對離子交換法軟化自來水效果的研究

孟子純

(陸軍特種作戰學院，廣東 廣州 510630)

隨著社會經濟的快速發展，人們的生活水平有了顯著提升，同時也伴隨著對飲用水水質要求的不斷提高。而自來水中含有較多的鈣、鎂離子。過量的鈣、鎂離子易在臟器內形成積石或導致血管硬化，對身體健康造成負面影響；同時，這些鈣、鎂離子在工業生產過程中，容易在機器設備內壁形成水垢、水渣，易造成昂貴設備的使用壽命縮短、熱能利用效率降低等后果。因此，生活或工業生產過程中，自來水在使用前應首先降低其鈣、鎂離子含量，而上述降低鈣、鎂離子含量甚至將其基本除去的過程就稱為水的軟化[1]。

在高等院校化學實驗室中，通常使用離子交換法，以軟化自來水的方式制備去離子水[2]。離子交換法降低自來水硬度的原理為：當自來水以一定速率流過樹脂時，樹脂上的H+與水中的Ca2+、Mg2+等陽離子交換，使水中多了H+而少了其它的陽離子；同樣，自來水繼續流過陰離子樹脂時，樹脂上的OH-與水中的Cl-等陰離子交換，使水中多了OH-而少了其它的陰離子；最終，水中的H+與OH-再次結合生成水，從而起到凈化水的作用。交換反應以CaCl2為例，反應如下：

盡管離子交換法具有節能、成本低、易于管理、凈化效果顯著等優點，且應用范圍日益擴大，但對于其軟化自來水的效果，目前尚無明確的表征方法[3]。因此，本文在離子交換法處理自來水樣品的基礎上，采用分光光度法，測量并比較離子交換法處理前后自來水樣品的吸光度值，以期定性確定水樣中的Ca2+濃度變化情況，為離子交換法凈化效果的表征提供相應的數據積累。

1 實驗

1.1 試劑和儀器

實驗所需藥品試劑及儀器見表1、表2。

1.2 離子交換法處理自來水樣品

用 500 mL 燒杯取自來水樣 400 mL，令其依次通過陽離子交換柱、陰離子交換柱，并于出口處取得凈化后水樣。

1.3 樣品溶液的配制

稱取 1 g 偶氮胂Ⅲ，用 5 mL 氨水及 45 mL 超吹水溶解后，轉入 1 L 容量瓶中，加超純水至刻度線，配成0.1%偶氮胂Ⅲ溶液；稱取 15 g 乙酸銨，用 80 mL 冰醋酸溶解后，轉入 250 mL 容量瓶中，加超純水至刻度線，配成pH=4的乙酸-乙酸銨緩沖溶液。

分別用 25 mL 比色管配制空白樣(參比樣)、處理后樣品與處理前樣品，配方見表3。

表1 實驗藥品試劑

表2 實驗儀器

表3 樣品溶液配方

上表中，除0.1%偶氮胂Ⅲ溶液使用 5 mL 吸量管進行移取、超純水使用洗瓶定容至刻度線外，其余試劑均使用 10 mL 移液管進行移取。

1.4 分光光度法確定最佳吸收波長

第一步，用裝有去離子水的比色皿，將分光光度計吸光度數值調為0.000，隨后用另外一支比色皿取參比樣，在550～750 nm 的范圍內，以 10 nm 為變化梯度，分別測量參比溶液的吸光度值并記錄；

第二步，比較上述測得的吸光度數值大小，判斷吸光度數值的變化趨勢，找出吸光度數值突然出現增大時對應的測量波長；

第三步，重復步驟一、二，得到四組測量數據；

第四步，比較第三步中測得的數值，將分光光度計測量波長設置為上述最佳吸收波長。

1.5 分光光度法檢測鈣離子

第一步，將參比樣、待測樣分別裝入3支比色皿，外壁用濾紙擦干，放入樣品室，蓋上試樣室蓋；

第二步，將參比樣拉入光路，按下“Zero”鍵，使顯示器顯示讀數為0.000；

第三步，將待測樣分別拉入光路，讀取測試數據；

第四步，重復步驟一至三，得到四組測量數據；

第五步，測量完畢后，將比色皿從試樣池中取出，清洗干凈，擦干，放回比色皿盒(毛玻璃面朝上)。

2 結果與討論

2.1 最佳吸收波長的確定

利用分光光度法確定最佳吸收波長的相關實驗數值，詳見表4，并繪制成折線圖如圖1所示。由圖表可以看出，四組數據均在 650 nm 處出現了吸光度數值的突然增大，與數值的整體變化趨勢(依次減小)相違背，因此，可確定 650 nm 為最佳測量波長。這是因為Ca2+與偶氮胂Ⅲ形成的配合物，在 650 nm 處有第二吸收峰[5]。

表4 分光光度法確定最佳吸收波長的四組相關數據

圖1 測量波長λ與溶液吸光度A之間的定量關系

2.2 離子交換柱凈化效果的確定

表5為 650 nm 下四組處理前、處理后樣品的吸光度數值以及凈化率。可以看出，離子交換法的凈化率均高于90%，說明其對于水樣中鈣離子的去除效果較好；但凈化率未達到100%，可能的原因在于水樣中的部分Ca2+未被離子交換劑顆粒吸附，或吸附后的部分Ca2+未與與離子交換劑上的離子進行相互交換[6]。

表5 處理前、處理后樣品溶液的吸光度值及凈化率

3 結語

本文對離子交換法軟化自來水的效果進行了實驗分析，確定檢測時的最佳測量波長為 650 nm，與Ca2+和偶氮胂Ⅲ形成配合物的第二吸收峰對應波長相一致；同時，首次測得了離子交換柱的凈化率，表明離子交換法可有效去除自來水中的Ca2+，但不徹底。上述實驗結論為離子交換法凈化效果的表征提供了相應的數據積累。