离子交换过程中吸附和解吸

Ⅰ 吸附与解吸参数的确定

吸附是溶液中以离子形式存在的溶质从液相中通过离子交换转移到固相表面，从而降低了溶质浓度的过程。解吸则相反，即固相中含有的溶质离子从固相表面进入液相，从而增加了溶质浓度。吸附和解吸作用取决于溶质、固相的化学性质及液相中的溶质浓度。吸附和解吸是同一种物理化学作用的两个不同过程，吸附模型同样可以用来描述解吸过程。吸附对溶质运移有着重要的影响，表现为对溶质运移起着阻滞的作用。自20世纪70年代以来，国外一些学者对土壤吸附作用进行了实验研究，如R.E.Green（1972），E.Bresler（1974），Van Genuchten（1977），F.Bees（1980），D.E.Smiles（1978）和 V.Murali（1983）等对饱和或非饱和土壤溶质吸附特性进行了实验研究，给出了相应的吸附模型。80年代后期以来，国内也有一些学者进行了土壤吸附实验的研究，如杨金忠（1986），黄康乐（1987），史海滨、陈亚新（1996），用NaCl溶液进行了吸附实验；冯绍元、张瑜芳和沈荣开（1996），张瑜芳、张蔚榛和沈荣开等（1997）进行了大量土壤对NH₄+吸附的实验研究；薛泉宏、蔚庆丰等（1997）进行了黄土性土壤K⁺吸附解吸动力学研究。上述实验研究，得出了一些对吸附一般规律性的认识，或适宜某种条件下的吸附模型。大量的实验和理论证明，溶质的吸附和解吸主要与溶质在固、液相中的浓度有关，反映这种浓度关系的数学表达式称为吸附模式。由于土壤吸附过程极其复杂，因此，精确地描述土壤吸附过程几乎是不可能的，许多吸附模式基本上都是经验表达式。吸附模式分为动态吸附模式和平衡吸附模式（张瑜芳、张蔚榛、沈荣开等，1997）。

1.动态吸附模式

（1）Henry吸附模式

土壤水盐运移数值模拟

（2）Freundlich吸附模式

土壤水盐运移数值模拟

（3）Langmuir吸附模式

土壤水盐运移数值模拟

（4）一级反应吸附模式

土壤水盐运移数值模拟

式中：

。

（5）指数型吸附模式

土壤水盐运移数值模拟

（6）抛物线型吸附模式

土壤水盐运移数值模拟

（7）黄康乐吸附模式

土壤水盐运移数值模拟

以上各式中：S、c分别为t时刻的土壤吸附量和土壤溶液浓度；S_e为平衡时的土壤吸附量；其余为与土壤结构、吸附物性质有关的经验系数。

式（2.4.22）、式（2.4.23）、式（2.4.24）和式（2.4.27）存在着一个共同缺点是对短时间较准确，而当时间较长时不能得到一个有限的吸附量。指数型吸附模式引用固体对气体的吸附分式描述土壤的吸附，结果并不理想。一级反应吸附模式引用Langmuir理想气体吸附公式，并假定土壤吸附是在理想的均质表面上进行的，此式用于描述粘土对农药的吸附时取得比其他公式稍好的结果，但是由于土壤的吸附并不完全符合Langmuir的气体吸附方程式，复杂的土壤结构也难以满足理想条件，因而它与实验结果仍有一定的误差。黄康乐（1987）根据土壤吸附的基本特性，从数学物理角度提出的吸附模式表明，吸附量的增加率随着时间的增加而减少，而随着吸附饱和差的增大而增大；吸附量在短时间内增加较快，一定时间以后变化很小，而趋近饱和时达到平衡吸附量，经多组实验证实（黄康乐，1987；王红旗，1992），其拟合效果都是比较好的，无论对于短时间，还是长时间，该模式都能较准确的描述土壤的动态吸附特征。

2.平衡吸附模式

（1）Langmuir吸附模式

土壤水盐运移数值模拟

（2）Freundlich吸附模式

土壤水盐运移数值模拟

特别是，当n=1时，上式变为

S=Kc （2.4.31）

（3）Temkin吸附模式

S=α+ klgc （2.4.32）

（4）Lindstrom吸附模式

S=Kce^-2bs （2.4.33）

（5）黄康乐吸附模式

土壤水盐运移数值模拟

以上各式中：S为土壤吸附量；c为土壤溶液浓度；S_m为土壤最大吸附量；其余为与土壤结构、吸附物性质有关的经验系数。

式（2.4.29）Langmuir吸附模式和式（2.4.30）Freundlich吸附模式，是最常用的经验公式，尤其是公式（2.4.31）为吸附模式中最简单、而被广泛应用的线性等温公式，通常称之为Freundlich线性等温吸附公式。

公式（2.4.29）表明，c/S与c为直线关系，然而许多事实表明，c/S-c是一条微弯曲线。式（2.4.30）、式（2.4.31）和式（2.4.32）未能达到最大吸附量S_m。Lindstrom吸附模式对吸附的微观过程的描述在一定范围内比较精确。式（2.4.34）黄康乐吸附模式表明，吸附量随着浓度的增大而增加，增加的趋势在低浓度时较快，随着浓度的增大而减缓，到一定浓度后，吸附量实际上不再增加，而趋于最大值S_m。

上述所介绍的动态吸附模式和平衡吸附模式，一般条件下可用于土壤对各种盐分和离子的吸附（张瑜芳、张蔚榛、沈荣开等，1997）。在平衡吸附模式中，由于Freundlich线性等温吸附公式，所含参数少（一个参数），简单实用，且能够反应吸附的基本规律，所以被国内外许多人所采用。同时在平衡吸附模式中，由于黄康乐模式反应吸附规律比较好，并为多组实验数据所证实，实测值与模型计算值拟合比较好（黄康乐，1987；史海滨、陈亚新，1996），所以本文选用这两种吸附模式，并通过实验数据拟合的方法确定其系数。

由式（2.4.34）得

土壤水盐运移数值模拟

两边取对数

土壤水盐运移数值模拟

令

土壤水盐运移数值模拟

则

y=bx （2.4.37）

上式可用线性回归的方法求解。其中

，最大吸附量S_m根据实测数据来确定。

3.吸附参数测定实验

吸附参数的测定实验，只考虑土壤对于盐分的吸附总量，不涉及单一离子和多离子间的相互作用。溶液配制：根据长江河口地区水盐动态监测点实测地下水的化学成分组成（8种离子：

、Cl^-、

、K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺），按比例配制（表2.4.2）。

表2.4.2 配制溶液化学成分

*括号内的数据为加6H₂O后的质量

测试土样为寅阳1^＃、大兴2^＃、兴隆沙1^＃。将过筛后的风干土若干份，每份100g，装入广口瓶中，然后按1：0.5的土水比（接近于饱和含水率），分别加入浓度为0g/L、0.5g/L、1.0g/L、2.0g/L、4.0g/L、6.0g/L、10.0g/L的配制溶液50mL，用玻璃棒搅拌均匀后，盖紧瓶盖置于环境温度变化较小的室内，等吸附达到平衡后，用离心机离出土壤溶液，用电导法测定其溶液浓度。根据实验资料（史海滨、陈亚新，1996），约20 天左右电导率值趋于稳定（用NaCl溶液实验），所以本实验样品放置20天后（1999年6月3日至6月23日），开始测定土壤溶液含盐量。土壤对于盐分的吸附量由下式计算

土壤水盐运移数值模拟

式中：S为土壤对于盐分的吸附量，定义为单位质量干土壤所吸附的盐分质量（g/kg）；w为加入溶液的体积（50mL）（mL）；m为土样质量（100g）（g）；c为土壤溶液平衡时的浓度（g/L）；c₀为加入溶液浓度为0g/L（即蒸馏水）时土壤溶液浓度（g/L）；c₁为加入溶液（0.5g/L、1.0g/L、2.0g/L、4.0g/L、6.0g/L、10.0g/L）的浓度（g/L）。S为正时，表示吸附，为负时表示解吸。

为了将电导率换算为溶液浓度，配制了不同浓度的溶液测试其电导率，实测数据见表2.4.3，拟合曲线见图2.4.2，拟合的经验公式（相关系数R=0.998）为

c=0.6209E_c-0.2282 （2.4.39）

式中：c为溶液浓度（g/L），E_c为电导率（mS/cm）。

表2.4.3 电导率与溶液浓度实测数据

图2.4.2 电导率与溶液浓度关系

每个测试土样分别进行7个处理，每个处理2组重复，观测结果取其算术平均值。实测数据见表2.4.4。

表2.4.4 吸附实验测试结果

根据以上数据，寅阳1^＃和大兴2^＃，吸附量S为一负值，因此为解吸量，解吸量的大小随溶液浓度的增加而增加，增加的速度大兴2^＃要大于寅阳1^＃，可能与土壤粘粒含量有关。兴隆沙1^＃吸附量S有正有负，比较复杂，在有限的实验数据范围内，很难寻找其规律，因此在数值模拟时可不考虑其吸附解吸作用。上述解吸量是以加入蒸馏水时土壤溶液浓度为参照系的，因此，进行资料整理时应减去这个量。根据实验数据拟合的解吸模型参数为：

寅阳1^＃

（1）黄康乐模型，模型参数为S_m=0.45g/kg，α=0.197074，模型如下

土壤水盐运移数值模拟

（2）线性模型（R=0.99）

S=0.0484c （2.4.41）

大兴2^＃，用线性模型拟合效果更好，模型如下（R=0.99）

S=0.0471c （2.4.42）

拟合的曲线见图2.4.3。

图2.4.3 解吸量与浓度关系

寅阳1^＃点解吸量与浓度的关系，在低浓度＜4g/L时，选用线性模型误差较小。

根据实验结果分析认为寅阳1^＃、大兴2^＃点解吸量与浓度的关系符合Freundlich线性等温吸附公式，因此选用线性吸附模型。

Ⅱ 交换吸附的作用原理

简单的说句是阴阳离子的结合，因此植物吸收矿物质元素都是以离子的形式吸收：
阴————阳

Ⅲ 解吸的离子交换技术中的解吸

用解吸剂使被离子交换树脂相吸附的离子重新进入水相的过程，又称洗脱或淋洗内。解吸剂又叫淋洗剂容。
解吸是离子交换工艺的主要环节之一。在简单的离子交换工艺中，离子交换树脂的解吸和离子交换树脂的再生往往是同时实现的，解吸的过程有时也是再生的过程(见离子交换树脂再生)。
当离子交换法用于分离性质相似物质如稀土元素离子交换色层分离时，必须借助解吸剂对被吸附的离子解吸能力的强弱来使元素分离。此时影响淋洗分离效率的因素主要有淋洗剂的pH值、交换剂的粒度、装入量、淋洗速度及交换柱的结构等。

Ⅳ 阳离子交换

1.阳离子交换

按质量作用定律，阳离子交换反应可以表示为

水文地球化学基础

式中：K_A—B为阳离子交换平衡常数；A和B为水中的离子；AX和BX为吸附在固体颗粒表面的离子；方括号指活度。

在海水入侵过程中，准确模拟阳离子交换作用是预测阳离子在含水层中运移的前提条件。按照质量作用定律可以用一个平衡常数把离子交换作为一种反应来描述。例如Na⁺、Ca²⁺的交换：

水文地球化学基础

平衡常数为：

水文地球化学基础

式（3—115）表明，交换反应是等当量的，是个可逆过程；两个Na⁺交换一个Ca²⁺。如果水中的Na⁺与吸附在固体颗粒表面的Ca²⁺（即CaX）交换，则反应向右进行；反之，则向左进行。如果反应向右进行，Ca²⁺是解吸过程，而Na⁺是吸附过程。所以，阳离子交换实际上是一个吸附—解吸过程。Na⁺、Ca²⁺的交换是一种最广泛的阳离子交换。当海水入侵淡水含水层时，由于海水中Na⁺远高于淡水，而且淡水含水层颗粒表面可交换的阳离子主要是Ca²⁺，因此产生Na⁺、Ca²⁺之间的离子交换，Na⁺被吸附而Ca²⁺被解吸，方程（3—115）向右进行；当淡水渗入海相地层时，则Na⁺被解吸而Ca²⁺被吸附，反应向左进行。

2.质量作用方程

描述离子交换反应的方程式有多种，通常主要是通过对实验数据的最佳拟合来决定选择哪一种方程式，众多的研究者很难达成一致（Gaines et al.，1953；Vanselow，1932；Gapon，1933；Appelo et al.，1993；Grolimund et al.，1995；Vulava et al.，2000），因为目前并没有一个统一的理论来计算吸附剂上的离子活度，而前面提到的迪拜—休克尔方程、戴维斯方程都是适用于水溶液中的离子活度计算。

交换性阳离子活度有时用摩尔分数来计算，但更为常用的是当量分数作为交换位的数量分数或者作为交换性阳离子的数量分数。在一种理想的标准状态下，交换剂只被一种离子完全占据，交换离子的活度等于1。对于等价交换使用哪一种方程式没有区别，但是对于非等价交换影响十分显著（Grolimund et al.，1995；Vulava et al.，2000）。所有的模型都有相同的函数形式：

水文地球化学基础

即为交换位浓度（单位质量吸附剂的摩尔数）与无单位函数

（

，

）和

（

，

）的乘积。这些函数依赖于溶液中阳离子的活度。

海水入侵过程中的交换反应主要为Na⁺与Ca²⁺之间的交换，通常写作：

水文地球化学基础

X为—1价的表面交换位，交换位X的总浓度为

水文地球化学基础

式中：S指每单位质量固体的总交换位浓度，mol/g。这种情况下S的量等于阳离子交换容量（只要单位换算统一即可）。

水文地球化学基础

式（3—120）的书写方式符合Gaines—Thomas方程式，Gaines（盖恩斯）和Thomas（托马斯）（1995）最先给出交换性阳离子热动力学标准态的严格定义。它使用交换性阳离子的当量分数作为吸附离子的活度。若式（3—120）使用摩尔分数，则遵守Vanselow（1932）公式。

如果假定吸附阳离子的活度和被离子占据的交换位的数目成正比，反应式（3—115）则可写成

水文地球化学基础

式（3—122）符合Gapon（加蓬）方程式。在Gapon方程式中，摩尔分数和当量分数是一样的，都是电荷为—1的单一交换位。

还有一种交换形式为：

水文地球化学基础

Y指交换位的电荷为—2，这种反应式同样是交换反应的一种有效热力学描述。它假定交换位Y的总浓度为

水文地球化学基础

S则为阳离子交换容量的二分之一。Cernik（采尔尼克）等根据当量分数利用反应式（3—123），将交换系数表示为：

水文地球化学基础

3.质量作用方程拟合

利用Gaines—Thomas（GT）方程式、Vanselow（VS）方程式和Gapon（GP）方程式对在砂样中进行的试验所获得的数据进行拟合，根据拟合结果作出 Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺吸附等温线（刘茜，2007），如图3—4～图3—7所示。

图3—4 Na⁺吸附等温线和拟合数据

由吸附等温线可以看出，砂样对Na⁺、Mg²⁺、K⁺的吸附量均随着溶液中离子浓度的增加而逐渐增加，而Ca²⁺发生解吸。图3—4中，砂样对Na⁺的吸附量随溶液中离子浓度的增加而缓慢增加。图3—5中，在Ca²⁺浓度较低时，解吸量迅速增大，当Ca²⁺浓度较高时，随浓度增加解吸量增加缓慢，逐渐趋于平稳状态。

图3—6中Mg²⁺浓度较低时，吸附量增加较慢，在较高浓度时增加较快，但并没有出现Ca²⁺的解吸等温线中的平稳状态，依然为直线型，且直线的斜率大于低浓度状态时的斜率，说明Na⁺、Mg²⁺的吸附速率在低浓度（海水含量为20%左右）时较小，在高浓度时，吸附速率变大；Ca²⁺的解吸在高浓度时基本达到平衡，而Na⁺、Mg²⁺还有增长趋势，也较好证明了试验所用砂样的交换位主要为Ca²⁺所占据。图3—7中K⁺实测值的吸附等温线则没有出现Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺的规律，虽然整体上随着溶液离子浓度的增加，吸附量也是增长趋势，但并没有出现直线规律。究其原因，主要是阳离子交换吸附作用不大，主要是化学吸附，因为K⁺的水化膜较薄，所以有较强的结合力，K⁺被吸附后，大多被牢固吸附在黏土矿物晶格中。

图3—5 Ca²⁺吸附等温线和拟合数据

图3—6 Mg²⁺吸附等温线和拟合数据

图3—7 K⁺吸附等温式和拟合数据

由吸附等温线模拟图（图3—4～图3—7）及公式与试验数据拟合的相关系数（表3—17）看出，GT方程式拟合效果较好，能够很好地预测离子交换趋势。因此，在多组分离子交换模拟计算中采用Gaines—Thomas方程，为阳离子交换的定量研究提供了依据。

表3—17 GT、GP、VS方程式拟合的相关系数

所以根据Gaines—Thomas方程式（3—126）～式（3—131）计算离子交换系数（表3—18）。由于 9 种配比浓度的离子强度不同，所以各自的交换系数也有所差别。对比

、

、

可知3种离子的吸附亲和力顺序为Mg²⁺＞K⁺＞Na⁺。但是由于海水中Na⁺、Mg²⁺含量远远高于地下水，尤其是Na⁺的含量比地下水高出3个数量级，因此，海水入侵过程中以Ca²⁺、Na⁺交换为主，其次为Ca²⁺、Mg²⁺交换，交换量最少的为Ca²⁺、K⁺。

水文地球化学基础

表3—18 试验土样不同浓度下的交换系数

Ⅳ 吸附-解吸作用

吸附-解吸是水-岩（土）系统调节氟浓度的一种重要作用。除了由母岩和风化壳转移而进入土壤的氟化物大部分作为土壤的原生矿物而存在外，土壤中其余的氟多以胶体吸附态的离子（简单阴离子或复杂配离子）和分子（主要是氟化物）形式存在于土壤。

关于吸附解吸的机理相当复杂，基本包括机械吸附、物理化学吸附和生物吸附。土壤是多孔体系，有大孔隙，也有小孔隙，孔隙的状况极其复杂，如大小孔隙相互连接，孔径弯曲多种多样，因而可以对进入其中的氟化物起机械阻留作用。机械吸附对可溶性的分子和离子，如水溶性养分等不起保存作用。物理化学吸附是发生在土壤溶液和土壤胶体界面上的一种物理化学反应，土壤胶体借助于极大的表面积和电性，把土壤溶液中的离子吸附在胶体的表面上而保存下来。

在氟迁移和转化过程中，由于氟与一些金属离子的配合作用以及含氟矿物或氟化物沉淀和溶解作用，使土壤中一些束缚态的氟以氟阴离子或氟配合物的形式游离于水-岩（土）系统，而水-岩（土）系统是一个非常复杂的多相复合系统，土壤中存在大量的黏土矿物和沉淀的氢氧化铁、无定形硅酸以及有机物和腐殖质，它们在水-岩（土）系统中会发生不同程度的电离，而使它们带电，根据吸附作用的本质，游离于土壤溶液中的氟阴离子或氟配合物在它们随淋滤液迁移时会与水-岩（土）系统中的黏土矿物和沉淀的氢氧化铁、无定形硅酸、有机物以及腐殖质等发生不同程度的物理、化学或物理化学吸附作用。

土壤中黏土矿物和沉淀的氢氧化铁、无定形硅酸以及有机物等是F^-主要吸附剂。在岩土中，由于氟离子和羟基离子的大小相近，电性相同，所以氟可以和金属氧化物中与金属离子配位的羟基、水合基以及腐殖质含有的—COOH和—OH等官能团发生离子交换，把这种作用过程称为离子交换吸附，并且这种反应过程是可逆的，其反应式如下：

河南省地下水中氟的分布及形成机理研究

以氧化铁为例，其交换方式可用下式表示。

（1）与配位羟基交换：

河南省地下水中氟的分布及形成机理研究

（2）与配位水合基交换：

河南省地下水中氟的分布及形成机理研究

土壤腐殖质也是土壤中氟的重要吸附剂。土壤腐殖质主要是由在分子的三维方向上带有很多活性基团的芳烃所组成，故具有较强的吸附表面。土壤腐殖质与氟的吸附，主要通过与腐殖质中的—COOH和—OH等功能团的离子交换反应进行。反应式如下：

河南省地下水中氟的分布及形成机理研究

研究表明，被吸附离子半径越接近OH^-的离子半径（r＝1.32～1.40×10^-10m），其交换吸附能力愈大。由于氟的离子半径与OH^-非常接近，所以土壤对F^-交换吸附能力与其他一些阴离子相比，确实要大得多。下面是土壤中阴离子吸附能力大小的排列顺序：

河南省地下水中氟的分布及形成机理研究

除沉淀等因素的影响，一般来说，岩土中氟与相应阴离子或水分子的交换能力与岩土中羟基等可交换离子的物质的量有关，而岩土中的羟基等可交换离子的物质的量又与迁移液的pH、岩土本身的酸碱性、岩土中铁铝氧化物胶体、腐殖质以及氟的阳离子配合物的物质的量密切相关，所以，单位质量的岩土颗粒所含的羟基越多，对氟的吸附量就越大；岩土中腐殖质越多，岩土的pH越大，对氟的吸附量也愈大。

从以上分析可以看出，溶液中F^-取代了土壤胶体上的OH^-，由于土壤溶液中增加了OH^-，势必导致土壤pH值的增高，从而使土壤向碱性反应发展。有研究表明，土壤氟的数量即氟离子吸附量随OH^-的释放而明显增加。不过，土壤溶液中OH^-的增加量与土壤胶体上F的吸附量之间并不存在简单的数量关系，这可能是因为土壤中形成一定量的酸碱使土壤具有较大的缓冲能力。

在土壤中，被胶体静电吸附的阳离子，一般都可以被溶液中另一种阳离子交换而从胶体表面解吸。对这种能相互交换的阳离子称为交换性阳离子，把发生在土壤胶体表面的交换反应称为阳离子交换作用。而土壤对于金属-氟配合物的吸附就是通过这一作用来实现的。通常高价阳离子的交换能力大于低价阳离子，就同价离子而言，水化半径较小的阳离子的交换能力较强。土壤中常见的几种交换性阳离子的交换能力顺序如下：

Fe³⁺、Al³⁺＞H⁺＞Ca²⁺＞Mg²⁺＞K⁺＞Na⁺

衡量土壤阳离子交换能力的指标为阳离子交换容量（CEC），它指土壤所能吸附和交换的阳离子的容量。它与土壤胶体的比表面积和表面电荷有关。按照土壤的交换能力，一般将土壤划分为三个等级：一般认为阳离子交换容量为20cmol/kg以上的为交换能力强的土壤；20～10cmol/kg为交换能力中等的土壤；小于10cmol/kg的为交换能力弱的土壤。对周口开封地区取样坑的土壤测定其阳离子交换容量，结果见表7-3。

表7-3中显示，本区域土壤的阳离子交换容量均在20cmol/kg以上，属于交换性比较强的土壤，为吸附金属-氟配合物提供了有利条件。

总之，土壤吸附性氟包括对氟阴离子（F^-）和金属-氟配合物阳离子（如 AlF²⁺、

、FeF²⁺、

、CoF²⁺、

等）的吸附。其中，对F^-吸附主要是通过与黏土矿物和土壤腐殖质上OH^-的交换实现吸附，对金属-氟配合物阳离子的吸附则主要通过与黏土矿物或土壤腐殖质上的阳离子交换实现吸附。在红壤和黄壤等酸性、富铁铝土壤上吸附态氟主要是氟配合离子，而在石灰性土壤和盐碱土上的吸附态氟主要是F。

表7-3 周口开封地区取样坑阳离子交换量统计表

Ⅵ 离子交换原理

离子交换的基本原理 离子交换的选择性定义为离子交换剂对于某些离子显示优先活性的性质。离子交换树脂吸附各种离子的能力不一，有些离子易被交换树脂吸附，但吸着后要把它置换下来就比较困难；而另一些离子很难被吸着，但被置换下来却比较容易，这种性能称为离子交换的选择性。离子交换树脂对水中不同离子的选择性与树脂的交联度、交换基团、可交换离子的性质、水中离子的浓度和水的温度等因素有关。离子交换作用即溶液中的可交换离子与交换基团上的可交换离子发生交换。一般来说，离子交换树脂对价数较高的离子的选择性较大。对于同价离子，则对离子半径较小的离子的选择性较大。在同族同价的金属离子中，原子序数较大的离子其水合半径较小，阳离子交换树脂对其的选择性较大。对于丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂来说，它对一些离子的选择性顺序为：H+>Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na十。 离子交换反应是可逆反应，但是这种可逆反应并不是在均相溶液中进行的，而是在固态的树脂和溶液的接触界面间发生的。这种反应的可逆性使离子交换树脂可以反复使用。以D113型离子交换树脂制备硫酸钙晶须为例说明： D113丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂是一种大孔型离子交换树脂，其内部的网状结构中有无数四通八达的孔道，孔道里面充满了水分子，在孔道的一定部位上分布着可提供交换离子的交换基团。当硫酸锌溶液中的Zn2+，S042-扩散到树脂的孔道中时，由于该树脂对Zn2+选择性强于对Ca2+的选择性，，所以Zn2+就与树脂孔道中的交换基团Ca2+发生快速的交换反应，被交换下来的Ca2+遇到扩散进入孔道的S042-发生沉淀反应，生成硫酸钙沉淀。其过程大致为：
(1)边界水膜内的扩散 水中的Zn2+，S042-离子向树脂颗粒表面迁移，并扩散通过树脂表面的边界水膜层，到达树脂表面； (2)交联网孔内的扩散(或称孔道扩散) Zn2+，S042-离子进入树脂颗粒内部的交联网孔，并进行扩散，到达交换点；
(3)离子交换 Zn2+与树脂基团上的可交换的Ca2+进行交换反应；
(4)交联网孔内的扩散 被交换下来的Ca2+在树脂内部交联网孔中向树脂表面扩散；部分交换下来的Ca2+在扩散过程中遇到由外部扩散进入孔径的S042-发生沉淀反应，生成CaS04沉淀；
(5)边界水膜内的扩散 没有发生沉淀反应的部分Ca2+扩散通过树脂颗粒表面的边界水膜层，并进入水溶液中。 此外，由于离子交换以及沉淀反应的速度很快，硫酸钙沉淀基本在树脂的孔道里生成，因此树脂的孔道就限制了沉淀的生长及形貌，对其具有一定的规整作用。通过调整搅拌速度、反应温度等外界条件，可以使树脂颗粒及其内部孔道发生相应的变化，这样当沉淀在树脂孔道中生成后，就得到了不同尺寸和形貌的硫酸钙沉淀。

Ⅶ 离子交换法的原理

吸附（）
溶液中的离子与树脂上官能团发生反应，并结合到树脂上的过程。
淋洗（elution）
用一定浓度的淋洗剂将已吸附在离子交换树脂上的金属由树脂转移到水溶液中的过程，又称解吸。
转型（transformation）
将树脂从一种型式转变为其他离子型式的过程。
离子交换树脂（ion exchange resin）
一种带有官能团（有交换离子的活性基团）、具有网状结构与不溶性的高分子聚合物。通常是球形颗粒物。
饱和树脂（loadedresin）
在某一特定条件下，当吸附尾液中被吸附离子的浓度与进料液中浓度相等或达到动态平衡时的离子交换树脂。
离子交换法是以圆球形树脂(离子交换树脂)过滤原水，水中的离子会与固定在树脂上的离子交换。常见的两种离子交换方法分别是硬水软化和去离子法。硬水软化主要是用在反渗透(RO)处理之前，先将水质硬度降低的一种前处理程序。软化机里面的球状树脂，以两个钠离子交换一个钙离子或镁离子的方式来软化水质。
离子交换树脂利用氢离子交换阳离子，而以氢氧根离子交换阴离子；以包含磺酸根的苯乙烯和二乙烯苯制成的阳离子交换树脂会以氢离子交换碰到的各种阳离子(例如Na+、Ca2+、Al3+)。同样的，以包含季铵盐的苯乙烯制成的阴离子交换树脂会以氢氧根离子交换碰到的各种阴离子(如Cl-)。从阳离子交换树脂释出的氢离子与从阴离子交换树脂释出的氢氧根离子相结合后生成纯水。
阴阳离子交换树脂可被分别包装在不同的离子交换床中，分成所谓的阴离子交换床和阳离子交换床。也可以将阳离子交换树脂与阴离子交换树脂混在一起，置于同一个离子交换床中。不论是哪一种形式，当树脂与水中带电荷的杂质交换完树脂上的氢离子及(或)氢氧根离子，就必须进行“再生”。再生的程序恰与纯化的程序相反，利用氢离子及氢氧根离子进行再生，交换附着在离子交换树脂上的杂质。

Ⅷ 离子交换树脂吸附的原理

离子交换树脂是一类具有离子交换功能的高分子材料.在溶液中它能将本身的离子与溶液中的同号离子进行交换.按交换基团性质的不同,离子交换树脂可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两类.
阳离子交换树脂大都含有磺酸基（—SO3H）、羧基（—COOH）或苯酚基（—C6H4OH）等酸性基团,其中的氢离子能与溶液中的金属离子或其他阳离子进行交换.例如苯乙烯和二乙烯苯的高聚物经磺化处理得到强酸性阳离子交换树脂,其结构式可简单表示为R—SO3H,式中R代表树脂母体,其交换原理为 2R—SO3H＋Ca2+——（R—SO3）2Ca＋2H+
这也是硬水软化的原理.
阴离子交换树脂含有季胺基[-N（CH3）3OH]、胺基（—NH2）或亚胺基（—NH2）等碱性基团.它们在水中能生成圆谈OH-离子,可与各种阴离子起交换作用,其交换原理为
R—N（CH3）3OH＋Cl- ——R—N（CH3）3Cl＋OH-
由于离子交换作用是可逆的,因此用过的离子迹腔轮交换树脂一般用适当浓度的无机酸或碱进行洗涤,可恢复到原状态而重复使用,这一过程称为再生.阳离子交换树脂可用稀盐酸、稀硫酸等溶液淋洗；阴离子交换树脂可用氢氧化姿信钠等溶液处理,进行再生.
离子交换树脂的用途很广,主要用于分离和提纯.例如用于硬水软化和制取去离子水、回收工业废水中的金属、分离稀有金属和贵金属、分离和提纯抗生素等.