2024年3月29日发(作者：)
证对市爱幕阳光实验学校专题讲座九 水污染及治理
1月市镉污染事件，9月云南曲靖市的南盘江铬污染事件都说明了水污染已成为我国经济中的一大瓶颈。水是生命之源，有关水污染及其治理已成为近年来高考的热点。
目前污水的处理一般分为三级处理。一级处理：主要是用物理法或化学法，将污水中可沉降固体除去，然后加氯消毒即排入水体。一级处理只是去除污水中的飘浮物和悬浮状态的污染物质，调节污水的pH值，减轻废水的腐蚀程度和减少后续处理负荷。二级处理：污水经一级处理后，再用生物化学方法除去污水量的有机物，使污水进一步净化的工艺过程。活性污泥处理法是二级处理的主要方法。三级处理：又称污水处理或深度处理。污水经过二级处理仍含有磷、氮、病原微生物、矿物质和难以生物降解的有机物，需要进行三级处理，以便进一步除去上述污染物或回收利用有用物质，以便使污水经三级处理后再利用。
污水处理常见有如下三种方法：
一、氧化复原法处理废水
废水中呈溶解状态的有机和无机污染物，在投加氧化剂或复原剂后，由于电子的转移，而发生氧化或复原反，使其转化为无害物质。在工业处理污水时，可用到的氧化剂有：O2、Cl2、O3、Ca(ClO)2、H2O2，氧化复原法在污水处理实例中有氧化发酵含有机物废水处理、空气氧化法处理含硫废水、碱性氯化法处理含氰污水、臭氧化法除臭、脱色、杀菌及除酚、氰、铁、锰，降低污水BOD与COD均有显著效果。目前，复原法主要用于含氮废水的处理。
(2021·理综，26)某氮肥厂氨氮废水中的氮元素多以NH＋4和NH3·H2O的形式存在，该废水的处理流程如下：
(1)过程Ⅰ：加NaOH溶液，调节pH至9后，升温至30 ℃，通空气将氨赶出并回收。
①用离子方程式表示加NaOH溶液的作用：_______________________________。
②用化学平衡原理解释通空气的目的：___________________________________。
(2)过程Ⅱ：在微生物作用的条件下，NH＋4经过两步反被氧化成NO－3。两步反的能量变化示意图如下：
①第一步反是________反(选填“放热〞或“吸热〞)，判断依据是_______
_________________________________________________________________。
②1 mol NH＋－4(aq)氧化成NO3(aq)的热化学方程式是
______________________________________________________________________。
(3)过程Ⅲ：一条件下，向废水中参加CH3OH，将HNO3复原成N2。假设该反消耗32 g CH3OH转移6 mol电子，那么参加反的复原剂和氧化剂的物质的量之比是________。
解析 (1)NH＋－＋－4与OH反：NH4＋OH===NH3·H2O，且NH3·H2O受热易分解，故升温时，NH3逸出。废水中的NH3能被空气带出，使NH3·H2ONH3＋H2O的平衡正向移动。
(2)根据第一步反的能量变化示意图可知反物[NH＋4(aq)＋O2(g)]总能量高于生成物[NO－＋2(aq)＋2H(aq)＋H2O(l)]总能量，故该反为放热反。根据盖斯律知：NH＋－＋4(aq)＋2O2(g)===NO3(aq)＋2H(aq)＋H2O(l) ΔH＝－(273＋73) kJ·mol－1＝
－346 kJ·mol－1。
(3)根据得失电子守恒可得n(CHn(HNO63OH)∶3)＝1∶5＝5∶6。
答案 (1)①NH＋4＋OH－===NH3·H2O
②废水中的NH3被空气带走，使NH3·H2ONH3＋H2O的平衡向正反方向移动，利于除氨
(2)①放热 ΔH＝－273 kJ·mol－1<0(或反物的总能量大于生成物的总能量)
②NH＋＋－4(aq)＋2O2(g)===2H(aq)＋NO3(aq)＋H2O(l) ΔH＝－346
kJ·mol－1
(3)5∶6
(2021·理综，28)地下水中硝酸盐造成的氮污染已成为一个性的环境问题。文献报道某课题组模拟地下水脱氮过程，利用Fe粉和KNO3溶液反，探究脱氮原理及相关因素对脱氮速率的影响。
(1)前：①先用0.1 mol·L－1H2SO4洗涤Fe粉，其目的是________，然后用蒸馏水洗涤至中性；②将KNO3溶液的pH调至；③为防止空气中的O2对脱氮的影响，向KNO3溶液中通入________(写化学式)。
(2)右图表示足量Fe粉复原上述KNO3溶液过程中，
测出的溶液中相关离子浓度、pH随时间的变化关系
(副反产物曲线略去)。请根据图中信息写出
t1时刻前该反的离子方程式：________________。
t＋1时刻后，该反仍在进行，溶液中NH4的浓度在
增大，Fe2＋的浓度却没有增大，可能的原因是________________。
(3)该课题组对影响脱氮速率的因素提出了如下假设，请你完成假设二和假设三：
假设一：溶液的pH；
假设二：______________________________________________________________；
假设三：______________________________________________________________；
……
(4)请你设计验证上述假设一，写出步骤及结论。
(：溶液中的NO－3浓度可用离子色谱仪测)
步骤及结论：
答案 (1)去除铁粉外表的氧化物杂质 N2
(2)4Fe＋NO－＋2＋＋2＋3＋10H===4Fe＋NH4＋3H2O 生成的Fe水解(或和溶液中的OH－结合) (3)温度 铁粉颗粒大小
(4)
步骤及结论：
①分别取体积、浓度的KNO3溶液于不同的试管中；
②调节溶液呈酸性且pH各不相同，并通入N2；
③分别向上述溶液中参加足量质量的同种铁粉；
④用离子色谱仪测相同反时间时各溶液中NO－3的浓度。
假设pH不同的KNO－3溶液中，测出的NO3浓度不同，说明pH对脱氮速率有影响，否那么无影响。
(此题属于开放性试题，答案合理即可)
解析 (1)①用稀H2SO4洗涤Fe粉的目的是去除Fe粉外表的氧化物杂质，③中为防止空气中的O2对脱氮的影响，向KNO3溶液中通入N2。
(2)由图中各离子浓度的变化得t＋1时刻前反的离子方程式为4Fe＋10H＋NO－2＋＋2＋3===4Fe＋NH4＋3H2O。t1时刻后反仍在进行，继续有Fe生成，但从图像上看Fe2＋的浓度却在减小，原因是Fe2＋的水解消耗了Fe2＋，使Fe2＋浓度降低。
(3)从外界条件对反速率的影响因素来看，温度和铁粉的外表积都会对脱氮的速率产生影响。
二、沉淀法处理废水
沉淀法处理废水是污水处理的一种重要方法，主要是通过氧化复原反或电解使易溶于水的含有重金属元素的离子转化为沉淀而除去，目前此法主要用于含＋6价Cr废水的处理。此外，对于Hg2＋、Cu2＋重金属离子的污染，可直接参加沉淀剂(如Na2S)使之转化为沉淀而除去。
(2021·理综，10)工业废水中常含有一量的Cr2－2－2O7和CrO4，它们会对人类及生态系统产生很大损害，必须进行处理。常用的处理方法有两种。
方法1：复原沉淀法
该法的工艺流程为
CrO2－＋2－Fe2＋－4①转化―H―→CrO3＋27②复原――→Cr③沉淀―OH―→Cr(OH)3↓
其中第①步存在平衡：2CrO2－(黄色)＋2－4＋2HCr2O7(橙色)＋H2O
(1)假设平衡体系的pH＝2，该溶液显________色。
(2)能说明第①步反达平衡状态的是__________。
a．Cr2－2－2O7和CrO4的浓度相同
b．2v(Cr2－2－2O7)＝v(CrO4)
c．溶液的颜色不变
(3)第②步中，复原1 mol Cr2－2O7，需要______mol FeSO4·7H2O。
(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＋－3(s)Cr(aq)＋3OH(aq)
常温下，Cr(OH)3＋3－)＝10－323的溶度积Ksp＝c(Cr)·c(OH，要使c(Cr3＋)降至10－5
mol·L－1，溶液的pH调至________。
方法2：电解法
该法用Fe作电极电解含Cr2－2O7的酸性废水，随着电解进行，在阴极附近溶液pH升高，产生Cr(OH)3沉淀。
(5)用Fe作电极的原因为_____________________________________________。
(6)在阴极附近溶液pH升高的原因是(用电极反解释)__________，溶液中同时生成的沉淀还有__________。
解析 (1)平衡体系的pH＝2时，溶液c(H＋)较大，此时c(Cr2－2O7)大，c(CrO2－4)小，溶液显橙色。
(2)反①到达平衡状态时，c(Cr2－2－2O7)与c(CrO4)均不变，但不一相；到达平衡状态时，有2v2－2－2－2－正(Cr2O7)＝v逆(CrO4)；平衡时，Cr2O7和CrO4的浓度不变，溶液的颜色不变。
(3)Cr2－2＋3＋3＋2－2O7与Fe发生氧化复原反，生成Cr和Fe，1 mol Cr2O7被复原时，转移6 mol电子，要消耗6 mol FeSO4·7H2O。
(4)由Cr(OH)－－323的溶度积K3＋sp＝c(Cr)·c3(OH)＝10，那么有c(OH－)＝
3Ksp3。欲使c(Cr＋)降至10－5 mol·L－1，那么有c(OH－)＝10－323cCr3＋10－5
mol·L－1＝10－9 mol·L－1。溶液的pH＝－lgc(H＋)＝－lgKwcOH－＝－－14lg1010－9＝5。
(5)铁作阳极发生反：Fe－2e－===Fe2＋，产生复原剂Fe2＋，可使Cr2－2O7复
Cr3＋，最终生成Cr(OH)3沉淀。
(6)阴极发生反：2H＋＋2e－===H＋2↑，溶液中c(H)降低，溶液的pH升高。由于Fe(OH)2极易被氧化生成Fe(OH)3，故溶液中还生成Fe(OH)3沉淀。
答案 (1)橙 (2)c (3)6 (4)5
(5)阳极反为Fe－2e－===Fe2＋，提供复原剂Fe2＋
(6)2H＋＋2e－===H2↑ Fe(OH)3
六价铬对人体有害，含铬废水要经化学处理后才能排放，方法是用绿矾(FeSO4·7H2O)把废水中的六价铬复原为三价铬离子，再参加过量的石灰水，使铬离子转变为氢氧化铬[Cr(OH)3]沉淀。其主要反的化学方程式如下：
H2Cr2O7＋6FeSO4＋6H2SO4===3Fe2(SO4)3＋Cr2(SO4)3＋7H2O
现用上述方法处理1×104 L含铬(＋6价)78 mg·L－1的废水(Cr的相对原子质量为52)，试答复：
(1)处理后，沉淀物中除Cr(OH)3外，还有______________、____________(用化学式表示)。
(2)需用绿矾多少千克？
答案 (1)Fe(OH)3 CaSO4 (2)12.51 kg
解析 (1)参加石灰水后，Cr3＋、Fe3＋分别生成难溶于水的Cr(OH)3和Fe(OH)2－3沉淀，SO4生成微溶于水的CaSO4沉淀，有关离子方程式为
Cr3＋＋3OH－===Cr(OH)3↓
Fe3＋＋3OH－===Fe(OH)3↓
Ca2＋＋SO2－4===CaSO4↓
(2)1×104 L废水中含Cr的质量为
1×104 L××10－5 kg·L－1＝×10－1 kg
由H2Cr2O7＋6FeSO4＋6H2SO4===3Fe2(SO4)3＋Cr2(SO4)3＋7H2O和绿矾的化学式FeSO4·7H2O可知，Cr与FeSO4·7H2O之间的关系为Cr～3FeSO4·7H2O。
设所需绿矾的质量为x。
Cr ～ 3FeSO4·7H2O
52 834
7．8×10－1 kg
x
原成
－1x＝×10 kg×83452＝12.51 kg。
判断以下说法是否正确，正确的划“√〞，错误的划“×〞
用Na2＋2＋2－2S除去废水中的Hg：Hg＋S===HgS↓
(√)
(2021·理综，9A)
三、法处理废水
“法〞用于处理酸性废水及碱性废水。向酸性废水中投加碱性物质如石灰、氢氧化钠进行，向碱性废水中吹入含CO2的烟道气或其它酸性物质进行。
某造纸厂排放的废烧碱水(内含Na2CO13)流量是100 mL·s－，为了测废水中烧碱的浓度，某环保小组取样250 mL废碱，稀释10倍后再取50 mL，平均分成2份，分别用0.120 0 mol·L－1盐酸滴。第一份采用甲基橙作指示剂，耗去盐酸20 mL；第二份用酚酞作指示剂，耗去盐酸10
mL。试计算：
(1)废烧碱水中NaOH和Na2CO3的物质的量浓度各是多少？(保存四位小数)
(2)该环保小组想用 mol·L－1的废盐酸来上述废烧碱液，理论上盐酸的注入流量为多少？(保存1位小数)
解析 设稀释后每份溶液中(25 mL)含NaOH的物质的量为x、Na2CO3的物质的量为y。当用甲基橙作指示剂时有
NaOH＋HCl===NaCl＋H2O
Na2CO3＋2HCl===2NaCl＋CO2↑＋H2O
x＋2y＝20×10－3 L×0.12 mol·L－1
①
当用酚酞作指示剂时有
NaOH＋HCl===NaCl＋H2O
Na2CO3＋HCl===NaHCO3＋NaCl
x＋y＝10×10－3 L×0.12 mol·L－1
②
联立方程①、②可得：
x＝72×10－3 mol
y＝60×10－4 mol
原废烧碱溶液中：
－3c(NaOH)＝72×10 mol－125×10－3 L×10＝0.508 8 mol·L
－4c(Na)＝60×10－12CO325×10－3 L×10＝0.326 4 mol·L
(2)盐酸流量为
0.508 8 mol·L－1×100 mL·s－1＋2×0.326 4 mol·L－1×100 mL·s－1 mol·L－1－1。
＝9 mL·s
答案 (1)NaOH的物质的量浓度为0.508 8 mol·L，Na2CO3的物质的量浓度为0.326 4 mol·L(2)9 mL·s－1－1－1
