不同水源中鈣鎂元素的含量及p H測定的對比分析

陳慶典，李海斌，2，任鵬，王澍

(1.安徽建筑大學材料與化學過程學院，安徽 合肥 230601；2.水污染控制與廢水資源化安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601)

水資源不僅是自然資源和經濟資源，而且是生態環境重要的限制性因素[1]。其所含組分的理化性質決定了它的用途，尤其是鈣鎂元素作為水中最為常見組分會對水質產生重要影響[2]。從水體中自然富集鈣鎂離子，可以提高高嶺土對磷酸鹽的去除能力[3]。然而，鈣鎂元素作為人體所必需的微量元素，水體中的鈣鎂與食物中相比，生物利用率等同或者更高，人體對水體中的鈣鎂吸收率分別達到24%和59%[4]。因此，水體中鈣鎂元素在機體組成和生理功能方面起到至關重要作用。

鈣在人體中主要以骨骼鈣和混溶池鈣形式存在，人體每天尿鈣排出量為100～200 mg。在鈣低攝入的狀況下，容易導致小兒的骨骼發育不良和成年人的骨折；過量的鈣攝入可增加腎結石和奶堿綜合征風險[4，5]。鎂元素參與人體內300多種酶促反應，能夠調節細胞跨膜運輸[6]。低鎂血癥可能增加心律失常的風險，高鎂血癥(≥1.05 mmol/L)與增加心血管疾病死亡率有關[7]。徐安偉等[8]共測定了國內外56種瓶裝天然礦泉水中的鈣鎂元素含量，其中進口礦泉水的鈣鎂總量變動較大，而國產的則變動幅度較小。可見，鈣鎂元素的攝入量對人體健康十分重要。

另外，pH作為水質判斷的一項重要指標，對水體中存在的離子形態、吸附作用和光降解污染物能力、藻類光合作用等都會產生重要影響[9-15]。如在低溫條件下(12～14℃)的反硝化過程中，pH對亞硝酸鹽積累造成影響，弱堿性條件有利于亞硝酸鹽的積累。pH還影響湖泊沉積物與水界面的磷交換，且同樣點pH與底泥磷的關系為DTP=0.278-0.071pH+0.005pH2(4.70＜pH＜12.20)。在溶液中 pH與(ORP)氧化還原電位也存在相關性，如ORP=0.84-0.047 pH[16]。Yanagitsuru Y R 等[17]研究了 pH和鈣濃度對湄公河中5種魚類離子平衡的影響，從而比較不同魚類在該酸性水域中耐酸能力。可見，水質pH監測也是判斷水質狀況的重要指標。

該研究采用原子吸收分光光度計測定市售飲用水、合肥自來水、易海水(校園湖水)和巢湖水中鈣鎂元素含量，并分別測定了pH的大小。比較不同水源的鈣鎂元素含量與pH差異，為水質的判斷提供基礎數據，以期為合理選擇飲用水提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器

原子吸收分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司)，鈣鎂空心陰極燈(北京曙光明電子光源儀器有限公司)。雷磁pH計(上海儀電科學儀器股份有限公司)，pH測試誤差為±0.2。

1.2 試劑

鎂標準溶液(環境保護部標準樣品研究所，500 mg/L，GSB 07-1263-2000)，鈣標準溶液(國家有色金屬及電子材料分析測試中心，1000 mg/L，GSB 04-1720-2004)，實驗用水為超純水。巢湖水取自海拔 30 m(北緯 31 °42'59''，東經 117 °22'26'')，易海水為校園內人工湖水，取自海拔30 m(北緯31 °44'57''，東經 117 °13'10'')。市售飲用水為2018年8月～2018年11月生產。不同水樣的名稱和產地，如表1所示。

表1 不同水樣的名稱和產地

1.3 測試方法

不同水樣的pH采用pH計測試，鈣鎂離子含量則采用原子吸收分光光度計測定，并通過如下公式[18]計算總硬度：

ρCaCO3(mg/L)為總硬度，折合成 CaCO3的濃度；ρCa(mg/L)為 Ca2+的濃度；ρMg(mg/L)為 Mg2+的濃度。

2 結果與討論

2.1 鈣鎂元素含量

如圖1所示，鈣鎂元素的總含量大小順序為S6＞S5＞S3＞S4＞S1＞S2，其中樣品 S6 的總含量達到26.10 mg/L，且硬度變化與鈣鎂元素的總含量保持一致。鈣含量大小順序為合肥市自來水＞湖水＞市售飲用水，即自來水中的鈣含量最高。鎂元素含量最高是樣品S6(20.67 mg/L)，最低的為包裝飲用水S1(3.25 mg/L)。可見巢湖水的鈣元素含量比合肥市自來水低16.24%，鎂元素含量比合肥市自來水高40.65%。而市售飲用水的鈣鎂元素總量和硬度均低于合肥市自來水，鈣鎂元素分別與合肥市自來水相差30.95～96.03%和1.20～73.05%，即合肥市自來水與市售飲用水相比，鈣元素比鎂元素存在的差異較大。

圖1 不同水樣的鈣鎂元素含量對比

根據世衛組織(2011年)標準，飲用水中鈣限值為75 mg/L，鎂的允許限制為50 mg/L[19]。我國《生活飲用水衛生標準》(GJ5749-2006)規定了總硬度指標限值為450 mg/L[20]。該研究水源中鈣鎂元素含量和硬度均符合以上兩項標準，至于其它指標需要另外考察。水體中鈣鎂離子通常認為來自于方解石與白云石溶解，但也有綠泥石等其他礦物的作用，其反應式如(1)～(3)所示[21]，表明鈣鎂離子含量增加，其硬度也增加，同時pH值也升高，所以需要進一步考察pH。

2.2 pH對比分析

pH是評價水酸堿平衡的重要參數，它也是反映水的酸性或堿性狀況的指標，世衛組織建議pH為6.5～8.5。如圖2所示，四種市售飲用水的pH大小順序為S1＞S3＞S2，S1所含的鈣鎂離子最少，接近于純凈水，其pH為中性。合肥市自來水和湖水均顯弱酸性，且pH大小順序為S6＞S5＞S4，巢湖水和易海水的pH分別比合肥市自來水高10.19%和6.15%，，說明在S6、S5、S4樣品pH與鈣鎂總含量大小順序保持一致。至于S1、S2、S3樣品，pH與鈣鎂總含量大小順序不一致的原因可能是受水深度處理的影響。

圖2 不同水樣p H對比如果

通過鈣鎂元素的分布分數圖3可知，鎂元素比鈣元素更容易形成沉淀，且碳酸鎂的溶度積常數比碳酸鈣的溶度積常數大，鎂元素更容易溶解在水溶液中，所以導致水體中鎂含量均比鈣含量高，具體反應式如(4)～(5)所示[22]。在水處理過程中，石英砂、鉀長石等可引起濾池出水pH值升高[23]。所以可以通過上述材料來提高水體pH，以達到水體理想pH。尤其需要注意的是，在使用液氯消毒的過程中，pH值可以改變次氯酸和次氯酸根離子比例，從而對消毒效率形成影響[24]。因此，需要根據水源的水質特征，選擇合適的pH來控制消毒副產物的產生，提高實際生產效率。

3 結論

(1)巢湖水和易海水的鈣鎂元素總含量和硬度均高于合肥市自來水，而市售飲用水的這兩項數據均低于合肥市自來水。巢湖水中鈣鎂元素含量分別為5.42 mg/L、20.67 mg/L，鈣元素含量相比合肥市自來水低16.24%，鎂元素含量相比合肥市自來水高40.65%，說明兩種水的鈣含量比鎂含量有明顯差距。

(2)合肥市自來水和易海水、巢湖水均顯弱酸性，且pH大小順序為S6＞S5＞S4，巢湖水和易海水的pH分別比合肥市自來水高10.19%和6.15%。通過鈣鎂元素的分布分數圖可知，鎂元素比鈣元素更容易形成沉淀，且碳酸鎂的溶度積常數比碳酸鈣的溶度積常數大，導致在水體中鎂含量比鈣含量要高。根據水源的水質特征，選擇合適pH來控制消毒過程可以提高實際生產效率。

圖3 MINTEQ軟件計算的鈣鎂元素在水溶液中的分布(25℃)