EDTA滴定法測(cè)水總硬度實(shí)驗(yàn)方法

吳 丹， 胡瑩露

（1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州310027；2.杭州陸恒生物科技有限公司，杭州310016）

0 引 言

鈣、鎂是人體中必不可少的微量元素，在人們的日常飲食飲水問(wèn)題上既要保證鈣鎂元素的攝入，也要防止過(guò)量［1］。而我國(guó)的水質(zhì)硬度總體偏高［2］，尤其是在一些北方地區(qū)，水質(zhì)硬度過(guò)高會(huì)造成生產(chǎn)設(shè)備的破壞，對(duì)人體健康的危害以及諸多人們?cè)谌粘Ｉ钪械牟槐悖?］，因此對(duì)水質(zhì)硬度的檢測(cè)尤為重要。

水體中構(gòu)成水質(zhì)硬度的金屬離子主要有鈣、鎂、鐵、鋁等金屬離子，而除鈣離子和鎂離子之外，其他金屬離子含量甚微，故通常將鈣、鎂含量的總和稱為水的總硬度［4］。目前水硬度的檢測(cè)方法已逐漸趨于成熟化，具體方法有EDTA滴定法、分光光度法、離子色譜法、原子吸收法等［4-7］，人們最常采用的方法是我國(guó)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)分析方法中的EDTA滴定法，該法操作簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，其原理［8］是在pH10的條件下，鉻黑T與鈣鎂離子絡(luò)合，呈現(xiàn)紫紅色，滴加EDTA二鈉同溶液中的鈣、鎂離子進(jìn)行絡(luò)合，直至終點(diǎn)，鉻黑T被完全游離出來(lái)，溶液由紫紅色轉(zhuǎn)變?yōu)殂t黑T本身的天藍(lán)色。對(duì)于藍(lán)色終點(diǎn)的判斷往往取決于操作者判斷顏色的經(jīng)驗(yàn)，存在較大的主觀性，且不同環(huán)境中鈣鎂離子濃度不同，以及鉻黑T溶液的穩(wěn)定性較低，分析結(jié)果的重現(xiàn)性和精確性往往會(huì)存在一定的誤差。

為了探究EDTA滴定法在測(cè)定不同濃度鈣鎂離子含量時(shí)的精確性問(wèn)題，本文探討了EDTA滴定法中不同滴定條件下的精確性問(wèn)題，并用于自來(lái)水和河水的檢測(cè)。同時(shí)介紹了一種置換分光光度法測(cè)總硬度，為解決EDTA滴定法在實(shí)際操作過(guò)程中針對(duì)不同硬度水質(zhì)檢測(cè)精確度不夠的檢測(cè)問(wèn)題提供一些新想法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑配制及儀器

不加EDTA二鈉鎂的pH＝10氨性緩沖溶液：將16.9 g氯化銨溶于143 mL氨水，用水稀釋至250 mL（另外相同的氨性緩沖溶液中加EDTA二鈉鎂1.25 g，用于配制加EDTA二鈉鎂的緩沖溶液）。

含1 mmol/L EDTA和1 mmol/L鎂離子的氨性緩沖溶液：將16.9 g氯化銨，93.1 mg EDTA，61.6 mg分析純七水硫酸鎂，溶于143 mL氨水，稀釋定容至250 mL容量瓶。

10/5/2 mmol/L的EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液：準(zhǔn)確稱取3.725 g在80°C下干燥2 h的EDTA二水合物，溶于適量水后定容至1 L容量瓶。

10/5/2 mmol/L鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液：準(zhǔn)確稱取1.000 9、0.500 5、0.200 2 g在150°C下干燥2 h的碳酸鈣于燒杯中，先用少量水潤(rùn)濕后，緩慢加入4 mol/L的鹽酸至碳酸鈣完全溶解，再用適量水稀釋后靜置，定容至1 L容量瓶。

10/5/2 mmol/L鎂標(biāo)準(zhǔn)溶液：準(zhǔn)確稱取2.033、1.016 5、0.406 6 g六水合氯化鎂，溶于適量水中，定容至1 000 mL容量瓶。

固體鉻黑T（EBT）粉末試劑：將0.5 g鉻黑T與100 g氯化鈉充分研磨混合，過(guò)40～50目篩。

1.5 mmol/L EBT顯色劑溶液：69.2 mg鉻黑T和150 mg鹽酸羥胺溶于適量無(wú)水乙醇，100 mL容量瓶定容。

自來(lái)水（杭州江干區(qū)朝陽(yáng)工業(yè)園）、河水（杭州江干區(qū)朝陽(yáng)工業(yè)園，若河水中含有大量微小顆粒物，采樣后應(yīng)盡快用0.45μm孔徑的過(guò)濾器過(guò)濾）。

將配制好的10 mmol/L的鈣、鎂離子進(jìn)行稀釋配制濃度為0.5～5.0 mmol/L的鈣、鎂離子標(biāo)液（對(duì)應(yīng)碳酸鈣硬度為50～500 mg/L）。

以上所有用到的試劑均為分析純?cè)噭?；紫外分析儀DR3900，哈希水質(zhì)分析儀器上海有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

10/5/2 mmol/L的EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定分別用10/5/2 mmol/L的鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)定操作方法參考GB/T 7477-87［8］，準(zhǔn)確移取50 mL待測(cè)試樣于250 mL錐形瓶中，加4 mL緩沖溶液和50～100 mg鉻黑T干粉指示劑，不斷振搖下用各濃度的EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定，溶液由紫紅色剛好變?yōu)樘焖{(lán)色為滴定終點(diǎn)，滴定時(shí)間控制在5 min內(nèi)。由于取用的自來(lái)水和河水中干擾離子濃度較低，本工作所有試驗(yàn)均未加掩蔽劑。對(duì)氨性緩沖溶液進(jìn)行加EDTA二鈉鎂和不加EDTA二鈉鎂處理，考察EDTA二鈉鎂的添加對(duì)測(cè)定鈣、鎂離子溶液時(shí)的精確度的影響，并分別對(duì)鈣標(biāo)液和鎂標(biāo)液進(jìn)行單獨(dú)滴定。適當(dāng)稀釋EDTA濃度對(duì)不同濃度的鈣鎂離子進(jìn)行滴定并進(jìn)行加標(biāo)回收率計(jì)算，考察不同濃度EDTA二鈉溶液在測(cè)定鈣、鎂離子以及鈣鎂混合標(biāo)液含量時(shí)的準(zhǔn)確度。

實(shí)驗(yàn)中所有鈣離子、鎂離子濃度均轉(zhuǎn)化為碳酸鈣濃度計(jì)算。鈣、鎂總量用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：c2為EDTA濃度，mmol/L；v2為滴定中消耗的EDTA的體積，mL；v1為試樣體積，mL。

配制濃度梯度為0～5 mmol/L鎂離子標(biāo)準(zhǔn)溶液用于制作分光光度法工作曲線，在波長(zhǎng)520 nm下測(cè)定其吸光度，以鎂離子濃度為縱坐標(biāo)，吸光度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。加標(biāo)實(shí)驗(yàn)以自來(lái)水和河水直接配制加標(biāo)標(biāo)液，加標(biāo)標(biāo)液中鈣/鎂為3∶1，計(jì)算回收率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 EDTA二鈉鎂對(duì)滴定精確度的影響

用5 mmol/L的EDTA溶液和緩沖溶液1、2對(duì)濃度梯度的鈣離子和鎂離子的進(jìn)行單獨(dú)滴定，滴定結(jié)果列于表1、2。EDTA滴定過(guò)程中，溶液中主要存在的平衡關(guān)系［9］如下所示：

表1 鈣標(biāo)液濃度測(cè)試結(jié)果

化學(xué)計(jì)量點(diǎn)前

化學(xué)計(jì)量點(diǎn)時(shí)

表2 鎂標(biāo)液濃度測(cè)試結(jié)果

滴定反應(yīng)在化學(xué)計(jì)量點(diǎn)之前主要以式（2）進(jìn)行，EDTA加入后，先與溶液中游離的鈣鎂離子反應(yīng)，即將到達(dá)化學(xué)計(jì)量點(diǎn)時(shí)，反應(yīng)由式（3）所示。該過(guò)程中，溶液紅色逐漸變淺，然后變成紫色，到達(dá)等當(dāng)點(diǎn)時(shí)，溶液變?yōu)樘焖{(lán)色。

由表1、2計(jì)算結(jié)果可知，滴定結(jié)果的相對(duì)誤差在鈣鎂離子濃度較低時(shí)較大。溶液中EDTA二鈉鎂對(duì)結(jié)果測(cè)定誤差的影響較小，其主要作用在于增加終點(diǎn)變色的靈敏性。

在不添加EDTA二鈉鎂的鈣標(biāo)液滴定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)定過(guò)程終點(diǎn)不敏銳，未到滴定終點(diǎn)即出現(xiàn)藍(lán)色，天藍(lán)色終點(diǎn)很難觀察，很考驗(yàn)操作者對(duì)觀察藍(lán)色的能力。而加入EDTA二鈉鎂后，生成的鉻黑T－鎂的絡(luò)合物使滴定終點(diǎn)變得明顯。其主要原因在于，當(dāng)水樣中不含鎂離子或者鎂離子含量很少時(shí)，水中的鈣離子在未到滴定終點(diǎn)時(shí)，EBT-Ca就已經(jīng)大部分解離［10］，呈現(xiàn)紫色和藍(lán)色的復(fù)合色（深藍(lán)色），只有當(dāng)EDTA完全將鈣離子絡(luò)合，溶液才呈現(xiàn)天藍(lán)色。

我國(guó)的地下水和地面水以及民用自來(lái)水的硬度主要以鈣離子硬度為主，因此在滴定過(guò)程加入少量鎂可有效提高終點(diǎn)顏色轉(zhuǎn)變的敏銳性，減小讀數(shù)誤差。

2.2 不同水樣的加標(biāo)回收檢驗(yàn)

在實(shí)際水樣分析實(shí)驗(yàn)中，樣品的真實(shí)值往往不能精確計(jì)算，一個(gè)分析方法的準(zhǔn)確度通常可以通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或以標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)做回收率等方法來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

用5 mmol/L的EDTA溶液對(duì)純水、自來(lái)水和河水等不同水樣進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果列于表3。

表3 不同水樣的加標(biāo)回收試驗(yàn)

以回收率在90%～110%范圍為允許限，回收率小于90%說(shuō)明該方法用于此濃度下的測(cè)定的結(jié)果有較大誤差。由表3可知，自來(lái)水和河水的鈣、鎂離子加標(biāo)實(shí)驗(yàn)回收率在90%～110%之間，其測(cè)定結(jié)果在允許的誤差范圍之內(nèi)，而純凈水在低濃度下（小于60mg/L）的回收率偏低，高濃度下能夠正常檢測(cè)。

天然水樣主要由鈣硬度和鎂硬度同時(shí)構(gòu)成水的總硬度。以鈣鎂比為3∶1的標(biāo)液配制純凈水加標(biāo)溶液，測(cè)試在不同添加水平時(shí)，對(duì)3種方法（即采用3種不同濃度EDTA進(jìn)行滴定）的平均回收率進(jìn)行系統(tǒng)分析。純凈水中的兩個(gè)不同硬度添加水平分別為25和55 mg/L。

由F檢驗(yàn)可知，在置信度為90%下，每組實(shí)驗(yàn)的精密度并無(wú)顯著性差異（見(jiàn)表4）。而由t檢驗(yàn)可知，只有在較高添加水平下的2和5 mmol/L兩個(gè)方法之間不存在顯著性差異（t＜t0.05，10），此時(shí)回收率良好，其他實(shí)驗(yàn)組之間均存在顯著性差異（t＞t0.05，10）。其中2 mmol/L的EDTA滴定低濃度的鈣鎂離子得到的結(jié)果要好于5、10 mmol/L的EDTA。說(shuō)明在一定誤差范圍內(nèi)，該測(cè)定方法可能存在可檢測(cè)的鈣鎂硬度臨界下限值。

表4 不同濃度EDTA滴定結(jié)果對(duì)比

2.3 鈣、鎂離子回收率達(dá)標(biāo)濃度臨界下限值探索

由上述結(jié)果可知，EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度可能是導(dǎo)致可檢測(cè)鈣鎂離子含量允許限的因素之一，以下探究了不同濃度EDTA標(biāo)準(zhǔn)液滴定下的鈣鎂離子回收率達(dá)標(biāo)濃度臨界下限值，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同濃度EDTA滴定鈣鎂離子回收率測(cè)試

以90%以上回收率為合格線，由圖1可知，用不同濃度EDTA滴定鈣、鎂離子回收率達(dá)標(biāo)濃度臨界下限值不同，即在允許誤差范圍內(nèi)可進(jìn)行滴定的鈣鎂離子濃度不同。單獨(dú)滴定的鈣離子由于靈敏度不如鎂離子，故鎂離子的可測(cè)定臨界下限值更低一點(diǎn)。高濃度（10 mmol/L）的EDTA在滴定50 mg/L濃度以下的鈣鎂離子時(shí)，回收率明顯偏低，而此時(shí)若適當(dāng)降低EDTA濃度，則可以保持較低的測(cè)定誤差。2 mmol/L EDTA可滴定最低鈣、鎂離子硬度濃度為25 mg/L左右。

綜上所述，在測(cè)低硬度水質(zhì)，特別是小于50 mg/L的水質(zhì)時(shí)，適當(dāng)降低國(guó)標(biāo)法中EDTA的濃度可提高EDTA滴定法測(cè)定水質(zhì)硬度的準(zhǔn)確性。想要在更低硬度（＜20 mg/L）以下的水質(zhì)有較高的精確度時(shí)，則需選擇原子吸收分光光度法［11］或紫外分光光度法［12］等更精密的方法。

2.4 EDTA絡(luò)合滴定法混標(biāo)滴定準(zhǔn)確度

實(shí)際水樣測(cè)定中，溶液都是以鈣鎂離子混合形式存在，且不同水質(zhì)的鈣鎂比例不同，低濃度下（＜50 mg/L）的鈣鎂離子的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的滴定誤差結(jié)果如表5所示。

表5 不同濃度EDTA滴定混標(biāo)溶液誤差mg/L

不同濃度的EDTA溶液測(cè)定同一范圍硬度的混標(biāo)溶液時(shí)，所產(chǎn)生的誤差不同。2、5、10 mmol/L的EDTA溶液滴定鈣鎂混合溶液的誤差分別為1.0～3.5、3.0～5.5、3.5～7.5 mg/L之間，進(jìn)一步說(shuō)明在測(cè)定低硬度水樣時(shí)，適當(dāng)降低EDTA濃度可有效提高滴定準(zhǔn)確度。由不同鈣鎂比溶液的測(cè)定結(jié)果看出，測(cè)定誤差受鈣鎂比例的影響較小。

該EDTA滴定法不適用于海水等鹽含量較高的水質(zhì)，當(dāng)溶液中鈉離子含量過(guò)高，也會(huì)消耗小部分EDTA導(dǎo)致滴定結(jié)果偏大。且一般實(shí)際水樣中往往含有少量Fe3＋、Cu2＋、Zn2＋等干擾離子，它們與鉻黑T絡(luò)合呈現(xiàn)紅色，其穩(wěn)定常數(shù)通常極大，測(cè)定時(shí)極易導(dǎo)致滴定終點(diǎn)時(shí)顏色變化不夠敏銳，造成指示劑封閉，不能進(jìn)行正常滴定，此時(shí)可在滴定前先加入適量的三乙醇胺和硫化鈉或者氰化物等掩蔽劑使干擾離子得到快速掩蔽。

2.5 鉻黑T-紫外分光光度法測(cè)水總硬度

水中鈣、鎂可分別與鉻黑T絡(luò)合生成紫紅色配合物，在紫外下具有最大吸收波長(zhǎng)，定量鈣、鎂與指示劑作用具有一定的光吸收，因此可通過(guò)測(cè)定鈣鎂離子與指示劑絡(luò)合后的吸光度制作工作曲線計(jì)算得到水的總硬度。然而MgEBT和CaEBT在最佳吸收波長(zhǎng)下的摩爾吸光系數(shù)顯然不同［13，14］，不可直接用于測(cè)定水的總硬度。

由于EDTA在溶液中與鈣、鎂離子絡(luò)合后的穩(wěn)定性存在如下關(guān)系：因此，在待測(cè)定的溶液中加入定量的鎂時(shí)，可將與指示劑絡(luò)合的鈣離子全部替換成鎂離子，從而從測(cè)定總硬度的多組分（鈣、鎂混合濃度）變成單組分（鎂總濃度），提高光度法測(cè)定水總硬度的準(zhǔn)確度，其反應(yīng)式為［15］：

取11根10 mL的比色管，加入0.1 mL 0～5 mmol/L鎂離子標(biāo)液，0.8 mL含1 mmol/L EDTA和1 mmol/L鎂離子的氨性緩沖液，0.6 mL EBT溶液，去離子水稀釋至刻度，在波長(zhǎng)520 nm下測(cè)定其吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖2所示。

圖2 鎂離子標(biāo)液的工作曲線

取兩支10 mL比色管，與上述測(cè)定方法一致，取河水和自來(lái)水0.1 mL進(jìn)行測(cè)試，并計(jì)算加標(biāo)回收率，得到結(jié)果如表6所示。

表6 實(shí)際水樣測(cè)試及加標(biāo)回收率計(jì)算

由表6可知，光度法測(cè)得自來(lái)水的硬度為52.9 mg/L，河水硬度為126.8 mg/L，回收率測(cè)試在90%～110%之間，結(jié)果良好。對(duì)比EDTA滴定分析法，用5 mmol/L的EDTA進(jìn)行滴定測(cè)試，平行滴定3次，根據(jù)所消耗的EDTA溶液的體積計(jì)算得到實(shí)際自來(lái)水和河水的硬度分別為55.69和129.04 mg/L，紫外分光光度法測(cè)試結(jié)果與滴定法相差不大，在實(shí)驗(yàn)室中其操作更加簡(jiǎn)便快捷。

3 結(jié) 語(yǔ)

EDTA滴定法測(cè)水質(zhì)鈣鎂總量方法中，鈣鎂離子測(cè)定總量的誤差主要來(lái)源于方法誤差以及滴定終點(diǎn)的主觀誤差。在測(cè)定實(shí)際水樣時(shí)，緩沖溶液中添加適量的EDTA二鈉鎂可使終點(diǎn)顏色變化更敏銳，有效減小主觀誤差。通過(guò)加標(biāo)回收、回收率檢驗(yàn)、精密度和準(zhǔn)確度計(jì)算等試驗(yàn)，低硬度水質(zhì)中，只含有鈣離子的溶液測(cè)定誤差比只含有鎂離子的測(cè)定誤差大，適當(dāng)減小EDTA的濃度可有效提高EDTA滴定法的準(zhǔn)確性，有效減小方法誤差。符合加標(biāo)回收率常量要求在90%～110%之間可滴定的臨界鈣、鎂硬度分別為70～75和45～50 mg/L（10 mmol/L EDTA），50～55和20～25 mg/L（5 mmol/L EDTA），20～25 mg/L（2 mmol/LEDTA），混標(biāo)溶液中鈣鎂比對(duì)測(cè)定誤差影響較小。置換分光光度法用于測(cè)定實(shí)際水樣結(jié)果與滴定法結(jié)果一致，簡(jiǎn)便快捷，具有可適用性。