高考申論題
113年
[環境工程] 環境化學與環境微生物學
第 一 題
📖 題組：
二、科技產業製程之含氟廢水經常以化學沉澱法處理，藉由氫氧化鈣（Ca(OH)2）的添加，形成氟化鈣（CaF2(s)）固體，並以沉澱分離達到去除之目的，其溶解反應式及 25℃之溶解度積（Ksp）如下： CaF2(s) ↔ Ca2+ + 2F- Ksp=5×10-11 M3 請回答下列問題： (一)若水體 pH 7，溫度 25℃，氟化鈣溶解達固液平衡時，水中氟離子濃度為何？（5 分） (二)若水體溫度 25℃，添加氫氧化鈣藥劑，放流水氟離子濃度目標為 1 mg/L，則水體之 pH 為何？水體增加之鈣離子濃度為何？水體增加之硬度為何（以 mg CaCO3/L 表示）？（15 分） (三)化學沉澱法將產生大量氟化鈣污泥，請說明含氟廢水處理如何資源化。（5 分）
二、科技產業製程之含氟廢水經常以化學沉澱法處理，藉由氫氧化鈣（Ca(OH)2）的添加，形成氟化鈣（CaF2(s)）固體，並以沉澱分離達到去除之目的，其溶解反應式及 25℃之溶解度積（Ksp）如下： CaF2(s) ↔ Ca2+ + 2F- Ksp=5×10-11 M3 請回答下列問題： (一)若水體 pH 7，溫度 25℃，氟化鈣溶解達固液平衡時，水中氟離子濃度為何？（5 分） (二)若水體溫度 25℃，添加氫氧化鈣藥劑，放流水氟離子濃度目標為 1 mg/L，則水體之 pH 為何？水體增加之鈣離子濃度為何？水體增加之硬度為何（以 mg CaCO3/L 表示）？（15 分） (三)化學沉澱法將產生大量氟化鈣污泥，請說明含氟廢水處理如何資源化。（5 分）
📝 此題為申論題，共 3 小題
小題 (一)
若水體 pH 7，溫度 25℃，氟化鈣溶解達固液平衡時，水中氟離子濃度為何？（5 分）
思路引導 VIP
這是典型的溶解度平衡計算。設定溶解的 CaF2 為 S 莫耳/升，根據方程式 [Ca2+] = S 且 [F-] = 2S。將其代入 Ksp 公式中解出 S，再乘以 2 得到氟離子濃度。由於 pH 7 下氟化氫(HF)解離幾乎完全（HF pKa ≅ 3.17），故可忽略 HF 的形成。
小題 (二)
若水體溫度 25℃，添加氫氧化鈣藥劑，放流水氟離子濃度目標為 1 mg/L，則水體之 pH 為何？水體增加之鈣離子濃度為何？水體增加之硬度為何（以 mg CaCO3/L 表示）？（15 分）
思路引導 VIP
本題涉及同離子效應。給定 [F-] = 1 mg/L，先換算為莫耳濃度。利用 Ksp 求出所需的 [Ca2+]。由於 Ca2+ 是由 Ca(OH)2 提供，根據電荷平衡或氫氧化鈣電離，[OH-] = 2[Ca2+]，進而求出 pOH 與 pH。最後將 [Ca2+] 換算為以 CaCO3 計的硬度。
小題 (三)
化學沉澱法將產生大量氟化鈣污泥，請說明含氟廢水處理如何資源化。（5 分）
思路引導 VIP
此題屬於環境工程實務與資源循環議題。氟化鈣（CaF2）又稱螢石，是工業上的重要原料。思考方向應包括：作為煉鋼助熔劑、製造氫氟酸的原料、水泥製造的添加劑等。
氟化鈣沉澱溶解平衡
💡 運用Ksp平衡常數計算離子濃度與藥劑添加量。
🔗 Ksp 溶解度計算流程
- 1 反應式建立 — 列出 CaF2 ⇌ Ca2+ + 2F-
- 2 設定變數 — 設 Ca2+ = S, F- = 2S
- 3 代入 Ksp — Ksp = [S][2S]^2 = 4S^3
- 4 質量換算 — M 濃度乘上分子量轉 mg/L
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🔄 延伸學習：延伸學習：當 pH 值改變或有共同離子時，須重新修正離子濃度項。
