地下水中鈣鎂離子檢測與去除研究

蒙芬

摘 要：本實驗以檢測和去除地下水中的鈣鎂離子為目的，采用斜發沸石選擇性吸附去除地下水中的鈣鎂離子，通過EDTA標準溶液滴定用量計算水中鈣和鎂的質量濃度，其中鈣離子去除率達到89.4%，鎂離子去除率達到87.6%。

關鍵詞：鈣鎂離子；地下水；吸附；檢測；斜發沸石

1 概述

北方某城市地下水以及電廠的循環冷卻水硬度高，Ca2+、Mg2+超標嚴重，而且冷卻水在循環利用過程中，Ca2+、Mg2+不斷積聚，對熱交換器管道的堵塞危險不斷增加。因此，水中的硬度離子檢測與去除課題的研究具有很深遠的意義，最后降低它們的硬度為我們帶來經濟和環境利益[1]。

2 實驗原料與儀器

模擬水樣是用1000mg/L的氯化鈣溶液和1000mg/L的氯化鎂溶液混合而成的。斜發沸石選用粒徑在4mm左右的天然斜發沸石，用自來水清洗除去泥土等雜質，再經干燥、破碎、篩分制取不同粒徑的沸石顆粒備用。實驗中用的主要試劑有分析純氯化銨、氯化鈉、鹽酸、氫氧化鈉、鈣指示劑、鉻黑T、pH10的NH3-NH4Cl緩沖液、10%鹽酸羥胺、20%三乙醇胺、2%硫化鈉溶液、鋅標準溶液、36.4mmol/L的EDTA標準液[2]。

主要儀器：50mL酸式滴定管，萬用電阻爐，THZ-C型水浴恒溫振蕩器，101-1型指針式電熱鼓風恒溫干燥箱，AY220型電子天平，DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，PHS-3C型精密pH計，20目、40目、120目、200目的分樣篩，250mL錐形瓶，5mL、10mL、1mL移液管，100mL、500mL燒杯，100mL、250mL、500mL、1000mL容量瓶，100mL、500mL量筒。

3 實驗與數據處理方法

3.1 實驗原理

水的總硬度的測定：在pH=10的NH3-NH4Cl緩沖溶液中，以鉻黑T為指示劑，用EDTA標準溶液滴定溶液中的鈣鎂離子，鉻黑T和EDTA都能和鈣鎂離子形成配合物，其配合物穩定性順序為：[CaY]2->[MgY]2->[MgIn]2->[CaIn]2-，加入鉻黑T后，部分Mg2+與鉻黑T形成配合物使溶液呈酒紅色。用EDTA滴定時，EDTA先與Ca2+和游離Mg2+反應形成無色的配合物，化學計量點時，EDTA奪取指示劑配合物中的Mg2+，使指示劑游離出來，溶液由酒紅色變成純藍色即為終點[4]，根據消耗的EDTA 標準溶液的體積 V1計算水的總硬度。

鈣鎂離子的測定：取與測定總硬度時相同體積的水樣，加入NaOH調節pH=12，Mg2+即形成 Mg（OH）2沉淀。然后加入鈣指示劑，Ca2+與鈣指示劑形成紅色配合物。用EDTA滴定時，EDTA先與游離Ca2+形成配合物，再奪取已與指示劑配位的Ca2+，使指示劑游離出來，溶液由紅色變為純藍色。由消耗EDTA標準溶液的體積V2計算鈣的含量。再由測總硬度時消耗的EDTA體積V1和V2的差值計算出鎂的含量。水中若含有Fe3+、A13+，可加三乙醇胺掩蔽；若有Cu2+、Pb2+、Zn2+等，可用Na2S或KCN掩蔽。

3.2 實驗測定步驟

（1）用移液管移取水樣50.00ml，置于250ml錐形瓶中，加5ml三乙醇胺，搖勻。加5ml pH=10的NH3·H2O-NH4Cl緩沖溶液，加鉻黑T指示劑約0.1g（或溶液5滴），加入5滴鹽酸羥胺掩蔽錳離子干擾，1ml硫化鈉溶液掩蔽銅離子、鋅離子等重金屬離子，用EDTA標準溶液滴定至溶液由酒紅色變為純藍色，記下EDTA用量V1。計算水的總硬度。

（2）鈣鎂含量的測定：用移液管移取水樣50.00ml，置于錐形瓶，加5ml三乙醇胺（無Fe3+、A13+時可不加）搖勻。再加3ml的2mol/LNaOH，搖勻后加鈣指示劑少許，用EDTA標準溶液滴定至溶液由紅色變為純藍色，記錄EDTA用量V2。計算水中鈣和鎂的質量濃度[5]。

3.3 數據處理方法

3.3.1 鋅標準溶液物質的量濃度

C=（W/65.38×0.1）×1/10

式中：C-鋅標準溶液的濃度，mol/L；W-所稱鋅的質量，g；0.1-配制鋅標準溶液的體積，L；65.38-鋅摩爾質量，g/mol；1/10-稀釋倍數。

3.3.2 EDTA溶液物質的量濃度的計算

CEDTA=C1V1/V

式中：CEDTA-EDTA標準溶液的濃度mmol/L；V-標定時消耗的EDTA溶液的體積，mL；C1-鋅標準溶液的物質的濃度，mmol/L；V1-鋅標準溶液的體積，mL。

3.3.3 水總硬度的計算

總硬度（mmol/L）=CEDTAVEDTA/V0

式中：CEDTA-EDTA標準溶液的濃度mmol/L；VEDTA-水樣消耗EDTA標準溶液的體積，mL；V0-水樣的體積，mL。

鈣離子的濃度（mmol/L）=CEDTAVEDTA/V0

鎂離子的濃度=總硬度-鈣離子濃度

4 鈣鎂離子去除與檢測

4.1 實驗方法

采用改性斜發沸石法[3]的關鍵是水中的鈣鎂離子的有效快速檢測，其次是沸石的投加量和吸附時間、沸石粒度等因素條件的選擇與確定。鈣鎂離子的檢測方法：加NaOH調節pH，搖勻后加鈣指示劑少許，用EDTA標準溶液滴定至溶液由紅色變為純藍色，記錄EDTA用量，計算水中鈣和鎂的濃度。

4.2 去除效率檢測

稱取15%NaOH活化、電阻爐定性的0.125-0.208mm的改性斜發沸石13g，加入200mL廢水中（鈣、鎂離子濃度均為500mg/L），在水浴恒溫振蕩器中25℃、120r/min的條件下吸附鈣鎂離子，時間為80min。吸取上層清液分析殘余的鈣鎂離子濃度，結果見表1，鈣離子去除率為89.4%，鎂離子去除率為87.6%。

表1 鈣鎂離子去除結果

5 結束語

北方某些地區地下水硬度高，Ca2+、Mg2+超標嚴重，而且冷卻水在循環利用過程中，Ca2+、Mg2+不斷積聚，增加了熱交換器管道堵塞的危險。本課題利用斜發沸石吸附去除地下水中的Ca2+、Mg2+， 并利用EDTA標準溶液滴定法檢測鈣鎂離子，此檢測去除方法具有快速靈活的特點。后續可以引入陽離子色譜來檢測硬度離子濃度進一步提高檢測精度，尤其是對于微量的鈣鎂離子。

參考文獻

[1]邵青，龍荷云，安頂年.水處理及循環再利用技術[M].化學工業出版社，2004：238-340.

[2]王文兵.電廠循環水處理技術的發展趨勢[J].電力建設，2009，10（1）：43-47.

[3]趙啟文，張興儒，屠蘭英.斜發沸石對鋅冶煉廢水中鈣鎂離子的吸附研究[J].無機鹽工業，2009，27（6）：2-3.

[4]羅獎合，李營根，郭懷保.我國火電廠循環冷卻水處理技術的發展[J].熱力發電，2003，32（8）：9-11.

[5]王秀春，丁志斌，都的箭.沸石的性能及其在水處理中的應用[J].解放軍理工大學學報，2001，2（4）：74-77.