化工工艺流程_废水处理与综合利用

第5讲化工工艺流程—废水处理与综合利用无机工艺流程题考虑的问题主要有以下几方面：一是选择将原料转化为产品的生产原理；二是除杂并分离提纯产品；三是提高产品的产量和产率；四是减少污染，注意环保，发展“绿色化学”；五是考虑原料的来源丰富和经济成本；六是生产设备简单，生产工艺简便等。热点1废水处理例1利用化学原理对工厂排放的废水、废渣等进行有效检测与合理处理。(一)染料工业排放的废水中含有大量有毒的NO－2，可以在碱性条件下加入铝粉除去(加热处理后的废水会产生能使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体)。除去NO－2的离子方程式为____________________。(二)某工厂对制革工业污泥中Cr元素的回收与再利用工艺如下(硫酸浸取液中金属离子主要是Cr3＋，其次是Fe3＋、Fe2＋、Al3＋、Ca2＋、Mg2＋)：常温下部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见下表：阳离子Fe3＋Fe2＋Mg2＋Al3＋Cu2＋Cr3＋开始沉淀时的pH1.97.0－－4.7－沉淀完全时的pH3.29.011.186.79(＞9溶解)(1)酸浸时，为了提高浸取率可采取的措施是__________(至少写一条)。(2)调pH＝8是为了除去__________(填Fe3＋、Al3＋、Ca2＋、Mg2＋)。(3)钠离子交换树脂的原理为Mn＋＋nNaR―→MRn＋nNa＋，被交换的杂质离子是__________(填Fe3＋、Al3＋、Ca2＋、Mg2＋)。(4)试配平氧化还原反应方程式：Na2Cr2O7＋SO2＋H2O===Cr(OH)(H2O)5SO4＋Na2SO4；每生成1molCr(OH)(H2O)5SO4消耗SO2的物质的量为______。(三)印刷电路铜板腐蚀剂常用FeCl3。腐蚀铜板后的混合溶液中，若Cu2＋、Fe3＋和Fe2＋的浓度均为0.10mol/L，请参照上表给出的数据和提供的药品，简述除去CuCl2溶液中Fe3＋和Fe2＋的实验步骤：①_________________；②_______________；③过滤。(提供的药品：Cl2、浓H2SO4、NaOH溶液、CuO、Cu)。解析本题以污水处理为中心，考查了化学反应方程式的书写、工艺流程分析、除杂、计算等，最后要求考生根据题意设计一个除杂实验的实验步骤。(一)在碱性条件下用铝粉还原NO－2，根据题意知NO－2被还原的产物为NH3·H2O，铝元素被氧化成[Al(OH)4]－，然后进行书写和配平。(二)先对污泥处理过程作整体分析，过滤Ⅰ的目的是除去污泥中的不溶性杂质，然后用H2O2将难以沉淀的Fe2＋氧化成易沉淀的Fe3＋，在此过程中Cr3＋被氧化成Cr2O2－7。调节pH至8，通过对照阳离子沉淀的pH表可知，此时Fe3＋和Al3＋完全沉淀，通过过滤Ⅱ除去沉淀后，溶液中还有Cr2O2－7、Ca2＋、Mg2＋，其中的Ca2＋、Mg2＋通过钠离子交换树脂可以除去，最后用SO2还原Cr2O2－7得到最终的产物。还原时，每生成1molCr(OH)(H2O)5SO4时转移电子的物质的量为3mol，需要SO21.5mol。(三)欲除去CuCl2溶液中的Fe3＋和Fe2＋，必须先将Fe2＋氧化成Fe3＋，然后再通过调节pH至3.2～4.7，可以将Fe3＋转化成Fe(OH)3沉淀而除去。为了不引入新的杂质，氧化时用氯气，调节pH用CuO。答案(一)2Al＋OH－＋NO－2＋6H2O===2[Al(OH)4]－＋NH3·H2O(二)(1)升高温度、搅拌、过滤后再向滤渣中加入硫酸(多次浸取)、适当延长浸取时间(只要答出任意一点即可，其他合理答案也可)(2)Fe3＋、Al3＋(3)Mg2＋、Ca2＋(4)1311211.5mol(三)①通入足量氯气将Fe2＋氧化成Fe3＋②加入CuO调节溶液的pH至3.2～4.7迁移应用1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：氨氮废水——→Ⅰ低浓度氨氮废水——→Ⅱ含HNO3废水——→Ⅲ达标废水(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经过两步反应氧化成NO－3。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______________。②1molNH＋4(aq)全部氧化成NO－3(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。若该过程中有32gCH3OH参加反应，则参加反应的还原剂和氧化剂的物质的量之比为________。解析此题(2)中①的难度最低，不做详解。②考查盖斯定律的应用，将图1和图2的热化学方程式直接相加即可。(3)问可以根据得失电子守恒来解题，32gCH3OH(相当于1mol甲醇)作还原剂，失去6mol电子，这样得到6mol电子需要1.2mol硝酸作氧化剂(注：1mol硝酸变成N2需要得到5mol电子)，因此参加反应的还原剂和氧化剂的物质的量之比是5∶6。比较难的是(1)问，难在学生的表述可能不准确或者找不对答题的角度，过程Ⅰ的目的是将氨氮废水转化为低浓度氨氮废水，然后将氨赶出，因此加NaOH溶液后应该发生如下反应：NH＋4＋OH－===NH3·H2O，所以答对①问的关键词是“将氨赶出”，因此判断生成的是NH3·H2O。假如学生判断为加NaOH溶液后，影响了NH3·H2O的电离，那么就南辕北辙了。②问主要是应用平衡移动的原理来解题，废水中的NH3被空气带走，使NH3·H23＋H2O的平衡向正反应方向移动，利于除氨。答案(1)①NH＋4＋OH－===NH3·H2O②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＝－273kJ/mol＜0(反应物的总能量大于生成物的总能量)②NH＋4(aq)＋2O2(g)===2H＋(aq)＋NO－3(aq)＋H2O(l)ΔH＝－346kJ/mol(3)5∶6热点2综合利用例2氯碱厂电解饱和食盐水制取NaOH的工艺流程示意图如下：依据上图，完成下列填空：(1)在电解过程中，与电源正极相连的一极所发生反应的方程式为：______________。与电源负极相连的一极附近的溶液pH______(填“不变”、“增大”或“减小”)。(2)如果粗盐中SO2－4含量较高，必须添加钡试剂除去SO2－4，该试剂可以选______。a．Ba(OH)2b．Ba(NO3)2c．BaCl2(3)为有效除去Ca2＋、Mg2＋、SO2－4，加入试剂的合理顺序为________(选a、b、c，多选扣分)。a．先加NaOH，后加Na2CO3，再加钡试剂b．先加NaOH，后加钡试剂，再加Na2CO3c．先加钡试剂，后加NaOH，再加Na2CO3(4)在用阳离子交换膜法电解食盐水时，电解槽分隔为阳极区和阴极区，防止Cl2与NaOH反应；采用无隔膜电解槽电解冷的食盐水时，Cl2与NaOH充分反应，产物最终仅有NaClO和H2，相应的化学反应方程式为____________________、________________________。答案(1)2Cl－―→Cl2↑＋2e－增大(2)ac(3)bc(4)2NaCl＋2H2O=====电解2NaOH＋Cl2↑＋H2↑Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O或NaCl＋H2O=====电解NaClO＋H2↑方法技巧“瞻前顾后”分析法有些化工生产为了充分利用原料，变废为宝，设计的生产流水线除了主要考虑将原料转化为产品外，同时还要考虑将生产过程中的副产品转化为原料的循环生产工艺。解答这种类型题用“瞻前顾后”分析法。瞻前顾后分析法，指分析工艺生产流程时，主要考虑原料转化为的产品(瞻前)，同时也要考虑原料的充分利用和再生产问题(顾后)。用“瞻前顾后”分析法分析循环工艺生产流程题，关键是如何找到循环生产点，即在什么情况下，什么生产阶段实施循环生产。判断循环生产点的方法：一是看反应是否为可逆反应，如果是可逆反应，要考虑原料的循环利用。如合成氨反应是可逆反应，分离氨后的尾气中含有大量原料气N2和H2，千万不能随便放掉，必须送入合成塔，实施循环生产。二是看副产品的分子组成与某种原料的组成中有无相同的元素，如果有，而且该副产品又容易转化为某种原料，就可以考虑循环生产工艺。迁移应用2现代社会中铜在电气、交通、机械和冶金、能源及石化工业、高科技等领域有广泛的应用。某铜矿石含氧化铜、氧化亚铜、三氧化二铁和脉石(SiO2)，现采用酸浸法从矿石中提取铜，其工艺流程图如下。其中铜的萃取(铜从水层进入有机层的过程)和反萃取(铜从有机层进入水层的过程)是现代湿法炼铜的重要工艺手段。已知：①Cu2O＋2H＋===Cu2＋＋Cu＋H2O；②当矿石中三氧化二铁含量太低时，可用硫酸和硫酸铁的混合液浸出铜；③反萃取后的水层2是硫酸铜溶液。回答下列问题：(1)矿石用稀硫酸处理过程中发生反应的离子方程式为Cu2O＋2H＋===Cu2＋＋Cu＋H2O、________________________________________________________(写其中2个)。(2)“循环Ⅰ”经多次循环后的水层1不能继续循环使用，但可分离出一种重要的硫酸盐晶体。若水层1暴露在空气中一段时间后，可以得到另一种重要的硫酸盐，写出水层1暴露在空气中发生反应的离子方程式_____________________________________________________。(3)该工艺最大的亮点是它符合________原理。A．化学平衡B．绿色化学C．质量守恒D．能量守恒E．相似相溶F．酸碱中和G．氧化还原反应答案(1)CuO＋2H＋===Cu2＋＋H2O、Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O、Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋(任意2个即可)(2)4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O(3)B即时巩固1．海水中含有丰富的化学元素，下面是海水综合利用的生产流程简图：粗盐饱和食盐水烧碱精制电解母液Mg(OH)2MgCl2·6H2O海水结晶过滤MgCl2MgCl2电解脱水请回答：(1)在粗盐中含有Ca2＋、Mg2＋、SO2－4等杂质，精制时所用的试剂为：A、盐酸；B、氯化钡溶液；C、氢氧化钠溶液；D、碳酸钠溶液。则加入试剂的顺序是(填编号)__________。(2)Mg(OH)2中加入盐酸后，要获得MgCl·6H2O晶体，需要进行的实验操作依次为______(填编号)。A．蒸馏B．灼烧C．过滤D．蒸发E．冷却结晶(3)利用MgCl2·6H2O可制得无水氯化镁，应采取的措施是________________。(4)母液中常含有MgCl2、NaCl、MgSO4、KCl等(溶解度如右图所示)，可进一步加工制得一些重要的产品。①将母液加热升温到60℃以上，随着水分的蒸发，会逐渐析出晶体，此晶体的主要成分是__________。②过滤出上述晶体后，将滤液降温到30℃以下，还会逐渐析出晶体，将该晶体用一定量的冷水洗涤，最后可得到比较纯净的________晶体。答案(1)BDCA(或CBDA、BCDA)(2)C、D、E(3)在HCl气流中加热脱水，带走水蒸气，防止MgCl2水解(4)MgSO4、NaClKCl2．江苏沿海地区有着丰富的海水资源，海水中主要含有Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl－、SO2－4、Br－、CO2－3、HCO－3等离子。合理利用资源和保护环境是我省可持续发展的重要保证。(1)海水经过处理后可以得到无水氯化镁，无水氯化镁是工业制取镁的原料。试写出电解熔融氯化镁制取金属镁的化学反应方程式_________________________。(2)某化工厂生产过程中会产生含有Cu2