《海水淡化与现代水处理技术》教案1.docx

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《海水淡化与现代水处理技术》教案1

《海水淡化与现代水处理技术》教案

●课标要求

知道化学在水处理中的应用。

●课标解读

1.了解蒸馏法、电渗析法在海水淡化中的应用。

2．理解离子交换法、膜分离法在硬水软化中的应用。

3．了解污水处理的常用方法。

●教学地位

海水资源非常丰富，为化工生产提供了廉价的原料。

《课程标准》中明确要求：

知道化学在水处理中的应用。

天然水的净化、硬水的软化、污水的处理均是高考的热点，也是化工生产中“三废”中废水处理方法的重要内容。

●新课导入建议

2013年3月22日是第二十一届“世界水日”，3月22～28日是第二十六届“中国水周”。

联合国确定的“世界水日”主题是“水与粮食安全”。

我国纪念“世界水日”和开展“中国水周”活动的宣传主题为“大力加强农田水利，保障国家粮食安全”。

你节约用水了吗？

●教学流程设计

课前预习安排：

看教材P19－24，填写[课前自主导学]，并完成[思考交流]。

⇒步骤1：

导入新课，

本课时教学地位分析。

⇒步骤2：

建议对[思考交流]进行提问，反馈学生预习效果。

⇒步骤3：

师生互动完成探究1，可利用[问题导思]的设问作为主线。

⇓

步骤7：

通过[例2]和教材P21－22“离子交换法”的讲解研析，对“探究2，硬水的软化”中注意的问题进行总结。

⇐步骤6：

师生互动完成“探究2”。

⇐步骤5：

指导学生自主完成[变式训练1]和[当堂双基达标]第1题。

⇐步骤4：

通过[例1]和教材P19－20“海水淡化”的讲解研析，对“探究1，海水淡化的方法”中注意的问题进行总结。

⇓

步骤8：

指导学生自主完成[变式训练2]和[当堂双基达标]中的第2题及3～5题。

⇒步骤9：

引导学生自主总结本课时知识框架，然后对照[课堂小结]。

安排课下作业完成[课后知能检测]。

课　标　解　读

重　点　难　点

1.认识海水淡化的重要意义，了解海水淡化的方法。

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。

4.培养节约用水、保护水资源的意识。

1.天然水净化和污水处理的化学原理及工艺流程。

（重点）

2.硬水的软化。

（重难点）

3.中和法、沉淀法在污水处理中的应用。

（难点）

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。

　将海水淡化后作生活用水，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．目前下列工艺过程没有直接使用离子交换技术的是（　　）

①硬水的软化　②电渗析法淡化海水　③海水蒸馏制淡水

A．①　　　B．②　　　C．①②③　　　D．③

【解析】　根据所学知识可以判断只有③即海水蒸馏制淡水没有直接使用离子交换技术。

本题主要考查对硬水软化，电渗析法淡化海水及海水蒸馏制淡水的原理的了解。

【答案】　D

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：

含有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）2

CaCO3↓＋H2O＋CO2↑，

Mg（HCO3）2

MgCO3↓＋H2O＋CO2↑，

MgCO3＋H2O

Mg（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．下列方法适宜于软化具有永久硬度的水的是（　　）

A．离子交换法　　　　　　B．长时间加热

C．加入Na2SO4D．加入AgNO3

【解析】　永久硬度的水是由钙、镁的硫酸盐或氯化物引起的，加热法只能软化暂时硬度的水；加入Na2SO4或AgNO3均不能减少Ca2＋、Mg2＋。

【答案】　A

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。

　某厂废水中含5.00×10－3mol·L－1的Cr2O

，其毒性较大。

某研究性学习小组为了变废为宝，将废水处理得到磁性材料Cr0.5Fe1.5FeO4（Fe的化合价依次为＋2、＋3），设计了如下实验流程：

（1）第①步反应的离子方程式是________________________________________________________________________。

（2）第②步中用pH试纸测定溶液pH的操作是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

（3）第②步过滤得到的滤渣中主要成分除Cr（OH）3外，还有________________________________________________________________________。

（4）欲使1L该废水中的Cr2O

完全转化为Cr0.5Fe1.5FeO4，理论上需要加入________gFeSO4·7H2O。

【解析】　

（1）第①步是Cr2O

与Fe2＋发生氧化还原反应，化学方程式为Cr2O

＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O；（3）从最终所得磁性材料的化学式可知，滤渣中主要有Cr（OH）3、Fe（OH）2、Fe（OH）3；（4）1L废水中，n（Cr2O

）＝5.00×10－3mol，根据关系式：

Cr2O

～4Cr0.5Fe1.5FeO4～10FeSO4·7H2O，可知理论上需n（FeSO4·7H2O）＝0.05mol，m（FeSO4·7H2O）＝0.05mol×278g·mol－1＝13.9g。

【答案】　

（1）Cr2O

＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O　

（2）将一小块pH试纸放在表面皿上，用玻璃棒蘸取少量待测液，点在pH试纸上，再与标准比色卡对照　（3）Fe（OH）3、Fe（OH）2　（4）13.9

3．（2013·大纲卷）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（　　）

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】　B

1．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】　C

2．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】　D

3．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

B

Cu2＋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】　C

4．（双选）（2012·海南高考）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．硫酸钠溶液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】　AC

5．农村有些家庭直接用河水或池塘水作为生活饮用水。

一般是把水担回家倒入水缸，加明矾使水澄清，加漂白粉进行消毒。

明矾的化学式为________________________________________________________________________，写出它溶于水后生成胶体的离子方程式：

________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

漂白粉的主要成分是________________，它在自然条件下能产生次氯酸，次氯酸的氧化性很强，能杀死病菌。

写出漂白粉生成次氯酸的化学方程式：

________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

【解析】　Ca（ClO）2在空气中与H2O、CO2作用即可生成HClO。

【答案】　KAl（SO4）2·12H2O

Al3＋＋3H2OAl（OH）3（胶体）＋3H＋

CaCl2、Ca（ClO）2

Ca（ClO）2＋CO2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO

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（ClO）2

C．加入明矾D．加入ClO2

【解析】　明矾净水是Al3＋水解生成Al（OH）3胶体，该胶体可吸附水中悬浮物使之聚沉。

【答案】　C

2．获得饮用水，凝聚过程中除去其中的悬浮物，可加入的净水剂是（　　）

A．FeCl3B．NaCl

C．Ca（ClO）2D．MgCl2

【解析】　NaCl不用于净水，Ca（ClO）2用于杀菌消毒，而不能使水中的悬浮杂质沉降，铝盐和铁盐会形成Al（OH）3胶体和Fe（OH）3胶体，可吸附水中的固体小颗粒而沉降，从而达到净水的目的。

【答案】　A

3．（双选）以下是有关海水淡化的叙述，其中不正确的是（　　）

A．蒸馏法比电渗析法获得的淡水纯度高

B．蒸馏法比电渗析法获得的淡水纯度低

C．电渗析法所形成的浓水属于纯无用之水

D．电渗析法所形成的浓水可以再利用

【解析】　由于海水中的盐类沸点都很高，电渗析时离子的移动是有自由性的，所以蒸馏法比电渗析法获得的淡水纯度高。

电渗析法所形成的浓水又叫卤水，可从其中提取多种化工原料。

【答案】　BC

4．商品“纯净水”、“太空水”、“蒸馏水”等作为日常饮用水，因缺少某些成分而不利于儿童身体健康发育，你认为制备上述商品饮用水时还需要添加的化学物质是（　　）

A．含钙、镁的碳酸氢盐

B．含碘酸钾的食盐

C．漂白粉消毒剂

D．小苏打

【解析】　人体必需元素钙的来源之一就是饮用水，当身体缺乏时会出现抽搐等，长期饮用纯净水会缺少无机盐离子。

【答案】　A

5．下列说法中正确的是（　　）

A．软水中一定不含Ca2＋、Mg2＋

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Ca2＋、Mg2＋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＋、Mg2＋浓度降低，但不一定能降低到软水中Ca2＋、Mg2＋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】　C

6．下列方法能同时降低硬水中暂时硬度和永久硬度的是（　　）

①蒸馏　②煮沸　③加纯碱　④加石灰　⑤离子交换

A．①②③B．①③⑤

C．②③⑤D．③④⑤

【解析】　煮沸只能降低暂时硬度，加石灰不能降低Ca2＋浓度。

【答案】　B

7．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．污染水的金属元素如汞、镉、铅等的含量少时，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】　B

8．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0.001molMg2＋的中性溶液，使Mg2＋完全被树脂交换，再用蒸馏水洗涤树脂，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．1×10－2mol·L－1　　　　B．1×10－3mol·L－1

C．1×10－7mol·L－1D．1×10－10mol·L－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＋）＝

＝1×10－2mol·L－1。

【答案】　A

9．某工厂的污水中含有Zn2＋、Cu2＋、Hg2＋、Fe2＋等离子，为了充分利用资源和保护环境，需要回收污水中的铜和汞。

请你设计一个回收的实验方案，要求写明简要的操作步骤和有关的化学方程式或离子方程式。

【答案】　①取污水加过量的铁粉，充分搅拌后过滤，可得滤渣，即铜、汞及残留铁粉的混合物。

Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu，Fe＋Hg2＋===Fe2＋＋Hg。

②用过量稀盐酸洗涤滤渣，过滤，再用水洗涤滤渣，即得Cu和Hg的混合物。

Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑。

③加热Cu和Hg的混合物，汞变成蒸汽，经冷却装置，可回收汞，同时铜被氧化为CuO。

2Cu＋O2

2CuO。

④用氢气还原CuO，可回收铜。

CuO＋H2

Cu＋H2O。

10．水是一种重要的自然资源，是人类赖以生存不可缺少的物质。

水质优劣直接影响人体健康。

请回答下列问题：

（1）天然水中溶解的气体主要有________、________。

（2）天然水在净化处理过程中加入的混凝剂可以是________________（填其中任何两种），其净水作用的原理是________________________________________________________________________。

（3）水的净化与软化的区别是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

（4）硬度为1°的水是指每升水含10mgCaO或与之相当的物质（如7.1mgMgO）。

若某天然水中c（Ca2＋）＝1.2×10－3mol·L－1，c（Mg2＋）＝6×10－4mol·L－1，则此水的硬度为________。

【解析】　

（1）天然水中溶解的气体主要是空气中的主要成分，如氧气、氮气、二氧化碳等。

（2）天然水中含有一些悬浮物，除去的方法通常是在水中加入一些混