2019-2020年高中化學(xué)專題一多樣化的水處理技術(shù)第三單元海水淡化學(xué)案蘇教版選修.doc

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2019-2020年高中化學(xué)專題一多樣化的水處理技術(shù)第三單元海水淡化學(xué)案蘇教版選修 1．知道海水是一種重要的資源，海水淡化技術(shù)是解決淡水資源緊缺問題的關(guān)鍵。 2．了解海水淡化的主要方法。 3．了解蒸餾法淡化海水的基本原理。 2010年6月23日，以“海水淡化與可持續(xù)發(fā)展”為主題的xx亞太脫鹽大會在青島開幕，來自10多個國家及地區(qū)的400多名海水淡化行業(yè)的專家及學(xué)者參會，共同為推動海水淡化技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展共謀大計。會議為期三天，近80位國內(nèi)外專家學(xué)者就區(qū)域水問題概覽與前景、裝備與配套的創(chuàng)新、熱發(fā)海水淡化材料、預(yù)處理技術(shù)的最新進展、脫鹽膜材料的研究進展與發(fā)展趨勢、熱法脫鹽工藝、創(chuàng)新的水回用技術(shù)、膜法海水淡化、水處理化學(xué)品的發(fā)展等九個專題進行研討，并作了專題報告。一年一次的青島海水淡化國際會議已發(fā)展成亞太地區(qū)規(guī)模最大、水平最高、最有影響力和最專業(yè)的海水淡化與水再利用會展品牌。 一、海水淡化的概念與方法 1．概念 海水是一種不容忽視的潛在水源，海水淡化技術(shù)是解決淡水資源緊缺問題的關(guān)鍵。海水淡化又稱脫鹽，它是利用物理、化學(xué)、生物方法將海水中溶解的鹽脫除。 2．方法 海水淡化的方法有蒸餾法、膜法、冷凍法、離子交換法等，其中蒸餾法、膜法是主要方法。 二、海水淡化技術(shù) 1．蒸餾法 (1)主要特點：蒸餾法能耗大，但設(shè)備相對簡單，技術(shù)比較成熟。 (2)類型：蒸餾與減壓蒸餾。 (3)實際應(yīng)用：蒸餾法淡化的水量約占世界海水總淡化量的70%。實際應(yīng)用中，人們采用降低容器內(nèi)壓強的方法使水在比較低的溫度下沸騰，并充分利用熱交換技術(shù)，使該法得以普及。 2．電滲析法 (1)基本原理。 在電滲析槽里，陰、陽離子交換膜把滲析槽分隔成三個區(qū)域(如教科書中電滲析原理示意圖)，兩端的兩個區(qū)域的電極分別與直流電源的兩極相連。裝滿海水后，在外加電場的作用下，處于中間位置海水槽里的陰、陽離子分別透過陰離子交換膜、陽離子交換膜遷移到陽極區(qū)、陰極區(qū)，中間水槽里的水含鹽量就降低了。 (2)特點：電滲析法消耗的電能大，但其成本只有蒸餾法的1/4。 (3)離子交換膜：選擇性離子交換膜是用離子交換樹脂制成的薄膜，也稱電滲析膜。它有陰、陽離子交換膜之分，陰離子只能通過陰離子交換膜，陽離子只能通過陽離子交換膜。 3．反滲透法 (1)滲透壓：用一種滲透膜把含鹽濃度不同的兩種水溶液隔開，將發(fā)生滲透現(xiàn)象。濃度較小的溶液中的水分會通過半透膜滲透到濃度較大的溶液中，使原來濃度較大的一側(cè)溶液液面升高，當液面升高產(chǎn)生的壓力達到一定的數(shù)值時能阻止水的繼續(xù)滲透，這個壓力稱為滲透壓。 (2)基本原理：如果在含鹽濃度較大的溶液一側(cè)施加一定的壓力，可以迫使水從濃溶液一側(cè)向稀溶液一側(cè)滲透，使?jié)馊芤簼舛仍龃蟆? (3)主要特點：反滲透法的最大優(yōu)點是節(jié)能，利用反滲透技術(shù)可以大量、快速地生產(chǎn)淡水。因此，尋找更理想的滲透膜，提高海水淡化效率是目前努力的方向。 4．冷凍法 (1)基本原理：把冷海水噴入真空室，部分海水蒸發(fā)吸熱使其余海水冷卻形成冰晶。固體冰晶中的雜質(zhì)要比原溶液中少得多。將得到的冰晶用適量的淡水淋洗、熔化，就得到淡水。 (2)主要特點：由于水的比熱、汽化熱大，這種海水淡化技術(shù)要消耗大量的能源。 1．海水淡化的方法 海水淡化的方法已有十幾種，主要的有蒸餾法、電滲析法、離子交換法等。其中蒸餾法的歷史最久，技術(shù)和工藝也比較完善，是目前海水淡化的主要方法。 (1)蒸餾法：蒸餾法雖然是一種古老的方法，但由于技術(shù)不斷地改進與發(fā)展，該法至今仍占統(tǒng)治地位。蒸餾淡化過程的實質(zhì)就是水蒸氣的形成過程，其原理如同海水受熱蒸發(fā)形成云，云在一定條件下遇冷形成雨，而雨是不帶咸味的。根據(jù)所用能源、設(shè)備、流程不同主要可分設(shè)備蒸餾法、蒸氣壓縮蒸餾法、多級閃急蒸餾法等。 (2)冷凍法：冷凍法，即冷凍海水使之結(jié)冰，在液態(tài)淡水變成固態(tài)冰的同時鹽被分離出去。冷凍法與蒸餾法都有難以克服的弊端，其中蒸餾法會消耗大量的能源并在儀器里產(chǎn)生大量的鍋垢，而所得到的淡水卻并不多；而冷凍法同樣要消耗許多能源，但得到的淡水味道卻不佳，難以使用。 (3)反滲透法：通常又稱超過濾法，是1953年才開始采用的一種膜分離淡化法。該法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質(zhì)透過的半透膜，將海水與淡水分隔開的。在通常情況下，淡水通過半透膜擴散到海水一側(cè)，從而使海水一側(cè)的液面逐漸升高，直至一定的高度才停止，這個過程為滲透。此時，海水一側(cè)高出的水柱靜壓稱為滲透壓。如果對海水一側(cè)施加一大于海水滲透壓的外壓，那么海水中的純水將反滲透到淡水中。反滲透法的最大優(yōu)點是節(jié)能。反滲透海水淡化技術(shù)發(fā)展很快，工程造價和運行成本持續(xù)降低，主要發(fā)展趨勢為降低反滲透膜的操作壓力，提高反滲透系統(tǒng)回收率，廉價高效預(yù)處理技術(shù)，增強系統(tǒng)抗污染能力等。 (4)太陽能法：人類早期利用太陽能進行海水淡化，主要是利用太陽能進行蒸餾，所以早期的太陽能海水淡化裝置一般都稱為太陽能蒸餾器。由于它結(jié)構(gòu)簡單、取材方便，至今仍被廣泛采用。與傳統(tǒng)動力源和熱源相比，太陽能具有安全、環(huán)保等優(yōu)點，將太陽能采集與脫鹽工藝兩個系統(tǒng)結(jié)合是一種可持續(xù)發(fā)展的海水淡化技術(shù)。太陽能海水淡化技術(shù)由于不消耗常規(guī)能源、無污染、所得淡水純度高等優(yōu)點而逐漸受到人們的重視。 2．海水淡化的原理 海水淡化的目的是去除海水中超標的鹽，降低鹽的濃度。 最簡單的方法是利用太陽能蒸發(fā)水分，收集蒸餾水。其次可以采用減壓蒸餾的方法，降低水的沸點，使水在較低的溫度下蒸發(fā)，收集蒸餾水。 現(xiàn)在大規(guī)模淡化海水則采用電滲析法。如下圖所示：海水進入電滲析裝置后，在電場作用下，鈉離子和氯離子都要做定向移動：鈉離子向陰極移動，氯離子向陽極移動，但陽離子交換膜只能讓鈉離子通過，陰離子交換膜只能讓氯離子通過，所以，在電滲析裝置中就出現(xiàn)了“一格海水被濃縮，另一格海水被淡化”的情況，我們只需要將淡水引出即得淡化水，而濃縮后的鹵水則可以作為海水加工的原料得到進一步的利用。 知識點海水淡化 【例題】陽離子能在直流電場的作用下透過陽離子交換膜向陰極遷移，陰離子則能在直流電場的作用下透過陰離子交換膜向陽極遷移。同時在電解槽(稱為“電滲析器”)中使用合適型號的這兩種膜(簡稱“陽膜”和“陰膜”)，可以在直流電場的作用下進行海水的電滲析脫鹽而使海水淡化。 海水中主要離子的含量平均值如下： Cl－：18 980 mgL－1　Na＋：10 560 mgL－1 SO：2 560 mgL－1　Mg2＋：1 272 mgL－1 Ca2＋：400 mgL－1　K＋：380 mgL－1 HCO：142 mgL－1 海水在電滲析器中部分變成淡水的原理，示意圖如圖所示電滲析器中由許多對陽、陰膜圍成的許多“隔室”的寬度都很窄。脫鹽時，各隔室相間流動著“淡水”和“濃水”；在流動著“極水”的以石墨為電極材料的兩極發(fā)生電解反應(yīng)。根據(jù)需要，可將幾臺電滲析器串聯(lián)使用。圖中標寫的離子符號，提供思考其在電場中的遷移方向。 回答下列問題： (1)分別寫出海水在電滲析器中脫鹽時所得主要陽極產(chǎn)物和主要陰極產(chǎn)物的化學(xué)式。用石棉布為隔膜的一般惰性陽極電解槽來電解海水，能用來生產(chǎn)H2嗎？為什么？ (2)致力于發(fā)展電滲析法、反滲透法等海水淡化新技術(shù)的直接社會效益是什么？ (3)已成功地聯(lián)合應(yīng)用海水淡化新技術(shù)和一般的離子交換樹脂凈水法，由海水制得純水。又知海洋水能源(海洋水能發(fā)電)有其巨大的開發(fā)前景。你認為應(yīng)怎樣綜合開發(fā)海洋能源，促成人類進入氫能時代？ 解析：(1)陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑；陰極：2H＋＋2e－===H2↑。因為氯氣可以和燒堿反應(yīng)，所以不能用于制氯氣，但制氫氣沒有什么問題。 (2)從以上原理看，至少可以得到電解產(chǎn)物氯氣、氫氣和高濃度的燒堿，同時得到淡水及可用于進一步利用的濃縮海水。 答案：(1)Cl2、H2；可以；因為陰極發(fā)生的反應(yīng)可以得到H2。 (2)制氯氣、氫氣和高濃度的燒堿，同時得到淡水及高濃度鹵水。 (3)思路提示：太陽能發(fā)電，電滲析電解得氯堿類產(chǎn)品及淡水，鹵水的進一步開發(fā)利用。 1廣東正在建設(shè)海洋強省。下列說法不正確的是(　　)。 A．從海帶中提取碘單質(zhì)的過程涉及氧化還原反應(yīng) B．往淡水中加入NaCl等配成人造海水，可用于海產(chǎn)品的長途運輸 C．赤潮主要是由工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活廢水引起沿海水域的富營養(yǎng)化而造成的 D．海洋經(jīng)濟專屬區(qū)的資源開發(fā)可獲得Fe、Co、K、Au、Mg、B等金屬 解析：海水中含碘的是碘離子(I－)，要從海水中提取碘單質(zhì)(I2)必然會涉及元素化合價的升降，所以一定涉及氧化還原反應(yīng)，故A正確；由于生活污水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢水任意排放引起水中N、P元素增高造成水域的富營養(yǎng)化進一步造成了赤潮，故C正確；B不是金屬元素，故D不正確。 答案：D 2海水約占地球現(xiàn)有總水量的97.5%，海水淡化問題成為科學(xué)家的主要研究方向。下列淡化海水的方法不可行的是(　　)。 A．加化學(xué)試劑，使海水中的鹽分沉淀 B．利用太陽能，將海水蒸餾而去掉鹽分 C．將海水通過離子交換樹脂而除去鹽分 D．利用半透膜，采用反滲透法而除掉鹽分 解析：海水中Na＋等離子不能通過加化學(xué)試劑而沉淀，A項錯誤；B項為蒸餾法淡化海水，C項為電滲析法淡化海水，D項為反滲透法淡化海水。 答案：A 3自來水一般用氯氣消毒，某同學(xué)用自來水配制下列物質(zhì)的溶液時，不會產(chǎn)生藥品明顯變質(zhì)的是(　　)。 A．AgNO3溶液 B．紫色石蕊試液 C．KI溶液 D．NaCl溶液 答案：D 4目前下列工藝過程沒有直接使用離子交換技術(shù)的是(　　)。 A．硬水的軟化 B．電解飽和食鹽水制NaOH C．電滲析淡化海水 D．海水中提取金屬Mg 解析：選項A，硬水軟化常用離子交換樹脂脫去其中的鈣、鎂離子；選項B，電解飽和食鹽水常用離子交換膜來阻止氣體分子或陰離子通過；選項C，電滲析法淡化海水也用陽離子交換膜和陰離子交換膜；選項D，不用離子交換膜，加入熟石灰后生成氫氧化鎂沉淀過濾，然后再加入鹽酸進行濃縮結(jié)晶，再在氯化氫的氣氛中脫水，最后用電解熔融的氯化鎂制備金屬鎂。 答案：D