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專題講座九　水污染及治理 2012年1月廣西河池市龍江鎘污染事件，2011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(guó)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)處理。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實(shí)例中有氧化發(fā)酵含有機(jī)物廢水處理、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。 　(2010北京理綜，26)某氮肥廠氨氮廢水中的氮元素多以NH和N H3H2O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，NH經(jīng)過兩步反應(yīng)被氧化成NO。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_____________。 ②1 mol NH(aq)全部氧化成NO(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 32 g CH3OH轉(zhuǎn)移6 mol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)NH與OH－反應(yīng)：NH＋OH－===NH3H2O，且NH3H2O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NH3H2ONH3＋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[NH(aq)＋1.5O2(g)]總能量高于生成物[NO(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：NH(aq)＋2O2(g)===NO(aq)＋2H＋(aq)＋H2O(l)　ΔH＝－(273＋73) kJmol－1＝－346 kJmol－1。 (3)根據(jù)得失電子守恒可得n(CH3OH)∶n(HNO3)＝1∶＝5∶6。 答案　(1)①NH＋OH－===NH3H2O ②廢水中的NH3被空氣帶走，使NH3H2ONH3＋H2O的平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，利于除氨 (2)①放熱　ΔH＝－273 kJmol－1<0(或反應(yīng)物的總能量大于生成物的總能量) ②NH(aq)＋2O2(g)===2H＋(aq)＋NO(aq)＋H2O(l)　ΔH＝－346 kJmol－1 (3)5∶6 　(2011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(duì)脫氮速率的影響。 (1)實(shí)驗(yàn)前：①先用0.1 molL－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(duì)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(cè)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(qǐng)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NH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(duì)影響脫氮速率的因素提出了如下假設(shè)，請(qǐng)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(qǐng)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NO濃度可用離子色譜儀測(cè)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＋NO＋10H＋===4Fe2＋＋NH＋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(cè)定相同反應(yīng)時(shí)間時(shí)各溶液中NO的濃度。 若pH不同的KNO3溶液中，測(cè)出的NO濃度不同， 表明pH對(duì)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(duì)脫氮的影響，向KNO3溶液中通入N2。 (2)由圖中各離子濃度的變化得t1時(shí)刻前反應(yīng)的離子方程式為4Fe＋10H＋＋NO===4Fe2＋＋NH＋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(duì)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(duì)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(duì)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。 　(2011天津理綜，10)工業(yè)廢水中常含有一定量的Cr2O和CrO，它們會(huì)對(duì)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 CrOCr2OCr3＋Cr(OH)3↓ 其中第①步存在平衡：2CrO(黃色)＋2H＋Cr2O(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．Cr2O和CrO的濃度相同 b．2v(Cr2O)＝v(CrO) c．溶液的顏色不變 (3)第②步中，還原1 mol Cr2O，需要______mol FeSO47H2O。 (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＝[Cr3＋][OH－]3＝10－32mol4L－4，要使[Cr3＋]降至 10－5 molL－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Cr2O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[H＋]較大，此時(shí)[Cr2O]大，[CrO]小，溶液顯 橙色。 (2)反應(yīng)①達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，[Cr2O]與[CrO]均不變，但不一定相等；達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，有2v正(Cr2O)＝v逆(CrO)；平衡時(shí)，Cr2O和CrO的濃度不變，溶液的顏色不變。 (3)Cr2O與Fe2＋發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成Cr3＋和Fe3＋，1 mol Cr2O被還原時(shí)，轉(zhuǎn)移6 mol電子，要消耗6 mol FeSO47H2O。 (4)由Cr(OH)3的溶度積Ksp＝[Cr3＋][OH－]3＝10－32 mol4L－4，則有[OH－]＝。欲使[Cr3＋]降至10－5 molL－1，則應(yīng)有[OH－]＝ molL－1＝10－9 molL－1。溶液的pH＝－lg[H＋]＝－lg＝－lg＝5。 (5)鐵作陽(yáng)極發(fā)生反應(yīng)：Fe－2e－===Fe2＋，產(chǎn)生還原劑Fe2＋，可使Cr2O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(yáng)極反應(yīng)為Fe－2e－===Fe2＋，提供還原劑Fe2＋ (6)2H＋＋2e－===H2↑　Fe(OH)3 　六價(jià)鉻對(duì)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(FeSO47H2O)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1104 L含鉻(＋6價(jià))78 mgL－1的廢水(Cr的相對(duì)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)3　CaSO4　(2)12.51 kg 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，SO生成微溶于水的CaSO4沉淀，有關(guān)離子方程式為 Cr3＋＋3OH－===Cr(OH)3↓ Fe3＋＋3OH－===Fe(OH)3↓ Ca2＋＋SO===CaSO4↓ (2)1104 L廢水中含Cr的質(zhì)量為 1104 L7.810－5 kgL－1＝7.810－1 kg 由H2Cr2O7＋6FeSO4＋6H2SO4===3Fe2(SO4)3＋Cr2(SO4)3＋7H2O和綠礬的化學(xué)式FeSO47H2O可知，Cr與FeSO47H2O之間的關(guān)系為Cr～3FeSO47H2O。 設(shè)所需綠礬的質(zhì)量為x。 Cr　　～　　3FeSO47H2O 52　　　　　　　　834 7．810－1 kg　　　 x x＝＝12.51 kg。 　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↓(√) (2011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。 　某造紙廠排放的廢燒堿水(內(nèi)含Na2CO3)流量是100 mLs－1，為了測(cè)定廢水中燒堿的濃度，某環(huán)保小組取樣250 mL廢堿，稀釋10倍后再取50 mL，平均分成2份，分別用0.120 0 molL－1鹽酸滴定。第一份采用甲基橙作指示劑，耗去鹽酸24.20 mL；第二份用酚酞作指示劑，耗去鹽酸17.40 mL。試計(jì)算： (1)廢燒堿水中NaOH和Na2CO3的物質(zhì)的量濃度各是多少？(保留四位小數(shù)) (2)該環(huán)保小組想用1.2 molL－1的廢鹽酸來中和上述廢燒堿液，理論上鹽酸的注入流量應(yīng)為多少？(保留1位小數(shù)) 解析　設(shè)稀釋后每份溶液中(25 mL)含NaOH的物質(zhì)的量為x、Na2CO3的物質(zhì)的量為y。當(dāng)用甲基橙作指示劑時(shí)有 NaOH＋HCl===NaCl＋H2O Na2CO3＋2HCl===2NaCl＋CO2↑＋H2O x＋2y＝24.2010－3 L0.12 molL－1 ① 當(dāng)用酚酞作指示劑時(shí)有 NaOH＋HCl===NaCl＋H2O Na2CO3＋HCl===NaHCO3＋NaCl x＋y＝17.4010－3 L0.12 molL－1 ② 聯(lián)立方程①、②可得： x＝1.27210－3 mol　y＝8.16010－4 mol 原廢燒堿溶液中： [NaOH]＝10＝0.508 8 molL－1 [Na2CO3]＝10＝0.326 4 molL－1 (2)鹽酸流量應(yīng)為 ＝96.8 mLs－1。 答案　(1)NaOH的物質(zhì)的量濃度為0.508 8 molL－1，Na2CO3的物質(zhì)的量濃度為 0.326 4 molL－1 (2)96.8 mLs－1 6