孟子純
(陸軍特種作戰(zhàn)學(xué)院,廣東 廣州 510630)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們的生活水平有了顯著提升,同時(shí)也伴隨著對(duì)飲用水水質(zhì)要求的不斷提高。而自來(lái)水中含有較多的鈣、鎂離子。過(guò)量的鈣、鎂離子易在臟器內(nèi)形成積石或?qū)е卵苡不瑢?duì)身體健康造成負(fù)面影響;同時(shí),這些鈣、鎂離子在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,容易在機(jī)器設(shè)備內(nèi)壁形成水垢、水渣,易造成昂貴設(shè)備的使用壽命縮短、熱能利用效率降低等后果。因此,生活或工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,自來(lái)水在使用前應(yīng)首先降低其鈣、鎂離子含量,而上述降低鈣、鎂離子含量甚至將其基本除去的過(guò)程就稱為水的軟化[1]。
在高等院?;瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室中,通常使用離子交換法,以軟化自來(lái)水的方式制備去離子水[2]。離子交換法降低自來(lái)水硬度的原理為:當(dāng)自來(lái)水以一定速率流過(guò)樹脂時(shí),樹脂上的H+與水中的Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子交換,使水中多了H+而少了其它的陽(yáng)離子;同樣,自來(lái)水繼續(xù)流過(guò)陰離子樹脂時(shí),樹脂上的OH-與水中的Cl-等陰離子交換,使水中多了OH-而少了其它的陰離子;最終,水中的H+與OH-再次結(jié)合生成水,從而起到凈化水的作用。交換反應(yīng)以CaCl2為例,反應(yīng)如下:
盡管離子交換法具有節(jié)能、成本低、易于管理、凈化效果顯著等優(yōu)點(diǎn),且應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大,但對(duì)于其軟化自來(lái)水的效果,目前尚無(wú)明確的表征方法[3]。因此,本文在離子交換法處理自來(lái)水樣品的基礎(chǔ)上,采用分光光度法,測(cè)量并比較離子交換法處理前后自來(lái)水樣品的吸光度值,以期定性確定水樣中的Ca2+濃度變化情況,為離子交換法凈化效果的表征提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)積累。
實(shí)驗(yàn)所需藥品試劑及儀器見(jiàn)表1、表2。
用 500 mL 燒杯取自來(lái)水樣 400 mL,令其依次通過(guò)陽(yáng)離子交換柱、陰離子交換柱,并于出口處取得凈化后水樣。
稱取 1 g 偶氮胂Ⅲ,用 5 mL 氨水及 45 mL 超吹水溶解后,轉(zhuǎn)入 1 L 容量瓶中,加超純水至刻度線,配成0.1%偶氮胂Ⅲ溶液;稱取 15 g 乙酸銨,用 80 mL 冰醋酸溶解后,轉(zhuǎn)入 250 mL 容量瓶中,加超純水至刻度線,配成pH=4的乙酸-乙酸銨緩沖溶液。
分別用 25 mL 比色管配制空白樣(參比樣)、處理后樣品與處理前樣品,配方見(jiàn)表3。
表1 實(shí)驗(yàn)藥品試劑
表2 實(shí)驗(yàn)儀器
表3 樣品溶液配方
上表中,除0.1%偶氮胂Ⅲ溶液使用 5 mL 吸量管進(jìn)行移取、超純水使用洗瓶定容至刻度線外,其余試劑均使用 10 mL 移液管進(jìn)行移取。
第一步,用裝有去離子水的比色皿,將分光光度計(jì)吸光度數(shù)值調(diào)為0.000,隨后用另外一支比色皿取參比樣,在550~750 nm 的范圍內(nèi),以 10 nm 為變化梯度,分別測(cè)量參比溶液的吸光度值并記錄;
第二步,比較上述測(cè)得的吸光度數(shù)值大小,判斷吸光度數(shù)值的變化趨勢(shì),找出吸光度數(shù)值突然出現(xiàn)增大時(shí)對(duì)應(yīng)的測(cè)量波長(zhǎng);
第三步,重復(fù)步驟一、二,得到四組測(cè)量數(shù)據(jù);
第四步,比較第三步中測(cè)得的數(shù)值,將分光光度計(jì)測(cè)量波長(zhǎng)設(shè)置為上述最佳吸收波長(zhǎng)。
第一步,將參比樣、待測(cè)樣分別裝入3支比色皿,外壁用濾紙擦干,放入樣品室,蓋上試樣室蓋;
第二步,將參比樣拉入光路,按下“Zero”鍵,使顯示器顯示讀數(shù)為0.000;
第三步,將待測(cè)樣分別拉入光路,讀取測(cè)試數(shù)據(jù);
第四步,重復(fù)步驟一至三,得到四組測(cè)量數(shù)據(jù);
第五步,測(cè)量完畢后,將比色皿從試樣池中取出,清洗干凈,擦干,放回比色皿盒(毛玻璃面朝上)。
利用分光光度法確定最佳吸收波長(zhǎng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)值,詳見(jiàn)表4,并繪制成折線圖如圖1所示。由圖表可以看出,四組數(shù)據(jù)均在 650 nm 處出現(xiàn)了吸光度數(shù)值的突然增大,與數(shù)值的整體變化趨勢(shì)(依次減小)相違背,因此,可確定 650 nm 為最佳測(cè)量波長(zhǎng)。這是因?yàn)镃a2+與偶氮胂Ⅲ形成的配合物,在 650 nm 處有第二吸收峰[5]。
表4 分光光度法確定最佳吸收波長(zhǎng)的四組相關(guān)數(shù)據(jù)
圖1 測(cè)量波長(zhǎng)λ與溶液吸光度A之間的定量關(guān)系
表5為 650 nm 下四組處理前、處理后樣品的吸光度數(shù)值以及凈化率??梢钥闯?,離子交換法的凈化率均高于90%,說(shuō)明其對(duì)于水樣中鈣離子的去除效果較好;但凈化率未達(dá)到100%,可能的原因在于水樣中的部分Ca2+未被離子交換劑顆粒吸附,或吸附后的部分Ca2+未與與離子交換劑上的離子進(jìn)行相互交換[6]。
表5 處理前、處理后樣品溶液的吸光度值及凈化率
本文對(duì)離子交換法軟化自來(lái)水的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析,確定檢測(cè)時(shí)的最佳測(cè)量波長(zhǎng)為 650 nm,與Ca2+和偶氮胂Ⅲ形成配合物的第二吸收峰對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)相一致;同時(shí),首次測(cè)得了離子交換柱的凈化率,表明離子交換法可有效去除自來(lái)水中的Ca2+,但不徹底。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論為離子交換法凈化效果的表征提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)積累。