地下水中钙镁离子检测与去除研究

地下水中钙镁离子检测与去除研究

本实验以检测和去除地下水中的钙镁离子为目的，采用斜发沸石选择性吸附去除地下水中的钙镁离子，通过EDTA标准溶液滴定用量计算水中钙和镁的质量浓度，其中钙离子去除率达到89.4%，镁离子去除率达到87.6%。

标签：钙镁离子；地下水；吸附；检测；斜发沸石

1 概述

北方某城市地下水以及电厂的循环冷却水硬度高，Ca2+、Mg2+超标严重，而且冷却水在循环利用过程中，Ca2+、Mg2+不断积聚，对热交换器管道的堵塞危险不断增加。因此，水中的硬度离子检测与去除课题的研究具有很深远的意义，最后降低它们的硬度为我们带来经济和环境利益[1]。

2 实验原料与仪器

模拟水样是用1000mg/L的氯化钙溶液和1000mg/L的氯化镁溶液混合而成的。斜发沸石选用粒径在4mm左右的天然斜发沸石，用自来水清洗除去泥土等杂质，再经干燥、破碎、筛分制取不同粒径的沸石颗粒备用。实验中用的主要试剂有分析纯氯化铵、氯化钠、盐酸、氢氧化钠、钙指示剂、铬黑T、pH10的NH3-NH4Cl缓冲液、10%盐酸羟胺、20%三乙醇胺、2%硫化钠溶液、锌标准溶液、36.4mmol/L的EDTA标准液[2]。

主要仪器：50mL酸式滴定管，万用电阻炉，THZ-C型水浴恒温振荡器，101-1型指针式电热鼓风恒温干燥箱，AY220型电子天平，DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，PHS-3C型精密pH计，20目、40目、120目、200目的分样筛，250mL锥形瓶，5mL、10mL、1mL移液管，100mL、500mL烧杯，100mL、250mL、500mL、1000mL容量瓶，100mL、500mL量筒。

3 实验与数据处理方法

3.1 实验原理

水的总硬度的测定：在pH=10的NH3-NH4Cl缓冲溶液中，以铬黑T为指示剂，用EDTA标准溶液滴定溶液中的钙镁离子，铬黑T和EDTA都能和钙镁离子形成配合物，其配合物稳定性顺序为：[CaY]2->[MgY]2->[MgIn]2->[CaIn]2-，加入铬黑T后，部分Mg2+与铬黑T形成配合物使溶液呈酒红色。用EDTA滴定时，EDTA先与Ca2+和游离Mg2+反应形成无色的配合物，化学计量点时，EDTA 夺取指示剂配合物中的Mg2+，使指示剂游离出来，溶液由酒红色变成纯蓝色即为终点[4]，根据消耗的EDTA 标准溶液的体积V1计算水的总硬度。

钙镁离子的测定：取与测定总硬度时相同体积的水样，加入NaOH调节

pH=12，Mg2+即形成Mg（OH）2沉淀。然后加入钙指示剂，Ca2+与钙指示剂形成红色配合物。用EDTA滴定时，EDTA先与游离Ca2+形成配合物，再夺取已与指示剂配位的Ca2+，使指示剂游离出来，溶液由红色变为纯蓝色。由消耗EDTA标准溶液的体积V2计算钙的含量。再由测总硬度时消耗的EDTA体积V1和V2的差值计算出镁的含量。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 实验测定步骤

（1）用移液管移取水样50.00ml，置于250ml锥形瓶中，加5ml三乙醇胺，摇匀。加5ml pH=10的NH3·H2O-NH4Cl缓冲溶液，加铬黑T指示剂约0.1g（或溶液5滴），加入5滴盐酸羟胺掩蔽锰离子干扰，1ml硫化钠溶液掩蔽铜离子、锌离子等重金属离子，用EDTA标准溶液滴定至溶液由酒红色变为纯蓝色，记下EDTA用量V1。计算水的总硬度。

（2）钙镁含量的测定：用移液管移取水样50.00ml，置于锥形瓶，加5ml 三乙醇胺（无Fe3+、A13+时可不加）摇匀。再加3ml的2mol/LNaOH，摇匀后加钙指示剂少许，用EDTA标准溶液滴定至溶液由红色变为纯蓝色，记录EDTA 用量V2。计算水中钙和镁的质量浓度[5]。

3.3 数据处理方法

3.3.1 锌标准溶液物质的量浓度

C=（W/65.38×0.1）×1/10

式中：C-锌标准溶液的浓度，mol/L；W-所称锌的质量，g；0.1-配制锌标准溶液的体积，L；65.38-锌摩尔质量，g/mol；1/10-稀释倍数。

3.3.2 EDTA溶液物质的量浓度的计算

CEDTA=C1V1/V

式中：CEDTA-EDTA标准溶液的浓度mmol/L；V-标定时消耗的EDTA溶液的体积，mL；C1-锌标准溶液的物质的浓度，mmol/L；V1-锌标准溶液的体积，mL。

3.3.3 水总硬度的计算

总硬度（mmol/L）=CEDTA VEDTA/V0

式中：CEDTA-EDTA标准溶液的浓度mmol/L；VEDTA-水样消耗EDTA标准溶液的体积，mL；V0-水样的体积，mL。

钙离子的浓度（mmol/L）=CEDTA VEDTA/V0

镁离子的浓度=总硬度-钙离子浓度

4 钙镁离子去除与检测

4.1 实验方法

采用改性斜发沸石法[3]的关键是水中的钙镁离子的有效快速检测，其次是沸石的投加量和吸附时间、沸石粒度等因素条件的选择与确定。钙镁离子的检测方法：加NaOH调节pH，摇匀后加钙指示剂少许，用EDTA标准溶液滴定至溶液由红色变为纯蓝色，记录EDTA用量，计算水中钙和镁的浓度。

4.2 去除效率检测

称取15%NaOH活化、电阻炉定性的0.125-0.208mm的改性斜发沸石13g，加入200mL废水中（钙、镁离子浓度均为500mg/L），在水浴恒温振荡器中25℃、120r/min的条件下吸附钙镁离子，时间为80min。吸取上层清液分析残余的钙镁离子浓度，结果见表1，钙离子去除率为89.4%，镁离子去除率为87.6%。

表1 钙镁离子去除结果

5 结束语

北方某些地区地下水硬度高，Ca2+、Mg2+超标严重，而且冷却水在循环利用过程中，Ca2+、Mg2+不断积聚，增加了热交换器管道堵塞的危险。本课题利用斜发沸石吸附去除地下水中的Ca2+、Mg2+，并利用EDTA标准溶液滴定法检测钙镁离子，此检测去除方法具有快速灵活的特点。后续可以引入阳离子色谱来检测硬度离子浓度进一步提高检测精度，尤其是对于微量的钙镁离子。

参考文献

[1]邵青，龙荷云，安顶年.水处理及循环再利用技术[M].化学工业出版社，2004：238-340.

[2]王文兵.电厂循环水处理技术的发展趋势[J].电力建设，2009，10（1）：43-47.

[3]赵启文，张兴儒，屠兰英.斜发沸石对锌冶炼废水中钙镁离子的吸附研究[J].无机盐工业，2009，27（6）：2-3.

[4]罗奖合，李营根，郭怀保.我国火电厂循环冷却水处理技术的发展[J].热力发电，2003，32（8）：9-11.

[5]王秀春，丁志斌，都的箭.沸石的性能及其在水处理中的应用[J].解放军理