水的净化与软化处理

一、实验目的

（1）了解离子交换法净化水的原理和方法。

（2）了解用配合滴定法测定水的硬度的基本原理和方法。

（3）进一步练习滴定操作及离子交换树脂和电导率仪的使用方法。

二、实验原理

1．水的硬度和水质的分类

通常将溶有微量或不含Ca2＋、Mg2＋等离子的水叫做软水，而将溶有较多量Ca2＋、Mg2＋等离子的水叫做硬水。水的硬度是指溶于水中的Ca2＋、Mg2＋等离子的含量。水中所含钙、镁的酸式碳酸盐经加热易分解而析出沉淀，由这类盐所形成的硬度称为暂时硬度。而由钙、镁的硫酸盐，氯化物，硝酸盐所形成的硬度称为永久硬度。暂时硬度和永久硬度的总和称为总硬度。

硬度有多种表示方法。例如，以水中所含Ca O的浓度 （以mmol／dm3为单位）表示，也有以水中含有Ca O的量，即每立方分米水中所含Ca O的毫克数 （mg／dm3）表示。水质可按硬度的大小进行分类，如表3－11所示。

＊也有用度 （°）表示硬度，即每dm3水中含10mg Ca O为1°，1°＝10×10－6（g／cm3）。

2．水的硬度的测定原理

水的硬度的测定方法甚多，最常用的是EDTA配合滴定法。EDTA是乙二胺四乙酸根离子的简称，它的分子式为：

由于EDTA在水溶液中溶解度较小，实验室中通常用其二钠盐 （Na2H2EDTA）配制溶液。

在测定过程中，控制适当的p H值，用少量铬黑T（C20H12O7N3SNa，可缩写为EBT）作指示剂，Mg2＋、Ca2＋能与其反应，分别生成紫红色的配离子［Mg（EBT）］－和［Ca（EBT）］－，但其稳定性不及与EDTA所形成配离子［Mg（EDTA）］2－和［Ca（EDTA）］2－。上述各配离子的lg Kf值及颜色见表3－12。

表3－12 一些钙、镁配离子的1g Kf值及颜色

滴定时，EDTA先与溶液中未配合的Ca2＋、Mg2＋结合，然后与［Mg（EBT）］－、［Ca（EBT）］－反应，从而游离出指示剂EBT，使溶液颜色由紫红色变为蓝色，表明滴定达到终点。这一过程可用化学反应方程式表示 （式中Me2＋表示Ca2＋或Mg2＋）：

HEBT2－（aq）＋Me2＋（aq）p———→H＝10．0 ［Me（EBT）］－＋H＋（aq）蓝色 紫红色［Me（EBT）］－＋H2EDTA2－（aq）＋OH－（aq===） ［Me（EDTA）］2－＋HEBT2－（aq）＋H2O（1）紫红色 无色 无色 蓝色

根据下式可算出水样的总硬度。

总硬度（mmol／dm3）＝1000c（EDTA）·V（EDTA）／V（H2O）

或　总硬度（mg／dm3）＝1000c（EDTA）·V（EDTA）·M（Ca O）／V（H2O）

式中，c（EDTA）为标准Na2H2EDTA溶液的浓度，单位为mol／dm3；V（EDTA）为滴定中消耗的标准Na2H2EDTA溶液的体积，单位为cm3；V（H2O）为所取待测水样的体积，单位为cm3；M（Ca O）为Ca O的摩尔质量，单位为g／mol。

3．水的软化和净化处理

硬水的软化和净化的方法很多，本实验采用离子交换法。使水样中的Ca2＋、Mg2＋等离子与正离子交换树脂进行正离子交换，交换后的水即为软化水 （简称软水）；若使水样中的正、负离子与正、负离子交换树脂进行离子交换，可除去水样中的杂质正、负离子而使水净化，所得的水叫做去离子水。化学反应方程式可表示如下 （以杂质离子Mg2＋和Cl－为例）：

4．水的软化和净化检验

水中的微量Ca2＋、Mg2＋，可用铬黑T指示进行检验。在p H＝8～11的溶液中，铬黑T能与Ca2＋、Mg2＋作用生成紫红色的配离子。

纯水是一种极弱的电解质，水样中所含有的可溶性电解质 （杂质）常使其导电能力增大。用电导率仪测定水样的电导率，可以确定去离子水的纯度。各种水样的电导率值大致范围见表3－13。

表3－13 各种水的电导率

三、仪器和试剂

1．仪器

常用仪器：微型离子变换柱 （套），烧杯 （100cm3、250cm3，2个），锥形瓶 （250cm3， 2个），铁台，螺丝夹，滴管，移液管 （100cm3），吸气橡皮球，碱式滴定管 （50cm3），滴定管夹，白瓷板，量筒 （10cm3，4个），50cm3洗瓶，玻璃棒，滤纸 （或滤纸片），棉花，T形管，乳胶管，6孔井穴板，电导率仪 （附铂黑电极和铂光亮电导电极）。

2．试剂

氨NH3—氯化铵NH4Cl缓冲溶液、水样 （可用自来水或泉水）、标准Na2H2EDTA、铬黑T指示剂 （0．5％）、三乙醇胺N（CH2CH2OH）3（3％）、强酸型正离子交换树脂 （001 ×7）、强碱型负离子交换树脂 （201×7）。

四、实验内容

1．水的总硬度测定

用移液管吸取100．00cm3水样，置于250cm3锥形瓶中，首先加入5cm3三乙醇胺溶液和5cm3NH3—NH4Cl缓冲溶夜，摇匀后，加2～3滴铬黑T指示剂溶液，摇匀。用标准Na2H2EDTA溶液滴定至溶液颜色由紫红色变为蓝色，即达到滴定终点。记录所消耗的标准Na2H2EDTA溶液体积。再测下一次 （按分析要求，两次滴定误差不应大于0．05cm3）。取两次数据的平均值，计算水样的总硬度 （以mmol／dm3或度表示之）。

2．硬水软化——离子交换法 （微型离子交换柱的制作）

（1）如图3－22所示，取一支下端无磨口的交换柱，在底部垫上一些玻璃棉 （或脱脂棉），装上5cm长的细乳胶管，再用螺旋夹夹紧。注入蒸馏水，以铁支架和试管夹垂直固定交换柱。取正负离子的混合交换树脂，置于5cm3井穴板中，加水浸泡过夜，使树脂溶胀。然后用一支口径稍大的玻璃滴管吸取树脂悬浊液，把树脂和水滴加到交换柱中。同时，放松螺旋夹使交换柱的水溶液缓缓流出，树脂即沉降到柱底。尽可能使树脂填装紧密，不留气泡。在装柱和实验过程中交换柱中液面应始终高于树脂柱面，树脂柱高8～10cm。

（2）阴离子交换树脂柱的准备。取强碱型阴离子交换树脂，以1mol／dm3Na OH溶液浸泡过夜使其转变为R－OH树脂。吸出上层清液后，以少量去离子水多次洗涤树脂至中性，然后按实验 （1）的方法装入一支两端都有磨口的交换柱中，阴离子树脂柱高8cm，以去离子水洗至p H＝7，备用。

（3）阳离子交换树脂柱的准备。微型阳离子交换树脂柱，也按实验 （1）的方法装柱，经再生处理并用去离子水洗到中性后备用。

3．转型或再生

装入交换柱的树脂若是钠型树脂或是已经使用多次的树脂，则必须进行转型或再生处理，使树脂完全转变为氢型树脂，否则难以保证Ca2＋完全交换出H＋，而导致实验结果偏低。

转型的操作如下：用多用滴管吸取1mol／dm3HCl溶液，滴加30滴到交换柱中，松开螺旋夹，调节流出液以6～8滴／min的速度流出。连续滴加HCl三次 （共约90～100滴），待柱中HCl溶液液面降至接近树脂层表面时 （不得低于表面），滴加去离子水洗涤树脂，直到流出液呈中性（用p H试纸检验，约需1 3 0滴去离子水）。夹住螺旋夹，弃去流出液（再生处理需用不含Cl－的1mol／dm3HNO3代替HCl，其余操作同转型处理）。

4．水的净化

将上述3个微型离子交换柱按图3－22串联，就组成了离子交换法制去离子水的装置。柱间连接要紧密，不得有气泡。用多用滴管滴加自来水 （用作原料水样），控制离子交换柱流速12滴／min，以干净的六孔井穴板承接流出液。当流出液充满2个穴后，第3、4个孔穴承接的流出水是1＃水样，第5、6个孔穴承接的流出水是2＃水样。

图3－22 离子交换法制去离子水的装置

a．阳离子交换柱；b．阴离子交换柱；c．阴阳离子混合交换柱

5．水的电导率的测定

用电导率仪分别测定1＃～2＃净化水样 （在六孔井穴板中进行，用铂光亮电极）和自来水 （3＃水样，用铂黑电极）的电导率。

6．Ca2＋、Mg2＋的检验

分别取水样 （或自来水），已经软化的水 （超纯水、市售瓶装各类水）各约5cm3，各加入1滴铬黑T指示剂溶液，摇匀，观察并比较颜色，判断是否含有Ca2＋和Mg2＋，并对它们初步排序。

五、思考题

（1）用EDTA配合滴定法测定水硬度的基本原理是怎样的？使用什么指示剂？滴定终点的颜色变化如何？

（2）用离子交换法使硬水软化和净化的基本原理是怎样的？操作中有哪些应注意之处。

（3）为什么通常可用电导率值的大小来估计水质的纯度？是否可以认为电导率值越小，水质的纯度越高？