2017-2018学年高中化学主题2海水资源工业制碱课题1海水淡化与现代水处理技术学案鲁科版选修2 10页

'课题1　海水淡化与现代水处理技术1．认识海水淡化的重要意义，了解海水淡化的方法。知道天然水净化和污水处理的化学原理及工艺流程。(重点)2．了解离子交换法和膜分离法的原理和应用。3．了解水污染及其处理技术。掌握中和法、沉淀法在污水处理中的应用。(难点)4．培养节约用水、保护水资源的意识。海水淡化1.蒸馏法是将水加热至105°C蒸发汽化，然后将蒸汽冷凝而得到蒸馏水的方法。蒸馏法的特点是设备结构简单、易操作、淡水质量好，缺点是能耗大。2．电渗析法是指利用阴、阳离子交换膜对水中阴、阳离子的选择透过性，在外加直流电场作用下，海水中溶解盐的离子转移到另一部分海水中使海水淡化的方法。1．海水淡化的目的是什么？【提示】　海水淡化的目的是利用物理或化学方法除去海水中的无机盐。纯水的制造1.水的硬度(1)硬水：溶有较多Ca2＋、Mg2＋的水。(2)水的硬度：以1L水中含10_mg_CaO(或相当于10_mg_CaO)为1度来表示。2．水处理技术(1)核心：减少或除去水中的各种杂质离子。(2)方法①离子交换法是使离子交换树脂上的离子与水中的离子进行交换，以除去水中的阴、阳离子的方法。阳离子交换树脂(HR)与金属离子Mn＋的反应为nHR＋Mn＋MRn＋nH＋；阴离子交换树脂(ROH)与阴离子Ym－的反应为mROH＋Ym－RmY＋mOH－； 交换树脂用酸或碱处理可重新恢复交换能力，该过程叫做树脂的再生。②膜分离法：包括电渗析和反渗透两种广泛应用的技术。2．海水淡化因能耗大，成本高，不能形成规模化生产，此话对吗？【提示】　不对，海水淡化耗能大，成本高，这是传统淡化法，现在研究出许多新的方法，如离子膜法、离子交换法等，耗能成本都大大降低，可以形成规模化生产。水污染和污水处理1.水污染废水的排放使自然水体中的污染物超过其自净能力时，就会引起自然水体发生物理性质和化学性质的变化，使水质变坏。2．污水处理(1)物理法：主要利用物理原理和机械作用对废水进行治理，包括沉淀、均衡调节、过滤及离心分离等方法。(2)物理化学法：通过物理化学过程除去污染物的方法，包括吸附、浮选、反渗透、电渗析、超过滤及超吸附等方法。(3)化学法：通过施用化学药剂或采用其他化学手段进行废水处理的方法，如中和法、氧化法、还原法、离子交换法。(4)生物化学法：利用微生物的作用，除去废水中的溶胶物质及有机物质的方法，包括活性污泥法、生物滤池法及厌气处理法等。海水淡化的方法【问题导思】　①海水淡化的方法有哪些？【提示】　蒸馏法、电渗析法、离子交换法、膜分离法。②电渗析法淡化海水的原理是什么？【提示】　电渗析法中阴离子交换膜只允许阴离子通过，阳离子交换膜只允许阳离子通过。在外加电场的作用下，阴离子透过阴离子交换膜迁移到阳极区，阳离子透过阳离子交换膜迁移到阴极区。1．蒸馏法(1)原理：将水加热至105℃蒸发汽化，然后将蒸汽冷凝而得到蒸馏水。(2)优点：设备结构简单、易操作、淡水质量好。(3)缺点：能耗大。2．电渗析法 (1)原理：利用阴、阳离子交换膜对水中阴、阳离子的选择透过性，在外加直流电场作用下，海水中溶解盐的离子转移到另一部分海水中使海水淡化的方法。(2)应用：海水淡化、污水处理等。3．反渗透法(1)原理：在含盐浓度较大的溶液一侧施加压力，可以迫使水从浓溶液一侧向稀溶液一侧渗透，将水从浓盐溶液中排出而使盐分留下。(2)优点：可以大量、快速地生产淡水。(3)发展方向：寻找理想的渗透膜，提高海水的淡化效率。　将海水淡化后做生活用水，以解决淡水资源匮乏的问题，下列淡化海水的方法中，在原理上完全不可行的是(　　)A．加明矾使海水中的盐分沉淀而淡化B．利用太阳能使海水蒸馏淡化C．将海水缓慢降温凝固以获取淡化的饮用水D．将海水通过离子交换树脂以除去所含离子【解析】　明矾的成分是KAl(SO4)2·12H2O，加入到海水中只能除去悬浮杂质及OH－或Ba2＋等，对Na＋、Cl－、Mg2＋、Ca2＋等无影响，起不到淡化的作用。【答案】　A明矾净水原理是由于Al3＋水解生成Al(OH)3胶体吸附水中悬浮物，而不能除去水中的盐也不能杀菌消毒。1．海水淡化可采用膜分离技术，如下图所示，对淡化膜右侧的海水加压，水分子可以透过淡化膜进入左侧淡水池，而海水中的各种离子不能通过淡化膜，从而得到淡水，对加压后右侧海水成分变化进行分析，正确的是(　　)A．溶质质量增加　　　B．溶液质量不变C．溶剂质量减少D．溶质质量分数不变 【解析】　右侧海水中水分子能通过淡化膜进入左侧淡水池，而各种离子不能通过淡化膜，故溶质质量不变，溶剂质量减少，溶质质量分数增大。【答案】　C硬水的软化【问题导思】　①硬水和软水有什么区别？【提示】　含Ca2＋、Mg2＋较多的水称为硬水；含Ca2＋、Mg2＋较少或不含Ca2＋、Mg2＋的水称为软水。②如何区别硬水和软水？【提示】　a．加入肥皂水振荡，有大量泡沫产生的为软水，泡沫很少且有沉淀产生的是硬水。b.加入饱和Na2CO3溶液，无沉淀产生的是软水，有沉淀产生的是硬水。原因是Ca2＋＋CO===CaCO3↓，Mg2＋＋CO===MgCO3↓。③硬水软化的方法有哪些？【提示】　加热法(除暂时硬度)、药剂法、离子交换法。1．水的硬度(1)硬水和软水硬水：含Ca2＋、Mg2＋较多的水。软水：含Ca2＋、Mg2＋较少或不含Ca2＋、Mg2＋的水。(2)硬度的划分暂时硬度：水的硬度由Ca(HCO3)2或Mg(HCO3)2引起。永久硬度：水的硬度由钙、镁的硫酸盐或氯化物引起。2．硬水的软化(1)加热法①适用范围：暂时硬度的水。②反应原理：Ca(HCO3)2CaCO3↓＋H2O＋CO2↑，Mg(HCO3)2MgCO3↓＋H2O＋CO2↑，MgCO3＋H2OMg(OH)2↓＋CO2↑。(2)药剂法①适用范围：永久硬度的水。②原理：把纯碱、生石灰等试剂加入到硬水中，与Ca2＋、Mg2＋反应形成沉淀，分离。(3)离子交换法①适用范围：永久硬度的水。 ②原理：用离子交换剂除去硬水中的Ca2＋、Mg2＋。如用离子交换树脂软化水的过程为：nHR＋Mn＋MRn＋nH＋，mROH＋Ym－RmY＋mOH－。　磺化煤(表示式NaR)是一种钠型离子交换剂，它能把硬水中的Ca2＋、Mg2＋交换除去而使水软化，现代海水的淡化方法是：使海水按顺序通过两种离子交换树脂，其流程如图所示：(1)现有氢型阳离子交换树脂(HR)和羟基型阴离子交换树脂(ROH)，则离子交换柱中应分别装入的离子交换树脂是(填代表符号)：A柱________；B柱________。(2)说明按上述顺序装柱的理由是___________________________________________________________________________________________________。【解析】　由离子交换法的原理迁移应用到题给信息可知，阳离子交换树脂的交换原理为Na＋＋HRH＋＋NaR　Ca2＋＋2HR2H＋＋CaR2　Mg2＋＋2HR2H＋＋MgR2阴离子交换树脂的交换原理为：ROH＋Cl－RCl＋OH－　2ROH＋SOR2SO4＋2OH－　ROH＋HCORHCO3＋OH－交换下来的H＋和OH－反应生成H2O从而得到淡水。【答案】　(1)HR　ROH(2)若相反，则首先产生OH－易与Mg2＋等反应产生Mg(OH)2等沉淀，堵塞离子交换柱2．天然水里一般含有Ca2＋、Mg2＋等多种离子。人们把含有较多量Ca2＋、Mg2＋的水叫作硬水，含有较少量或不含Ca2＋、Mg2＋的水叫作软水；降低水中Ca2＋、Mg2＋含量的过程叫作硬水软化。如果硬度太高(含Ca2＋、Mg2＋的浓度太大)会给生产、生活带来很多不利，因此硬水的软化是水处理的重要方面之一。离子交换法常用于工业锅炉用水的软化。离子交换剂多种多样，磺化煤(NaR)就是一种阳离子交换剂。(1)写出用磺化煤软化含Ca2＋、Mg2＋浓度较高的硬水的化学方程式：_______________________________________________________________________。(2)用药剂软化法软化过的水总是含有一定浓度的Ca2＋、Mg2＋，其原因是___________________________________________________________________。 (3)参考烧水后的锅或壶中结有水垢的现象分析说明，如果用硬度太高的水作锅炉用水，主要的不利因素是________________________________________________________________________________________________________。【解析】　(2)CaCO3、Mg(OH)2在水中都有一定的溶解能力。(3)水垢是热的不良导体。【答案】　(1)2NaR＋Ca2＋CaR2＋2Na＋、2NaR＋Mg2＋MgR2＋2Na＋(2)CaCO3、Mg(OH)2虽然溶解度较小，但不是绝对不溶(3)锅炉结垢，热传递效率下降，浪费能源，甚至引起锅炉爆炸污水处理方法【问题导思】　①为什么用Na2S除去Hg2＋的同时，也能将水中所含的Pb2＋、Cu2＋等重金属离子除去？(用离子方程式表示)【提示】　Pb2＋＋S2－PbS↓；Cu2＋＋S2－CuS↓。②污水处理常用方法有哪些？【提示】　物理法、物理化学法、化学法、生物化学法等。1．物理法包括沉淀、均衡调节、过滤及离心分离等方法。2．物理化学法主要包括吸附、浮选、反渗透、电渗析、超过滤及超吸附等方法。3．化学法中和法、氧化法、还原法、离子交换法等。4．生物化学法包括活性污泥法、生物滤池法及厌气处理法等。　(2016·全国丙卷)聚合硫酸铁(PFS)是水处理中重要的絮凝剂。下图是以回收的废铁屑为原料制备PFS的一种工艺流程。回答下列问题：(1)废铁屑主要为表面附有大量铁锈的铁，铁锈的主要成分是________。粉碎过筛的目的是________。(2)酸浸时最合适的酸是________，写出铁锈与酸反应的离子方程式______________________________________________________________________。(3)反应釜中加入氧化剂的作用是________，下列氧化剂中最合适的是________(填标号)。a．KMnO4B．Cl2 c．H2O2D．HNO3(4)聚合釜中溶液的pH必须控制在一定的范围。pH偏小时Fe3＋水解程度弱，pH偏大时则________。(5)相对于常压蒸发，减压蒸发的优点是________。(6)盐基度B是衡量絮凝剂絮凝效果的重要指标，定义式为B＝(n为物质的量)。为测量样品的B值，取样品mg，准确加入过量盐酸，充分反应，再加入煮沸后冷却的蒸馏水，以酚酞为指示剂，用cmol·L－1的标准NaOH溶液进行中和滴定(部分操作略去，已排除铁离子干扰)。到终点时消耗NaOH溶液VmL。按上述步骤做空白对照试验，消耗NaOH溶液V0mL。已知该样品中Fe质量分数ω，则B的表达式为________。【解析】　(1)铁屑在空气中O2、水蒸气等作用下表面生成铁锈，铁锈的主要成分为Fe2O3·xH2O。废铁屑经粉碎机粉碎后，再“过筛”，其目的是选取细小颗粒，增大反应物接触面积，提高“酸浸”反应速率。(2)该工艺流程的最终目的是制备PFS固体产品[Fe2(OH)x(SO4)3－]y，为防止引入杂质，在酸浸时最合适的酸是硫酸，铁锈与酸反应的离子方程式为Fe2O3·xH2O＋6H＋===2Fe3＋＋(x＋3)H2O。(3)酸浸过程中Fe与稀硫酸反应生成FeSO4，反应釜中加入氧化剂的作用是将Fe2＋氧化成Fe3＋，考虑氧化过程不能引入杂质，而KMnO4、Cl2和HNO3均能引入杂质，故最合适的氧化剂是H2O2。(4)聚合釜中溶液的pH必须控制在一定的范围，pH偏小时Fe3＋水解程度弱，pH偏大时，Fe3＋易生成Fe(OH)3沉淀。(5)相对于常压蒸发，减压蒸发的优点是降低蒸发温度防止产物分解。(6)由题意可知，进行空白对照实验，消耗cmol·L－1的标准NaOH溶液V0mL，则与样品反应的HCl的物质的量为(V0－V)×10－3L×cmol·L－1＝c(V0－V)×10－3mol，故样品中n(OH－)＝c(V0－V)×10－3mol。该样品中Fe的质量分数为ω，则样品中Fe的物质的量为(mg×ω)/(56g·mol－1)＝mol，故B的表达式为B＝＝。【答案】　(1)Fe2O3·xH2O　选取细小颗粒，增大反应物接触面积，提高“酸浸”反应速率(2)H2SO4　Fe2O3·xH2O＋6H＋===2Fe3＋＋(x＋3)H2O　(3)使铁从＋2价变成＋3价　c　(4)形成氢氧化铁沉淀　(5)降低蒸发温度防止产物分解　(6)3．电解法处理酸性含铬废水(主要含有Cr2O)时，以铁板作阴、阳极，处理过程中存在反应Cr2O＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O，最后Cr3＋以Cr(OH)3形式除去。下列说法不正确的是(　　)【导学号：28920017】 A．阳极反应为Fe－2e－===Fe2＋B．电解过程中溶液pH不会变化C．过程中有Fe(OH)3沉淀生成D．电路中每转移12mol电子，最多有1molCr2O被还原【解析】　A．电解时用铁作阳极，失去电子生成具有还原性的Fe2＋，Fe2＋将废水中的Cr2O还原为Cr3＋。B.电解过程中消耗H＋，溶液的pH发生变化。C.电解过程中H2O电离出的H＋参与反应，c(OH－)增大，Cr3＋与Fe3＋都与OH－结合为沉淀。D.根据电极反应式Fe－2e－===Fe2＋，可知每转移12mole－生成6molFe2＋，6molFe2＋可还原1molCr2O。【答案】　B1．海水淡化主要的4种方法：蒸馏法、电渗析法、离子交换法、膜分离法。2．污水处理的4种方法：物理法、物理化学法、化学法、生物化学法。3．硬水软化的3种方法：加热法、药剂法、离子交换法。1．下列各组内的两种海水处理方法都能制取高纯度的水的是(　　)A．蒸馏法、离子交换法　　B．电渗析法、反渗透法C．蒸馏法、反渗透法D．电渗析法、离子交换法【解析】　在对海水进行蒸馏的过程中，蒸发的是水。在对海水进行反渗透的过程中，能透过半透膜的是水分子。【答案】　C2．下列说法中，正确的是(　　)A．加热法可软化各种硬度的硬水B．海水淡化可以利用过滤法C．反应2NaR＋Ca＋CaR2＋2Na＋的逆反应在一定条件下也能发生D．硬水软化就是除净水中的Ca2＋和Mg2＋【解析】　加热法只能软化具有暂时硬度的硬水[因Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2 受热可分解为CaCO3、Mg(OH)2而除去]，不能软化永久硬水；过滤法不能淡化海水；水软化是指减少或除去水中的Ca2＋和Mg2＋，不一定是除净。故A、B、D项均不正确。【答案】　C3．工业废水中常含有不同类型的污染物，可采用不同的方法处理。以下处理措施和方法正确的是(　　)选项污染物处理措施方法类别A废酸加生石灰中和物理法BCu2＋等重金属离子加硫酸盐沉降化学法C含苯废水用活性炭吸附物理法D含纯碱的废水加石灰水反应化学法【解析】　废酸与碱中和属于化学法，A项错；Cu2＋不可能用SO沉降，B项错；活性炭吸收苯是利用了活性炭的吸附性，是物理法，C项正确；Na2CO3＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋2NaOH，生成强碱NaOH，废水的碱性增强，D项错误。【答案】　C4．污水经过一级、二级处理后，还含有少量Cu2＋、Hg2＋、Pb2＋等重金属离子，可加入沉淀剂使其沉淀。下列物质不能作为沉淀剂的是(　　)A．氨水B．硫化氢气体C．硫化钠溶液D．纯碱溶液【解析】　题目要求就是生成沉淀，后加的试剂均要求过量。加氨水会有络合离子的生成，不能全生成沉淀，硫化氢、硫化钠与重金属离子都会有沉淀生成，纯碱加入可调节pH值使重金属离子沉淀。【答案】　A5．如图甲所示，某河流经工业城市Y市，a处为上游、d处为下游，经对河水检测绘制出图乙，请回答：【导学号：28920018】甲　　　　　　　　　乙(1)构成该河的污染主要分布在__________。A．ab段　　B．bc段　　C．cd段　　D．bd段(2)列举造成该河污染的三种可能污染源：①____________；②____________；③____________。(3)对c处水样进行检测，发现其中含有Cu2＋，要把Cu2＋ 变成铜单质回收，请写出两种可行的方法：①_____________________________________________________________；②_____________________________________________________________。(4)d处污染明显降低，请从物理、化学、生物三方面简单分析原因___________________________________________________________________。【解析】　生活污水、工业废水是水体的两个主要污染源，河流经市区必定造成污染，到下游时经过沉降、生物降解、物质之间的反应使污染程度下降。对于铜的回收只需把铜离子变成铜单质即可。【答案】　(1)B(2)①工业废水　②生活污水　③生活垃圾及工业废渣(3)①加过量铁粉，过滤，后加盐酸，清洗干燥得铜单质②用电解法，使用惰性电极电解，阴极上生成铜单质(4)物理沉降、物质之间相互反应、生物降解'