Question

17．聚合硫酸鐵鋁（PFAS）是一種新型高效水處理劑．利用硫鐵礦燒渣（主要成分為Fe₃O₄、FeO、SiO₂等）為鐵源，粉煤灰（主要成分為Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO等）為鋁源，制備PFAS的工藝流程如圖：
（1）“堿溶”時，粉煤灰發生反應的化學方程式為Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O．
（2）“酸溶Ⅱ”時，Fe₃O₄發生反應的離子方程式為Fe₃O₄+8H⁺=2Fe³⁺+Fe²⁺+4H₂O．
（3）“濾渣Ⅰ”、“濾渣Ⅱ”在本流程中能加以利用的是濾渣Ⅰ．
（4）“氧化”時應控制溫度不超過57℃，其原因是溫度過高，H₂O₂會分解．
（5）“氧化”時若用MnO₂代替H₂O₂，發生反應的離子方程式是MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O．
（6）酸度對絮凝效果和水質有顯著影響．PFAS中起凈水作用的是氫氧化鋁、氫氧化鐵，若產品PFAS中殘留硫酸過多，使用時產生的不良后果是硫酸抑制Al³⁺和Fe³⁺水解，降低絮凝效果，且水的酸度增大，影響水質．

Answer 1

分析 粉煤灰（主要成分為Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO等），加入NaOH溶液使Al₂O₃溶解，其方程式為Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O，氧化鐵、氧化亞鐵和氫氧化鈉不反應，通入過量CO₂，發生的反應為CO₂+NaAlO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃；再加入H₂SO₄時，其反應原理為2Al（OH）₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+6H₂O，結晶得到Al₂（SO₄）₃晶體；硫鐵礦燒渣（主要成分為Fe₃O₄、FeO、SiO₂等），向硫鐵礦燒渣中加入H₂SO₄，其方程式為FeO+H₂SO₄=FeSO₄+H₂O，Fe₃O₄+8H⁺=2Fe³⁺+Fe²⁺+4H₂O，二氧化硅與硫酸不反應，加入過氧化氫氧化亞鐵鹽為鐵鹽，結晶Ⅰ結晶Ⅱ制備PFAS．
（1）加入NaOH溶液使Al₂O₃溶解生成偏鋁酸鈉和水；
（2）四氧化三鐵和酸反應生成鐵鹽、亞鐵鹽、水；
（3）“濾渣Ⅰ”中含有Fe₂O₃、FeO，“濾渣Ⅱ”中含有SiO₂，根據工藝流程，濾渣Ⅰ可加以利用；
（4）H₂O₂氧化Fe²⁺時，溫度不能過高，其原因是溫度過高，H₂O₂會分解；
（5）“氧化”時若用二氧化錳代替，發生反應是二氧化錳氧化亞鐵離子為鐵離子，二氧化錳被還原為錳離子；
（6）PFAS溶于水，產生Fe³⁺、Al³⁺，Fe³⁺、Al³⁺水解生成氫氧化鋁膠體和氫氧化鐵膠體，能凈水，因為Fe³⁺、Al³⁺水解均呈酸性，所以產品PFAS中硫酸殘留過多，會抑制Al³⁺、Fe³⁺水解，降低絮凝效果，并且酸度過大影響水質．

解答 解：粉煤灰（主要成分為Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO等），加入NaOH溶液使Al₂O₃溶解，其方程式為Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O，氧化鐵、氧化亞鐵和氫氧化鈉不反應，通入過量CO₂，發生的反應為CO₂+NaAlO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃；再加入H₂SO₄時，其反應原理為2Al（OH）₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+6H₂O，結晶得到Al₂（SO₄）₃晶體；硫鐵礦燒渣（主要成分為Fe₃O₄、FeO、SiO₂等），向硫鐵礦燒渣中加入H₂SO₄，其方程式為FeO+H₂SO₄=FeSO₄+H₂O，Fe₃O₄+8H⁺=2Fe³⁺+Fe²⁺+4H₂O，二氧化硅與硫酸不反應，加入過氧化氫氧化亞鐵鹽2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O為鐵鹽，結晶Ⅰ結晶Ⅱ制備PFAS；
（1）氧化鋁為兩性氧化物，“堿溶”時，Al₂O₃發生反應的化學方程式為Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O，
故答案為：Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O；
（2）四氧化三鐵中鐵$\frac{1}{3}$為+2，$\frac{2}{3}$為+3，“酸溶Ⅱ”時，Fe₃O₄發生反應的離子方程式為Fe₃O₄+8H⁺=2Fe³⁺+Fe²⁺+4H₂O，
故答案為：Fe₃O₄+8H⁺=2Fe³⁺+Fe²⁺+4H₂O；
（3）依據上述分析可知，“濾渣Ⅰ”中含有Fe₂O₃、FeO，“濾渣Ⅱ”中含有SiO₂，根據工藝流程，濾渣Ⅰ可加以利用，
故答案為：濾渣Ⅰ；
（4）過氧化氫氧化亞鐵鹽為鐵鹽，2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O，H₂O₂氧化Fe²⁺時，“氧化”時應控制溫度不超過57℃，其原因是溫度不能過高，其原因是溫度過高，H₂O₂會分解，
故答案為：溫度過高，H₂O₂會分解；
（5）“氧化”時若用MnO₂代替H₂O₂，發生反應是二氧化錳氧化亞鐵離子為鐵離子，二氧化錳被還原為錳離子，Mn元素的化合價由+4降到+2，降低2價；Fe元素的化合價由+2升高到+3價，升高1價，最小公倍數為2；再根據質量守恒得到H₂O的系數為2，H⁺的系數為4，離子反應為：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O，
故答案為：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O；
（6）PFAS溶于水，產生Fe³⁺、Al³⁺，Fe³⁺、Al³⁺水解生成氫氧化鋁膠體和氫氧化鐵膠體，能凈水，酸度對絮凝效果和水質有顯著影響，若產品PFAS中殘留過多，使用時產生的不良后果是，因為Fe³⁺、Al³⁺水解均呈酸性，所以產品PFAS中硫酸殘留過多，會抑制Al³⁺、Fe³⁺水解，降低絮凝效果，并且酸度過大影響水質；
故答案為：氫氧化鋁、氫氧化鐵；硫酸抑制Al³⁺和Fe³⁺水解，降低絮凝效果，且水的酸度增大，影響水質．

點評 本題考查了物質制備實驗、工業流程的分析、離子方程式、化學方程式書寫方法，鹽類水解分析應用等，掌握基礎是關鍵，題目難度中等．