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)
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：
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。
1.1 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Ⅲ，用 5 mL 氨水及 45 mL 超吹水溶解后，转入 1 L 容量瓶中，加超纯水至刻度线，配成0.1%偶氮胂Ⅲ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
表2 实验仪器
表3 样品溶液配方
上表中，除0.1%偶氮胂Ⅲ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)。
2.1 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Ⅲ形成的配合物，在 650 nm 处有第二吸收峰[5]。
表4 分光光度法确定最佳吸收波长的四组相关数据
图1 测量波长λ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、处理后样品溶液的吸光度值及净化率
本文对离子交换法软化自来水的效果进行了实验分析，确定检测时的最佳测量波长为 650 nm，与Ca2+和偶氮胂Ⅲ形成配合物的第二吸收峰对应波长相一致；
同时，首次测得了离子交换柱的净化率，表明离子交换法可有效去除自来水中的Ca2+，但不彻底。上述实验结论为离子交换法净化效果的表征提供了相应的数据积累。