《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
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