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2019-2020年高中化學(xué)專題一多樣化的水處理技術(shù)第一單元水的凈化與污水處理學(xué)案蘇教版選修 1．了解水是寶貴的自然資源，知道自然界中沒有純水，知道天然水中所含的主要雜質(zhì)。 2．知道生活用水、工業(yè)用水對水質(zhì)有一定的要求，了解水處理的主要環(huán)節(jié)，認(rèn)識化學(xué)沉淀劑、氯水、臭氧、二氧化氯、活性炭在水處理中的作用。 3．知道明礬的凈水原理，知道污水中的主要污染物及污水處理的主要方法——生物化學(xué)方法。 4．充分認(rèn)識水資源保護(hù)的重要性。 xx年10月，一家水質(zhì)監(jiān)測機(jī)構(gòu)的官員稱，匈牙利一家鋁廠泄漏出的有毒廢水在本月7日已經(jīng)流入多瑙河，這條著名河流的生態(tài)系統(tǒng)將面臨重大考驗(yàn)。全長2 800多千米的多瑙河流經(jīng)克羅地亞、塞爾維亞、保加利亞、羅馬尼亞和烏克蘭等國家，最后流入黑海，如果受到污染，將會對歐洲生態(tài)造成極大危害。 一、生活用水的凈化 天然水中雜質(zhì)含量超過一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)會影響水體的自凈作用，需要人工凈化后才能使用。生活用水的凈化途徑主要包括除去水中的固體雜質(zhì)和懸浮物，消毒，除去水中的異味等。 1．混凝法除天然水中固體雜質(zhì)和懸浮物 (1)混凝法就是在天然水中加入混凝劑，使細(xì)小的懸浮物和膠體聚集成較大的顆粒而沉淀，然后過濾除去的方法。 (2)混凝劑，又叫做化學(xué)沉降劑，可以除去水中的懸浮物質(zhì)。 常見的混凝劑有鋁鹽(硫酸鋁、明礬、堿式氯化鋁等)，有時(shí)還常用“聚合鋁”，即由堿式氯化鋁聚合而成的化合物聚氯化鋁。 (3)鋁鹽凈水的原理：鋁鹽是強(qiáng)電解質(zhì)，溶于水后完全電離出Al3＋，Al3＋水解生成氫氧化鋁膠體可以吸附懸浮于水中的雜質(zhì)形成沉淀，使之從水中分離出來。原理為氫氧化鋁膠體因吸附溶液中的陽離子而帶正電荷。天然水中的雜質(zhì)大多為帶負(fù)電荷的膠粒，因此，帶正電荷的氫氧化鋁能吸附水中帶負(fù)電荷的膠粒，并使這些雜質(zhì)與氫氧化鋁膠體一起凝聚而沉降。其他如硫酸鋁、硫酸亞鐵、氯化鐵、堿式氯化鋁也有相同功效。 2．水的消毒 常用消毒劑有氯氣、漂白粉精、臭氧、二氧化氯等。利用的是這些物質(zhì)的強(qiáng)氧化性，將細(xì)菌和病毒殺死而起到消毒效果。 3．除水的異味 活性炭顆粒的比表面積大，吸附能力強(qiáng)。讓水通過由細(xì)小的活性炭顆粒組成的濾床可去除水中的異味。 二、污水處理 1．污水中的污染物 污水中的主要污染物有需氧廢物、傳染性物質(zhì)、植物養(yǎng)料、有機(jī)物質(zhì)、其他礦物及化學(xué)物質(zhì)、由土壤沖刷帶來的沉積物、放射性物質(zhì)等，也可能會因情況不同而含有不同成分。 2．污水處理的主要方法——生物化學(xué)方法 (1)生物化學(xué)方法的定義：通常使用含有大量需氧微生物的活性污泥，在強(qiáng)力通入空氣(曝氣)的條件下，微生物以水中的有機(jī)廢物為養(yǎng)料生長繁殖，將有機(jī)物分解為二氧化碳、水等無機(jī)物，從而達(dá)到凈水的目的。 (2)生物化學(xué)方法的關(guān)鍵：培養(yǎng)好活性污泥中的微生物，并提高處理過程的曝氣效率，使需氧微生物獲得足夠的氧氣。 3．水的DO與BOD (1)DO表示水中的溶解氧量。 (2)BOD指水中有機(jī)物經(jīng)微生物分解所需的氧氣量。污水中有機(jī)物的含量越大，BOD越高，水的富營養(yǎng)化程度越高。 4．城市污水的再利用 城市污水中工業(yè)污水約占70%，其次是生活污水。工業(yè)污水中含有某些寶貴的資源，可回收再利用。生活污水中含有豐富的植物營養(yǎng)素，是寶貴的肥源。城市污水經(jīng)處理后成為能二次利用的“中水”，可供農(nóng)林灌溉、灑水、消防、沖洗廁所之用。在我國缺水嚴(yán)重的大連、青島等城市，“中水”緩解了水資源的短缺。 思考討論：自來水廠處理水的過程是什么？ 提示：(1)篩濾：用篩子對水進(jìn)行篩濾，濾去較大的懸浮物。 (2)沉淀：加入混凝劑靜置，將水中的懸浮物沉淀到池底部。 (3)過濾：使水通過細(xì)沙，以除去沉淀和殘留的懸浮物。 (4)曝氣：把水暴露在空氣中，使水與空氣的接觸面增大，增加水中氧的含量，以加速水中有機(jī)物的分解。 (5)消毒：加入殺菌消毒劑殺滅水中的有害微生物。 1．現(xiàn)代水處理工藝 現(xiàn)代水處理工藝為混凝→沉淀→過濾→消毒。 (1)混凝劑可加入鋁鹽或鐵鹽，現(xiàn)代技術(shù)常用聚合氯化鋁和聚合硫酸鐵作為混凝劑。 (2)混凝劑的凈水原理是Al3＋或Fe3＋與水中的OH－結(jié)合成膠體，膠體能吸附水中的懸浮物質(zhì)而沉降。 (3)鹽類水解：在水溶液中，鹽電離出來的離子跟水電離出來的H＋或OH－結(jié)合生成弱電解質(zhì)的反應(yīng)。 2．飲用水的消毒方法 (1)液氯消毒。 在我國，用液氯作消毒劑對自來水消毒，是很普遍的。因?yàn)橛靡郝瘸杀镜?、材料來源方便，設(shè)備也簡單，易于操作，消毒效果良好，且積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但是，當(dāng)水源污染較嚴(yán)重時(shí)，有機(jī)物的含量往往較高，若采用液氯消毒(特別是為了保證水質(zhì)進(jìn)行預(yù)氯化處理時(shí))，易導(dǎo)致許多有機(jī)鹵化物的產(chǎn)生。有些有機(jī)鹵化物危害人體健康，會誘發(fā)癌癥的產(chǎn)生。為此，現(xiàn)在國內(nèi)外普遍關(guān)注自來水的消毒處理問題，尤其對直接飲用的自來水，許多國家的有關(guān)部門專門規(guī)定了飲用水中的有機(jī)鹵化物指標(biāo)(如三氯甲烷等)。這樣，用液氯消毒就受到了限制。但是，限于我國自來水行業(yè)的現(xiàn)狀，自來水用液氯消毒仍會繼續(xù)。鑒于上述原因，改善目前加氯消毒工藝，研究最佳氯化條件，實(shí)施投氯自動化，做到科學(xué)合理地加氯，對降低飲用水的有害物質(zhì)含量，具有重要意義。 (2)二氧化氯消毒。 二氧化氯消毒劑對水中各種細(xì)菌、病毒和真菌等都有很強(qiáng)的滅活能力，且有除味、除Fe2＋、除Mn2＋、脫色、控制鹵代烴的形成等優(yōu)點(diǎn)，公認(rèn)是替代液氯消毒的可靠途徑。但因其難儲存，只能在現(xiàn)場制備使用，加之藥品費(fèi)用昂貴、檢測技術(shù)復(fù)雜、產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物(DBPS)——亞氯酸根(ClO)和氯酸根(ClO)，仍有人提出疑義。二氧化氯制備方法有以下兩種：①電解法：用氯酸鈉、亞氯酸鈉和氯化鈉作電解質(zhì)均可制取二氧化氯。由于亞氯酸鈉較貴，氯酸鈉電解法電耗太高，故一般采用電解食鹽法。該裝置以食鹽水為電解質(zhì)，電解后陰極室得到燒堿溶液，陽極室可得到含有氯、二氧化氯、過氧化氫和臭氧的混合消毒劑。故有的廠家將這種生產(chǎn)裝置稱為“二氧化氯協(xié)同發(fā)生器”?；旌舷練怏w中二氧化氯的含量不高，但合理地選擇電解槽中的材料，恰當(dāng)?shù)乜刂齐姌O電位和電解條件，可提高二氧化氯的含量。②化學(xué)法：由亞氯酸鈉作原料，應(yīng)用較多的反應(yīng)方法是亞氯酸鈉自氧化法和氯氣氧化法，反應(yīng)方程式分別如下：5NaClO2＋4HCl===4ClO2＋5NaCl＋2H2O(亞氯酸鈉自氧化法)；2NaClO2＋Cl2===2ClO2＋2NaCl(氯氣氧化法)；從反應(yīng)式可以看出，通過精確控制反應(yīng)器中反應(yīng)物的投加量，可以得到較純凈的ClO2，且轉(zhuǎn)化率較高。 (3)臭氧(O3)消毒。 臭氧是強(qiáng)氧化劑，氧化產(chǎn)物中毒副產(chǎn)物很少，作為消毒劑，具有廣譜的消毒效果，對水中的Fe2＋、Mn2＋、嗅和色等有很好的去除作用。但O3需現(xiàn)場制備，現(xiàn)場使用。還由于臭氧是由臭氧發(fā)生器以電作動力制備，發(fā)生器設(shè)備昂貴，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高，消毒后難以在水中維持一定的殘余量以控制水的再污染等因素，制約了臭氧在飲用水消毒中的推廣應(yīng)用。 拓展思考1：上述三種消毒方法都是應(yīng)用了消毒劑的什么性質(zhì)？ 提示：強(qiáng)氧化性。 3．污水的處理方法 污水處理時(shí)，污水中的懸浮物可用混凝法除去；對其他溶解在水中的污染物，則要根據(jù)其化學(xué)性質(zhì)采用有針對性的化學(xué)方法，如酸堿中和法、重金屬離子沉淀法等。 (1)中和法。 對于酸性廢水和堿性廢水，可以用中和法進(jìn)行處理。如用熟石灰或生石灰來中和鋼鐵廠、電鍍廠等產(chǎn)生的酸性廢水；用H2SO4或CO2中和造紙廠等產(chǎn)生的堿性廢水等。反應(yīng)的離子方程式分別為2H＋＋Ca(OH)2===Ca2＋＋2H2O,2H＋＋CaO===Ca2＋＋H2O；OH－＋H＋===H2O,2OH－＋CO2===CO＋H2O或OH－＋CO2===HCO。對于高濃度的酸、堿廢水，應(yīng)優(yōu)先考慮回收利用的問題，如可用濃縮法回收其中的酸或堿。 (2)沉淀法。 對于含有重金屬離子的工業(yè)廢水，可以利用某些化學(xué)物質(zhì)作為沉淀劑，與金屬離子反應(yīng)生成沉淀而析出，從廢水中分離。例如，對于含有Hg2＋的廢水，可向其中加入Na2S，使Hg2＋轉(zhuǎn)化為HgS沉淀而除去：Hg2＋＋S2－===HgS↓。由于HgS在水中的溶解度極小，當(dāng)S2－過量時(shí)，Hg2＋的濃度可降至極低。用這種處理方法，也能同時(shí)將水中所含的Pb2＋、Cu2＋等重金屬離子除去，所以，經(jīng)過處理的水成為不含重金屬類污染物的水。 (3)處理工業(yè)廢水還有其他方法，如氧化還原法等。在實(shí)際處理工業(yè)廢水時(shí)，根據(jù)污染物組成和回收用水水質(zhì)要求的不同，經(jīng)常需要采用多種技術(shù)分步處理，才能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)或復(fù)用指標(biāo)。 拓展思考2：現(xiàn)代污水處理技術(shù)，按處理程度劃分，可分為哪幾種？ 提示：可分為一級、二級和三級處理。 一級處理，主要去除污水中呈懸浮狀態(tài)的固體污染物質(zhì)，物理處理法大部分只能完成一級處理的要求。經(jīng)過一級處理的污水，BOD一般可去除30%左右，達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。一級處理屬于二級處理的預(yù)處理。 二級處理，主要去除污水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機(jī)污染物質(zhì)(BOD，COD物質(zhì))，去除率可達(dá)90%以上，使有機(jī)污染物達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。 三級處理，進(jìn)一步處理難降解的有機(jī)物、氮和磷等能夠?qū)е滤w富營養(yǎng)化的可溶性無機(jī)物等。主要方法有生物脫氮除磷法，混凝沉淀法，砂率法，活性炭吸附法，離子交換法和電滲分析法等。 4．強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)的區(qū)別 強(qiáng)電解質(zhì) 弱電解質(zhì) 電離程度 水溶液中完全電離，無電離平衡，電離方程式用“===” 水溶液中只部分電離，存在電離平衡，電離方程式用“” 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 離子化合物和強(qiáng)極性化合物 極性化合物 物質(zhì)類別 強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、多數(shù)鹽 弱酸、弱堿、水等 實(shí)例 H2SO4、HNO3、HCl、HI等，KOH、NaOH、Ba(OH)2、Ca(OH)2等 CH3COOH、H2S、 H3PO4、HF等，NH3H2O、水等 溶液中溶 質(zhì)微粒 只有水合離子 溶質(zhì)分子與水合離子共存 電離 方程式 (舉例) NaOH===Na＋＋OH－ H2SO4===2H＋＋SO NH3H2ONH＋OH－ CH3COOH CH3COO－＋H＋ 拓展思考3：電解質(zhì)的強(qiáng)弱與導(dǎo)電性的關(guān)系如何？ 提示：電解質(zhì)的強(qiáng)弱在一定情況下影響著溶液導(dǎo)電性的強(qiáng)弱。導(dǎo)電性的強(qiáng)弱是由溶液中離子濃度的大小決定的。如果某強(qiáng)電解質(zhì)溶液濃度很小，那么它的導(dǎo)電性可以很弱；而某弱電解質(zhì)雖然電離程度小，但濃度較大時(shí)，該溶液的導(dǎo)電能力也可以較強(qiáng)。因此，強(qiáng)電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電能力不一定強(qiáng)，弱電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電能力也不一定弱。 知識點(diǎn)1 生活用水的凈化 【例題1】某綜合實(shí)踐活動小組到自來水廠進(jìn)行參觀，了解到源水處理成自來水的工藝流程示意圖如下： (1)源水中含Ca2＋、Mg2＋、HCO、Cl—等，加入CaO后生成Ca(OH)2，進(jìn)而發(fā)生若干個(gè)復(fù)分解反應(yīng)，試寫出其中任意一個(gè)反應(yīng)的離子方程式：______________________________。 (2)加入凝聚劑可以除去其中的懸浮固體顆粒，該過程是__________(填寫下列各項(xiàng)的序號)。 ①只有物理過程，無化學(xué)過程 ②只有化學(xué)過程，無物理過程 ③既有化學(xué)過程又有物理過程 FeSO47H2O是常用的凝聚劑，加入后最終生成紅褐色膠狀沉淀，則這種沉淀是__________。 (3)通入二氧化碳的目的是______________________和__________________。 (4)氣體A的作用是___________________________________________________。 (5)下列物質(zhì)中，________________可以作為氣體A的替代品(填寫下列各項(xiàng)的序號)。 ①ClO2?、跐獍彼、跾O2?、軡饬蛩? 解析：由題意知：源水中加入CaO后發(fā)生的復(fù)分解反應(yīng)有：HCO＋OH－===CO＋H2O、Ca2＋＋HCO＋OH－===CaCO3↓＋H2O、Ca2＋＋2HCO＋2OH－===CaCO3↓＋CO＋2H2O、Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓。任意寫出一個(gè)即可。加入凝聚劑除去其中的懸浮固體顆粒，該過程既有膠體的吸附作用也有化學(xué)反應(yīng)，所以既有化學(xué)過程又有物理過程。加入FeSO47H2O后生成紅褐色Fe(OH)3膠狀沉淀。通入二氧化碳的目的是除去鈣離子并調(diào)節(jié)溶液酸度。氣體A應(yīng)是氯氣，其作用是殺菌消毒，所以可以找具有強(qiáng)氧化性的ClO2代替。 答案：(1)HCO＋OH－===CO＋H2O 〔或Ca2＋＋HCO＋OH－===CaCO3↓＋H2O 或Ca2＋＋2HCO＋2OH－===CaCO3↓＋CO＋2H2O 或Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓〕 (2)③　Fe(OH)3 (3)除去鈣離子　調(diào)節(jié)溶液酸度 (4)殺菌消毒　(5)① 點(diǎn)撥：本題通過自來水的工藝流程為出發(fā)點(diǎn)，考查了離子反應(yīng)、膠體性質(zhì)、氯氣的消毒原理等知識點(diǎn)，是一道綜合性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)流程題。在解題時(shí)注意與必修內(nèi)容相結(jié)合，如離子方程式書寫的準(zhǔn)確性，CO2和Cl2的用途等都是必修知識在化學(xué)與技術(shù)中的體現(xiàn)。 知識點(diǎn)2 污水處理 【例題2】(xx江蘇南通)下表列出了某冷軋廠排放的廢水中各成分的含量及國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)值的有關(guān)數(shù)據(jù)： 冷軋含鋅廢水水質(zhì) 經(jīng)處理后的水國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)值 ≤800 ≤3.9 pH 1～5 6～9 ≤23 000 ≤150 某科研機(jī)構(gòu)為該廠量身定做，設(shè)計(jì)了如下廢水處理系統(tǒng)，不但節(jié)約大量工業(yè)用水，而且大大降低了生產(chǎn)成本。 請回答下列問題： (1)向中和反應(yīng)池中通入壓縮空氣的作用是________________________________。 (2)若廢水中細(xì)菌含量較高，往往用漂白粉代替石灰乳沉淀Zn2＋，漂白粉沉淀Zn2＋的離子方程式是_____________________________________________________________。 (3)污泥處理系統(tǒng)除去污泥后，可得到的工業(yè)副產(chǎn)品有________(填化學(xué)式)。 (4)薄膜液體過濾器是將膨體聚四氟乙烯專利技術(shù)與全自動控制系統(tǒng)完美地結(jié)合在一起的固液分離設(shè)備。為提高薄膜液體過濾器的過濾能力，廢水處理系統(tǒng)工作一段時(shí)間后，需要對薄膜進(jìn)行化學(xué)處理，薄膜定期處理的方法是________________________________。 (5)經(jīng)上述工藝處理后的廢水pH＝8，此時(shí)廢水中Zn2＋的濃度為____________mgL－1(常溫下，Ksp[Zn(OH)2]＝1.210－17)，________(填“符合”或“不符合”)國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。 解析：(1)通入壓縮空氣的作用相當(dāng)于化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的攪拌。(2)漂白粉的主要成分是次氯酸鈣和氯化鈣，ClO－水解使溶液呈堿性，可以沉淀Zn2＋，Ca2＋沉淀SO。(3)冷軋廠的廢水中含有大量的Zn2＋、H＋、SO，加入氫氧化鈣后，生成的CaSO4、Zn(OH)2與污泥一起沉淀，除去污泥后的副產(chǎn)品就是CaSO4、Zn(OH)2。(4)薄膜液體過濾器的過濾能力是整個(gè)污水處理系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的一步，提高薄膜液體過濾器過濾能力的工藝途徑很多，如：降低濾膜表面摩擦系數(shù)；提高單位膜面積成孔率；定期清洗濾膜上殘存的Zn(OH)2等雜質(zhì)，以免堵塞膜孔影響過濾流量等等。其中化學(xué)處理的方法是定期清洗濾膜上殘存的Zn(OH)2等雜質(zhì)。(5)先將國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)值中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Zn2＋物質(zhì)的量濃度值，再計(jì)算要控制的c(OH－)的值，最后求pH(注意：實(shí)際計(jì)算時(shí)，無須每一步都算到底)。 答案：(1)使反應(yīng)充分進(jìn)行 (2)2ClO－＋Zn2＋＋2H2O===2HClO＋Zn(OH)2↓ (3)CaSO4、Zn(OH)2　(4)將薄膜浸泡在鹽酸中 (5)0.78　符合 1污水處理的主要方法有：①中和法；②化學(xué)沉淀法；③氧化還原法；④過濾法。其中屬于化學(xué)方法的有(　　)。 A．①②③ B．①②④ C．②③④ D．①②③④ 解析：本題考查了物質(zhì)分離的方法。中和法、化學(xué)沉淀法(加入化學(xué)試劑形成沉淀)和氧化還原法均屬于化學(xué)方法，而過濾法是分離難溶性固體和液體混合物的方法，屬于物理方法，所以選A。 答案：A 2xx年上海世博會的主題是“城市，讓生活更美好”。下列敘述中不正確的是(　　)。 A．世博會前期，處理廢水時(shí)加入明礬可作為混凝劑以吸附水中的雜質(zhì) B．反復(fù)煮沸的水不能飲用 C．可以用氯氣對生活用水進(jìn)行消毒 D．游覽世博園時(shí)，多飲用純凈水對身體有益 解析：純凈水不能及時(shí)補(bǔ)充身體所需的礦物質(zhì)元素，建議多飲用煮沸的開水或礦泉水，D項(xiàng)錯(cuò)誤。 答案：D 3設(shè)某省一淡水湖，近來藻類生物瘋狂繁殖，特別是藍(lán)藻在多處出現(xiàn)，水質(zhì)受到嚴(yán)重污染，破壞了生態(tài)平衡，請對下列問題提出你的看法： (1)藻類的生長，說明湖水中哪些元素超標(biāo)，并說明如何破壞了生態(tài)環(huán)境。 (2)現(xiàn)在該湖沿岸某電鍍廠，每周向湖中排放一次含氰廢水，使近岸湖水含CN－的濃度為7.510－5 molL－1，CN－與O2作用生成CO2、N2等。寫出其反應(yīng)的離子方程式；并計(jì)算每排一次，近岸湖水BOD增大多少？ 解析：根據(jù)生物學(xué)科知識，較容易知道是氮、磷超標(biāo)；再根據(jù)BOD的概念求出答案。 (1)藻類的瘋長，主要是N、P等元素含量超標(biāo)，藻類瘋長，水中耗氧過多，其他水生動物窒息而死，尸體腐爛，耗氧且增加有機(jī)質(zhì)，惡性循環(huán)。 (2)4CN－＋5O2＋4H＋===4CO2＋2N2＋2H2O 由離子方程式可知BOD的增長值為： 7．510－5 molL－132103 mgmol－1＝3.0 mgL－1 答案：(1)見解析　(2)4CN－＋5O2＋4H＋===4CO2＋2N2＋2H2O　3.0 mgL－1