陽離子交換作用的基本特性

㈠ 陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂的區別和用法

陽離子交換樹脂：
1.
陽離子交換樹脂是在交聯為7％的苯乙烯，二乙烯共聚體上帶有磺酸基（-
SO3
H）的陽離子交換樹脂，是一種磺酸化苯乙烯系凝膠型強酸性陽離子交換樹脂。它在鹼性、中性、甚至酸性介質中都顯示離子交換功能。本產品具有交換容量高、交換速度快、機械強度好等特點。主要用於鍋爐硬水軟化和純水制備，也用於濕法冶金、製糖、制葯、味精行業，以及作為催化劑和脫水劑。
2.
陽離子交換樹脂含弱酸性基團，如羧基－COOH，能在水中離解出H+
而呈酸性。樹脂離解後餘下的負電基團，如R-COO－（R為碳氫基團），能與溶液中的其他陽離子吸附結合，從而產生陽離子交換作用。這種樹脂的酸性即離解性較弱，在低pH下難以離解和進行離子交換，只能在鹼性、中性或微酸性溶液中（如pH5～14）起作用。這類陽離子交換樹脂亦是用酸進行再生（比強酸性樹脂較易再生）。
陰離子交換樹脂：
1.
陰離子交換樹脂含有大量的強酸性基團，如磺酸基－SO3H，容易在溶液中離解出H+，故呈強酸性。樹脂離解後，本體所含的負電基團，如SO3－，能吸附結合溶液中的其他陽離子。這兩個反應使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。強酸性樹脂的離解能力很強，在酸性或鹼性溶液中均能離解和產生離子交換作用。
陽離子交換樹脂在使用一段時間後，要進行再生處理，即用化學品使離子交換反應以相反方向進行，使陽離子交換樹脂的功能基團回復原來狀態，以供再次使用。如上述的陰離子樹脂是用強酸進行再生處理，此時樹脂放出被吸附的陽離子，再與H+結合而恢復原來的組成。

㈡ 陽離子交換

1.陽離子交換

按質量作用定律，陽離子交換反應可以表示為

水文地球化學基礎

式中：K_A—B為陽離子交換平衡常數；A和B為水中的離子；AX和BX為吸附在固體顆粒表面的離子；方括弧指活度。

在海水入侵過程中，准確模擬陽離子交換作用是預測陽離子在含水層中運移的前提條件。按照質量作用定律可以用一個平衡常數把離子交換作為一種反應來描述。例如Na⁺、Ca²⁺的交換：

水文地球化學基礎

平衡常數為：

水文地球化學基礎

式（3—115）表明，交換反應是等當量的，是個可逆過程；兩個Na⁺交換一個Ca²⁺。如果水中的Na⁺與吸附在固體顆粒表面的Ca²⁺（即CaX）交換，則反應向右進行；反之，則向左進行。如果反應向右進行，Ca²⁺是解吸過程，而Na⁺是吸附過程。所以，陽離子交換實際上是一個吸附—解吸過程。Na⁺、Ca²⁺的交換是一種最廣泛的陽離子交換。當海水入侵淡水含水層時，由於海水中Na⁺遠高於淡水，而且淡水含水層顆粒表面可交換的陽離子主要是Ca²⁺，因此產生Na⁺、Ca²⁺之間的離子交換，Na⁺被吸附而Ca²⁺被解吸，方程（3—115）向右進行；當淡水滲入海相地層時，則Na⁺被解吸而Ca²⁺被吸附，反應向左進行。

2.質量作用方程

描述離子交換反應的方程式有多種，通常主要是通過對實驗數據的最佳擬合來決定選擇哪一種方程式，眾多的研究者很難達成一致（Gaines et al.，1953；Vanselow，1932；Gapon，1933；Appelo et al.，1993；Grolimund et al.，1995；Vulava et al.，2000），因為目前並沒有一個統一的理論來計算吸附劑上的離子活度，而前面提到的迪拜—休克爾方程、戴維斯方程都是適用於水溶液中的離子活度計算。

交換性陽離子活度有時用摩爾分數來計算，但更為常用的是當量分數作為交換位的數量分數或者作為交換性陽離子的數量分數。在一種理想的標准狀態下，交換劑只被一種離子完全占據，交換離子的活度等於1。對於等價交換使用哪一種方程式沒有區別，但是對於非等價交換影響十分顯著（Grolimund et al.，1995；Vulava et al.，2000）。所有的模型都有相同的函數形式：

水文地球化學基礎

即為交換位濃度（單位質量吸附劑的摩爾數）與無單位函數

（

，

）和

（

，

）的乘積。這些函數依賴於溶液中陽離子的活度。

海水入侵過程中的交換反應主要為Na⁺與Ca²⁺之間的交換，通常寫作：

水文地球化學基礎

X為—1價的表面交換位，交換位X的總濃度為

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式中：S指每單位質量固體的總交換位濃度，mol/g。這種情況下S的量等於陽離子交換容量（只要單位換算統一即可）。

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式（3—120）的書寫方式符合Gaines—Thomas方程式，Gaines（蓋恩斯）和Thomas（托馬斯）（1995）最先給出交換性陽離子熱動力學標准態的嚴格定義。它使用交換性陽離子的當量分數作為吸附離子的活度。若式（3—120）使用摩爾分數，則遵守Vanselow（1932）公式。

如果假定吸附陽離子的活度和被離子占據的交換位的數目成正比，反應式（3—115）則可寫成

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式（3—122）符合Gapon（加彭）方程式。在Gapon方程式中，摩爾分數和當量分數是一樣的，都是電荷為—1的單一交換位。

還有一種交換形式為：

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Y指交換位的電荷為—2，這種反應式同樣是交換反應的一種有效熱力學描述。它假定交換位Y的總濃度為

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S則為陽離子交換容量的二分之一。Cernik（采爾尼克）等根據當量分數利用反應式（3—123），將交換系數表示為：

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3.質量作用方程擬合

利用Gaines—Thomas（GT）方程式、Vanselow（VS）方程式和Gapon（GP）方程式對在砂樣中進行的試驗所獲得的數據進行擬合，根據擬合結果作出 Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺吸附等溫線（劉茜，2007），如圖3—4～圖3—7所示。

圖3—4 Na⁺吸附等溫線和擬合數據

由吸附等溫線可以看出，砂樣對Na⁺、Mg²⁺、K⁺的吸附量均隨著溶液中離子濃度的增加而逐漸增加，而Ca²⁺發生解吸。圖3—4中，砂樣對Na⁺的吸附量隨溶液中離子濃度的增加而緩慢增加。圖3—5中，在Ca²⁺濃度較低時，解吸量迅速增大，當Ca²⁺濃度較高時，隨濃度增加解吸量增加緩慢，逐漸趨於平穩狀態。

圖3—6中Mg²⁺濃度較低時，吸附量增加較慢，在較高濃度時增加較快，但並沒有出現Ca²⁺的解吸等溫線中的平穩狀態，依然為直線型，且直線的斜率大於低濃度狀態時的斜率，說明Na⁺、Mg²⁺的吸附速率在低濃度（海水含量為20%左右）時較小，在高濃度時，吸附速率變大；Ca²⁺的解吸在高濃度時基本達到平衡，而Na⁺、Mg²⁺還有增長趨勢，也較好證明了試驗所用砂樣的交換位主要為Ca²⁺所佔據。圖3—7中K⁺實測值的吸附等溫線則沒有出現Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺的規律，雖然整體上隨著溶液離子濃度的增加，吸附量也是增長趨勢，但並沒有出現直線規律。究其原因，主要是陽離子交換吸附作用不大，主要是化學吸附，因為K⁺的水化膜較薄，所以有較強的結合力，K⁺被吸附後，大多被牢固吸附在黏土礦物晶格中。

圖3—5 Ca²⁺吸附等溫線和擬合數據

圖3—6 Mg²⁺吸附等溫線和擬合數據

圖3—7 K⁺吸附等溫式和擬合數據

由吸附等溫線模擬圖（圖3—4～圖3—7）及公式與試驗數據擬合的相關系數（表3—17）看出，GT方程式擬合效果較好，能夠很好地預測離子交換趨勢。因此，在多組分離子交換模擬計算中採用Gaines—Thomas方程，為陽離子交換的定量研究提供了依據。

表3—17 GT、GP、VS方程式擬合的相關系數

所以根據Gaines—Thomas方程式（3—126）～式（3—131）計算離子交換系數（表3—18）。由於 9 種配比濃度的離子強度不同，所以各自的交換系數也有所差別。對比

、

、

可知3種離子的吸附親和力順序為Mg²⁺＞K⁺＞Na⁺。但是由於海水中Na⁺、Mg²⁺含量遠遠高於地下水，尤其是Na⁺的含量比地下水高出3個數量級，因此，海水入侵過程中以Ca²⁺、Na⁺交換為主，其次為Ca²⁺、Mg²⁺交換，交換量最少的為Ca²⁺、K⁺。

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表3—18 試驗土樣不同濃度下的交換系數

㈢ 土壤中陽離子的交換作用

土壤的陽離子交換性能，是指土壤溶液中的陽離子與土壤固相陽離子之間所進行的交換 作用，它是由土壤膠體表面性質所決定。土壤膠體是土壤中粘土礦物和腐殖酸以及相互結合形成的復雜有機礦質復合體，其吸收的陽離子包括鉀、鈉、鈣、鎂、銨、氫、鋁等。土壤交換性能對植物營養和施肥有較大作用，它能調節土壤溶液的濃度，保持土壤溶液成分的多樣性和平衡性，還可保持養分免於被雨水淋失.

土壤鹽基飽和度(BS)
Base Saturation
土壤膠體上的交換性鹽基離子佔全部交換性陽離子(總量)的百分比。
酸基離子：H+、Al3+
鹽基離子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+等
BS真正反映土壤有效(速效)養分含量的大小，是改良土壤的重要依據之一。

鹽基飽和度是指土壤吸附交換性鹽基總量的程度。土壤吸附性陽離子，根據其解吸後的化學特性可區分為致酸的非鹽基離子（如氫和鋁離子）與非致酸的鹽基離子（如鈣、鎂、鈉等）兩大類。當土壤膠體所吸附的陽離子基本上屬於鹽基離子時，稱為鹽基飽和土壤，呈中性、鹼性、強鹼性反應；反之，當非鹽基離子占相當大比例時，稱為鹽基不飽和土壤，呈酸性或強鹼性反應。土壤鹽基飽和度以土壤的交換性鹽基總量占土壤陽離子代換量的百分比表示。鹽基飽和度的大小，可用作施用石灰或磷灰石改良土壤的依據。

㈣ 離子交換色譜的原理以及陰陽離子交換樹脂的特性

離子交換樹脂的結構：

離子交換樹脂主要由高分子骨架和活性基團兩部分組成，高分子骨架是惰性的網狀結構骨架，是不溶於酸或鹼的高分子物質，常用的離子交換樹脂是由苯乙烯和二乙烯苯聚合得到樹脂的骨架。

而活性基團不能自由移動的官能團離子和可以自由移動的可交換離子兩部分組成，可交換離子能夠決定樹脂所吸附的離子，比如可交換離子為H型陽離子交換樹脂，那麼這個樹脂能夠吸附的離子，就是H型陽離子，而官能團離子能夠決定樹脂的「酸"、「鹼"性和交換能力的強弱，比如官能團離子是強酸性離子，那麼樹脂就是強酸性離子交換樹脂。

離子交換樹脂的內部結構：

1.凝膠型樹脂是由純單體混合物經縮合或聚合而成的，結構為微孔狀，合成的工藝比較簡單，孔徑大概在1-2nm左右，凝膠型樹脂的操作容量高，產水量高，物理強度好，且再生效率高，被廣泛應用在食品飲料加工，超純水制備，飲用水過濾，硬水軟化，製糖業，制葯等領域。

2.大孔型樹脂的孔徑一般在10nm左右，在樹脂中孔徑是比較大的，所以被稱為大孔型樹脂，且孔徑不會隨著周圍的環境而變化，能夠彌補凝膠型樹脂不能在非水系統中使用的缺點，吸附能力非常強大，不易碎裂，耐氧化好，操作容量高，能夠應用在醫葯領域、除重金屬污染、葯品純化、水處理中除去碳酸硬度、冷凝水精處理等領域。

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㈤ 弱酸性陽離子交換樹脂有何特性

1. 弱酸陽離子交換樹脂在水中的特性類似弱酸。它與中性鹽類作用的能力較弱（例如SO42—、CL—等強酸陰離子）。它僅能與弱酸性鹽類（具有鹼度的鹽類）反應，反應後產生的是弱酸。用強酸H型離子交換樹脂可處理鹼度大的水，將水中的鹼度所對應的陰離子除去後，再用強酸H型交換樹脂來除去強酸根所對應的那部分陰離子。

2. 由於弱酸性陽樹脂對H 的親和力較大，很容易再生，因此它可用強酸H型陰離子交換樹脂的再生廢液來進行再生。

3. 弱酸性陽樹脂的交換容量很大，約為強酸性陽樹脂的2倍。由於弱酸性陽樹脂的交聯度低，所以其機械強度比強酸性陽樹脂的要低。

4. 鹽型弱酸性陽樹脂具有水解能力。

㈥ 陽離子交換作用

岩石顆粒的表面往往帶負電荷，因此能吸附某些陽離子。當某種成分的地下水與岩石顆粒接觸時，水中某些陽離子被岩石顆粒表面吸附，以代替原來被吸附的陽離子，而原來被吸附的陽離子則進入水中，改變了地下水的化學成分，這種作用稱為陽離子交換吸附作用。

陽離子交換的強度取決於很多因素，其中主要的是岩石的粒度、交換陽離子的性質、介質的pH值和水中電解質的濃度。

1.粒度

一般岩石的粒度越細，它的交換性能越強。因此，在黏土和黏土岩中，陽離子交換對水化學成分的影響明顯。

2.離子性質

不同陽離子的吸附能不同，在其他條件相同的情況下，吸附能的大小取決於它們的離子價，離子價越高吸附能越強，並易留在岩石上。如果陽離子的電價相同，吸附能隨原子量的增加而增大。部分離子吸附能強弱的順序如下：

H⁺＞Fe³⁺＞Al³⁺＞Ba²⁺＞Ca²⁺＞Mg²⁺＞K⁺＞Na⁺

由上可見，Ca²⁺的吸附能大於Na⁺，因此在自然界中常可見到地下水中的Ca²⁺交換吸附岩石顆粒表面的Na⁺。

水文地球化學基礎

陽離子交換吸附作用在含水層中廣泛地進行，並且對改變地下水的化學成分及地下水的性質有重大意義。這種作用使硬度大的地下水變為硬度小的軟水，形成低礦化度的鈉水，如SO₄—Na型、HCO₃—Na型以及一些其他過渡型水。

3.pH值

在陽離子交換反應中，氫離子有著特殊的作用。它的交換能量不僅高於一價的陽離子，還高於二價和三價的陽離子。介質的pH值影響陽離子的吸附數量，水中的氫離子越多，對其他陽離子進入膠狀綜合體的阻力越強。增加與土壤處於平衡狀態的溶液pH值，土壤的交換性能增強。當介質的pH值由6增加到11時，交換容量增加1～2倍。

4.電解質濃度

離子交換吸附作用並不僅決定於離子的性質，在吸附交換過程中，水中電解質濃度也起著重要作用，濃度大的離子比濃度小的離子易被吸附。因此，如果鈉的濃度相當大時，吸附綜合體中的部分鈣離子將被鈉離子排擠出去，水中的Na⁺與岩石顆粒表面的Ca²⁺就發生交換吸附的現象，例如海水入侵過程中的Na⁺與Ca²⁺的交換吸附。

水文地球化學基礎

天然水中的交換主要是陽離子交換，而不是陰離子交換。這是由於岩石和土壤的膠體成分主要是由SiO₂、Al₂O₃和其他帶負電的膠粒所組成，它們吸附帶正電的陽離子。除陽離子吸附外，在某些情況下也能發生陰離子吸附作用（例如磚紅壤），但是對這種過程研究很少。

㈦ 什麼叫陽離子交換什麼叫陰離子交換

、離子交換樹脂的組成
離子交換樹脂是一類帶有功能基的網狀結構專高分子化合物，其結構由三部分組成屬：不溶性的三維空間網狀骨架，連接在骨架上的功能基團和功能基團所帶的相反電荷的可交換離子。
陽離子交換樹脂：骨架上結合有磺酸基(-SO3H)（強酸性陽離子交換樹脂）或羧酸基(-COOH)(弱酸性陽離子交換樹脂）。
陰離子交換樹脂：骨架上結合有季銨基(強鹼性陰離子交換樹脂)，伯胺基、仲胺基、叔胺基（弱鹼性陰離子交換樹脂）。
二、離子交換樹脂的分類
按骨架結構不同：凝膠型(干態無孔，吸水後產生微孔)和大孔型(樹脂內部無論干、濕或收縮、溶脹都存在著比凝膠型樹脂更大、更多的孔)。
根據所帶的功能基團的特性：陽離子交換樹脂（帶酸性功能基，能與陽離子進行交換）、陰離子交換樹脂（帶鹼性功能基，能與陰離子進行交換）和其它樹脂。