不同水源中钙镁元素的含量及p H测定的对比分析

陈庆典，李海斌，2，任鹏，王澍

(1.安徽建筑大学材料与化学过程学院，安徽 合肥 230601；2.水污染控制与废水资源化安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601)

水资源不仅是自然资源和经济资源，而且是生态环境重要的限制性因素[1]。其所含组分的理化性质决定了它的用途，尤其是钙镁元素作为水中最为常见组分会对水质产生重要影响[2]。从水体中自然富集钙镁离子，可以提高高岭土对磷酸盐的去除能力[3]。然而，钙镁元素作为人体所必需的微量元素，水体中的钙镁与食物中相比，生物利用率等同或者更高，人体对水体中的钙镁吸收率分别达到24%和59%[4]。因此，水体中钙镁元素在机体组成和生理功能方面起到至关重要作用。

钙在人体中主要以骨骼钙和混溶池钙形式存在，人体每天尿钙排出量为100～200 mg。在钙低摄入的状况下，容易导致小儿的骨骼发育不良和成年人的骨折；过量的钙摄入可增加肾结石和奶碱综合征风险[4，5]。镁元素参与人体内300多种酶促反应，能够调节细胞跨膜运输[6]。低镁血症可能增加心律失常的风险，高镁血症(≥1.05 mmol/L)与增加心血管疾病死亡率有关[7]。徐安伟等[8]共测定了国内外56种瓶装天然矿泉水中的钙镁元素含量，其中进口矿泉水的钙镁总量变动较大，而国产的则变动幅度较小。可见，钙镁元素的摄入量对人体健康十分重要。

另外，pH作为水质判断的一项重要指标，对水体中存在的离子形态、吸附作用和光降解污染物能力、藻类光合作用等都会产生重要影响[9-15]。如在低温条件下(12～14℃)的反硝化过程中，pH对亚硝酸盐积累造成影响，弱碱性条件有利于亚硝酸盐的积累。pH还影响湖泊沉积物与水界面的磷交换，且同样点pH与底泥磷的关系为DTP=0.278-0.071pH+0.005pH2(4.70＜pH＜12.20)。在溶液中 pH与(ORP)氧化还原电位也存在相关性，如ORP=0.84-0.047 pH[16]。Yanagitsuru Y R 等[17]研究了 pH和钙浓度对湄公河中5种鱼类离子平衡的影响，从而比较不同鱼类在该酸性水域中耐酸能力。可见，水质pH监测也是判断水质状况的重要指标。

该研究采用原子吸收分光光度计测定市售饮用水、合肥自来水、易海水(校园湖水)和巢湖水中钙镁元素含量，并分别测定了pH的大小。比较不同水源的钙镁元素含量与pH差异，为水质的判断提供基础数据，以期为合理选择饮用水提供参考。

1 材料与方法

1.1 仪器

原子吸收分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)，钙镁空心阴极灯(北京曙光明电子光源仪器有限公司)。雷磁pH计(上海仪电科学仪器股份有限公司)，pH测试误差为±0.2。

1.2 试剂

镁标准溶液(环境保护部标准样品研究所，500 mg/L，GSB 07-1263-2000)，钙标准溶液(国家有色金属及电子材料分析测试中心，1000 mg/L，GSB 04-1720-2004)，实验用水为超纯水。巢湖水取自海拔 30 m(北纬 31 °42'59''，东经 117 °22'26'')，易海水为校园内人工湖水，取自海拔30 m(北纬31 °44'57''，东经 117 °13'10'')。市售饮用水为2018年8月～2018年11月生产。不同水样的名称和产地，如表1所示。

表1 不同水样的名称和产地

1.3 测试方法

不同水样的pH采用pH计测试，钙镁离子含量则采用原子吸收分光光度计测定，并通过如下公式[18]计算总硬度：

ρCaCO3(mg/L)为总硬度，折合成 CaCO3的浓度；ρCa(mg/L)为 Ca2+的浓度；ρMg(mg/L)为 Mg2+的浓度。

2 结果与讨论

2.1 钙镁元素含量

如图1所示，钙镁元素的总含量大小顺序为S6＞S5＞S3＞S4＞S1＞S2，其中样品 S6 的总含量达到26.10 mg/L，且硬度变化与钙镁元素的总含量保持一致。钙含量大小顺序为合肥市自来水＞湖水＞市售饮用水，即自来水中的钙含量最高。镁元素含量最高是样品S6(20.67 mg/L)，最低的为包装饮用水S1(3.25 mg/L)。可见巢湖水的钙元素含量比合肥市自来水低16.24%，镁元素含量比合肥市自来水高40.65%。而市售饮用水的钙镁元素总量和硬度均低于合肥市自来水，钙镁元素分别与合肥市自来水相差30.95～96.03%和1.20～73.05%，即合肥市自来水与市售饮用水相比，钙元素比镁元素存在的差异较大。

图1 不同水样的钙镁元素含量对比

根据世卫组织(2011年)标准，饮用水中钙限值为75 mg/L，镁的允许限制为50 mg/L[19]。我国《生活饮用水卫生标准》(GJ5749-2006)规定了总硬度指标限值为450 mg/L[20]。该研究水源中钙镁元素含量和硬度均符合以上两项标准，至于其它指标需要另外考察。水体中钙镁离子通常认为来自于方解石与白云石溶解，但也有绿泥石等其他矿物的作用，其反应式如(1)～(3)所示[21]，表明钙镁离子含量增加，其硬度也增加，同时pH值也升高，所以需要进一步考察pH。

2.2 pH对比分析

pH是评价水酸碱平衡的重要参数，它也是反映水的酸性或碱性状况的指标，世卫组织建议pH为6.5～8.5。如图2所示，四种市售饮用水的pH大小顺序为S1＞S3＞S2，S1所含的钙镁离子最少，接近于纯净水，其pH为中性。合肥市自来水和湖水均显弱酸性，且pH大小顺序为S6＞S5＞S4，巢湖水和易海水的pH分别比合肥市自来水高10.19%和6.15%，，说明在S6、S5、S4样品pH与钙镁总含量大小顺序保持一致。至于S1、S2、S3样品，pH与钙镁总含量大小顺序不一致的原因可能是受水深度处理的影响。

图2 不同水样p H对比如果

通过钙镁元素的分布分数图3可知，镁元素比钙元素更容易形成沉淀，且碳酸镁的溶度积常数比碳酸钙的溶度积常数大，镁元素更容易溶解在水溶液中，所以导致水体中镁含量均比钙含量高，具体反应式如(4)～(5)所示[22]。在水处理过程中，石英砂、钾长石等可引起滤池出水pH值升高[23]。所以可以通过上述材料来提高水体pH，以达到水体理想pH。尤其需要注意的是，在使用液氯消毒的过程中，pH值可以改变次氯酸和次氯酸根离子比例，从而对消毒效率形成影响[24]。因此，需要根据水源的水质特征，选择合适的pH来控制消毒副产物的产生，提高实际生产效率。

3 结论

(1)巢湖水和易海水的钙镁元素总含量和硬度均高于合肥市自来水，而市售饮用水的这两项数据均低于合肥市自来水。巢湖水中钙镁元素含量分别为5.42 mg/L、20.67 mg/L，钙元素含量相比合肥市自来水低16.24%，镁元素含量相比合肥市自来水高40.65%，说明两种水的钙含量比镁含量有明显差距。

(2)合肥市自来水和易海水、巢湖水均显弱酸性，且pH大小顺序为S6＞S5＞S4，巢湖水和易海水的pH分别比合肥市自来水高10.19%和6.15%。通过钙镁元素的分布分数图可知，镁元素比钙元素更容易形成沉淀，且碳酸镁的溶度积常数比碳酸钙的溶度积常数大，导致在水体中镁含量比钙含量要高。根据水源的水质特征，选择合适pH来控制消毒过程可以提高实际生产效率。

图3 MINTEQ软件计算的钙镁元素在水溶液中的分布(25℃)