吳 丹， 胡瑩露

（1.浙江大學生物系統工程與食品科學學院，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題上既要保證鈣鎂元素的攝入，也要防止過量［1］。而我國的水質硬度總體偏高［2］，尤其是在一些北方地區(qū)，水質硬度過高會造成生產設備的破壞，對人體健康的危害以及諸多人們在日常生活中的不便［3］，因此對水質硬度的檢測尤為重要。

水體中構成水質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的環(huán)境標準分析方法中的EDTA滴定法，該法操作簡單易于實現，其原理［8］是在pH10的條件下，鉻黑T與鈣鎂離子絡合，呈現紫紅色，滴加EDTA二鈉同溶液中的鈣、鎂離子進行絡合，直至終點，鉻黑T被完全游離出來，溶液由紫紅色轉變?yōu)殂t黑T本身的天藍色。對于藍色終點的判斷往往取決于操作者判斷顏色的經驗，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，分析結果的重現性和精確性往往會存在一定的誤差。

為了探究EDTA滴定法在測定不同濃度鈣鎂離子含量時的精確性問題，本文探討了EDTA滴定法中不同滴定條件下的精確性問題，并用于自來水和河水的檢測。同時介紹了一種置換分光光度法測總硬度，為解決EDTA滴定法在實際操作過程中針對不同硬度水質檢測精確度不夠的檢測問題提供一些新想法。

1 實驗部分

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二鈉標準溶液：準確稱取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鈣標準溶液：準確稱取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鎂標準溶液：準確稱取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水乙醇，100 mL容量瓶定容。

自來水（杭州江干區(qū)朝陽工業(yè)園）、河水（杭州江干區(qū)朝陽工業(yè)園，若河水中含有大量微小顆粒物，采樣后應盡快用0.45μm孔徑的過濾器過濾）。

將配制好的10 mmol/L的鈣、鎂離子進行稀釋配制濃度為0.5～5.0 mmol/L的鈣、鎂離子標液（對應碳酸鈣硬度為50～500 mg/L）。

以上所有用到的試劑均為分析純試劑；紫外分析儀DR3900，哈希水質分析儀器上海有限公司。

1.2 試驗方法

10/5/2 mmol/L的EDTA二鈉標準溶液的標定分別用10/5/2 mmol/L的鈣標準溶液進行標定。測定操作方法參考GB/T 7477-87［8］，準確移取50 mL待測試樣于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標準溶液進行滴定，溶液由紫紅色剛好變?yōu)樘焖{色為滴定終點，滴定時間控制在5 min內。由于取用的自來水和河水中干擾離子濃度較低，本工作所有試驗均未加掩蔽劑。對氨性緩沖溶液進行加EDTA二鈉鎂和不加EDTA二鈉鎂處理，考察EDTA二鈉鎂的添加對測定鈣、鎂離子溶液時的精確度的影響，并分別對鈣標液和鎂標液進行單獨滴定。適當稀釋EDTA濃度對不同濃度的鈣鎂離子進行滴定并進行加標回收率計算，考察不同濃度EDTA二鈉溶液在測定鈣、鎂離子以及鈣鎂混合標液含量時的準確度。

實驗中所有鈣離子、鎂離子濃度均轉化為碳酸鈣濃度計算。鈣、鎂總量用下式進行計算：

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鎂離子標準溶液用于制作分光光度法工作曲線，在波長520 nm下測定其吸光度，以鎂離子濃度為縱坐標，吸光度為橫坐標，繪制標準曲線。加標實驗以自來水和河水直接配制加標標液，加標標液中鈣/鎂為3∶1，計算回收率。

2 實驗結果

2.1 EDTA二鈉鎂對滴定精確度的影響

用5 mmol/L的EDTA溶液和緩沖溶液1、2對濃度梯度的鈣離子和鎂離子的進行單獨滴定，滴定結果列于表1、2。EDTA滴定過程中，溶液中主要存在的平衡關系［9］如下所示：

表1 鈣標液濃度測試結果

化學計量點前

化學計量點時

表2 鎂標液濃度測試結果

滴定反應在化學計量點之前主要以式（2）進行，EDTA加入后，先與溶液中游離的鈣鎂離子反應，即將到達化學計量點時，反應由式（3）所示。該過程中，溶液紅色逐漸變淺，然后變成紫色，到達等當點時，溶液變?yōu)樘焖{色。

由表1、2計算結果可知，滴定結果的相對誤差在鈣鎂離子濃度較低時較大。溶液中EDTA二鈉鎂對結果測定誤差的影響較小，其主要作用在于增加終點變色的靈敏性。

在不添加EDTA二鈉鎂的鈣標液滴定實驗過程中，測定過程終點不敏銳，未到滴定終點即出現藍色，天藍色終點很難觀察，很考驗操作者對觀察藍色的能力。而加入EDTA二鈉鎂后，生成的鉻黑T－鎂的絡合物使滴定終點變得明顯。其主要原因在于，當水樣中不含鎂離子或者鎂離子含量很少時，水中的鈣離子在未到滴定終點時，EBT-Ca就已經大部分解離［10］，呈現紫色和藍色的復合色（深藍色），只有當EDTA完全將鈣離子絡合，溶液才呈現天藍色。

我國的地下水和地面水以及民用自來水的硬度主要以鈣離子硬度為主，因此在滴定過程加入少量鎂可有效提高終點顏色轉變的敏銳性，減小讀數誤差。

2.2 不同水樣的加標回收檢驗

在實際水樣分析實驗中，樣品的真實值往往不能精確計算，一個分析方法的準確度通?？梢酝ㄟ^測量標準物質或以標準物質做回收率等方法來進行評價。

用5 mmol/L的EDTA溶液對純水、自來水和河水等不同水樣進行加標回收實驗，計算結果列于表3。

表3 不同水樣的加標回收試驗

以回收率在90%～110%范圍為允許限，回收率小于90%說明該方法用于此濃度下的測定的結果有較大誤差。由表3可知，自來水和河水的鈣、鎂離子加標實驗回收率在90%～110%之間，其測定結果在允許的誤差范圍之內，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。

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

由F檢驗可知，在置信度為90%下，每組實驗的精密度并無顯著性差異（見表4）。而由t檢驗可知，只有在較高添加水平下的2和5 mmol/L兩個方法之間不存在顯著性差異（t＜t0.05，10），此時回收率良好，其他實驗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果要好于5、10 mmol/L的EDTA。說明在一定誤差范圍內，該測定方法可能存在可檢測的鈣鎂硬度臨界下限值。

表4 不同濃度EDTA滴定結果對比

2.3 鈣、鎂離子回收率達標濃度臨界下限值探索

由上述結果可知，EDTA標準溶液的濃度可能是導致可檢測鈣鎂離子含量允許限的因素之一，以下探究了不同濃度EDTA標準液滴定下的鈣鎂離子回收率達標濃度臨界下限值，結果如圖1所示。

圖1 不同濃度EDTA滴定鈣鎂離子回收率測試

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、鎂離子回收率達標濃度臨界下限值不同，即在允許誤差范圍內可進行滴定的鈣鎂離子濃度不同。單獨滴定的鈣離子由于靈敏度不如鎂離子，故鎂離子的可測定臨界下限值更低一點。高濃度（10 mmol/L）的EDTA在滴定50 mg/L濃度以下的鈣鎂離子時，回收率明顯偏低，而此時若適當降低EDTA濃度，則可以保持較低的測定誤差。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，在測低硬度水質，特別是小于50 mg/L的水質時，適當降低國標法中EDTA的濃度可提高EDTA滴定法測定水質硬度的準確性。想要在更低硬度（＜20 mg/L）以下的水質有較高的精確度時，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絡合滴定法混標滴定準確度

實際水樣測定中，溶液都是以鈣鎂離子混合形式存在，且不同水質的鈣鎂比例不同，低濃度下（＜50 mg/L）的鈣鎂離子的混合標準溶液的滴定誤差結果如表5所示。

表5 不同濃度EDTA滴定混標溶液誤差mg/L

不同濃度的EDTA溶液測定同一范圍硬度的混標溶液時，所產生的誤差不同。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，進一步說明在測定低硬度水樣時，適當降低EDTA濃度可有效提高滴定準確度。由不同鈣鎂比溶液的測定結果看出，測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，當溶液中鈉離子含量過高，也會消耗小部分EDTA導致滴定結果偏大。且一般實際水樣中往往含有少量Fe3＋、Cu2＋、Zn2＋等干擾離子，它們與鉻黑T絡合呈現紅色，其穩(wěn)定常數通常極大，測定時極易導致滴定終點時顏色變化不夠敏銳，造成指示劑封閉，不能進行正常滴定，此時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-紫外分光光度法測水總硬度

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

由于EDTA在溶液中與鈣、鎂離子絡合后的穩(wěn)定性存在如下關系：因此，在待測定的溶液中加入定量的鎂時，可將與指示劑絡合的鈣離子全部替換成鎂離子，從而從測定總硬度的多組分（鈣、鎂混合濃度）變成單組分（鎂總濃度），提高光度法測定水總硬度的準確度，其反應式為［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520 nm下測定其吸光度，繪制標準曲線，如圖2所示。

圖2 鎂離子標液的工作曲線

取兩支10 mL比色管，與上述測定方法一致，取河水和自來水0.1 mL進行測試，并計算加標回收率，得到結果如表6所示。

表6 實際水樣測試及加標回收率計算

由表6可知，光度法測得自來水的硬度為52.9 mg/L，河水硬度為126.8 mg/L，回收率測試在90%～110%之間，結果良好。對比EDTA滴定分析法，用5 mmol/L的EDTA進行滴定測試，平行滴定3次，根據所消耗的EDTA溶液的體積計算得到實際自來水和河水的硬度分別為55.69和129.04 mg/L，紫外分光光度法測試結果與滴定法相差不大，在實驗室中其操作更加簡便快捷。

3 結 語

EDTA滴定法測水質鈣鎂總量方法中，鈣鎂離子測定總量的誤差主要來源于方法誤差以及滴定終點的主觀誤差。在測定實際水樣時，緩沖溶液中添加適量的EDTA二鈉鎂可使終點顏色變化更敏銳，有效減小主觀誤差。通過加標回收、回收率檢驗、精密度和準確度計算等試驗，低硬度水質中，只含有鈣離子的溶液測定誤差比只含有鎂離子的測定誤差大，適當減小EDTA的濃度可有效提高EDTA滴定法的準確性，有效減小方法誤差。符合加標回收率常量要求在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），混標溶液中鈣鎂比對測定誤差影響較小。置換分光光度法用于測定實際水樣結果與滴定法結果一致，簡便快捷，具有可適用性。