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.docx
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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
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AlOH3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）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＋＋HRH＋＋NaR Ca2＋＋2HR2H＋＋CaR2 Mg2＋＋2HR2H＋＋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】 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】 C
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．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】 A
5．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
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