高中化学 专题一 多样化的水处理技术 第一单元 水的净化与污水处理学案 苏教版选修2

第一单元水的净化与污水处理

1．了解水是宝贵的自然资源，知道自然界中没有纯水，知道天然水中所含的主要杂质。

2．知道生活用水、工业用水对水质有一定的要求，了解水处理的主要环节，认识化学沉淀剂、氯水、臭氧、二氧化氯、活性炭在水处理中的作用。

3．知道明矾的净水原理，知道污水中的主要污染物及污水处理的主要方法——生物化学方法。

4．充分认识水资源保护的重要性。

2020年10月，一家水质监测机构的官员称，匈牙利一家铝厂泄漏出的有毒废水在本月7日已经流入多瑙河，这条著名河流的生态系统将面临重大考验。全长2 800多千米的多瑙河流经克罗地亚、塞尔维亚、保加利亚、罗马尼亚和乌克兰等国家，最后流入黑海，如果受到污染，将会对欧洲生态造成极大危害。

思考：水污染的检测项目包括哪些？

提示：主要有水的理化指标、无机物和有机物等。

一、生活用水的净化

天然水中杂质含量超过一定标准时会影响水体的自净作用，需要人工净化后才能使用。生活用水的净化途径主要包括除去水中的固体杂质和悬浮物，消毒，除去水中的异味等。

1．混凝法除天然水中固体杂质和悬浮物

(1)混凝法就是在天然水中加入混凝剂，使细小的悬浮物和胶体聚集成较大的颗粒而沉淀，然后过滤除去的方法。

(2)混凝剂，又叫做化学沉降剂，可以除去水中的悬浮物质。

常见的混凝剂有铝盐(硫酸铝、明矾、碱式氯化铝等)，有时还常用“聚合铝”，即由碱式氯化铝聚合而成的化合物聚氯化铝。

(3)铝盐净水的原理：铝盐是强电解质，溶于水后完全电离出Al3＋，Al3＋水解生成氢氧化铝胶体可以吸附悬浮于水中的杂质形成沉淀，使之从水中分离出来。原理为氢氧化铝胶体因吸附溶液中的阳离子而带正电荷。天然水中的杂质大多为带负电荷的胶粒，因此，带正电

荷的氢氧化铝能吸附水中带负电荷的胶粒，并使这些杂质与氢氧化铝胶体一起凝聚而沉降。其他如硫酸铝、硫酸亚铁、氯化铁、碱式氯化铝也有相同功效。

2．水的消毒

常用消毒剂有氯气、漂白粉精、臭氧、二氧化氯等。利用的是这些物质的强氧化性，将细菌和病毒杀死而起到消毒效果。

3．除水的异味

活性炭颗粒的比表面积大，吸附能力强。让水通过由细小的活性炭颗粒组成的滤床可去除水中的异味。

二、污水处理

1．污水中的污染物

污水中的主要污染物有需氧废物、传染性物质、植物养料、有机物质、其他矿物及化学物质、由土壤冲刷带来的沉积物、放射性物质等，也可能会因情况不同而含有不同成分。

2．污水处理的主要方法——生物化学方法

(1)生物化学方法的定义：通常使用含有大量需氧微生物的活性污泥，在强力通入空气(曝气)的条件下，微生物以水中的有机废物为养料生长繁殖，将有机物分解为二氧化碳、水等无机物，从而达到净水的目的。

(2)生物化学方法的关键：培养好活性污泥中的微生物，并提高处理过程的曝气效率，使需氧微生物获得足够的氧气。

3．水的DO与BOD

(1)DO表示水中的溶解氧量。

(2)BOD指水中有机物经微生物分解所需的氧气量。污水中有机物的含量越大，BOD越高，水的富营养化程度越高。

4．城市污水的再利用

城市污水中工业污水约占70%，其次是生活污水。工业污水中含有某些宝贵的资源，可回收再利用。生活污水中含有丰富的植物营养素，是宝贵的肥源。城市污水经处理后成为能二次利用的“中水”，可供农林灌溉、洒水、消防、冲洗厕所之用。在我国缺水严重的大连、青岛等城市，“中水”缓解了水资源的短缺。

思考讨论：自来水厂处理水的过程是什么？

提示：1筛滤：用筛子对水进行筛滤，滤去较大的悬浮物。

2沉淀：加入混凝剂静置，将水中的悬浮物沉淀到池底部。

3过滤：使水通过细沙，以除去沉淀和残留的悬浮物。

4曝气：把水暴露在空气中，使水与空气的接触面增大，增加水中氧的含量，以加速水中有机物的分解。

5消毒：加入杀菌消毒剂杀灭水中的有害微生物。

1．现代水处理工艺

现代水处理工艺为混凝→沉淀→过滤→消毒。

(1)混凝剂可加入铝盐或铁盐，现代技术常用聚合氯化铝和聚合硫酸铁作为混凝剂。

(2)混凝剂的净水原理是Al3＋或Fe3＋与水中的OH－结合成胶体，胶体能吸附水中的悬浮物质而沉降。

(3)盐类水解：在水溶液中，盐电离出来的离子跟水电离出来的H＋或OH－结合生成弱电解质的反应。

2．饮用水的消毒方法

(1)液氯消毒。

在我国，用液氯作消毒剂对自来水消毒，是很普遍的。因为用液氯成本低、材料来源方便，设备也简单，易于操作，消毒效果良好，且积累了丰富的经验。但是，当水源污染较严重时，有机物的含量往往较高，若采用液氯消毒(特别是为了保证水质进行预氯化处理时)，易导致许多有机卤化物的产生。有些有机卤化物危害人体健康，会诱发癌症的产生。为此，现在国内外普遍关注自来水的消毒处理问题，尤其对直接饮用的自来水，许多国家的有关部门专门规定了饮用水中的有机卤化物指标(如三氯甲烷等)。这样，用液氯消毒就受到了限制。但是，限于我国自来水行业的现状，自来水用液氯消毒仍会继续。鉴于上述原因，改善目前加氯消毒工艺，研究最佳氯化条件，实施投氯自动化，做到科学合理地加氯，对降低饮用水的有害物质含量，具有重要意义。

(2)二氧化氯消毒。

二氧化氯消毒剂对水中各种细菌、病毒和真菌等都有很强的灭活能力，且有除味、除Fe2＋、除Mn2＋、脱色、控制卤代烃的形成等优点，公认是替代液氯消毒的可靠途径。但因其难储存，只能在现场制备使用，加之药品费用昂贵、检测技术复杂、产生消毒副产物(DBPS)——亚氯酸根(ClO－2)和氯酸根(ClO－3)，仍有人提出疑义。二氧化氯制备方法有以下两种：①电解法：用氯酸钠、亚氯酸钠和氯化钠作电解质均可制取二氧化氯。由于亚氯酸钠较贵，氯酸钠电解法电耗太高，故一般采用电解食盐法。该装置以食盐水为电解质，电解后阴极室得到烧碱溶液，阳极室可得到含有氯、二氧化氯、过氧化氢和臭氧的混合消毒剂。故有的厂家将这种生产装置称为“二氧化氯协同发生器”。混合消毒气体中二氧化氯的含量不高，但合理地选择电解槽中的材料，恰当地控制电极电位和电解条件，可提高二氧化氯的含量。②化学法：由亚氯酸钠作原料，应用较多的反应方法是亚氯酸钠自氧化法和氯气氧化法，反应方程式分别如下：5NaClO2＋4HCl===4ClO2＋5NaCl＋2H2O(亚氯酸钠自氧化法)；2NaClO2＋Cl2===2ClO2＋2NaCl(氯气氧化法)；从反应式可以看出，通过精确控制反应器中反应物的投加量，可以得到较纯净的ClO2，且转化率较高。

(3)臭氧(O3)消毒。

臭氧是强氧化剂，氧化产物中毒副产物很少，作为消毒剂，具有广谱的消毒效果，对水中的Fe2＋、Mn2＋、嗅和色等有很好的去除作用。但O3需现场制备，现场使用。还由于臭氧是由臭氧发生器以电作动力制备，发生器设备昂贵，运转费用高，消毒后难以在水中维持一定的残余量以控制水的再污染等因素，制约了臭氧在饮用水消毒中的推广应用。

拓展思考1：上述三种消毒方法都是应用了消毒剂的什么性质？

提示：强氧化性。

3．污水的处理方法

污水处理时，污水中的悬浮物可用混凝法除去；对其他溶解在水中的污染物，则要根据其化学性质采用有针对性的化学方法，如酸碱中和法、重金属离子沉淀法等。

(1)中和法。

对于酸性废水和碱性废水，可以用中和法进行处理。如用熟石灰或生石灰来中和钢铁厂、电镀厂等产生的酸性废水；用H2SO4或CO2中和造纸厂等产生的碱性废水等。反应的离子方程式分别为2H＋＋Ca(OH)2===Ca2＋＋2H2O,2H＋＋CaO===Ca2＋＋H2O；OH－＋H＋===H2O,2OH－＋CO2===CO2－3＋H2O或OH－＋CO2===HCO－3。对于高浓度的酸、碱废水，应优先考虑回收利用的问题，如可用浓缩法回收其中的酸或碱。

(2)沉淀法。

对于含有重金属离子的工业废水，可以利用某些化学物质作为沉淀剂，与金属离子反应生成沉淀而析出，从废水中分离。例如，对于含有Hg2＋的废水，可向其中加入Na2S，使Hg2＋转化为HgS沉淀而除去：Hg2＋＋S2－===HgS↓。由于HgS在水中的溶解度极小，当S2－过量时，

Hg2＋的浓度可降至极低。用这种处理方法，也能同时将水中所含的Pb2＋、Cu2＋等重金属离子除去，所以，经过处理的水成为不含重金属类污染物的水。

(3)处理工业废水还有其他方法，如氧化还原法等。在实际处理工业废水时，根据污染物组成和回收用水水质要求的不同，经常需要采用多种技术分步处理，才能达到排放标准或复用指标。

拓展思考2：现代污水处理技术，按处理程度划分，可分为哪几种？

提示：可分为一级、二级和三级处理。

一级处理，主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，物理处理法大部分只能完成一级处理的要求。经过一级处理的污水，BOD一般可去除30%左右，达不到排放标准。一级处理属于二级处理的预处理。

二级处理，主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质(BOD，COD物质)，去除率可达90%以上，使有机污染物达到排放标准。

三级处理，进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方法有生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂率法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗分析法等。

强电解质弱电解质

电离程度水溶液中完全电离，无电离平衡，电离

方程式用“===”

水溶液中只部分电离，存在电

离平衡，电离方程式用

“”

结构特点离子化合物和强极性化合物极性化合物

物质类别强酸、强碱、多数盐弱酸、弱碱、水等

实例H2SO4、HNO3、HCl、HI等，KOH、NaOH、

Ba(OH)2、Ca(OH)2等

CH3COOH、H2S、

H3PO4、HF等，NH3·H2O、水等

溶液中溶

质微粒

只有水合离子溶质分子与水合离子共存

电离方程式(举例) NaOH===Na＋＋OH－

H2SO4===2H＋＋SO2－4

NH3·H2O NH＋4＋OH－

CH3COOH

CH3COO－＋H＋

提示：电解质的强弱在一定情况下影响着溶液导电性的强弱。导电性的强弱是由溶液中离子浓度的大小决定的。如果某强电解质溶液浓度很小，那么它的导电性可以很弱；而某弱电解质虽然电离程度小，但浓度较大时，该溶液的导电能力也可以较强。因此，强电解质溶液的导电能力不一定强，弱电解质溶液的导电能力也不一定弱。

知识点1 生活用水的净化

【例题1】某综合实践活动小组到自来水厂进行参观，了解到源水处理成自来水的工艺流程示意图如下：

(1)源水中含Ca2＋、Mg2＋、HCO－3、Cl—等，加入CaO后生成Ca(OH)2，进而发生若干个复分解反应，试写出其中任意一个反应的离子方程式：______________________________。

(2)加入凝聚剂可以除去其中的悬浮固体颗粒，该过程是__________(填写下列各项的序号)。

①只有物理过程，无化学过程

②只有化学过程，无物理过程

③既有化学过程又有物理过程

FeSO4·7H2O是常用的凝聚剂，加入后最终生成红褐色胶状沉淀，则这种沉淀是__________。

(3)通入二氧化碳的目的是______________________和__________________。

(4)气体A的作用是___________________________________________________。

(5)下列物质中，________________可以作为气体A的替代品(填写下列各项的序号)。

①ClO2②浓氨水③SO2④浓硫酸

解析：由题意知：源水中加入CaO后发生的复分解反应有：HCO－3＋OH－===CO2－3＋H2O、Ca2

＋＋HCO－

3＋OH －===CaCO

3↓＋H2O、Ca

2＋＋2HCO－

3＋2OH

－===CaCO

3↓＋CO

2－

3＋2H2O、Mg

2＋＋2OH－

===Mg(OH)2↓。任意写出一个即可。加入凝聚剂除去其中的悬浮固体颗粒，该过程既有胶体的吸附作用也有化学反应，所以既有化学过程又有物理过程。加入FeSO4·7H2O后生成红褐色Fe(OH)3胶状沉淀。通入二氧化碳的目的是除去钙离子并调节溶液酸度。气体A应是氯气，其作用是杀菌消毒，所以可以找具有强氧化性的ClO2代替。

答案：(1)HCO－3＋OH－===CO2－3＋H2O

〔或Ca2＋＋HCO－3＋OH－===CaCO3↓＋H2O

或Ca2＋＋2HCO－3＋2OH－===CaCO3↓＋CO2－3＋2H2O

或Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓〕

(2)③Fe(OH)3

(3)除去钙离子调节溶液酸度

(4)杀菌消毒(5)①

点拨：本题通过自来水的工艺流程为出发点，考查了离子反应、胶体性质、氯气的消毒原理等知识点，是一道综合性较强的实验流程题。在解题时注意与必修内容相结合，如离子方程式书写的准确性，CO2和Cl2的用途等都是必修知识在化学与技术中的体现。

知识点2 污水处理

【例题2】(2020·江苏南通)下表列出了某冷轧厂排放的废水中各成分的含量及国家环

Zn2＋浓度

mg·L－1

SO2－4浓度

mg·L－1

大大降低了生产成本。

请回答下列问题：

(1)向中和反应池中通入压缩空气的作用是________________________________。

(2)若废水中细菌含量较高，往往用漂白粉代替石灰乳沉淀Zn2＋，漂白粉沉淀Zn2＋的离子方程式是_____________________________________________________________。

(3)污泥处理系统除去污泥后，可得到的工业副产品有________(填化学式)。

(4)薄膜液体过滤器是将膨体聚四氟乙烯专利技术与全自动控制系统完美地结合在一起的固液分离设备。为提高薄膜液体过滤器的过滤能力，废水处理系统工作一段时间后，需要对薄膜进行化学处理，薄膜定期处理的方法是________________________________。

(5)经上述工艺处理后的废水pH＝8，此时废水中Zn2＋的浓度为____________mg·L－1(常温下，K sp[Zn(OH)2]＝1.2×10－17)，________(填“符合”或“不符合”)国家环保标准。

解析：(1)通入压缩空气的作用相当于化学实验中的搅拌。(2)漂白粉的主要成分是次氯酸钙和氯化钙，ClO－水解使溶液呈碱性，可以沉淀Zn2＋，Ca2＋沉淀SO2－4。(3)冷轧厂的废水中含有大量的Zn2＋、H＋、SO2－4，加入氢氧化钙后，生成的CaSO4、Zn(OH)2与污泥一起沉淀，除去污泥后的副产品就是CaSO4、Zn(OH)2。(4)薄膜液体过滤器的过滤能力是整个污水处理系统中最为关键的一步，提高薄膜液体过滤器过滤能力的工艺途径很多，如：降低滤膜表面摩擦系数；提高单位膜面积成孔率；定期清洗滤膜上残存的Zn(OH)2等杂质，以免堵塞膜孔影响过滤流量等等。其中化学处理的方法是定期清洗滤膜上残存的Zn(OH)2等杂质。(5)先将国家环保标准值中的数据转换成Zn2＋物质的量浓度值，再计算要控制的c(OH－)的值，最后求pH(注意：实际计算时，无须每一步都算到底)。

答案：(1)使反应充分进行

(2)2ClO－＋Zn2＋＋2H2O===2HClO＋Zn(OH)2↓

(3)CaSO4、Zn(OH)2(4)将薄膜浸泡在盐酸中

(5)0.78 符合

1污水处理的主要方法有：①中和法；②化学沉淀法；③氧化还原法；④过滤法。其中属于化学方法的有( )。

A ．①②③ B．①②④

C ．②③④ D．①②③④

解析：本题考查了物质分离的方法。中和法、化学沉淀法(加入化学试剂形成沉淀)和氧化还原法均属于化学方法，而过滤法是分离难溶性固体和液体混合物的方法，属于物理方法，所以选A 。

答案：A

22020年上海世博会的主题是“城市，让生活更美好”。下列叙述中不正确的是( )。

A ．世博会前期，处理废水时加入明矾可作为混凝剂以吸附水中的杂质

B ．反复煮沸的水不能饮用

C ．可以用氯气对生活用水进行消毒

D ．游览世博园时，多饮用纯净水对身体有益

解析：纯净水不能及时补充身体所需的矿物质元素，建议多饮用煮沸的开水或矿泉水，D 项错误。

答案：D

3设某省一淡水湖，近来藻类生物疯狂繁殖，特别是蓝藻在多处出现，水质受到严重污染，破坏了生态平衡，请对下列问题提出你的看法：

(1)藻类的生长，说明湖水中哪些元素超标，并说明如何破坏了生态环境。

(2)现在该湖沿岸某电镀厂，每周向湖中排放一次含氰废水，使近岸湖水含CN －的浓度

为7.5×10－5 mol·L －1，CN －与O 2作用生成CO 2、N 2等。写出其反应的离子方程式；并计算每

排一次，近岸湖水BOD 增大多少？

解析：根据生物学科知识，较容易知道是氮、磷超标；再根据BOD 的概念求出答案。

(1)藻类的疯长，主要是N 、P 等元素含量超标，藻类疯长，水中耗氧过多，其他水生动物窒息而死，尸体腐烂，耗氧且增加有机质，恶性循环。

(2)4CN －＋5O 2＋4H ＋===4CO 2＋2N 2＋2H 2O

由离子方程式可知BOD 的增长值为：

7．5×10－5 mol·L －1×54

×32×103 mg·mol －1＝3.0 mg·L －1 答案：(1)见解析 (2)4CN －＋5O 2＋4H ＋===4CO 2＋2N 2＋2H 2O 3.0 mg·L －1