专题讲座九 水污染及治理
１月广西河池市龙江镉污染事件，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建设中的一大瓶颈。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部分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中大量的有机物，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：又称污水高级处理或深度处理。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等，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、氧化还原法处理废水
废水中呈溶解状态的有机和无机污染物，在投加氧化剂或还原剂后，由于电子的转移，而发生氧化或还原反应，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等，氧化还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等均有显著效果。目前，还原法主要用于含氮废水的处理。
（２0１0·北京理综，２6）某氮肥厂氨氮废水中的氮元素多以NH错误!和N H３·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错误!经过两步反应被氧化成NO错误!。两步反应的能量变化示意图如下：
１第一步反应是________反应（选填“放热”或“吸热”），判断依据是_____________。
２１ mol NH错误!（aq）全部氧化成NO错误!（aq）的热化学方程式是____________。
（３）过程Ⅲ：一定条件下，向废水中加入CH３OH，将HNO３还原成N２。若该反应消耗
３２ g CH３OH转移6 mol电子，则参加反应的还原剂和氧化剂的物质的量之比是________。
解析 （１）NH错误!与OH—反应：NH错误!＋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）根据第一步反应的能量变化示意图可知反应物[NH错误!（aq）＋１．５O２（g）]总能量高于生成物[NO错误!（aq）＋２H＋（aq）＋H２O（l）]总能量，故该反应为放热反应。根据盖斯定律知：NH错误!（aq）＋２O２（g）===NO错误!（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（CH３OH）∶n（HNO３）＝１∶错误!＝５∶6。
答案 （１）１NH错误!＋OH—===NH３·H２O
２废水中的NH３被空气带走，使NH３·H２ONH３＋H２O的平衡向正反应方向移动，利于除氨
（２）１放热 ΔH＝—２7３ kJ·mol—１<0（或反应物的总能量大于生成物的总能量）
２NH错误!（aq）＋２O２（g）===２H＋（aq）＋NO错误!（aq）＋H２O（l） ΔH＝—３４6 kJ·mol—１
（３）５∶6
（２0１１·安徽理综，２8）地下水中硝酸盐造成的氮污染已成为一个世界性的环境问题。文献报道某课题组模拟地下水脱氮过程，利用Fe粉和KNO３溶液反应，探究脱氮原理及相关因素对脱氮速率的影响。
（１）实验前：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２．５；３为防止空气中的O２对脱氮的影响，应向KNO３溶液中通入________（写化学式）。
（２）下图表示足量Fe粉还原上述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（部分副反应产物曲线略去）。请根据图中信息写出t１时刻前该反应的
离子方程式：__________________。t１时刻后，该反应仍在进行，溶液中NH错误!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）请你设计实验验证上述假设一，写出实验步骤及结论。
（已知：溶液中的NO错误!浓度可用离子色谱仪测定）
实验步骤及结论：
答案 （１）去除铁粉表面的氧化物等杂质 N２
（２）４Fe＋NO错误!＋１0H＋===４Fe２＋＋NH错误!＋３H２O 生成的Fe２＋水解（或和溶液中的OH—结合） （３）温度 铁粉颗粒大小
（４）
实验步骤及结论： １分别取等体积、等浓度的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分别向上述溶液中加入足量等质量的同种铁粉；
４用离子色谱仪测定相同反应时间时各溶液中NO错误!的浓度。
若pH不同的KNO３溶液中，测出的NO错误!浓度不同，
表明pH对脱氮速率有影响，否则无影响。
（本题属于开放性试题，答案合理即可）
解析 （１）１用稀H２SO４洗涤Fe粉的目的是去除Fe粉表面的氧化物等杂质，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t１时刻前反应的离子方程式为４Fe＋１0H＋＋NO错误!===４Fe２＋＋NH错误!＋３H２O。t１时刻后反应仍在进行，继续有Fe２＋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）从外界条件对反应速率的影响因素来看，温度和铁粉的表面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，主要是通过氧化还原反应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＋等重金属离子的污染，可直接加入沉淀剂（如Na２S）使之转化为沉淀而除去。
（２0１１·天津理综，１0）工业废水中常含有一定量的Cr２O错误!和CrO错误!，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：还原沉淀法
该法的工艺流程为
CrO错误!错误!Cr２O错误!错误!Cr３＋错误!Cr（OH）３↓
其中第１步存在平衡：２CrO错误!（黄色）＋２H＋Cr２O错误!（橙色）＋H２O
（１）若平衡体系的pH＝２，该溶液显________色。
（２）能说明第１步反应达平衡状态的是__________。
a．Cr２O错误!和CrO错误!的浓度相同
b．２v（Cr２O错误!）＝v（CrO错误!）
c．溶液的颜色不变
（３）第２步中，还原１ mol Cr２O错误!，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（s）Cr３＋（aq）＋３OH—（aq）
常温下，Cr（OH）３的溶度积Ksp＝[Cr３＋]·[OH—]３＝１0—３２mol４·L—４，要使[Cr３＋]降至
１0—５ mol·L—１，溶液的pH应调至________。
方法２：电解法
该法用Fe作电极电解含Cr２O错误!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（用电极反应解释）__________，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[H＋]较大，此时[Cr２O错误!]大，[CrO错误!]小，溶液显
橙色。
（２）反应１达到平衡状态时，[Cr２O错误!]与[CrO错误!]均不变，但不一定相等；达到平衡状态时，有２v正（Cr２O错误!）＝v逆（CrO错误!）；平衡时，Cr２O错误!和CrO错误!的浓度不变，溶液的颜色不变。
（３）Cr２O错误!与Fe２＋发生氧化还原反应，生成Cr３＋和Fe３＋，１ mol Cr２O错误!被还原时，转移6 mol电子，要消耗6 mol FeSO４·7H２O。
（４）由Cr（OH）３的溶度积Ksp＝[Cr３＋]·[OH—]３＝１0—３２ mol４·L—４，则有[OH—]＝错误!。欲使[Cr３＋]降至１0—５ mol·L—１，则应有[OH—]＝错误! mol·L—１＝１0—9 mol·L—１。溶液的pH＝—lg[H＋]＝—lg错误!＝—lg错误!＝５。
（５）铁作阳极发生反应：Fe—２e—===Fe２＋，产生还原剂Fe２＋，可使Cr２O错误!还原成Cr３＋，最终生成Cr（OH）３沉淀。
（6）阴极发生反应：２H＋＋２e—===H２↑，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）阳极反应为Fe—２e—===Fe２＋，提供还原剂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）把废水中的六价铬还原为三价铬离子，再加入过量的石灰水，使铬离子转变为氢氧化铬[Cr（OH）３]沉淀。其主要反应的化学方程式如下：
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），试回答：
（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）加入石灰水后，Cr３＋、Fe３＋分别生成难溶于水的Cr（OH）３和Fe（OH）３沉淀，SO错误!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＋＋SO错误!===CaSO４↓
（２）１×１0４ L废水中含Cr的质量为
１×１0４ L×7．8×１0—５ kg·L—１＝7．8×１0—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
x＝错误!＝１２．５１ kg。
