课题1 获取洁净的水
教学目的：
1.知道化学在水处理中的应用。
2.了解化学在水污染处理中的具体应用，认识化学与社会发展的关系；
教学重点、难点：化学在水处理中的应用。
探究建议：参观当地大型企业水处理厂；查阅有关水处理的最新科技文章。
课时划分：两课时
教学过程:.
【导入新课】干旱灾区的朋友们好不容易找到的水源能直结接饮用吗？
【分析】我们知道天然水在自然循环过程中与大气和土壤不断地接触，必然会混入很多种杂质，为了获得符合不同标准(指工业生产或生活方面)的水，必须对水进行处理，以除掉水中的一些杂质。那么如何如何对水进行处理，如何获得符合所需标准的水，这将是这节课将要学习的获取洁净的水。
【问题讨论】自来水厂生产过程中为什么加入絮凝剂？
【分析】天然水中常含有一些悬浮物和胶体，很难用自然沉降法除去。所以常用加入混凝剂的方法，使细小的悬浮物和胶体聚集成较大颗粒而沉淀，然后过滤除去。像这种除杂的方法就称之为混凝法。
【板书】一、天然水的净化
【板书】1.混凝法：
（1）原理：加入一种混凝剂（如：明矾、铁盐、亚铁盐等），使水中细小的悬浮物质和胶体聚集成较大颗的颗粒而沉淀，然后过滤除去。
【提问】常用的混凝剂是明矾，你们知道明矾为什么能净化水？
【分析】明矾的主要成分是KAl(SO4)2，它是强电解质，在水溶液中发生完全电离，他的电离方程式为：KAl(SO4)2 = K+ +Al3+ + 2SO42- ，Al3+与水发生水解反应生成Al(OH)3，水解方程式为 Al3+ + 3H2O Al(OH)3 + 3H+
Al(OH)3在水中以絮状的胶体形式存在，由于水中的胶体杂质一般都带负电,而Al(OH)3胶体粒子带正电，通过电性吸引作用，破坏了天然水中胶体杂质的稳定性，并在分子引力作用下凝聚成大颗粒下沉。同时还能吸附一些悬浮物，这样就起到了净水的作用。
【注意】同学们注意啦，胶体本身是不带电的，带电的是胶体粒子，这就像溶液一样，溶液是成电中性，但溶液中的粒子有可能是带电的。
【过渡】近年来用含铝混凝剂处理饮用水的安全性不断受到质疑，有资料显示铝盐对人体健康有危害，同学们可以看一下：
有资料表明：此外，铝可抑制胃液和胃酸的分泌，使胃蛋白酶活性下降，导致甲状旁腺的亢进。当有铁存在时，铝的存在能增加水的脱色。
【解析】因此，世界卫生组织1989年就将铝作为有毒有害物质在食品领域加以控制了，我国卫生部2000年颁发的《生活饮用水卫生标准》中将铝列为饮用水水质控制指标之一，并明确规定饮用水中铝含量不得高于0．2mg／L。
【过渡】随着社会的进步，在处理饮用水时，美国、欧盟以及日本等发达国家已普遍改用三价铁混凝剂，而铝混凝剂逐渐被淘汰。铝混凝剂主要有？铁混凝剂主要有？
【板书】（2）常见混凝剂：铝混凝剂：明矾，硫酸铝，聚合铝等
铁混凝剂：高铁酸盐（钠，钾），硫酸亚铁，硫酸铁，碱式硫酸铁等
【过渡】我们知道了明矾的净水原理，同样地其他铝混凝剂的净水原理和明矾一样，就是Al3+与水发生水解反应生成Al(OH)3胶体，Al(OH)3胶体可以使水中的胶体杂质凝聚成大颗粒下沉，即胶体的聚沉，同时还能吸附一些悬浮物，这样就起到了净水的作用。那铁混凝剂的净水原理又是如何的呢？由于高铁酸盐是一种新型水处理剂。下面我们就来简要学习一下高铁酸盐。
【分析】高铁酸盐是一种绿色净水剂，其有效成部分是高铁酸根（FeO4）2-]。这里，铁呈+6价，具有很强的氧化性，能通过氧化作用进行消毒，在杀菌消毒的同时，本身被还原成Fe3+，又容易水解生成Fe(OH)3胶体，可以吸附水中的悬浮物和使胶体杂质聚沉，从而起到净化水的作用。
【板书】净水原理:Fe3+ + 3H2O＝ Fe (OH)3 + 3H+
【分析】高铁酸盐的作用有杀菌消毒和吸附水中的悬浮物和使胶体杂质聚沉，因此高铁酸盐同时具有氯气和明矾的净水效果，并且它在整个对水的消毒和净化过程中，不产生任何对人体有害的物质。高铁酸盐被科学家们公认为绿色消毒剂。
【分析】高铁酸盐除了具有优异的氧化漂白、高效絮凝、优良的杀菌作用以外，它还迅速有效地去除淤泥中的臭味物质。铁酸盐除臭主要是氧化掉诸如硫化氢(H2S)、甲硫醇(CH3SH)、甲基硫(CH3)2S)、氨气(NH3)等恶臭物质，将其转化为安全无味的物质。由于高铁酸盐在整个PH值范围都具有极强的氧化性，因而对于淤泥除臭处理是较为理想的方法。
【过渡】下面请同学看到实验2-1
【实验2-1】：在河水中加入以下物质
实验
现象
烧杯1
加入绿矾搅拌后静置
有少量胶状物出现
烧杯2
加NaOH溶液，使pH=9，再加绿矾搅拌后静置
有沉淀析出
烧杯3
加入硫酸铁搅拌后静置
有沉淀析出
【过渡】从现象可以得出什么结论呢?
【学生讨论】为什么亚铁盐的净化效果没有铁盐的效果好？
它在水中的作用与铝盐相似，亚铁盐在水中水解后生成的Fe(OH)2溶解度较大，混凝效果不好。所以，实际应用时必须将Fe2＋氧化成Fe3＋，在溶液中生成Fe(OH)3，起到较好的混凝作用。
【分析】在工业上常用FeSO4·7H2O作为混凝剂，因为它来源充足。在使用FeSO4·7H2O的时候一定要注意:1、必须将Fe2+转化为Fe3+ ,因为Fe(OH)3的净水效果要好些;
由于FeSO4·7H2O溶于水后显酸性，而Fe2＋在碱性条件下更容易被氧化成Fe3＋，所以要将pH调到9左右，变成效果更好的三价铁离子。
【过渡】开水壶用久了，内壁会长出一层厚厚的水垢 ，那说明自来水是什么水?
【过渡】在初中我们已经学过了硬水和软水的知识，下面我们就来简要回顾一下。
【板书】2、化学软化法
【设问】 什么是硬水？什么是软水？(通过阅读回答)
【板书】（1）天然水的分类：
硬水：含有较多Ca2＋、Mg2＋的水叫做硬水；如矿泉水，自来水，河水、湖水、井水、泉水，自然界中的地面水和地下水等。
软水：含有少量Ca2＋、Mg2＋或不含Ca2＋、Mg2＋的水叫做软水。如雨水，雪水（刚下的雨雪），纯净水等。
【过渡】 硬水中含有Ca2+、Mg2+的多少常用水的硬度来表示．最初硬度是指水能溶解肥皂的程度。同学们阅读课本有关硬度的小字内容。硬度的定义是什么？
【板书】（2）硬度定义 ：
1升水中含有10mmgCaO或者相当于10mmgCaO)称为1度（1。)
【分析】水的硬度的表示方法有多种，目前没有一个统一的标准，这种硬度的表示方法称作德国度，我国采用的表示方法与德国相同，这种表示方法是我国目前最普遍使用的一种水的硬度表示方法。
【过渡】 通常根据引起水的硬度的物质是否含HCO3-把水的硬度分为暂时硬度和永久硬度．
暂时硬度：如果水的硬度是由Ca(HCO3)2或Mg(HCO3)2所引起的，这种硬度叫做暂时硬度。
永久硬度：如果水的硬度是由钙和镁的硫酸盐或氯化物等引起的，这种硬度叫做永久硬度。
【提问】思考：暂时硬度可以用什么方法消除？
【分析】暂时硬度经加热之后分解成沉淀物从水中除去，故称为暂时硬度。而永久硬度不能用加热分解的方法除去，因此称为永久硬度。
【过渡】一般天然水大多同时具有暂时硬度和永久硬度，因此，一般所说的硬度是泛指两种硬度的总和．
【过渡】我们知道了硬水和软水，那硬水和软水应该如何鉴别呢？
【板书】（3）硬水和软水的鉴别方法:
①肥皂水法：
种类
硬水
软水
现象
泡沫少，有大量浮渣
有大量泡沫，无浮渣
结论
可用肥皂水来区别硬水和软水；硬水浪费肥皂
②加热法：
种类
硬水
软水
现象
蒸发皿底部有白色固体
蒸发皿底部无或很少固体
结论
可用蒸发法区别硬水和软水；硬水加热可形成水垢
【过渡】我们为什么要研究硬水呢？
【板书】（4）硬水给生活和生产带来的危害：
①不适宜饮用，因为它容易引起肠胃不适，还能诱发疾病；北方水的硬度高，平均寿命比南方人短6年。太硬或太软的水都不利于身体健康。
②不利于洗涤，因为它会造成洗涤剂的浪费，使衣物失去原有色泽且变硬；因为用硬水洗衣服的时候，水里的钙镁离子和肥皂结合，生成了脂肪酸钙和脂肪酸镁的絮状沉淀，这就是“豆腐渣”的来历。
③不能做锅炉用水，因为它会使锅炉内结水垢，降低热效率，不仅浪费燃料，甚至严重时能引起锅炉爆炸。
【过渡】所以，我们必须将硬水进行软化。那么，就让我们接着学习硬水软化的方法吧！
【板书】（5）硬水软化的方法
【分析】硬水的软化就是
软化硬水的方法有多种，通常有加热法，药剂法及离子交换法。对于具有暂时硬度的水可以用加热的方法进行软化。在前面已经提到可以用加热法来消除暂时硬度，下面我们就来看一下它是如何消除的。由于具有暂时硬度的水的硬度是由Ca(HCO3)2，Mg(HCO3)2引起的。在加热的条件下它们会发生分解。
①加热法
Ca(HCO3)2CaCO3↓＋CO2↑＋H2O
Mg(HCO3)2MgCO3↓＋CO2↑＋H2O
思考：CaCO3和MgCO3的溶解度的差别？CaCO3不溶，MgCO3微溶。所以碳酸镁在进一步加热的条件下还可以与水反应生成更难溶的氢氧化镁。
MgCO3＋H2OMg(OH)2↓＋CO2↑
所以水垢的主要成分是CaCO3和Mg(OH)2 ，可以用稀盐酸洗，但是为了防止腐蚀设备，需要加入合适的缓蚀剂。
【小结】通过这样处理后，溶液中Ca2＋、Mg2＋含量减小，因而硬度减小．
【过渡】对于具有永久硬度的水可采用药剂法和离子交换法进行软化。
②药剂法：
药剂法通过向硬水中加入适当的化学药剂，与Ca2＋、Mg2＋发生化学反应，使Ca2＋、Mg2＋以沉淀的形式分离出来，达到软化水的目的。
常用的化学药剂有纯碱、生石灰等。对于工业锅炉用水，还有一种用磷酸盐作药剂的处理方法，使沉淀物悬浮在水中而不结垢。根据水的硬度和对水质的要求，决定使用某种药剂或同时使用几种药剂。
A．如果对水的软化程度要求不高，或者仅为其它软化法做预处理，可以使用石灰，它能消除水的暂时硬度：
CaO＋H2O=====Ca(OH)2
Ca(HCO3) 2＋Ca(OH) 2=====2CaCO3↓+2H2O
Mg(HCO3) 2＋2Ca(OH) 2======Mg(OH) 2↓+2CaCO3↓＋2H2O
B．如果对水的软化程度要求高一些，可以使用石灰和纯碱的混合物，它既能消除水的暂时硬度，也可以消除水的永久硬度：
CaCl2＋Na2CO3CaCO3↓＋2NaCl
MgSO4＋Na2CO3=MgCO3↓＋Na2SO4
MgSO4＋Ca(OH) 2=Mg(OH) 2↓＋CaSO4
CaSO4＋Na2CO3＝CaCO3↓＋Na2SO4
【板书】③离子交换法
【分析讲述】离子交换法是用离子交换剂软化水的方法。离子交换剂分无机质类和有机质类两大类。无机质类又可分天然的——如海绿砂；人造的——如合成沸石。有机质类又分碳质和合成树脂两类。其中碳质类如磺化煤等；合成树脂类分阳离子型——如强酸性和弱酸性树脂；阳离子型——如强碱性和弱碱性树脂、两性树脂和螯合树脂等类。
【过渡】离子交换剂中的阳离子与水中的Ca2＋、Mg2＋发生离子交换作用，使水得到软化。（现在常用作离子交换剂的离子交换树脂，是一类不溶于水但能与溶液中同电性离子进行交换的有机高分子电解质，常用NaR、HR等表示。）如果用NaR表示离子交换剂，你们可以用离子反应来表示离子交换法软化水的过程？
【板书】离子交换原理 2NaR+Ca2＋=CaR2+2Na＋
2NaR+Mg2＋=MgR2+2Na＋
【过渡】下面来看一下离子交换法软化水示意图；接着看一下具体的交换过程
【思考】 这种离子交换是否可以无限进行？
【解析】交换并非是无止境的。交换进行到离子交换剂中的Na+全部被Ca2＋、Mg2＋代替后，离子交换剂即失去软化硬水的能力，也就是说交换后的水不再符合软水的标准时，离子交换剂就失效了，此时必须使离子交换剂再生．
【提问】 什么是离子交换剂的再生？如何再生？(请一位同学回答)
【讲解】常用5——8％NaCl溶液浸泡失去交换能力的离子交换剂，CaR2和MgR2跟Na+发生交换作用重新生成NaR，从而又恢复了离子交换剂软化硬水的能力，这个过程叫再生．
【板书】 再生原理：CaR2+2Na＋=2NaR+Ca2＋
【提问】再生过程和交换过程有什么关系呀？
【解答】再生过程是交换过程的逆过程。
【过渡】中国水资源还是挺多的，但是人均占有量少，空间分布不平衡。随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大。在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，目前与自来水生产、供水、排水、中水回用行业处于同等重要地位。那下面我们就来学习污水处理。
【板书】二、污水处理
1、污水的处理方法：物理法、生物法、化学法等
【分析】污水中的污染物组成非常复杂，常常需要以上几种方法组合，才能达到处理要求。
2、污水的处理过程：根据污水处理的程度，分为一级、二级、三级处理。
【分析】①污水一级处理应用物理方法，如筛滤、沉淀等去除污水中不溶解的悬浮固体和漂浮物质。废水经一级处理后，一般达不到排放标准。故通常为预处理阶段，以减轻后续处理工序的负荷和提高处理效果。
②污水二级处理主要是采用生物方法及某些化学方法，即通过微生物的代谢作用进行物质转化的过程，将污水中的各种复杂的有机物氧化降解为简单的物质。生物处理对污水水质、水温、水中的溶氧量、pH值等有一定的要求。
经过二级处理后的水，一般可达到农灌标准和废水排放标准，故二级处理是废水处理的主体。
【过渡】但经过二级处理的水中还存留一定量的悬浮物、生物不能分解的溶解性有机物、溶解性无机物和氮磷等藻类增值营养物，并含有病毒和细菌。因而不能满足要求较高的排放标准，如处理后排入流量较小、稀释能力较差的河流就可能引起污染，也不能直接用作自来水、工业用水和地下水的补给水源。
③污水三级处理是在一、二级处理的基础上，应用中和法，沉淀法，氧化还原法等化学方法去除污水中难溶解的有机物、磷、氮等营养性物质。
三级处理为深度处理，出水水质较好，甚至能达到饮用水质标准，但处理费用高，除在一些极度缺水的国家和地区外，应用较少。目前我国许多城市正在筹建和扩建污水二级处理厂，以解决日益严重的水污染问题。
【过渡】接下来我们来具体看一下中和法和沉淀法。
3、污水处理中的化学反应及原理：
①、中和法
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、氢氧化钠等进行中和，向碱性废水中吹入含CO2的烟道气或其它酸性物质中和。
②、沉淀法
向污水中投加某中化学物质，使它与污水中的溶解性物质发生反应，生成难溶于水的沉淀物，以降低污水中的溶解污染物的方法。这种处理方法常用于处理含重金属、氰化物等工业生产污水的处理。在处理含锌废水时，一般投加石灰沉淀剂；处理含汞废水时，可采用硫化钠进行共沉处理；含铬污水，可采用碳酸钡、氢氧化钡等为沉淀剂生成难溶的铬酸钡沉淀。
【过渡】随着世界经济和人口的发展，各国对淡水的需求缺口越来越大，以至有28个国家已经被列为缺水国或严重缺水国(我国就在其中)。为解决淡水问题，各国想尽了办法，如跨流域调水、节约用水、污水净化再利用等。然而这只是水资源的时空位移，并不能增加淡水资源的总量。于是，人们再次将目光投向汪洋大海，希望将那取之不尽的苦涩海水变成可以饮用和可以使用的淡水。下面我们就来简单学习一下海水淡化的方法。最简单的方法，是蒸馏法
三、海水淡化
1、海水淡化的方法之一－－－－蒸馏法
蒸馏：给液体加热，使它变为蒸气，再使蒸气冷却，凝聚成液体，这种方法叫做蒸馏。
通过蒸馏，可以把 沸点 不同的物质从混合物中分离出来（如工业制氧气），也可以把 挥发性 液体与溶解在液体中的 不挥发性 杂质分离开来（如蒸馏水就是用蒸馏的方法得到的）。
【分析】蒸馏法，将水蒸发而盐留下，再将水蒸气冷凝为液态淡水。另一个海水淡化的方法是冷冻法，冷冻海水，使之结冰，在液态淡水变成固态的冰的同时，盐被分离了出去。两种方法都有难以克服的弊病。蒸馏法会消耗大量的能源，并在仪器里产生大量的锅垢，相反得到的淡水却并不多。这是一种很不划算的方式。冷冻法同样要消耗许多能源，得到的淡水却味道不佳，难以使用。
蒸馏法的原理很简单，就是我们在实验室里制备蒸馏水的原理。把海水烧到沸腾，淡水蒸发为蒸汽，盐留在锅底，蒸汽冷凝为蒸馏水，即是淡水。
这种古老的海水淡化方法，消耗大量能源，产生大量锅垢，很难大量生产淡水。现代多级闪急蒸馏淡化使古老的蒸馏法焕发了青春。
水在常规气压下，加热到100℃
才沸腾成为蒸汽。如果使适当加温的海水，进入真空或接近真空的蒸馏室，便会在瞬间急速蒸发为蒸汽。利用这一原理，做成多级闪急蒸馏海水淡化装置。此种淡化装置可以造得比较大，真空蒸发室可以造得比较多，连接起来，成为大型海水淡化工厂。这种淡化工厂，可以与热电厂建在一起，利用热电厂的余热加热海水。水电联产，可以大大降低生产成本。现行大型海水淡化厂，大多采用此法。如果太阳能蒸发淡化法能够投入实用，古老的蒸馏淡化技术又上一个节能的新台阶。
2、海水淡化的方法之二－－－－多级闪急蒸馏法：
原理：在一定的压力下，把经过预热的海水加热至某一温度，引入第一个闪蒸室，降压使海水蒸发，产生的蒸汽在热交换管外冷凝而成淡水，而留下的海水，温度降到相应的饱和温度。依次将浓缩海水引入以后各闪蒸室逐级降压，使其蒸发，再冷凝而得到淡水。闪蒸室的个数，称为级数，最常见的装置有20～30级,有些装置可达40级以上。
【分析】所谓闪蒸，是指一定温度的海水在压力突然降低的条件下，部分海水急骤蒸发的现象。多级闪蒸海水淡化是将经过加热的海水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发，将蒸汽冷凝而得到淡水。目前全球海水淡化装置仍以多级闪蒸方法产量最大，技术最成熟，运行安全性高弹性大，主要与火电站联合建设，适合于大型和超大型淡化装置，主要在海湾国家采用。多级闪蒸技术成熟、运行可靠，主要发展趋势为提高装置单机造水能力，降低单位电力消耗，提高传热效率等。
原理：将原料海水加热到一定温度后引入闪蒸室，由于该闪蒸室中的压力控制在低于热盐水温度所对应的饱和蒸汽压的条件下，故热盐水进入闪蒸室后即成为过热水而急速地部分汽化，从而使热盐水自身的温度降低，所产生的蒸汽冷凝后即为所需的淡水。多级闪蒸就是以此原理为基础，使热盐水依次流经若干个压力逐渐降低的闪蒸室，逐级蒸发降温，同时盐水也逐级增浓，直到其温度接近（但高于）天然海水温度。在一定的压力下，把经过预热的海水加热至某一温度，引入第一个闪蒸室，降压使海水闪急蒸发，产生的蒸汽在热交换管外冷凝而成淡水，而留下的海水，温度降到相应的饱和温度。依次将浓缩海水引入以后各闪蒸室逐级降压，使其闪急蒸发，再冷凝而得到淡水。闪蒸室的个数，称为级数，最常见的装置有20～30级,有些装置可达40级以上。
3、海水淡化的方法之三－－－－电渗析法
原理：是使用一种特别制造的薄膜实现的。在电力作用下，海水中盐类的阳离子穿过阳膜跑向阴极方向，不能穿过阴膜而留下来；阴离子穿过阴膜跑向阳极方向，不能穿过阳膜而留下来。这样，盐类离子被交换走的管道中的海水就成了淡水，而盐类离子留下来的管道里的海水就成了被浓缩了的卤水。
【分析】该法的技术关键是新型离子交换膜的研制。离子交换膜是0.5-1.0mm厚度的功能性膜片，按其选择透过性区分为正离子交换膜（阳膜）与负离子交换膜（阴膜）。电渗析法是将具有选择透过性的阳膜与阴膜交替排列，组成多个相互独立的隔室海水被淡化，而相邻隔室海水浓缩，淡水与浓缩水得以分离。电渗析法不仅可以淡化海水，也可以作为水质处理的手段，为污水再利用作出贡献。此外，这种方法也越来越多地应用于化工、医药、食品等行业的浓缩、分离与提纯。
4. 反渗透法
通常又称超过滤法，是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。在通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐渐升高，直至一定的高度才停止，这个过程为渗透。此时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压，那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。反渗透法的最大优点是节能。它的能耗仅为电渗析法的1/2，蒸馏法的1/40。因此，从1974年起，美日等发达国家先后把发展重心转向反渗透法。
反渗透海水淡化技术发展很快，工程造价和运行成本持续降低，主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力，提高反渗透系统回收率，廉价高效预处理技术，增强系统抗污染能力等。
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