生成中三废的处理教案和学案内容

基于STEM理念的教学设计

——生产中三废的处理

荆门市龙泉中学 刘黎丽

一、中学化工知识教学中融合STEM理念的思考

STEM是科学（Science）、技术（technology）、工程（Engineering）、和数学（Mathematic）四门学科的简称，强调多学科之间的交叉融合，目标是培养学生在综合把握科学、技术、工程、数学等理工科知识的基础上具有独立分析问题，解决问题的能力的综合素养。STEM素养的培养方式主要以基于项目或基于问题解决为主，让学生有意识的参与并整合多个学术领域和多种学习方法的学习过程。

中学化学教学中涉及到的化工知识综合性强、工艺复杂、知识点多、内容抽象，学生对化工课程的工程规律、技术特点、方法要领掌握程度并不理想，加之高考效应的影响，教师普遍重化学，轻化工，重化学理论部分，轻化学在实际工业生产中应用。基于STEM理念的教学设计让学生认识到化工生产并不是单纯的化学问题，需要综合各个学科的知识，在进行实际生产过程中不仅要考虑经济效益，更要关注环境保护、资源的合理利用，渗透了绿色化学思想。 二、教材分析

1．本节内容在教材体系中的地位和作用

本节内容是人教版化学选修二第一单元“走进化学工业”课题1“化工生产过程中的基本问题”第四部分“生产中三废的处理”。这一部分是应用必修一所学的元素化学、选修四化学反应速率和化学平衡的知识的基础上，再进一步把化学理论应用在实际工业生产。

近年来，环境污染日趋严重，环境保护提升到工业生产首先考虑因素。本节课理论联系实际工业生产，探究了硫酸工业生产三废处理。通过本节的学习，让学生感受到工业生产来源实验室，但高于实验室，要综合考虑批量生产、成本、市场需求等问题，同时增强学生的环保意识。

2. 教学目标

（1）知识与技能：

①进一步巩固硫酸、二氧化硫等元素化合物的知识及化学反应速率和化学平衡等核心知识。

②掌握硫酸工业废气、废液、废渣的一般处理原则和方法。

③了解化工生产三废综合考虑因素。

（2）过程与方法：

①基于STEM理念多学科综合分析工业三废处理的方法

②多媒体技术提供界面友好、形象直观的交互式学习（视频展示、动态仿真工艺流程）

③自主探究，自主解决问题

（3）情感态度与价值观：

①通过播放“环境污染,人类灾难”的视频,让学生强烈感受到环境污染给人类带来的灾难， 认识到环境保护的必要性。

②通过探究三废的基本处理方法，感悟化工生产不仅要考虑生产效率、经济效益，而且要考虑社会效益。

3. 教学重点、难点： 教学重点：硫酸工业三废的基本处理方法

教学难点：建立从实际工业生产的角度综合考虑的意识

三、教学流程

开始

情景导入、激发动机

课件

提出问题、导入新课

课件

课件

回顾旧知、引出新知

小组合作探究：硫酸工业三废成分

汇报交流得出硫酸工业三废成分

组织汇报交流

小组合作探究：废气的处理方法

问题探究1 课件

汇报交流，评价，得出废气的处理方法

组织汇报交流，评价

问题探究2 小组合作探究：废液的处理方法

课件

组织汇报交流、评价

汇报交流，评价，得出废液的处理方法

小组合作探究：废渣的处理方法

课件

问题探究3

组织汇报交流、评价

汇报交流，评价，得出废渣的处理方法

总结

结束

四、教学过程

环节一：情境导入，提出问题

【引入】有位科学家说:我们生活在两个世界，一是自然界，一是化学为我们创造的世界。化工生产确实为人类生产出各种各样的产品，但同时也排放了大量废气、废液、废渣。

【播放视频】环境污染,人类的灾难

【讲述】环境污染，人类的灾难。近年来，我国加大了对环境污染的惩处力度。

【投影】环保部门通报的典型违法案件。

【思考】如果你是一家污染比较严重的硫酸厂的负责人，你将从哪些方面整改？

【学生】观看、思考、交流、讨论、得出结论：

1、

改善生产技术，从源头上减少污染物排放术—治标

2、

将污染物回收、无害化处理后再排放—治本

设计意图：通过环境污染的视频、环保部门通报的违法案件的图片引入课题，引发学生对环境问题的思考，激发学习兴趣。

环节二：回顾旧知，引出新知

【思考】：回顾工业制硫酸的原理、流程，思考硫酸工业会带来哪些三废？

【投影】1、工业制硫酸三原理：

4FeS2＋11O2＝2Fe2O3+8SO2 2SO2

+

O2

2SO3

SO3＋H2O＝H2SO4

2、

工业制硫酸仿真动态工艺流程图：

3资料：①硫铁矿除主要成分FeS2外，还含有砷、氟、铅、锌、汞、等杂质②炉气含矿尘、砷硒化合物等，必须净化，在净化过程中会产生一定量的废水，

结合所给信息，思考、交流、讨论，得出硫酸工业三废主要成分及来源：

废气

：从吸收塔出来的尾气，主要为SO2和极少量SO3及酸雾

废液：净化炉气产生的酸性废水（污酸），除含有硫酸外，还含有砷、硒的化合物等

废渣：主要是硫铁矿焙烧后的烧渣，含有氧化铁和残余的硫化亚铁，及少量铅、锌、砷等重金属

【学生活动】结合所给信息，思考、交流、讨论，得出硫酸工业三废主要成分及来源：

废气

：从吸收塔出来的尾气，主要为SO2和极少量SO3及酸雾

。

废液：净化炉气产生的酸性废水（污酸），除含有硫酸外，还含有砷、硒的化合物等。

废渣：主要是硫铁矿焙烧后的烧渣，含有氧化铁和残余的硫化亚铁，及少量铅、锌、砷等重金属。

设计意图：温故知新，培养学生知识迁移能力

环节三：【问题探究1】硫酸工业废气处理：

【过渡】下面我们一起探究对硫酸工业三废的处理。

治本：如何减少废气中SO2的含量？

治标：如何回收处理废气中的SO2？

【设疑】如何治本？如何减少废气中SO2的含量？

【引导】废气中的SO2主要来源未完全转化的SO2

【学生活动】思考、交流、讨论：

治本：改善生产技术，提高SO2转化率，从源头上减少SO2排放；

【讲述】要减少尾气中SO2的含量，最根本的是提高二氧化硫的转化率。近年来，很多国家都采用了二转二吸法制酸工艺。

【投影】二转二吸流程图

【对照流程图讲解】SO2转化为SO3，当达到平衡时，不再转化，如果将生成的SO3吸收掉，则原平衡破坏，SO2再进一步转化为SO3，达到新的平衡。这就是二转二吸法制酸工艺。二转二吸既可以增大SO2转化率99.5%），降低尾气SO2浓度，又可以增加硫酸产量

【学生活动】倾听、思考、感受技术革新对工业生产带来的影响，进一步认识到科学技术是第一生产力。

【设疑】实验室里通常用哪种试剂对SO2进行尾气吸收？工业上还可以用哪些试剂? 【学生】实验室里通常用NaOH溶液对SO2进行尾气吸收，还可以用其它碱液。

【讲述】实验室通常用NaOH吸收SO2，工业上除了用NaOH吸收,还可以用Ca（OH）2和氨水，请写出这三种试剂吸收SO2的原理。

【学生活动】写化学反应方程式方程式：

SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O

SO2+Ca(OH)2=CaSO3+H2O SO2+2NH3·H2O=(NH4)2SO3+H2O 【讲述】工业上把用NaOH吸收的方法称为钠碱法，利用SO2与NaOH反应生成Na2SO3；用Ca(OH)2吸收的称为石灰-石膏法，利用SO2与Ca(OH)2反应生成CaSO3，CaSO3再与硫酸反应生成CaSO4和SO2；用氨水吸收的方法称为氨酸法，利用SO2与氨水反应生成(NH4)2SO3，(NH4)2SO3再与H2SO4反应生成SO2和(NH4)2SO4。

【设疑1】哪种方法好？为什么？工业生产通常从哪些方面考虑？

【学生生活动】自主探究，交流讨论得出结论：

实际工业生产主要考虑：脱硫效率、脱硫剂成本、运行成本、副产物的经济效益等

【设疑2】请大家从脱硫效率、脱硫剂成本、运行成本、副产物的经济效益这四个方面对这三种方案加以比较。

【参考资料】：

1、吸收效率：主要取决反应原理、反应物本身性质、及浓度、温度等。

2 、吸收剂成本：主要取决于制取该试剂的原料是否丰富、价廉易得及该试剂的工业制法

3、运行成本：取决于工艺是否简单、设备是否堵塞，能否长期稳定运行

4、副产物经济效益：亚硫酸钠可作印染工业的脱氧剂，有一定的市场需求；硫酸钠价格低，经济效益差。我国石灰、石膏资源丰富。

【学生活动】自主探究，交流讨论

【启发归纳】

吸收效率：这三个反应都是酸性氧化物与碱的反应，反应比较快，所以吸收效率都比较高。相对而言石灰乳的溶解度小，所以吸收效率相比较低一点。

吸收剂成本：氢氧化钠，往往是通过氯碱工业，电解饱和食盐水，耗能较大，所以

成本较高。氢氧化钙往往是煅烧石灰石，然后与水反应，工艺简单，我国石灰产量丰富，所以成本较低。氨气是氮气与氢气在高温高压催化剂反应，工艺较复杂，所以成本较高。（投影三中试剂价格（NaOH：3600元/吨Ca(OH)2:740元/吨NH3:3000元/吨）

运行成本：三种方案原理相同，所以设备也应当产不多，但用Ca(OH)2最终会产生CaSO4会堵塞管道，所以不能长期连续稳定运行，维护成本较高。

副产物经济效益：亚硫酸钠可作印染工业的脱氧剂，有一定的市场需求，经济效益较高。石灰-石膏法产生SO2可以循环利用，但消耗了硫酸，相当降低了硫酸产量，生成的CaSO4因为我国石膏矿丰富，所以市场需求不大，所以经济效益不高。氨酸法产生SO2可以循环利用，但消耗了硫酸，相当降低了硫酸产量，生成的硫酸铵是铵肥，市场需求量很大，经济效益高。

【得出结论、完成表格】

工艺名称

钠碱法

脱硫试剂

NaOH溶液

石灰石膏法

石灰乳

氨酸法

氨水

SO2+2NH3·H2O=(NH4)2SO3+H2O (NH4)2SO3+H2SO44=(NH4)2SO4+ SO2+H2O

脱硫原理

SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O SO2+Ca(OH)2=CaSO3+H2O CaSO3+H2SO4=CaSO3+SO2+ H2O

脱硫效率

脱硫剂成本

运行成本

副产物经济效益

高

较高

较低

较高

较高

低

较高

较低

高

较高

较低

较高

【小结】这三种方法，各有利弊，不同的厂根据自身情况采用不同方法。比如，如果硫酸工厂附近有氯碱工厂的就可以用钠碱法，日本石膏矿比较缺乏，用石灰石膏法比较多。

环节四：【问题探究2】硫酸工业废液处理：

治本：如何减少废液的排放？

治标：如何回收处理酸性废液？

【引导1】硫酸工业废液主要来源炉气净化流程。所以要尽可能减少净化过程中的用水量。

【投影】封闭净化（稀酸净化）：将洗涤液循环使用，在循环过程中，洗涤液不断吸收一部分SO3而成为稀酸，所以实质是稀酸净化流程

【讲述】水洗净化通常每生产一吨硫酸约需排放10-15吨的污水。稀酸净化通常生产一吨硫酸只副产稀酸量约80-100升（约为水洗净化流程排污量的百分之一） 【引导2】从处理成本来看，硫酸工业排放的废酸，最好用什么试剂处理？

【学生】石灰乳

【讲述】石灰乳除了中和污水的酸度，还能沉淀污水中的砷、氟，还能与铁离子结合成氢氧化铁，吸附杂质沉淀。

【投影】石灰乳除了中和污水流程图：

环节五：【问题探究3】硫酸工业废渣处理：

治本：如何减少废渣的量？

治标：如何综合处理废渣？

【【引导1】硫酸工业废渣主要是硫铁矿烧渣，所以要减少废渣的量，就要尽可能使硫铁矿燃烧完全（矿石粉碎、适当过量空气、强大空气流）

【引导2】硫铁矿焙烧后的矿渣主要成分？(三氧化二铁和四氧化三铁)。

【学生活动】思考、讨论作答：

硫酸工业废渣综合利用途径主要有：

1、作为炼铁的原料；

2、作为生产水泥的助溶剂；

3、回收矿渣中的贵重有色金属；

4、矿渣制砖、铺路等。

【归纳小结】这节课我们一起探究了硫酸工业废气、废液、废渣的处理，了解了化学在实际工业生产中的应用，认识到工业三废对环境的危害。希望我们共同努力，创建一个天蓝、地绿、水清的美好家园

板书设计：

一、硫酸工业废气的治理：

治标：二转二吸法

治本：钠碱法，石灰石膏法氨酸法

二、硫酸工业废液的治理：

治本：封闭水循环（稀酸净化法）

治标：石灰法处理酸性废水

三、硫酸工业废渣的治理：

治本：硫铁矿粉粹、足量强大空气流

治标：炼铁原料、提炼贵重有色金属等