对离子交换法软化自来水效果的研究_孟子纯.pdf

2023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1doi:10.3969/j.issn.1004-275X.2023.01.32对离子交换法软化自来水效果的研究孟子纯(陆军特种作战学院，广东广州510630)摘要:通过自来水处理厂的净化、消毒后，自来水可供人们生活、生产使用。但自来水中依然含有过量的钙、镁离子，对人体有害，不可直接用作饮用水，因此，自来水应先进行软化。为了提高饮用水的质量，常用离子交换法作为软化方法。根据离子交换法净化自来水中钙离子的实验流程，以及用分光光度法检测净化效果的实验操作与数据处理方法，定性分析了离子交换法软化自来水的效果。实验结果表明，使用分光光度法检测净化效果的最佳测量波长为 650 nm，且处理后自来水样品吸光度值(0.055Abs、0.021Abs、0.078Abs、0.043Abs)均明显小于处理前自来水样品吸光度值(0.783Abs、0.665Abs、0.796Abs、0.634Abs)，说明离子交换法可有效去除自来水中的 Ca2+。关键词:离子交换法;分光光度法;净化效果;吸光度;水质软化中图分类号:X52文献标识码:A文章编号:1004 275X(2023)01 0119 03Study on the Effect of Softening Tap Water by Ion ExchangeMeng Zichun(Army Special Operations College，Guangzhou 510630，Guangdong)Abstract:After the purification and disinfection of the water treatment plant，the tap water can be used for people s life and production How-ever，tap water still contains excessive calcium and magnesium ions，which are harmful to human health and cannot be directly used as drinkingwater Therefore，tap water should be softened first In order to improve the quality of drinking water，ion exchange is often used as a softeningmethod According to the experimental process of purifying calcium ions in tap water by ion exchange method，as well as the experimental oper-ation and data processing method of detecting the purification effect by spectrophotometry，the author qualitatively analyzes the effect of softeningtap water by ion exchange method The experimental results show that the best measuring wavelength for the purification effect detection by spec-trophotometry is 650nm，and the absorbance values of tap water samples after treatment(0 055Abs，0 021Abs，0 078Abs，0 043Abs)aresignificantly smaller than those of tap water samples before treatment(0 783Abs，0 665Abs，0 796Abs，0 634Abs)，indicating that the ionexchange method can effectively remove Ca2+from tap waterKey words:ion exchange method;spectrophotometry;purification effect;absorbance;water softening随着社会经济的快速发展，人们的生活水平有了显著提升，同时也伴随着对饮用水水质要求的不断提高。而自来水中含有较多的钙、镁离子。过量的钙、镁离子易在脏器内形成积石或导致血管硬化，对身体健康造成负面影响;同时，这些钙、镁离子在工业生产过程中，容易在机器设备内壁形成水垢、水渣，易造成昂贵设备的使用寿命缩短、热能利用效率降低等后果。因此，生活或工业生产过程中，自来水在使用前应首先降低其钙、镁离子含量，而上述降低钙、镁离子含量甚至将其基本除去的过程就称为水的软化1。在高等院校化学实验室中，通常使用离子交换法，以软化自来水的方式制备去离子水2。离子交换法降低自来水硬度的原理为:当自来水以一定速率流过树脂时，树脂上的 H+与水中的 Ca2+、Mg2+等阳离子交换，使水中多了 H+而少了其它的阳离子;同样，自来水继续流过阴离子树脂时，树脂上的 OH与水中的 Cl等阴离子交换，使水中多了 OH而少了其它的阴离子;最终，水中的 H+与 OH再次结合生成水，从而起到净化水的作用。交换反应以 CaCl2为例，反应如下:2 SO3H+Ca2+2 SO3 Ca2+2H+N(CH3)3+OH+Cl N(CH3)3+Cl+OHH+OH H2O尽管离子交换法具有节能、成本低、易于管理、净化效果显著等优点，且应用范围日益扩大，但对于其软化自来水的效果，目前尚无明确的表征方法3。因此，本文在离子交换法处理自来水样品的基础上，采用分光光度法，测量并比较离子交换法处理前后自来水样品的吸光度值，以期定性确定水样中的 Ca2+浓度变化情况，为离子交换法净化效果的表征提供相应的数据积累。1实验1.1试剂和仪器实验所需药品试剂及仪器见表 1、表 2。1.2离子交换法处理自来水样品用 500 mL 烧杯取自来水样 400 mL，令其依次通过阳离子交换柱、阴离子交换柱，并于出口处取得净化后水样。1.3样品溶液的配制称取 1 g 偶氮胂，用5 mL 氨水及45 mL 超吹水9112023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1溶解后，转入 1 L 容量瓶中，加超纯水至刻度线，配成 0.1%偶氮胂溶液;称取 15 g 乙酸铵，用 80 mL冰醋酸溶解后，转入 250 mL 容量瓶中，加超纯水至刻度线，配成 pH=4 的乙酸 乙酸铵缓冲溶液。分别用 25 mL 比色管配制空白样(参比样)、处理后样品与处理前样品，配方见表 3。表 1实验药品试剂名称化学式纯度生产厂商偶氮胂C22H18As2N4O14S2分析纯 A 上海麦克林生化科技有限公司冰醋酸CH3COOH分析纯 A 中国医药集团有限公司乙酸铵CH3COONH4分析纯 A 中国医药集团有限公司氨水NH3H2O分析纯 A 中国医药集团有限公司表 2实验仪器设备名称规格/型号生产厂商紫外可见分光光度计UV 5800PC上海元析仪器有限公司阴阳离子交换柱NFYJ 6002南方化工有限责任公司石英比色皿1 cm北京普析通用仪器有限责任公司移液管10 mL洛阳北方玻璃技术股份有限公司吸量管5 mL洛阳北方玻璃技术股份有限公司具塞比色管25 mL洛阳北方玻璃技术股份有限公司烧杯100 mL，500 mL洛阳北方玻璃技术股份有限公司容量瓶250 mL，1 L扬州市葵花玻璃仪器厂量筒50 mL洛阳北方玻璃技术股份有限公司电子天平T200河南双杰计量仪器有限公司实验室超纯水机AWL 1001 M美国艾科浦国际有限公司表 3样品溶液配方名称水样0 1%偶氮胂溶液pH=4 缓冲溶液超纯水参比样2 5 mL10 mL处理前样自来水 10 mL2 5 mL10 mL定容至刻度线(25 mL)处理后样净化后自来水 10 mL2 5 mL10 mL上表中，除 0.1%偶氮胂溶液使用 5 mL 吸量管进行移取、超纯水使用洗瓶定容至刻度线外，其余试剂均使用 10 mL 移液管进行移取。1.4分光光度法确定最佳吸收波长第一步，用装有去离子水的比色皿，将分光光度计吸光度数值调为 0.000，随后用另外一支比色皿取参比样，在 550 750 nm 的范围内，以 10 nm 为变化梯度，分别测量参比溶液的吸光度值并记录;第二步，比较上述测得的吸光度数值大小，判断吸光度数值的变化趋势，找出吸光度数值突然出现增大时对应的测量波长;第三步，重复步骤一、二，得到四组测量数据;第四步，比较第三步中测得的数值，将分光光度计测量波长设置为上述最佳吸收波长。1.5分光光度法检测钙离子第一步，将参比样、待测样分别装入 3 支比色皿，外壁用滤纸擦干，放入样品室，盖上试样室盖;第二步，将参比样拉入光路，按下“Zero”键，使显示器显示读数为 0.000;第三步，将待测样分别拉入光路，读取测试数据;第四步，重复步骤一至三，得到四组测量数据;第五步，测量完毕后，将比色皿从试样池中取出，清洗干净，擦干，放回比色皿盒(毛玻璃面朝上)。2结果与讨论2.1最佳吸收波长的确定利用分光光度法确定最佳吸收波长的相关实验数值，详见表 4，并绘制成折线图如图 1 所示。由图表可以看出，四组数据均在 650 nm 处出现了吸光度数值的突然增大，与数值的整体变化趋势(依次减小)相违背，因此，可确定 650 nm 为最佳测量波长。这是因为 Ca2+与偶氮胂形成的配合物，在 650 nm 处有第二吸收峰5。0212023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1表 4分光光度法确定最佳吸收波长的四组相关数据测量波长/nm吸光度值 A(Abs)第一组第二组第三组第四组5503 0003 0003 0003 0005603 0002 8933 0002 9205702 7882 5222 8062 5745802 2562 0142 3322 0675901 5121 2751 5891 3016001 2231 0451 2571 0966101 0880 9121 0950 8996200 9670 8240 9840 7926300 8590 7300 8760 7146400 7530 6570 7530 6356500 8010 6890 7950 6686600 7670 6420 7410 6376700 6240 5650 6560 5726800 5520 4620 5690 4826900 4620 3570 4380 3917000 3430 2690 3540 2737100 2110 1950 2230 1997200 1250 0970 1370 0987300 0730 0580 0760 0597400 0240 0170 0350 0227500 0050 0120 0070 002图 1测量波长 与溶液吸光度 A 之间的定量关系2.2离子交换柱净化效果的确定表 5 为 650 nm 下四组处理前、处理后样品的吸光度数值以及净化率。可以看出，离子交换法的净化率均高于 90%，说明其对于水样中钙离子的去除效果较好;但净化率未达到 100%，可能的原因在于水样中的部分 Ca2+未被离子交换剂颗粒吸附，或吸附后的部分 Ca2+未与与离子交换剂上的离子进行相互交换6。表 5处理前