高校生活飲用水軟化研究

劉 川，貢 飛，葉祥桔，楊 梅，黎少君，李子榮，汪徐春

(安徽科技學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

水質(zhì)硬度是指水中鈣、鎂、鐵、鋁、等離子的含量多少,通常以Ca2+、Mg2+含量計(jì)算。單位有兩種,一種用mg/L表示,一種用度表示。硬水是指水質(zhì)中含有大量Ca2+、Mg2+等離子的水,而軟水是指水質(zhì)中含有少量或者不含Ca2+、Mg2+等離子的水。此外,硬水又有暫時(shí)性硬水和永久性硬水之分。暫時(shí)性硬水是指水質(zhì)中的鈣、鎂離子主要以碳酸氫鹽形式存在,當(dāng)水被煮沸時(shí)這些碳酸氫鹽變?yōu)樘妓猁}沉淀析出,水質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浰?。永久性硬水是指水質(zhì)中的鈣、鎂離子以氯化物或者硫酸鹽形式存在,通過燒煮不能將其除去,水質(zhì)不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浰甗1]。我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5748-2006)明確指出生活飲用水總硬度不能高于450 mg/L(以CaCO3計(jì))[2]。當(dāng)前,隨著工業(yè)化的發(fā)展,水資源正遭受嚴(yán)重污染,水質(zhì)中Ca2+、Mg2+等離子嚴(yán)重超標(biāo)[3]。長(zhǎng)期飲用硬水會(huì)使人體腸胃系統(tǒng)功能紊亂,且腎結(jié)石發(fā)病率升高。用硬水洗臉、沐浴,會(huì)堵塞皮膚腺體開口,影響正常代謝,使皮膚過早萎縮老化[4-5]。測(cè)量水質(zhì)硬度的方法非常多,其中EDTA測(cè)水質(zhì)硬度的方法運(yùn)用最為普遍,該方法操作準(zhǔn)確可靠,相關(guān)儀器設(shè)備價(jià)格較為低廉[6-10]。

高校人口密集,水質(zhì)的優(yōu)劣直接影響師生的身心健康。安徽科技學(xué)院地處安徽鳳陽,因地處石英砂產(chǎn)地，飲用水硬度較高，學(xué)校師生患腎結(jié)石現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。本研究以安徽科技學(xué)院鳳陽校區(qū)生活飲用水為研究對(duì)象,利用EDTA測(cè)水質(zhì)硬度的方法測(cè)定水質(zhì)總硬度,并運(yùn)用持續(xù)煮沸法、藥劑軟化法、離子交換法對(duì)水樣進(jìn)行軟化研究,旨在為有效軟化高校生活飲用水提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

乙二胺四乙酸鈉(EDTA,99%,Alfar Aesar);碳酸鈣(CaCO3,99%,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);氫氧化鈉(NaOH,96%,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);碳酸鈉(Na2CO3,99.8%,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);732型離子交換樹脂(95%,廊坊拓豪樹脂有限公司);三乙醇胺(C6H15NO3,98%,Alfar Aesar);氯化銨(NH4Cl,99.5%,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);鈣指示劑(Alfar Aesar);鉻黑T(Alfar Aesar)。

儀器:FA2104B分析天平(上海越平科學(xué)儀器制造有限公司);DZS-706型多參數(shù)水質(zhì)分析儀(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制及標(biāo)定 稱取13.5 g EDTA,溶于溫水后稀釋至5 L;準(zhǔn)確稱取一定量的CaCO3,用1∶1鹽酸溶解后稀釋至250 mL容量瓶中;取25 mL鈣標(biāo)準(zhǔn)液于錐形瓶中,用10% NaOH調(diào)節(jié)pH至12并加入鈣指示劑,用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至終點(diǎn),平行測(cè)定3次。

1.2.2 水樣總硬度的測(cè)定 取100.00 mL水樣,加少量三乙醇胺溶液和NH3-NH4Cl緩沖溶液,鉻黑T少許,用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至終點(diǎn),平行測(cè)定3次。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及分析方法

1.3.1 持續(xù)煮沸法軟化效果研究 取11份100 mL水樣于11個(gè)250 mL錐形瓶中,對(duì)11組水樣分別做煮沸0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 min處理。待水樣溫度降至室溫后用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)定水樣總硬度,重復(fù)3次[11]。

1.3.2 藥劑軟化法軟化效果研究 在室溫及沸騰條件下,取9份100 mL水樣于9個(gè)250 mL錐形瓶中,分別加入5、10、15、20、25、30、35、40、45 mL濃度為0.01 mol/L的碳酸鈉溶液,用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)定水樣總硬度,重復(fù)3次[12]。

1.3.3 離子交換法軟化效果研究 用飽和食鹽水浸泡732型離子交換樹脂20 h,然后用蒸餾水過濾清洗至排出的水清澈,再用2%氫氧化鈉浸泡4 h,放干氫氧化鈉溶液后用蒸餾水洗至中性,最后用5%的鹽酸溶液浸泡6 h,放干溶液后用蒸餾水洗至中性,烘干放置備用。用移液管量取100 mL水樣,加適當(dāng)質(zhì)量的預(yù)處理后的732樹脂,在水溫25 ℃的條件下用恒溫振蕩器振蕩(振蕩速度設(shè)為45 r/min)至水樣和樹脂接觸充分后測(cè)定水樣的硬度[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 持續(xù)煮沸對(duì)水硬度軟化結(jié)果及分析

利用EDTA測(cè)定水硬度方法,測(cè)得待測(cè)水樣總硬度為138.02 mg/L(以CaCO3計(jì))。圖1考察了持續(xù)煮沸對(duì)水樣總硬度的影響。

圖1 持續(xù)煮沸對(duì)水硬度的影響

根據(jù)圖1得出,持續(xù)煮沸使水樣總硬度降低,持續(xù)煮沸3 min后水樣總硬度持續(xù)較大幅度下降,持續(xù)煮沸6 min后水樣總硬度沒有顯著變化,水樣總硬度維持在110 mg/L左右,軟化率為20.27%。持續(xù)煮沸使水樣總硬度下降原因在于加熱可使水樣中鈣等離子的碳酸氫鹽分解為CaCO3析出,MgCO3變?yōu)楦与y溶的Mg(OH)2,雖然持續(xù)煮沸自來水的方法對(duì)其總硬度的軟化效率并不高,但是該方法操作簡(jiǎn)單,在日常生活中具有一定使用價(jià)值。

2.2 藥劑軟化對(duì)水硬度軟化結(jié)果及分析

利用純堿法,向水樣中投加碳酸鈉降低其總硬度,根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定藥劑添加量以及酸堿度最佳條件。從圖2可以得知,在室溫條件下,水樣總硬度隨碳酸鈉投加量的增加而降低,當(dāng)碳酸鈉溶液投加量大于20 mL后,水樣總硬度沒有顯著變化,軟化率為25.16%。在投加碳酸鈉溶液條件下,水樣中的鈣、鎂等離子與碳酸根離子結(jié)合形成碳酸鹽沉淀析出,從而造成水樣總硬度降低,相關(guān)反應(yīng)如下:

圖2 室溫條件下碳酸鈉加入量對(duì)總硬度的影響

當(dāng)碳酸鈉投加量大于20 mL后,水樣中鈣、鎂離子被完全沉淀,因此,繼續(xù)增加碳酸鈉的投放量對(duì)水樣總硬度不會(huì)有顯著影響。

根據(jù)第一部分的結(jié)果及分析得知,沸騰條件下可以降低水樣總硬度。因此,考察了在沸騰條件下碳酸鈉加入量對(duì)總硬度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 沸騰條件下碳酸鈉加入量對(duì)總硬度的影響

從圖3得知,在沸騰條件下水樣總硬度隨碳酸鈉投加量的變化趨勢(shì)與室溫下相似,碳酸鈉投加量大于20 mL后,水樣總硬度無明顯變化,軟化率為77.56%。然而,在沸騰條件下水樣總硬度下降量明顯大于室溫條件下水樣總硬度下降量。這主要是因?yàn)樵诜序v條件下,水樣中以碳酸氫鹽形式存在的鈣、鎂離子被析出,從而進(jìn)一步降低了水樣的總硬度。另外,對(duì)比圖3與圖1以及圖3與圖2數(shù)據(jù)可知,沸騰條件下加入碳酸鈉對(duì)水樣的軟化效果要優(yōu)于單獨(dú)煮沸方法與室溫下加入碳酸鈉方法的加和。

2.3 離子交換技術(shù)對(duì)水硬度軟化結(jié)果及分析

分別取100 mL水樣于10個(gè)錐形瓶中,分別加入1～10 g不同質(zhì)量的732型離子交換樹脂,在25 ℃條件下振蕩5 h并分別測(cè)定其總硬度,測(cè)定結(jié)果如圖4所示。

圖4 樹脂投加量對(duì)總硬度的影響

從圖4得知,水樣總硬度隨732型離子交換樹脂投加量的增加而降低,當(dāng)732型離子交換樹脂投加量超過5 g時(shí),水樣總硬度無顯著變化,水樣軟化率為88.78%。在732型離子交換樹脂投加量為5 g時(shí),對(duì)水樣中鈣、鎂離子吸附量達(dá)到最大值,因此選定5 g為32型離子交換樹脂最佳投加量。

分別取100 mL水樣于6個(gè)錐形瓶中,分別加入5 g 732型離子交換樹脂,在25 ℃條件下振蕩1～6 h并分別測(cè)定其總硬度,測(cè)定結(jié)果如圖5所示。

圖5 吸附時(shí)間對(duì)總硬度的影響

從圖5得知,在投放5 g 732型離子交換樹脂后,水樣總硬度隨振蕩時(shí)間的增加而降低,當(dāng)振蕩時(shí)間為4 h時(shí)水樣總硬度無顯著變化,水樣軟化率為88.78%。

3 結(jié)論與討論

本文分別采用了持續(xù)煮沸法、藥劑軟化法、離子交換法降低安徽科技學(xué)院鳳陽校區(qū)自來水硬度的過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論:待測(cè)自來水水樣總硬度為138.02 mg/L(以CaCO3計(jì)),持續(xù)煮沸水樣6 min后其總硬度無顯著變化,軟化率為20.27%;通過向水樣中投加碳酸鈉以實(shí)現(xiàn)水樣軟化,室溫下軟化率為25.16%,沸騰條件下軟化率為77.56%;通過732型離子交換樹脂對(duì)水樣進(jìn)行靜態(tài)實(shí)驗(yàn),確定100 mL水樣的最佳樹脂投加量為5 g,最佳吸附時(shí)間為4 h,軟化率為88.78%。