Ⅰ 吸附-解吸作用
吸附-解吸是水-岩（土）系統調節氟濃度的一種重要作用。除了由母岩和風化殼轉移而進入土壤的氟化物大部分作為土壤的原生礦物而存在外，土壤中其餘的氟多以膠體吸附態的離子（簡單陰離子或復雜配離子）和分子（主要是氟化物）形式存在於土壤。
關於吸附解吸的機理相當復雜，基本包括機械吸附、物理化學吸附和生物吸附。土壤是多孔體系，有大孔隙，也有小孔隙，孔隙的狀況極其復雜，如大小孔隙相互連接，孔徑彎曲多種多樣，因而可以對進入其中的氟化物起機械阻留作用。機械吸附對可溶性的分子和離子，如水溶性養分等不起保存作用。物理化學吸附是發生在土壤溶液和土壤膠體界面上的一種物理化學反應，土壤膠體藉助於極大的表面積和電性，把土壤溶液中的離子吸附在膠體的表面上而保存下來。
在氟遷移和轉化過程中，由於氟與一些金屬離子的配合作用以及含氟礦物或氟化物沉澱和溶解作用，使土壤中一些束縛態的氟以氟陰離子或氟配合物的形式游離於水-岩（土）系統，而水-岩（土）系統是一個非常復雜的多相復合系統，土壤中存在大量的黏土礦物和沉澱的氫氧化鐵、無定形硅酸以及有機物和腐殖質，它們在水-岩（土）系統中會發生不同程度的電離，而使它們帶電，根據吸附作用的本質，游離於土壤溶液中的氟陰離子或氟配合物在它們隨淋濾液遷移時會與水-岩（土）系統中的黏土礦物和沉澱的氫氧化鐵、無定形硅酸、有機物以及腐殖質等發生不同程度的物理、化學或物理化學吸附作用。
土壤中黏土礦物和沉澱的氫氧化鐵、無定形硅酸以及有機物等是F-主要吸附劑。在岩土中，由於氟離子和羥基離子的大小相近，電性相同，所以氟可以和金屬氧化物中與金屬離子配位的羥基、水合基以及腐殖質含有的—COOH和—OH等官能團發生離子交換，把這種作用過程稱為離子交換吸附，並且這種反應過程是可逆的，其反應式如下：
河南省地下水中氟的分布及形成機理研究
以氧化鐵為例，其交換方式可用下式表示。
（1）與配位羥基交換：
河南省地下水中氟的分布及形成機理研究
（2）與配位水合基交換：
河南省地下水中氟的分布及形成機理研究
土壤腐殖質也是土壤中氟的重要吸附劑。土壤腐殖質主要是由在分子的三維方向上帶有很多活性基團的芳烴所組成，故具有較強的吸附表面。土壤腐殖質與氟的吸附，主要通過與腐殖質中的—COOH和—OH等功能團的離子交換反應進行。反應式如下：
河南省地下水中氟的分布及形成機理研究
研究表明，被吸附離子半徑越接近OH-的離子半徑（r＝1.32～1.40×10-10m），其交換吸附能力愈大。由於氟的離子半徑與OH-非常接近，所以土壤對F-交換吸附能力與其他一些陰離子相比，確實要大得多。下面是土壤中陰離子吸附能力大小的排列順序：
河南省地下水中氟的分布及形成機理研究
除沉澱等因素的影響，一般來說，岩土中氟與相應陰離子或水分子的交換能力與岩土中羥基等可交換離子的物質的量有關，而岩土中的羥基等可交換離子的物質的量又與遷移液的pH、岩土本身的酸鹼性、岩土中鐵鋁氧化物膠體、腐殖質以及氟的陽離子配合物的物質的量密切相關，所以，單位質量的岩土顆粒所含的羥基越多，對氟的吸附量就越大；岩土中腐殖質越多，岩土的pH越大，對氟的吸附量也愈大。
從以上分析可以看出，溶液中F-取代了土壤膠體上的OH-，由於土壤溶液中增加了OH-，勢必導致土壤pH值的增高，從而使土壤向鹼性反應發展。有研究表明，土壤氟的數量即氟離子吸附量隨OH-的釋放而明顯增加。不過，土壤溶液中OH-的增加量與土壤膠體上F的吸附量之間並不存在簡單的數量關系，這可能是因為土壤中形成一定量的酸鹼使土壤具有較大的緩沖能力。
在土壤中，被膠體靜電吸附的陽離子，一般都可以被溶液中另一種陽離子交換而從膠體表面解吸。對這種能相互交換的陽離子稱為交換性陽離子，把發生在土壤膠體表面的交換反應稱為陽離子交換作用。而土壤對於金屬-氟配合物的吸附就是通過這一作用來實現的。通常高價陽離子的交換能力大於低價陽離子，就同價離子而言，水化半徑較小的陽離子的交換能力較強。土壤中常見的幾種交換性陽離子的交換能力順序如下：
Fe3+、Al3+＞H+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+
衡量土壤陽離子交換能力的指標為陽離子交換容量（CEC），它指土壤所能吸附和交換的陽離子的容量。它與土壤膠體的比表面積和表面電荷有關。按照土壤的交換能力，一般將土壤劃分為三個等級：一般認為陽離子交換容量為20cmol/kg以上的為交換能力強的土壤；20～10cmol/kg為交換能力中等的土壤；小於10cmol/kg的為交換能力弱的土壤。對周口開封地區取樣坑的土壤測定其陽離子交換容量，結果見表7-3。
表7-3中顯示，本區域土壤的陽離子交換容量均在20cmol/kg以上，屬於交換性比較強的土壤，為吸附金屬-氟配合物提供了有利條件。
總之，土壤吸附性氟包括對氟陰離子（F-）和金屬-氟配合物陽離子（如 AlF2+、
表7-3 周口開封地區取樣坑陽離子交換量統計表
Ⅱ 離子交換吸附屬於化學吸附嗎
屬於，類似於酸鹼鹽類的反應，還有就是無機化學中的「復分解」反應，離子交換。
Ⅲ 請問離子交換的作用是什麼啊
您問的太籠統了啊。
（1）按骨架材料分類
按合成離子交換樹脂骨架材料的不同，離子交換樹脂可分為苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系、環氧系等。
（2）按交換基團的性質分類
根據交換基團的性質不同，離子交換樹脂可分為兩大類：凡與溶液中陽離子進行交換反應的樹脂，稱為陽離子交換樹脂，陽離子交換樹脂可電離的反離子是氫離子及金屬離子；凡與溶液中的陰離子進行交換反應的樹脂，稱為陰離子交換樹脂，陰離子交換樹脂可電離的反離子是氫氧根離子和酸根離子。
離子交換樹脂同低分子酸鹼一樣，根據它們的電離度不同又可將陽離子交換樹脂分為強酸性陽樹脂和弱酸性陽樹脂；可將陰離子交換樹脂分為強鹼性陰樹脂和弱鹼性陰樹脂。表1中歸納了離子交換樹脂的類別。
表1 離子交換樹脂的類別
樹脂名稱
交換基團
酸鹼性
化學式
名稱
陽離子交換樹脂
—SO3-H+
磺酸基
強酸性
—COO-H+
羧酸基
弱酸性
陰離子交換樹脂
—N+OH-
季銨基
強鹼性
—NH+OH-
—NH2+OH-
—NH3+OH-
叔胺基
仲胺基
伯胺基
弱鹼性
此外，還可以根據交換基團中反離子的不同，將離子交換樹脂冠以相應的名稱，例如：氫型陽樹脂、鈉型陽樹脂、氫氧型陰樹脂、氯型陰樹脂等。離子交換樹脂由鈉型轉變為氫型或由氯型轉變為氫氧型稱為樹脂的轉型。
（3）按離子交換樹脂的微孔型態分類
由於製造工藝的不同，離子交換樹脂內部形成不同的孔型結構。常見的產品有凝膠型樹脂和大孔型樹脂。
a）凝膠型樹脂。這種樹脂是均相高分子凝膠結構，所以統稱凝膠型離子交換樹脂。在它所形成的球體內部，由單體聚合成的鏈狀大分子在交聯劑的鏈接下，組成了空間結構。這種結構像排布錯亂的蜂巢，存在著縱橫交錯的「巷道」，離子交換基團就分布在巷道的各個部位。由巷道所構成的空隙，並非我們想像的毛細孔，而是化學結構中的空隙，所以稱為化學孔或凝膠孔。其孔徑的大小與樹脂的交聯度和膨脹程度有關，交聯度越大，孔徑就越小。當樹脂處於水合狀態時，水分子鏈舒伸，鏈間距離增大，凝膠孔就擴大；樹脂乾燥失水時，凝膠孔就縮小。反離子的性質、溶液的濃度及pH值的變化都會引起凝膠孔徑的改變。
凝膠孔的特點是孔徑極小，平均孔徑約1~2nm，而且大小不一，形狀不規則。它只能通過直徑很小的離子，直徑較大的分子通過時，則容易堵塞孔道而影響樹脂的交換能力。凝膠型樹脂的缺點是抗氧化性和機械強度較差，特別是陰樹脂易受有機物的污染。
b）大孔型樹脂。這種樹脂在製造過程中，由於加入了致孔劑，因而形成大量的毛細孔道，所以稱為大孔樹脂。在大孔樹脂的球體中，高分子的凝膠骨架被毛細孔道分割成非均相凝膠結構，它同時存在著凝膠孔和毛細孔。其中毛細孔的體積一般為0.5mL（孔）/g（樹脂）左右，孔徑在20~200nm以上，比表面積從幾m2/g到幾百m2/g。由於這樣的結構，大孔型樹脂可以使直徑較大的分子通行無阻，所以用它去除水中高分子有機物具有良好的效果。
大孔型樹脂由於孔隙占據一定的空間，骨架的實體部分就相對減少，離子交換基團含量也相應減少，所以交換能力比凝膠型樹脂低。大孔型樹脂的吸附能力強，與交換的離子結合較牢固，不容易充分恢復其交換能力。但大孔樹脂的抗氧化性能比較好，因為它的交聯度較大，大分子不易降解。再者，大孔樹脂具有較好的抗有機物污染性能，因為被樹脂截留的有機物，易於在再生操作中，從樹脂的孔眼中清除出去。
離子交換原理
應用離子交換樹脂進行水處理時，離子交換樹脂可以將其本身所具有的某種離子和水中同符號電荷的離子相互交換而達到凈化水的目的。
如H型陽離子交換樹脂遇到含有Ca2+、Na+的水時，發生如下反應：
2RH + Ca2+ R2Ca + 2H+
RH + Na+ RNa + H+
當OH型陰離子交換樹脂遇到含有Cl-、SO42-的水時，其反應為：
ROH + Cl- RCl + OH-
2ROH + SO42- R2SO4 +2OH-
反應的結果是水中的雜質離子（Ca2+、Na+、Cl-、SO42-等）分別被吸著在樹脂上，樹脂由H型和OH型變為Ca型、Na型和Cl型SO4型，而樹脂上的H+、OH-則進入水中，相互結合成為水，從而除去水中的雜質離子，製得純水。
H+ + OH- H2O
離子交換樹脂的離子與水中的離子之間所以能進行交換，是在於離子交換樹脂有可交換的活動離子。而且因為離子交換樹脂是多孔的，即在樹脂顆粒中存在著許多水能滲入其內的微小網孔，這樣使樹脂和水有很大的接觸面，不僅能在樹脂顆粒的外表面進行交換，而且在與水接觸的網孔內也可以進行這一交換。
如前所述，合成的離子交換樹脂是一種帶有交聯劑的高分子化合物，有許多水能滲入的網孔，交換劑的內部是一個立體的網狀結構作為骨架，這些網組成了無數的四通八達的孔隙，孔隙裡面充滿了水。在孔隙的一定部位上有一個可以自由活動的交換離子。當離子交換樹脂和水溶液接觸時，水溶液即通過這些網狀結構的孔滲入其內，離子交換樹脂進行離解，結果是一定數量的離子（H型離子交換樹脂為氫離子，OH型離子交換樹脂為氫氧根離子）進入圍繞離子交換樹脂顆粒四周的水溶液中，形成離子霧。
離子交換樹脂與水溶液中離子的交換過程，實際上就是離子霧中的離子與水溶液中的離子的相互交換過程，其機理可以用雙電層理論進行解釋。
這種理論是將離子交換樹脂看作具有膠體型結構的物質，即在離子交換樹脂的高分子表面上有和膠體表面相似的雙電層。也就是說，在離子交換樹脂的高分子表面有兩層離子，緊挨著高分子表面的一層離子（如強酸性陽樹脂中的—SO3-），稱為內層離子，在其外面的是一層符號相反的離子層（如強酸性陽樹脂中的H+）。和內層離子符號相同的離子稱為同離子，符號相反的稱為反離子。
根據膠體結構的概念，雙電層中的離子按其活動性的大小，可劃分為吸附層和擴散層。那些活動性較差，緊緊地被吸附在高分子表面的離子層，稱為吸附層，它包括內層離子和部分反離子；在吸附層外側，那些活動性較大，向溶液中逐漸擴散的離子，稱為擴散層。
內層離子依靠化學鍵結合在高分子的骨架上，吸附層中的反離子依靠異電荷的吸引力被固定著。而在擴散層中的反離子，由於受到異電荷的吸引力較小，熱運動比較顯著，所以這些反離子有向水溶液中漸漸擴散的現象。
當離子交換樹脂遇到含有電解質的水溶液時，電解質對其雙電層有以下的作用：
（1）交換作用
擴散層中的離子與膠核距離大，受膠核電荷吸引力小，在溶液中活動較自由，離子交換作用主要是由擴散層中的反離子和溶液中其它離子互換位置所致。
在H型陽離子交換樹脂與溶液中Na+的交換中，樹脂內部網孔間的水中有很多從樹脂上離解下來的H+，形成了很大的H+濃度，但在流動的水中H+濃度卻很小；相反在流動的水中，Na+濃度很大，而樹脂內部網孔水溶液中原來沒有Na+。濃度大的地方的離子要向濃度小的地方運動，這就是擴散。所以水溶液中的Na+要擴散到樹脂顆粒內部去，而H+要從樹脂顆粒內部擴散到水溶液中去。這就是離子交換的過程。
上述的交換過程並不局限於擴散層。溶液中也有一些反離子先交換至擴散層，然後再與吸附層中的反離子互換位置；吸附層中的反離子，也會先與擴散層的反離子互換位置後，再完成上述的交換過程。
（2）壓縮作用
當水溶液中鹽類濃度增大時，可以使擴散層受到壓縮，從而使原來處於擴散層中的部分反離子變成吸附層中的反離子，以及使擴散層的活動范圍變小。這使擴散層中的反離子活性減弱，不利於進行離子交換。這也可以說明為什麼當再生溶液的濃度太大時，不僅不能提高再生效果，有時反使效果降低。
上述將離子交換樹脂看作具有膠體型結構的物質，用擴散理論對其交換過程進行解釋，適合與水處理工藝的離子交換過程。但關於離子交換過程的機理，有多種說法，現尚還不能統一。
Ⅳ 試述土壤的離子交換和吸附作用對污染物遷移轉化的影響。
吸附作用對污染物在土壤中的質體流動轉移有影響，污染物在土壤中的移動距離大小順序與吸附系數大小順序一般相反，即吸附強，移動就越不容易。離子交換的選擇性較高，適用於較高純度的分離和凈化。
Ⅳ 什麼是表面吸附作用，離子交換吸附作用和專屬吸附作用
表面吸附作用來指的是在固體源表面有吸附水中溶解及膠體物質的能力，比表面積很大的活性炭等具有很高的吸附能力，可用作吸附劑。吸附可分為物理吸附和化學吸附。如果吸附劑與被吸附物質之間是通過分子間引力（即范德華力）而產生吸附，稱為物理吸附；如果吸附劑與被吸附物質之間產生化學作用，生成化學鍵引起吸附，稱為化學吸附。離子交換實際上也是一種吸附。物理吸附和化學吸附並非不相容的，而且隨著條件的變化可以相伴發生，但在一個系統中，可能某一種吸附是主要的。
Ⅵ 離子交換吸附機理
1.陽離子段與柱相連，露出陰離子
2.在交換的過程中，陽離子依然連在柱上，樣品的陰離子與原來的陽離子發生聯系的同時，原來的陰離子脫去
3.4.繼續上一步
5.交換完成
Ⅶ 離子交換原理
離子交換的基本原理 離子交換的選擇性定義為離子交換劑對於某些離子顯示優先活性的性質。離子交換樹脂吸附各種離子的能力不一，有些離子易被交換樹脂吸附，但吸著後要把它置換下來就比較困難；而另一些離子很難被吸著，但被置換下來卻比較容易，這種性能稱為離子交換的選擇性。離子交換樹脂對水中不同離子的選擇性與樹脂的交聯度、交換基團、可交換離子的性質、水中離子的濃度和水的溫度等因素有關。離子交換作用即溶液中的可交換離子與交換基團上的可交換離子發生交換。一般來說，離子交換樹脂對價數較高的離子的選擇性較大。對於同價離子，則對離子半徑較小的離子的選擇性較大。在同族同價的金屬離子中，原子序數較大的離子其水合半徑較小，陽離子交換樹脂對其的選擇性較大。對於丙烯酸系弱酸性陽離子交換樹脂來說，它對一些離子的選擇性順序為：H+>Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na十。 離子交換反應是可逆反應，但是這種可逆反應並不是在均相溶液中進行的，而是在固態的樹脂和溶液的接觸界面間發生的。這種反應的可逆性使離子交換樹脂可以反復使用。以D113型離子交換樹脂制備硫酸鈣晶須為例說明： D113丙烯酸系弱酸性陽離子交換樹脂是一種大孔型離子交換樹脂，其內部的網狀結構中有無數四通八達的孔道，孔道裡面充滿了水分子，在孔道的一定部位上分布著可提供交換離子的交換基團。當硫酸鋅溶液中的Zn2+，S042-擴散到樹脂的孔道中時，由於該樹脂對Zn2+選擇性強於對Ca2+的選擇性，，所以Zn2+就與樹脂孔道中的交換基團Ca2+發生快速的交換反應，被交換下來的Ca2+遇到擴散進入孔道的S042-發生沉澱反應，生成硫酸鈣沉澱。其過程大致為：
(1)邊界水膜內的擴散 水中的Zn2+，S042-離子向樹脂顆粒表面遷移，並擴散通過樹脂表面的邊界水膜層，到達樹脂表面； (2)交聯網孔內的擴散(或稱孔道擴散) Zn2+，S042-離子進入樹脂顆粒內部的交聯網孔，並進行擴散，到達交換點；
(3)離子交換 Zn2+與樹脂基團上的可交換的Ca2+進行交換反應；
(4)交聯網孔內的擴散 被交換下來的Ca2+在樹脂內部交聯網孔中向樹脂表面擴散；部分交換下來的Ca2+在擴散過程中遇到由外部擴散進入孔徑的S042-發生沉澱反應，生成CaS04沉澱；
(5)邊界水膜內的擴散 沒有發生沉澱反應的部分Ca2+擴散通過樹脂顆粒表面的邊界水膜層，並進入水溶液中。 此外，由於離子交換以及沉澱反應的速度很快，硫酸鈣沉澱基本在樹脂的孔道里生成，因此樹脂的孔道就限制了沉澱的生長及形貌，對其具有一定的規整作用。通過調整攪拌速度、反應溫度等外界條件，可以使樹脂顆粒及其內部孔道發生相應的變化，這樣當沉澱在樹脂孔道中生成後，就得到了不同尺寸和形貌的硫酸鈣沉澱。
Ⅷ 樹脂對 重金屬的去除作用是離子交換和吸附作用兩者的區別是什麼
離子交換樹脂都是用有機合成方法製成。常用的原料為苯乙烯或丙烯酸(酯)，通過聚合反應生成具有三維空間立體網路結構的骨架，再在骨架上導應用
1）水處理
水處理領域離子交換樹脂的需求量很大，約占離子交換樹脂產量的90%，用於水中的各種陰陽離子的去除。目前，離子交換樹脂的最大消耗量是用在火力發電廠的純水處理上，其次是原子能、半導體、電子工業等。
2）食品工業
離子交換樹脂可用於製糖、味精、酒的精製、生物製品等工業裝置上。例如：高果糖漿的製造是由玉米中萃出澱粉後，再經水解反應，產生葡萄糖與果糖，而後經離子交換處理，可以生成高果糖漿。離子交換樹脂在食品工業中的消耗量僅次於水處理。
3）制葯行業
制葯工業離子交換樹脂對發展新一代的抗菌素及對原有抗菌素的質量改良具有重要作用。鏈黴素的開發成功即是突出的例子。近年還在中葯提成等方面有所研究。
4）合成化學和石油化學工業
在有機合成中常用酸和鹼作催化劑進行酯化、水解、酯交換、水合等反應。用離子交換樹脂代替無機酸、鹼，同樣可進行上述反應，且優點更多。如樹脂可反復使用，產品容易分離，反應器不會被腐蝕，不污染環境，反應容易控制等。
甲基叔丁基醚（MTBE）的制備，就是用大孔型離子交換樹脂作催化劑，由異丁烯與甲醇反應而成，代替了原有的可對環境造成嚴重污染的四乙基鉛。
5）環境保護
離子交換樹脂已應用在許多非常受關注的環境保護問題上。目前，許多水溶液或非水溶液中含有有毒離子或非離子物質，這些可用樹脂進行回收使用。如去除電鍍廢液中的金屬離子，回收電影製片廢液里的有用物質等。
6）濕法冶金及其他
離子交換樹脂可以從貧鈾礦里分離、濃縮、提純鈾及提取稀土元素和貴金屬。
其他補充：
離子交換技術有相當長的歷史，某些天然物質如泡沸石和用煤經過磺化製得的磺化煤都可用作離子交換劑。但是，隨著現代有機合成工業技術的迅速發展，研究製成了許多種性能優良的離子交換樹脂，並開發了多種新的應用方法，離子交換技術迅速發展，在許多行業特別是高新科技產業和科研領域中廣泛應用。近年國內外生產的樹脂品種達數百種，年產量數十萬噸。
在工業應用中，離子交換樹脂的優點主要是處理能力大，脫色范圍廣，脫色容量高，能除去各種不同的離子，可以反復再生使用，工作壽命長，運行費用較低(雖然一次投入費用較大)。以離子交換樹脂為基礎的多種新技術，如色譜分離法、離子排斥法、電滲析法等，各具獨特的功能，可以進行各種特殊的工作，是其他方法難以做到的。離子交換技術的開發和應用還在迅速發展之中。
離子交換樹脂的應用，是近年國內外製糖工業的一個重點研究課題，是糖業現代化的重要標志。膜分離技術在糖業的應用也受到廣泛的研究。
離子交換樹脂都是用有機合成方法製成。常用的原料為苯乙烯或丙烯酸(酯)，通過聚合反應生成具有三維空間立體網路結構的骨架，再在骨架上導入不同類型的化學活性基團(通常為酸性或鹼性基團)而製成。
離子交換樹脂不溶於水和一般溶劑。大多數製成顆粒狀，也有一些製成纖維狀或粉狀。樹脂顆粒的尺寸一般在0.3～1.2mm 范圍內，大部分在0.4～0.6mm之間。它們有較高的機械強度(堅牢性)，化學性質也很穩定，在正常情況下有較長的使用壽命。
離子交換樹脂中含有一種(或幾種)化學活性基團，它即是交換官能團，在水溶液中能離解出某些陽離子(如H+或Na+)或陰離子(如OH－或Cl－)，同時吸附溶液中原來存有的其他陽離子或陰離子。即樹脂中的離子與溶液中的離子互相交換，從而將溶液中的離子分離出來。
廣泛的應用於水處理領域。
Ⅸ 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。
Ⅹ 離子交替吸附作用
離子交替吸附作用主要發生在具有固定電荷的固體礦物表面，無論是陽離子還是陰離子，均可發生交替吸附作用，但目前研究得較多的是陽離子交替吸附作用。離子交替吸附作用的一個重要特點就是，伴隨著一定量的一種離子的吸附，必然有等當量的另一種同號離子的解吸（圖2-5-4）。離子交替吸附作用之所以具有這樣的特點，主要是由於吸附劑通常都具有一定的離子交換容量，因此這里首先對離子交換容量予以討論。
圖2-5-3 有機質表面的負電荷
圖2-5-4 陽離子交替吸附作用圖解
2.5.2.1 離子交換容量
離子交換容量包括陽離子交換容量（CEC—Cation Exchange Capacity）和陰離子交換容量（AEC—Anion Exchange Capacity），我們主要討論陽離子交換容量，它被定義為每100 g干吸附劑可吸附陽離子的毫克當量數。例如，在蒙脫石的結晶格架中，鋁八面體中的三價鋁可被二價鎂所置換，根據測定，每摩爾蒙脫石中鎂的含量為0.67 mol，即蒙脫石的分子式為：Si8Al3.33Mg0.67O20（OH）4。已知蒙脫石的分子量是734 g，因此這種蒙脫石的陽離子交換容量為：
水文地球化學
在實際中，通常都是通過實驗來測定吸附劑的陽離子交換容量。尤其是對於野外所採取的土樣或岩樣，由於其中含有多種吸附劑，實驗測定往往是唯一可行的方法。陽離子交換容量的實驗測定在多數情況下都是用pH為7的醋酸銨溶液與一定量固體樣品混合，使其全部吸附格位被所飽和，然後用其他溶液（例如NaCl溶液）把被吸附的全部交換出來，達到交換平衡後，測定溶液中Na+的減少量，據此便可計算樣品的陽離子交換容量。表252列出了一些粘土礦物及土壤的陽離子交換容量，由表可見，與土壤相比，礦物的陽離子交換容量有更大的變化范圍。
鬆散沉積物的陽離子交換容量受到了多種因素的影響，主要有：
（1）沉積物中吸附劑的種類與數量。例如，我國北方土壤中的粘土礦物以蒙脫石和伊利石為主，因此其CEC值較大，一般在20 meq/100 g以上，高者達50 meq/100 g以上；而南方的紅壤，由於其有機膠體含量少，同時所含的粘土礦物多為高嶺石及鐵、鋁的氫氧化物，故CEC較小，一般小於20 meq/100 g。
表2-5-2 一些粘土礦物及土壤的陽離子交換容量
（2）沉積物顆粒的大小。一般來說，沉積物的顆粒越小，其比表面積越大，CEC值越高。例如，根據一河流沉積物的粒徑及其CEC的實測結果，隨著沉積物的粒徑為從4.4μm增至1000μm，其CEC從14～65 meq/100 g變到4～20 meq/100 g，最終減小到0.3～13 meq/100 g。
（3）水溶液的pH值。一般來說，隨著水溶液pH值的增加，土壤表面的可變負電荷量增多，其CEC相應增加；相反，隨著水溶液pH值的減小，土壤表面的可變負電荷量不斷減少，其CEC也隨之減小。
2.5.2.2 陽離子交換反應及平衡
陽離子交換反應的一般形式可寫為：
水文地球化學
式中：Am+、Bn+表示水溶液中的A、B離子；AX、BX表示吸附在固體表面的A、B離子。上述反應的平衡常數可寫為：
水文地球化學
式中：a標記溶液中組分的活度；{}表示表示吸附在固體表面上的離子的活度。對於水溶液中的離子，其活度可使用表2-1-1中的公式進行計算；但對於吸附在固體表面上的離子，其活度的計算至今還沒有滿意的方法。目前主要採用兩種替代的方法來處理這一問題，一種是Vanselow慣例，另一種是Gaines-Thomas慣例。Vanselow慣例是由Vanselow於1932年提出的，他建議使用摩爾分數來代替式（2-5-7）中的{AX}和{BX}。若固體表面僅吸附了A離子和B離子，在一定重量（100 g）的吸附劑表面A、B的含量（mmol）依次為qA和qB，則吸附劑表面A、B的摩爾分數分別為：
水文地球化學
顯然，xA+xB=1。這樣式（2-5-7）可改寫為：
水文地球化學
Gaines-Thomas慣例是由Gaines和Thomas於1953年提出的，他們建議採用當量百分數來代替式（2-5-7）中的{AX}和{BX}。若用yA和yB分別表示吸附劑表面A、B的當量百分數，則有：
水文地球化學
同樣，yA+yB=1，這樣式（2-5-7）變為：
水文地球化學
目前，這兩種慣例都還在被有關的研究者所使用，各有優點，互為補充。事實上，離子交換反應的平衡常數並不是一個常數，它往往隨著水溶液的成分、pH值及固體表面成分的變化而變化，因此許多研究者認為將其稱為交換系數（Exchange Coefficient）或選擇系數（Selectivity Coefficient）更合適一些（Appelo，1994；Deutsch，1997；Benefield，1982；Kehew，2001）。
若已知兩種不同離子與同一種離子在某種吸附劑中發生交換反應的交換系數，則可計算出這兩種離子發生交換反應的交換系數。例如，若在某種吸附劑中下述反應：
水文地球化學
交換系數分別為KCa-Na和KK-Na，則在該吸附劑中反應：
水文地球化學
的交換系數為：
水文地球化學
這是因為（以Vanselow慣例為例）：
水文地球化學
故有：
水文地球化學
表2-5-3列出了不同離子與Na+發生交換反應的交換系數（Vanselow慣例），據此便可按照上述的方法求得這些離子之間發生交換反應時的交換系數。
需要說明的是，在表2-5-3中，I離子與Na+之間交換反應的反應式為：
水文地球化學
表2-5-3 不同離子與Na+發生交換反應時的交換系數
其交換系數的定義式如下：
水文地球化學
【例】在某地下水系統中，有一段含有大量粘土礦物、因此具有明顯陽離子交換能力的地段，假定：
（1）該地段含水層的陽離子交換容量為100 meq/100 g，含水層中的交換性陽離子只有Ca2+和Mg2+，初始狀態下含水層顆粒中Ca2+、Mg2+的含量相等；
（2）在進入該地段之前，地下水中的Ca2+、Mg2+濃度相等，均為10-3 mol/L；
（3）含水層的孔隙度為n=0.33，固體顆粒的密度為ρ=2.65 g/cm3；
（4）含水層中發生的陽離子交換反應為：
水文地球化學
不考慮活度系數的影響，其平衡常數（Vanselow慣例）為：
水文地球化學
試使用陽離子交換平衡關系計算，當地下水通過該地段並達到新的交換平衡後，水溶液中及含水層顆粒表面Ca2+、Mg2+濃度的變化。
【解】：設達到新的交換平衡後，含水層顆粒中Ca2+的摩爾分數為y、水溶液中Ca2+的濃度為x（mmol/L），則這時含水層顆粒中Mg2+的摩爾分數為1-y、水溶液中Mg2+的濃度為2-x（mmol/L），故有：
水文地球化學
整理得：
水文地球化學
已知含水層的CEC=100 meq/100g，因此對於二價陽離子來說，含水層顆粒可吸附的陽離子總量為50 mmol/100 g=0.5 mmol/g。若用z表示達到交換平衡後1 g含水層顆粒中Ca2+的含量，則有：
水文地球化學
以式（2-5-25）帶入式（2-5-24）得：
水文地球化學
為了計算上述變化，需要對1 L水所對應的含水層中Ca2+的質量守恆關系進行研究。已知含水層的孔隙度為0.33，顯然在這樣的含水層中，1 L水所對應的含水層顆粒的體積為0.67/0.33（L），相應的含水層顆粒的質量為：
水文地球化學
故吸附作用前後1 L水所對應的含水層中Ca2+的質量守恆關系為：
水文地球化學
式中的0.25為吸附作用前1 g含水層顆粒中Ca2+的含量（mmol），由式（2-5-27）可得：
水文地球化學
以式（2-5-26）帶入式（2-5-28）並整理得：
水文地球化學
這是一個關於z的一元二次方程，求解該方程可得：z=0.2500627 mmol/g。代z入式（2-5-25）和式（2-5-26）可得達到新的交換平衡後含水層顆粒中Ca2+的摩爾分數為0.5001254，水溶液中Ca2+的濃度為0.75 mmol/L，故這時含水層顆粒中Mg2+的摩爾分數為0.4998746、水溶液中Mg2+的濃度為1.25 mmol/L。由此可見，地下水通過該粘性土地段後，盡管Ca2+、Mg2+在含水層顆粒中的含量變化很小，但它們在地下水中的含量變化卻較大，Mg2+從原來的1 mmol/L增加到了1.25 mmol/L，Ca2+則從原來的1 mmol/L減少到了0.75 mmol/L。
2.5.2.3 分配系數及離子的吸附親和力
除了交換系數，還有一個重要的參數需要介紹，這就是分配系數（Separation Factor）（Benefield，1982）。對於反應（2-5-6），它被定義為：
水文地球化學
式中cA和cB分別為水溶液中A、B離子的摩爾濃度。顯然，若不考慮活度系數的影響，對於同價離子間的交換反應，QA-B=KA-B。式（2-5-29）可改寫為：
水文地球化學
由式（2-5-30）可見，QA-B反映了溶液中B與A的含量之比與吸附劑表面B與A的含量之比之間的相對關系。當QA-B=1時，說明達到交換平衡時B與A在水溶液中的比例等於其在吸附劑表面的比例，因此對於該吸附劑，A和B具有相同的吸附親和力；當QA-B＞1時，說明達到交換平衡時B與A在水溶液中的比例大於其在吸附劑表面的比例，因此A與B相比具有更大的吸附親和力；當QA-B＜1時，說明達到交換平衡時B與A在水溶液中的比例小於其在吸附劑表面的比例，因此B與A相比具有更大的吸附親和力。
事實上，即使對於同一陽離子交換反應，其分配系數也會隨著水溶液性質的變化而變化（Stumm and Morgan，1996）。圖2-5-5給出了Na—Ca交換反應的分配系數隨Na+濃度的變化。沿著圖中的虛線，QNa-Ca=1，這時Na+和Ca2+具有相同的吸附親和力。但在稀溶液中，例如［Na+］=10-3 mol/L和10-2 mol/L，Ca2+在吸附劑中的比例要遠大於其在水溶液中的比例，因此在這種情況下Ca2+具有更強的吸附親和力。隨著Na+濃度的增大，Ca2+的吸附親和力逐漸減弱，Na+的吸附親和力則逐漸增強，當［Na+］=2 mol/L時，Na+已經變得比Ca2+具有更強的吸附親和力。Na—Ca交換反應分配系數的這種變化對於解釋一些實際現象具有重要的意義，根據這種變化，我們可以推斷淡水含水層中通常含有大量的可交換的Ca2+，而海水含水層中通常含有大量的可交換的Na+。這種變化關系也解釋了為什麼硬水軟化劑能夠選擇性地去除Ca2+，同時通過使用高Na+濃度的鹵水溶液進行沖刷而再生。
圖2-5-5 溶液中Ca2+的含量對吸附作用的影響
根據離子交換反應的分配系數，可以定量地評價離子的吸附親和力。一般來說，離子在土壤中的吸附親和力具有下述的規律：
（1）高價離子比低價離子具有更高的吸附親和力。例如，Al3+＞Mg2+＞Na+；＞。這是因為離子交換反應從本質上說是一個靜電吸引過程，離子價越高，所受到的靜電吸引力就越大，它就越容易被吸附劑所吸附。
（2）同價離子的吸附親和力隨著離子水化半徑的減小而增大。例如，Ca2+＞Mg2+＞Be2+；＞K+＞Na+＞Li+。這是因為離子的水化半徑越小，它越容易接近固體表面，從而也就越易於被固體所吸附。
Deutsch（1997）根據Appelo和Postma（1994）的資料，對二價陽離子的吸附親和力進行了研究，他所得到了吸附親和力順序如下：
水文地球化學
在常見的天然地下水系統中，Ca2+和Mg2+通常為地下水中的主要陽離子，它們在水溶液中相對較高的含量將使其成為含水層顆粒表面的主要吸附離子，盡管一些微量元素可能更緊密地被吸附在含水層顆粒表面上。但在污染地下水系統中，若吸附親和力更強的Pb2+和Ba2+的含量與Ca2+、Mg2+的含量在同一水平上，則含水層顆粒表面的主要吸附離子將變為Pb2+和Ba2+，這將大大地影響Pb2+和Ba2+在地下水中的遷移能力。
綜合來講，陽離子和陰離子的吸附親和力順序分別為（何燧源等，2000）：
水文地球化學
可見，陽離子中Li+和Na+最不易被吸附，陰離子中Cl-和最不易被吸附。
離子交換對地下水質產生重要影響的一種常見情況就是海水入侵到淡水含水層中。當在沿海地帶大量抽取含水層中的淡水時，海水將對含水層進行補給。初始狀態下含水層顆粒表面吸附的主要是Ca2+和Mg2+，海水中的主要陽離子為Na+，陰離子為Cl-。這樣入侵的海水將導致含水層中發生下述的陽離子交換反應：
水文地球化學
由於Cl-通常不易被吸附，也不參與其他的水岩作用過程。所以相對於Cl-來說，該過程將使得Na+的遷移能力降低。
地下水系統中另一種常見的情況與上述過程相反，這就是Ca2+置換被吸附的Na+，反應式如下：
水文地球化學
人們在大西洋沿岸的砂岩含水層（Zack and Roberts，1988；Knobel and Phillips，1988）以及北美西部的沉積盆地中（Thorstenson等，1979；Henderson，1985）均發現了這種天然的軟化過程。該反應發生的前提條件是：含水層中含有碳酸鹽礦物，CO2的分壓較高，含水層顆粒中含有大量的可交換的Na+。