成固态冰的同时盐被分离出去。冷冻法与蒸馏法都有难以克服的弊端，其中蒸馏法会消耗大量的能源并在仪器里产生大量的锅垢，而所得到的淡水却并不多；而冷冻法同样要消耗许多能源，但得到的淡水味道却不佳，难以使用。(3)反渗透法：通常又称超过滤法，是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。在通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐渐升高，直至一定的高度才停止，这个过程为渗透。此时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压，那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。反渗透法的最大优点是节能。反渗透海水淡化技术发展很快，工程造价和运行成本持续降低，主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力，提高反渗透系统回收率，廉价高效预处理技术，增强系统抗污染能力等。(4)太阳能法：人类早期利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行蒸馏，所以早期的太阳能海水淡化装置一般都称为太阳能蒸馏器。由于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。与传统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保等优点，将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是一种可持续发展的海水淡化技术。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们的重视。2．海水淡化的原理海水淡化的目的是去除海水中超标的盐，降低盐的浓度。最简单的方法是利用太阳能蒸发水分，收集蒸馏水。其次可以采用减压蒸馏的方法，降低水的沸点，使水在较低的温度下蒸发，收集蒸馏水。 现在大规模淡化海水则采用电渗析法。如下图所示：海水进入电渗析装置后，在电场作用下，钠离子和氯离子都要做定向移动：钠离子向阴极移动，氯离子向阳极移动，但阳离子交换膜只能让钠离子通过，阴离子交换膜只能让氯离子通过，所以，在电渗析装置中就出现了“一格海水被浓缩，另一格海水被淡化”的情况，我们只需要将淡水引出即得淡化水，而浓缩后的卤水则可以作为海水加工的原料得到进一步的利用。知识点海水淡化【例题】阳离子能在直流电场的作用下透过阳离子交换膜向阴极迁移，阴离子则能在直流电场的作用下透过阴离子交换膜向阳极迁移。同时在电解槽(称为“电渗析器”)中使用合适型号的这两种膜(简称“阳膜”和“阴膜”)，可以在直流电场的作用下进行海水的电渗析脱盐而使海水淡化。海水中主要离子的含量平均值如下：Cl－：18980mg·L－1　Na＋：10560mg·L－1SO：2560mg·L－1　Mg2＋：1272mg·L－1Ca2＋：400mg·L－1　K＋：380mg·L－1HCO：142mg·L－1海水在电渗析器中部分变成淡水的原理，示意图如图所示电渗析器中由许多对阳、阴膜围成的许多“隔室”的宽度都很窄。脱盐时，各隔室相间流动着“淡水”和“浓水”；在流动着“极水”的以石墨为电极材料的两极发生电解反应。根据需要，可将几台电渗析器串联使用。图中标写的离子符号，提供思考其在电场中的迁移方向。回答下列问题：(1)分别写出海水在电渗析器中脱盐时所得主要阳极产物和主要阴极产物的化学式。用石棉布为隔膜的一般惰性阳极电解槽来电解海水，能用来生产H2吗？为什么？(2)致力于发展电渗析法、反渗透法等海水淡化新技术的直接社会效益是什么？(3)已成功地联合应用海水淡化新技术和一般的离子交换树脂净水法，由海水制得纯水。又知海洋水能源(海洋水能发电)有其巨大的开发前景。你认为应怎样综合开发海洋能源，促成人类进入氢能时代？解析：(1)阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑；阴极：2H＋＋2e－===H2↑。因为氯气可以和烧碱反应，所以不能用于制氯气，但制氢气没有什么问题。 (2)从以上原理看，至少可以得到电解产物氯气、氢气和高浓度的烧碱，同时得到淡水及可用于进一步利用的浓缩海水。答案：(1)Cl2、H2；可以；因为阴极发生的反应可以得到H2。(2)制氯气、氢气和高浓度的烧碱，同时得到淡水及高浓度卤水。(3)思路提示：太阳能发电，电渗析电解得氯碱类产品及淡水，卤水的进一步开发利用。1广东正在建设海洋强省。下列说法不正确的是(　　)。A．从海带中提取碘单质的过程涉及氧化还原反应B．往淡水中加入NaCl等配成人造海水，可用于海产品的长途运输C．赤潮主要是由工农业生产和生活废水引起沿海水域的富营养化而造成的D．海洋经济专属区的资源开发可获得Fe、Co、K、Au、Mg、B等金属解析：海水中含碘的是碘离子(I－)，要从海水中提取碘单质(I2)必然会涉及元素化合价的升降，所以一定涉及氧化还原反应，故A正确；由于生活污水和工农业生产的废水任意排放引起水中N、P元素增高造成水域的富营养化进一步造成了赤潮，故C正确；B不是金属元素，故D不正确。答案：D2海水约占地球现有总水量的97.5%，海水淡化问题成为科学家的主要研究方向。下列淡化海水的方法不可行的是(　　)。A．加化学试剂，使海水中的盐分沉淀B．利用太阳能，将海水蒸馏而去掉盐分C．将海水通过离子交换树脂而除去盐分D．利用半透膜，采用反渗透法而除掉盐分解析：海水中Na＋等离子不能通过加化学试剂而沉淀，A项错误；B项为蒸馏法淡化海水，C项为电渗析法淡化海水，D项为反渗透法淡化海水。答案：A3自来水一般用氯气消毒，某同学用自来水配制下列物质的溶液时，不会产生药品明显变质的是(　　)。A．AgNO3溶液B．紫色石蕊试液C．KI溶液D．NaCl溶液答案：D4目前下列工艺过程没有直接使用离子交换技术的是(　　)。A．硬水的软化B．电解饱和食盐水制NaOHC．电渗析淡化海水D．海水中提取金属Mg解析：选项A，硬水软化常用离子交换树脂脱去其中的钙、镁离子；选项B，电解饱和食盐水常用离子交换膜来阻止气体分子或阴离子通过；选项C，电渗析法淡化海水也用阳离子交换膜和阴离子交换膜；选项D，不用离子交换膜，加入熟石灰后生成氢氧化镁沉淀过滤，然后再加入盐酸进行浓缩结晶，再在氯化氢的气氛中脱水，最后用电解熔融的氯化镁制备金属镁。答案：D'