高中化学鲁教版选修2教师用书：课题2专题1海水淡化与现代水处理技术含解析 23页

'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习目标导航1.认识海水淡化的重耍意义，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。阶段1认知预习质疑知识梳理要点初探］知识1|海水淡化1.蒸馆法是将水加热至105弋蒸发汽化，然后将蒸汽冷凝而得到盞遛生的方法。蒸憾法的特点是设备结构简单、易操作、淡水质量好，缺点是能耗人。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。II思考交流||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）便水：溶有较多Ca?+、M/+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离子交换法是使离了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M"+的反应为z?HR+M,,+MRfl+nH阴离子交换树脂(ROH)与阴离子的反应为加ROH+Y"R.Y+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牛。②膜分离法：包括电渗析和反渗透两种广泛应用的技术。1|日思考交流||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L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,如虫和法、氧化法、还原法、离子交换法。(4)牛物化学法：利用微牛物的作用，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。 【问题导思】①海水淡化的方法有哪些？【提示】蒸馅法、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f留法(1)原理：将水加热至105°C蒸发汽化，然后将蒸汽冷凝而得到蒸憾水。(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。»例［!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.加明矶使海水中的盐分沉淀而淡化B.利用太阳能使海水蒸憾淡化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】明矶的成分是KA1(SO4)212H2O,加入到海水中只能除去悬浮杂质及OH一或Ba?+等，对Na+、C「、Mg2+>Ca*等无影响，起不到淡化的作用。【答案】A明矶净水原理是由于A严水解生成A1(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。•变衣训练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A.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+>Mg*较多的水称为硬水；含Ca2+>Mg”较少或不含Ca2+>Mg?十的水称为软水。②如何区别硬水和软水？【提示】a.加入肥皂水振荡，有大量泡沬产生的为软水，泡沬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++CO3_=CaCO3I,Mg2++CO3_=MgCO3I。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Ca?+、Mg2+较多的水。软水：含Ca*、Mg2+较少或不含Ca2+>Mg?+的水。(1)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⑴加热法①适用范围：暂时硬度的水。②反应原理：Ca(HCO3)2^^CaCO3I+H2O+CO2t,Mg(HCO3)2^^MgCO3I+H2O+CO2t,MgCO3+H2O^^Mg(OH)2I+C02to(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Ca2Mg2+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屮的Ca2Mg2如用离子交换树脂软化水的过程为：“HR+M"*MR^+wH*,加ROH+Y"RWY+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Ca2Mg”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：淡水(1)现有氢型阳离子交换树脂(HR)和疑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o(1)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"+HRH卜+NaRCa"+2HR2H"+CaR2Mg"+2HR2H卜+MgR2阴离子交换树脂的交换原理为：ROH+CFRC1+OH-2ROH+SO君R2SO4+2OH_ROH+HCO?rhco3+oh"交换下来的H+和OH一反应生成H2O从而得到淡水。【答案】(1)HRROH(2)若相反，则首先产生OFT易与Mg?+等反应产生Mg(OH)2等沉淀，堵塞离子交换柱1.天然水里一般含有Ca2Mg2+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Ca2Mg2+的水叫作软水；降低水中Ca2Mg"含量的过程叫作硬水软化。如果硬度太高(含Ca2Mg?卜的浓度太大)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而之一。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)写岀用磺化煤软化含Ca2Mg2+浓度较高的硬水的化学方程式：O(2)用药剂软化法软化过的水总是含有一定浓度的Ca2M『卜，其原因是_O(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卜、2NaR+Mg2+MgR2+2Na+(2)CaCO3>Mg(OH)2虽然溶解度较小，但不是绝对不溶 (2)锅炉结垢，热传递效率下降，浪费能源，甚至引起锅炉爆炸療究3|污水处理方法【问题导思】①为什么用Na2S除去Hg2+的同吋，也能将水中所含的Pb?+、Ci?+等重金属离子除去？(用离子方程式表示)【提示】Pb2++S2"PbSI;Cu2++S2"CuSIo②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人量铁锈的铁，铁锈的主要成分是o粉碎过筛的目的是o(2)酸浸时最合适的酸是,写岀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・Cl2c・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Fe”水解程度弱，pH偏大时则。 (1)相对于常压蒸发，减压蒸发的优点是o(2)盐慕度B是衡量絮凝剂絮凝效果的重要指标，定义式为普鬻⑺为物质的量)。为测量样品的〃值，取样品加g,准确加入过量盐酸，充分反应，再加入煮沸后冷却的蒸馆水，以酚猷为指示剂，用cmolL"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KmLo按上述步 骤做空白对照试验，消耗NaOH溶液K)mLo已知该样品中Fe质量分数(0,则B的表达式为o【解析】(1)铁屑在空气中02、水蒸气等作用下表面生成铁锈，铁锈的主要成分为Fe2O3xH2Oo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-^,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Fe2O3xH2O+6H+=2Fe3++(x+3)H20o(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Fe?+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Fe*水解程度弱，pH偏大时，Fe*易生成Fe(0H)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cmolL-1的标准NaOH溶液romL,则与样品反应的HC1的物质的量为(仏一V)x1O_3Lxcmol•L-1=c(Fo-r)x10-3mol,故样品中/2(OH_)=c(^-r)xlO-3molo该样品中Fc的质量分数为co,则样品中Fc的物质的量为(加gxcu)/(56g・molT)=年乎mol,故B的表达式为〃=3；；霞；)=~—【答案】(l)Fe2O3xH2O选取细小颗粒，增大反应物接触面积，提高“酸浸”反应速率0.168c(%)—耳mco(2)H2SO4Fe2O3xH2O+6H+=2Fe3++(x+3)H2O(3)使铁从+2价变成+3价c(2)形成氢氧化铁沉淀(5)降低蒸发温度防止产物分解(6)»变ItUlis1.电解法处理酸性含珞废水(主要含有Cr20t)时，以铁板作阴、阳极，处理过程屮存在反应Cr2O^_+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2O,最后以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(0H)3沉淀生成D.电路中每转移12mol电子，最多有1molO2O尹被还原 【解析】A・电解时用铁作阳极，失去电子生成具有还原性的Fe：+,F0将废水中的Cr2O^还原为Cr3+OB.电解过程中消耗H+,溶液的pH发生变化。C.电解过程中H20电离岀的屮参与反应，c(OH")增大，CN+与FJ+都与0H_结合为沉淀。A.根据电极反应式Fe—2e^^=Fe21,可知每转移12mole生成6molFe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.蒸憎法、离子交换法B.电渗析法、反渗透法C.蒸惚法、反渗透法D.电渗析法、离子交换法【解析】在对海水进行蒸徭的过程中，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】C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+CabCaR2+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Ca?+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;*,6molFe2+可还原1molCi^O尹。【答案】B 1.海水淡化主要的4种方法：蒸谓法、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。阶段3体验落实评价即时达标水软化是指减少或除去水中的Ca，"和Mg构成该河的污染主要分布在oA.ab段B.be段C・cd段D.bd段列举造成该河污染的三种可能污染源：①；②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，可釆用不同的方法处理。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BCi?+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；Ci?*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=CaCO3I+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Cu2Hg2Pb?+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(2)对c处水样进行检测，发现其中含有Cu2+,要把Ci^变成铜单质回收，请写岀两种可行的方法：①;②。(3)d处污染明显降低，请从物理、化学、生物三方而简单分析原因【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，阴极上牛成铜单质(4)物理沉降、物质之间相互反应、生物降解学业分层测评(四)(建议用时：45分钟)学业达标］1•下列方法不能用于对饮用水进行杀菌消毒的是()A.加热煮沸B.加入Ca(C10)2C.加入明矶D.加入CIO?【解析】明矶净水是Ap+水解生成A1(OH)3胶体，该胶体可吸附水中悬浮物使之聚沉。【答案】C1.我们饮用的水是由源水净化所得。己知，明矶能将水中的悬浮物凝聚而沉淀，氯气可杀菌。家庭饮用水的净化过程正确的是()A・源水-＞过滤一加氯气一加明矶-＞沉淀一净水 A.源水一加氯气一过滤一加明矶一沉淀一净水B.源水一加明矶一加氯气一过滤一沉淀一净水C.源水-＞加明矶-＞沉淀一过滤一加氯气一净水【解析】应将源水中大量悬浮杂质用净水剂(明矶)除去，再用杀菌消毒剂(氯气)将微生物等细菌除去。【答案】D1.下列溶液中加入肥皂水(澄清的)，振荡后，不产生沉淀而且有大量泡沫的是()A.光卤石溶液B.地下水C.海水D.雨水【解析】雨水为软水，硬度较小；光卤石溶液、地下水、海水硬度较大，均为硬水。【答案】D2.下列说法中，不正确的是()A.海水淡化目前已有多种方法，主要有蒸憾法、电渗析法等B.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，在外加电场的作用下，使水中的一部分离子转移到另一部分水中而达到除盐的目的的方法C.在进行水处理时，只需用阳离子交换树脂或阴离子交换树脂中的一种就能将水中阴、阳离子都除去D.反渗透分离法是膜分离技术在纯水制造的又一应用【解析】在进行水处理时，阳离子交换树脂中的h+只能和水中的金属离子M"+交换，阴离子交换树脂中的0H一只能和水中的阴离子交换。【答案】C3.下列说法中正确的是()A.软水中一定不含Ca2Mg2+B•硬水经煮沸后就一定变为软水了C.水垢的主要成分是碳酸钙和氢氧化镁D.经过磺化煤处理过的水是不含任何离子的超净水【解析】硬水与软水的区别是Ca2Mg?*含量的多与少，不是有与没有，故A不对；煮沸的方法是通过Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2的分解以及MgCO3的水解转变为Mg(OH)2的过程，故C对；煮沸时能使含暂时硬度较高的硬水中的Ca2+、 Mg”浓度降低，但不一定能降低到软水中Ca2+>Mg”的含量标准，更何况有的硬水的硬度更多是由于永久硬度造成的，故B不对；磺化煤只能交换阳离子，水中还含有多种阴离子和交换出来的大量Na+,故D不对。【答案】C1.下列方法能同时降低硬水中暂时硬度和永久硬度的是()【导学号：28920019]①蒸憎②煮沸③加纯碱④加石灰⑤离子交换A.①②③B.①③⑤C.②③⑤D.③④⑤【解析】煮沸只能降低暂时硬度，加石灰不能降低Ca?+浓度。【答案】B2.下列关于水污染叙述错误的是()A.水污染的程度是由其溶氧量来测定B.污染水的金属元索如汞、镉、铅等的含量少吋，不会对生物造成伤害C.使用含磷洗衣粉会造成河水、湖水污染，使海藻疯狂生长，鱼类死亡D.工业冷却所排出的热水危害水生生物【解析】汞、镉、铅均为重金属，会对生物造成伤害。【答案】B3.氢离子交换剂HR,交换时发生的反应为HR+M+=MR+H+。现用它处理100mL含0.001molMg?+的屮性溶液，使Mg?+完全被树脂交换，再用蒸係水洗涤树脂，并将交换液和洗涤液收集在一起，共得200mL溶液，则该混合液中H+浓度为()A.lX10"2molL_1B・以10一仏1「C.1X10-7mol-L"1D.lX10_10molL_1【解析】交换原理为2HR+Mg2+=MgR2+2H+,故所得氢离子共有0.002mol,而溶液体积为200mL,即0.2L,则c(H+)=^°1=1X10-2mol•L-1o【答案】A能力提升]9•随着全球淡水资源危机日益严重，世界各国都把目光投向了占全球总水量 约97%的汪洋大海，希望从苦涩的海水中提取可以饮用的淡水。日前海水淡化有了许多新工艺，最广泛应用的为多级闪蒸法，其流程示意图如下所示。已知一级闪蒸室和二级闪蒸室内的压强分别是刃和小，且P2Mg"与h+交换，阴离子与OH_交换。阳离子通过阳离子交换膜，在阴极附近，故选B,阳极区是C厂反应。阴极区2H2O+2e"=H2t+2OH",OIT与Mg2+形成Mg(OH)2沉淀。【答案】(1)永久(2)先加石灰后加纯碱过量的钙离子可通过纯碱使Z沉淀下来(3)屮强碱(4)①B②2CF-2C"=Cl2t电极上产生无色气体，溶液中出现少量白色沉Mg2+可以往水中加入石灰和纯碱，试剂添加顺序为原因是O(3)目前常用阴、阳离子交换树脂来进行水的软化，水中的Ca2M『+与交换树脂的起离子交换作用。当阴离子交换树脂失效后可放入溶液中再生。AB海水|(4)岛上还可以用海水淡化來获得淡水。下面是将海水通过电渗析法获得淡水的原理图，已知海水中含NaClCa2Mg?一、SOS等离子，电极为惰性电极。请分析下列问题：通电后一①阳离子交换膜是指(填“A，或BJ。②写出通电后阳极区的电极反应式：■阴极区的现象是 (3)为降低能耗，多级闪蒸法釆取了降压和两项措施。降压可以降低能耗的理由是o(4)海水淡化亦称海水脱盐。该工艺过程包括海水预处理、脱盐、淡化水的后处理等。下列属于海水预处理的是、、o(填序号)①淡水收集②除掉悬浮物③杀灭海洋生物④除掉海水中的盐分⑤水质检测⑥降低海水浑浊度为了检验所收集的淡水是否含有氯离子，通常采用的试剂是O【解析】(1)受热后的海水进入一级闪蒸室，水蒸气经过冷却后，一部分转化为淡水。由于一级闪蒸室中的压强大于二级闪蒸室，所以一级闪蒸室中余下的盐水可进入二级闪蒸室，水蒸气被再次冷却。由于/?1<7^2<1.013X10345Pa,所以一级闪蒸室和二级闪蒸室均属于减压蒸餾，同时又充分利用了热交换，这样可以节约能源。(4)中的①⑤均属于淡化水的后处理，④属于脱盐，②③⑥属于海水预处理。【答案】(1)海水经过闪蒸室时，吸收了管外水蒸气放岀的热量，温度升高(2)二级闪蒸室的压强小于一级闪蒸室的压强(或p2