第八章專題講座九水污染及治理

專題講座九水污染及治理2023年1月廣西河池市龍江鎘污染事件，2023年9月云南曲靖市的南盤江鉻污染事件都說明了水污染已成為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的一大瓶頸。水是生命之源，有關(guān)水污染及其治理已成為近年來高考的熱點(diǎn)。目前污水的處理一般分為三級(jí)。一級(jí)處理：主要是用物理法或化學(xué)法，將污水中可沉降固體除去，然后加氯消毒即排入水體。一級(jí)處理只是去除污水中的飄浮物和部分懸浮狀態(tài)的污染物質(zhì)，調(diào)節(jié)污水的pH值，減輕廢水的腐蝕程度和減少后續(xù)處理負(fù)荷。二級(jí)處理：污水經(jīng)一級(jí)處理后，再用生物化學(xué)方法除去污水中大量的有機(jī)物，使污水進(jìn)一步凈化的工藝過程?；钚晕勰嗵幚矸ㄊ嵌?jí)處理的主要方法。三級(jí)處理：又稱污水高級(jí)處理或深度處理。污水經(jīng)過二級(jí)處理仍含有磷、氮、病原微生物、礦物質(zhì)和難以生物降解的有機(jī)物等，需要進(jìn)行三級(jí)處理，以便進(jìn)一步除去上述污染物或回收利用有用物質(zhì)，以便使污水經(jīng)三級(jí)處理后再利用。污水處理常見有如下三種方法：一、氧化還原法處理廢水廢水中呈溶解狀態(tài)的有機(jī)和無機(jī)污染物，在投加氧化劑或還原劑后，由于電子的轉(zhuǎn)移而發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。在工業(yè)處理污水時(shí)，可用到的氧化劑有：O2、Cl2、O3、Ca(ClO)2、H2O2等，氧化還原法在污水處理中的實(shí)例有氧化發(fā)酵處理含有機(jī)物廢水、空氣氧化法處理含硫廢水、堿性氯化法處理含氰污水、臭氧化法除臭、脫色、殺菌及除酚、氰、鐵、錳，降低污水BOD與COD等均有顯著效果。目前，還原法主要用于含氮廢水的處理。例1某氮肥廠氨氮廢水中的氮元素多以NHeq\o\al(＋,4)和NH3·H2O的形式存在，該廢水的處理流程如下：(1)過程Ⅰ：加NaOH溶液，調(diào)節(jié)pH至9后，升溫至30℃，通空氣將氨趕出并回收。①用離子方程式表示加NaOH溶液的作用：______________________________。②用化學(xué)平衡原理解釋通空氣的目的：________________________________________________________________________________________________________。(2)過程Ⅱ：在微生物作用的條件下，NHeq\o\al(＋,4)經(jīng)過兩步反應(yīng)被氧化成NOeq\o\al(－,3)。兩步反應(yīng)的能量變化示意圖如下：①第一步反應(yīng)是________反應(yīng)(選填“放熱”或“吸熱”)，判斷依據(jù)是________________________________________________________________________。②1molNHeq\o\al(＋,4)(aq)全部氧化成NOeq\o\al(－,3)(aq)的熱化學(xué)方程式是________________________________________________________________________。(3)過程Ⅲ：一定條件下，向廢水中加入CH3OH，將HNO3還原成N2。若該反應(yīng)消耗32gCH3OH轉(zhuǎn)移6mol電子，則參加反應(yīng)的還原劑和氧化劑的物質(zhì)的量之比是________。解析(1)NHeq\o\al(＋,4)與OH－反應(yīng)：NHeq\o\al(＋,4)＋OH－=NH3·H2O，且NH3·H2O受熱易分解，故升溫時(shí)，NH3逸出。廢水中的NH3能被空氣帶出，使NH3·H2ONH3＋H2O的平衡正向移動(dòng)。(2)根據(jù)第一步反應(yīng)的能量變化示意圖可知反應(yīng)物[NHeq\o\al(＋,4)(aq)＋1.5O2(g)]總能量高于生成物[NOeq\o\al(－,2)(aq)＋2H＋(aq)＋H2O(l)]總能量，故該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。根據(jù)蓋斯定律知：NHeq\o\al(＋,4)(aq)＋2O2(g)=NOeq\o\al(－,3)(aq)＋2H＋(aq)＋H2O(l)ΔH＝－(273＋73)kJ·mol－1＝－346kJ·mol－1。(3)根據(jù)得失電子守恒可得n(CH3OH)∶n(HNO3)＝1∶eq\f(6,5)＝5∶6。答案(1)①NHeq\o\al(＋,4)＋OH－=NH3·H2O②廢水中的NH3被空氣帶走，使NH3·H2ONH3＋H2O的平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，利于除氨(2)①放熱ΔH＝－273kJ·mol－1<0(或反應(yīng)物的總能量大于生成物的總能量)②NHeq\o\al(＋,4)(aq)＋2O2(g)=2H＋(aq)＋NOeq\o\al(－,3)(aq)＋H2O(l)ΔH＝－346kJ·mol－1(3)5∶6精練1(2023·安徽理綜，28)地下水中硝酸鹽造成的氮污染已成為一個(gè)世界性的環(huán)境問題。文獻(xiàn)報(bào)道某課題組模擬地下水脫氮過程，利用Fe粉和KNO3溶液反應(yīng)，探究脫氮原理及相關(guān)因素對脫氮速率的影響。(1)實(shí)驗(yàn)前：①先用0.1mol·L－1H2SO4洗滌Fe粉，其目的是________，然后用蒸餾水洗滌至中性；②將KNO3溶液的pH調(diào)至2.5；③為防止空氣中的O2對脫氮的影響，應(yīng)向KNO3溶液中通入________(寫化學(xué)式)。(2)下圖表示足量Fe粉還原上述KNO3溶液過程中，測出的溶液中相關(guān)離子濃度、pH隨時(shí)間的變化關(guān)系(部分副反應(yīng)產(chǎn)物曲線略去)。請根據(jù)圖中信息寫出t1時(shí)刻前該反應(yīng)的離子方程式：__________________。t1時(shí)刻后，該反應(yīng)仍在進(jìn)行，溶液中NHeq\o\al(＋,4)的濃度在增大，F(xiàn)e2＋的濃度卻沒有增大，可能的原因是________________。(3)該課題組對影響脫氮速率的因素提出了如下假設(shè)，請你完成假設(shè)二和假設(shè)三：假設(shè)一：溶液的pH；假設(shè)二：______________________________________________________；假設(shè)三：_______________________________________________；……(4)請你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述假設(shè)一，寫出實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)論。(已知：溶液中的NOeq\o\al(－,3)濃度可用離子色譜儀測定)實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)論：答案(1)去除鐵粉表面的氧化物等雜質(zhì)N2(2)4Fe＋NOeq\o\al(－,3)＋10H＋=4Fe2＋＋NHeq\o\al(＋,4)＋3H2O生成的Fe2＋水解(或和溶液中的OH－結(jié)合)(3)溫度鐵粉顆粒大小(4)實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)論：①分別取等體積、等濃度的KNO3溶液于不同的試管中；②調(diào)節(jié)溶液呈酸性且pH各不相同，并通入N2；③分別向上述溶液中加入足量等質(zhì)量的同種鐵粉；④用離子色譜儀測定相同反應(yīng)時(shí)間時(shí)各溶液中NOeq\o\al(－,3)的濃度。若pH不同的KNO3溶液中，測出的NOeq\o\al(－,3)濃度不同，表明pH對脫氮速率有影響，否則無影響。(本題屬于開放性試題，答案合理即可)解析(1)①用稀H2SO4洗滌Fe粉的目的是去除Fe粉表面的氧化物等雜質(zhì)，③中為防止空氣中的O2對脫氮的影響，向KNO3溶液中通入N2。(2)＋＋NHeq\o\al(＋,4)＋3H2O。t1時(shí)刻后反應(yīng)仍在進(jìn)行，繼續(xù)有Fe2＋生成，但從圖像上看Fe2＋的濃度卻在減小，原因是Fe2＋的水解消耗了Fe2＋，使Fe2＋濃度降低。(3)從外界條件對反應(yīng)速率的影響因素來看，溫度和鐵粉的表面積都會(huì)對脫氮的速率產(chǎn)生影響。二、沉淀法處理廢水沉淀法處理廢水是污水處理的一種重要方法，主要是通過氧化還原反應(yīng)或電解使易溶于水的含有重金屬元素的離子轉(zhuǎn)化為沉淀而除去，目前此法主要用于含＋6價(jià)Cr廢水的處理。此外，對于Hg2＋、Cu2＋等重金屬離子的污染，可直接加入沉淀劑(如Na2S)使之轉(zhuǎn)化為沉淀而除去。例2(2023·天津理綜，10)工業(yè)廢水中常含有一定量的Cr2Oeq\o\al(2－,7)和CrOeq\o\al(2－,4)，它們會(huì)對人類及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生很大損害，必須進(jìn)行處理。常用的處理方法有兩種。方法1：還原沉淀法該法的工藝流程為CrOeq\o\al(2－,4)eq\o(→,\s\up7(H＋),\s\do5(①轉(zhuǎn)化))Cr2Oeq\o\al(2－,7)eq\o(→,\s\up7(Fe2＋),\s\do5(②還原))Cr3＋eq\o(→,\s\up7(OH－),\s\do5(③沉淀))Cr(OH)3↓其中第①步存在平衡：2CrOeq\o\al(2－,4)(黃色)＋2H＋Cr2Oeq\o\al(2－,7)(橙色)＋H2O(1)若平衡體系的pH＝2，該溶液顯________色。(2)能說明第①步反應(yīng)達(dá)平衡狀態(tài)的是__________。a．Cr2Oeq\o\al(2－,7)和CrOeq\o\al(2－,4)的濃度相同b．2v(Cr2Oeq\o\al(2－,7))＝v(CrOeq\o\al(2－,4))c．溶液的顏色不變(3)第②步中，還原1molCr2Oeq\o\al(2－,7)，需要______molFeSO4·7H2O。(4)第③步生成的Cr(OH)3在溶液中存在以下沉淀溶解平衡：Cr(OH)3(s)Cr3＋(aq)＋3OH－(aq)常溫下，Cr(OH)3的溶度積Ksp＝c(Cr3＋)·c3(OH－)＝10－32，要使c(Cr3＋)降至10－5mol·L－1，溶液的pH應(yīng)調(diào)至________。方法2：電解法該法用Fe作電極電解含Cr2Oeq\o\al(2－,7)的酸性廢水，隨著電解進(jìn)行，在陰極附近溶液pH升高，產(chǎn)生Cr(OH)3沉淀。(5)用Fe作電極的原因?yàn)開________________________________________________。(6)在陰極附近溶液pH升高的原因是(用電極反應(yīng)解釋)__________，溶液中同時(shí)生成的沉淀還有__________。解析(1)平衡體系的pH＝2時(shí)，溶液c(H＋)較大，此時(shí)c(Cr2Oeq\o\al(2－,7))大，c(CrOeq\o\al(2－,4))小，溶液顯橙色。(2)反應(yīng)①達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，c(Cr2Oeq\o\al(2－,7))與c(CrOeq\o\al(2－,4))均不變，但不一定相等；達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，有2v正(Cr2Oeq\o\al(2－,7))＝v逆(CrOeq\o\al(2－,4))；平衡時(shí)，Cr2Oeq\o\al(2－,7)和CrOeq\o\al(2－,4)的濃度不變，溶液的顏色不變。(3)Cr2Oeq\o\al(2－,7)與Fe2＋發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成Cr3＋和Fe3＋，1molCr2Oeq\o\al(2－,7)被還原時(shí)，轉(zhuǎn)移6mol電子，要消耗6molFeSO4·7H2O。(4)由＋)降至10－5mol·L－1，則應(yīng)有c(OH－)＝eq\r(3,\f(10－32,10－5))mol·L－1＝10－9mol·L－1。溶液的pH＝－lgc(H＋)＝－lgeq\f(Kw,cOH－)＝－lgeq\f(10－14,10－9)＝5。(5)鐵作陽極發(fā)生反應(yīng)：Fe－2e－=Fe2＋，產(chǎn)生還原劑Fe2＋，可使Cr2Oeq\o\al(2－,7)還原成Cr3＋，最終生成Cr(OH)3沉淀。(6)陰極發(fā)生反應(yīng)：2H＋＋2e－=H2↑，溶液中c(H＋)降低，溶液的pH升高。由于Fe(OH)2極易被氧化生成Fe(OH)3，故溶液中還生成Fe(OH)3沉淀。答案(1)橙(2)c(3)6(4)5(5)陽極反應(yīng)為Fe－2e－=Fe2＋，提供還原劑Fe2＋(6)2H＋＋2e－=H2↑Fe(OH)3精練2六價(jià)鉻對人體有害，含鉻廢水要經(jīng)化學(xué)處理后才能排放，方法是用綠礬(FeSO4·7H2O)把廢水中的六價(jià)鉻還原為三價(jià)鉻離子，再加入過量的石灰水，使鉻離子轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸t[Cr(OH)3]沉淀。其主要反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：H2Cr2O7＋6FeSO4＋6H2SO4=3Fe2(SO4)3＋Cr2(SO4)3＋7H2O現(xiàn)用上述方法處理1×104L含鉻(＋6價(jià))78mg·L－1的廢水(Cr的相對原子質(zhì)量為52)，試回答：(1)處理后，沉淀物中除Cr(OH)3外，還有____________、____________(用化學(xué)式表示)。(2)需用綠礬多少千克？答案(1)Fe(OH)3CaSO4(2)12.51kg解析(1)加入石灰水后，Cr3＋、Fe3＋分別生成難溶于水的Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀，SOeq\o\al(2－,4)生成微溶于水的CaSO4沉淀。(2)1×104L廢水中含Cr的質(zhì)量為1×104L×7.8×10－5kg·L－1＝7.8×10－1kg由H2Cr2O7＋6FeSO4＋6H2SO4=3Fe2(SO4)3＋Cr2(SO4)3＋7H2O和綠礬的化學(xué)式FeSO4·7H2O可知，Cr與FeSO4·7H2O之間的關(guān)系為Cr～3FeSO4·7H2O。設(shè)所需綠礬的質(zhì)量為x。Cr～3FeSO4·7H2O528347.8×10－1kgxx＝eq\f(7.8×10－1kg×834,52)＝12.51kg。精練3判斷下列說法是否正確，正確的劃“√”，錯(cuò)誤的劃“×”用Na2S除去廢水中的Hg2＋：Hg2＋＋S2－=HgS↓(√)(2023·北京理綜，9A)三、中和法處理廢水“中和法”用于處理酸性廢水及堿性廢水。向酸性廢水中投加堿性物質(zhì)如石灰、氫氧化鈉等進(jìn)行中和，向堿性廢水中吹入含CO2的煙道氣或其它酸性物質(zhì)進(jìn)行中和。例3某造紙廠排放的廢燒堿水(內(nèi)含Na2CO3)流量是100mL·s－1，為了測定廢水中燒堿的濃度，某環(huán)保小組取樣250mL廢燒堿水，稀釋10倍后再取50mL，平均分成2份，分別用0.1200mol·L－1鹽酸滴定。第一份采用甲基橙作指示劑，耗去鹽酸24.20mL；第二份用酚酞作指示劑，耗去鹽酸17.40mL。試計(jì)算：