離子交換以當量關系進行

A. 岩土-水-農作物元素系統

不論土壤中的元素來源是自然源還是人為源，都是在被作物吸收並積累於可食部分(如籽實)進入食物鏈後，才會對人類的健康安全產生影響。植物營養和植物生理學家認為，16種植物必需營養元素除C、H、O 主要從大氣中獲取外，其他如 N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、S、Cl等均主要由根系從地下吸收。植物根系吸收養分的方式主要有3種，其中以質流和擴散方式攝取的養分佔總攝取量的95%以上，而質流和擴散均是藉助於地下水或土壤水的運動來實現的。實際上，植物蒸騰作用使得植物在吸收水分的同時，不僅吸收了必需的養分元素，還吸收了非必需的有害元素，使這些有害元素(如重金屬元素)進入人類食物鏈，對人類生存和健康構成威脅。

這種存在於岩土體→土壤溶液→農作物系統中的元素鏈(圖3-2)，使得土地成為農產品生態安全保障的源頭。這一元素生物鏈的存在構成了利用農業地質環境調查數據開展土地生態安全性評價的理論依據之一。

圖3-2 土地-農作物系統中元素生物循環示意圖

Fig.3-2 Biological recycle of elements in land-crop system

(一)土-水界面的元素遷移

土顆粒向土壤溶液中供給元素的方式主要有兩種。粗顆粒礦物提供元素的主要方式是礦物本身不斷風化分解釋放出元素，如長石、黑雲母、白雲母等礦物風化釋放出K、Na、Fe、Mn、Cu、Zn、Si、P等植物必需元素，角閃石、鈦鐵礦等礦物風化釋放出Co、Ni等有害元素。隨著礦物的不斷風化和元素釋出，礦物顆粒由粗變細，甚至徹底崩解，同時形成一些顆粒細小的粘土礦物。粘土礦物的形成，使土壤具有了一些新的性質，如比表面積大、本身帶有電荷、有較強的吸附作用，成為元素由土壤進入土壤溶液最重要的途徑。

不同的粘土礦物比表面積不同。蒙脫石類表面積最大(600～800m²/g)，不僅有外表面，並且有巨大的內表面，伊利石次之，高嶺石最小(7～30m²/g)。腐殖質也具有巨大的外表面(可達700m²/g)，與蒙脫石相當。比表面積愈大，表面能愈大，吸收性質愈強。

同時，這些粘土礦物還帶有電荷。土壤吸附離子的多少，決定於其所帶電荷的數量，而離子被吸附的牢固程度則與土壤的電荷密度有關。粘土礦物所帶電荷又有永久負電荷、可變負電荷、正電荷和凈電荷之分。永久負電荷不受環境(如pH、電解質濃度等)的影響，一般不超過電荷總量的15%。可變電荷隨pH的變化而發生變化，在低pH時為正電荷，在高pH時則變為負電荷。可變電荷對高嶺土(1：1型粘土礦物)比對蒙脫石或蛭石(2：1型粘土礦物)來講更為重要。2：1型硅酸鹽可變電荷僅為負電荷的5%～10%，而1：1型粘土礦物可變電荷可達50%或更多。土壤中大量存在的鐵和鋁的氧化物，也可產生可變電荷。凈電荷是土壤的正電荷與負電荷的代數和。由於土壤的負電荷一般多於正電荷，因此，除了少數較強酸性條件下的土壤，大多數土壤帶有凈負電荷。

在通常情況下，帶負電荷的土壤表面上吸附了很多陽離子，如 H⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等。這些被土壤吸附的陽離子，在一定條件下可以被另一些陽離子所交換。例如，某一吸附H⁺、K⁺、

、Na⁺、Mg²⁺等的土壤，施用鈣質肥料後，就會產生陽離子交換作用，使原來被土壤吸附的一部分離子解吸出來。這種陽離子交換作用是一種可逆過程，離子與離子之間交換是以當量關系進行的，並受質量作用定律支配。通常用每千克干土所含的全部交換性陽離子的厘摩爾數表徵土壤的陽離子交換量。另外一些土壤如水合氧化鐵、鋁等礦物帶正電荷，也可以吸附一些陰離子，如

、

、

、

、

等。

元素由土顆粒向土壤溶液供給元素的能力除與單位體積土中所含元素的量有關外，還與單位時間內元素自固相向土壤溶液中轉移的數量有關，且受控於水、土兩相界面上的作用，這是一個非常復雜的過程。一般而言，由固相補給土壤溶液中元素的方式，主要有溶解和解吸兩種(袁可能，1987)。溶解過程只限於沉澱固相，由溶度積控制；解吸過程比較復雜。藉助邊界場理論進行分析，可定量地描述(Kpaйнов и дp.，1980)為：

Q=β·S·(C_s-C₀)

式中：Q——元素在單位時間內通過與固體直接接觸的表面液體層的流量；

S——與土壤溶液相互作用的固體表面面積；

C_s-C₀——元素在表面層溶液中的濃度與土壤溶液中的濃度差；

β——物質遷出系數，表明物質從固體相分界面和液體中遷移的數量，它相當於C_s-C₀=1時，單位時間通過單位表面積的量。

由於元素在溶液中的濃度相對於土顆粒表面層中的濃度小得多，故C₀項可忽略，即C_s-C₀≈C_s。所以，上述方程式可簡化為：

Q=β·S·C_s

顯然，土壤顆粒的表面積是制約土體中的養分元素向土壤溶液中轉移量的重要因素。粒度越小，表面積S越大，轉移量就越大。

(二)土壤溶液中元素遷移的驅動力和量的分析

植物吸收水分主要有兩種途徑，一種是通過葉面上的氣孔吸收大氣中的水分；另一種是通過根系吸收地下土壤中的水分。前者，只有在夜晚沒有蒸發的情況下才是可能的，大部分水分仍是通過根系吸收的。土壤中水分的重要性還在於它不是化學意義上的純水，而是賦存著許許多多元素的土壤溶液。

一般認為，植物從土壤中吸收元素主要通過從土壤溶液中吸收和接觸置換兩種途徑，而且根圈周圍所能提供的元素僅占植物吸收總量的很小部分(袁可能，1987；史瑞和等，1989)。因此，土壤溶液向植物根系表面輸送養分的機制和數量對植物而言至關重要。

1.土壤水勢是土壤溶液中元素遷移的驅動力

從能量的角度分析，水分的運移主要受基質勢ψ_m、溶質勢ψ_s、重力勢ψ_g、壓力勢ψ_p和溫度勢ψ_t的控制(雷志棟等，1988)，即土壤水總勢ψ=ψ_m+ψ_s+ψ_g+ψ_p+ψ_to其中，重力勢是由於重力對土壤水作用的結果，在考慮勢差時，可忽略不計。溫度勢是由溫度場的溫差所引起的，通常認為，由於溫差存在而造成的土壤水分運動通量相對而言很小，也可忽略不計。

基質勢是指土-水系統中吸持水分的能力，它是由於土壤毛管產生的毛管力和土粒表面的吸附力所引起的。設不被吸持的水的基質勢為0，則被土壤基質所吸持的土壤水的勢值必為負值，飽水狀態下，ψ_m=0。為了方便，將基質勢的正值定義為基質吸力(S_m)，則S_m=-ψ_m。對基質吸力而言，土顆粒越小，吸力越大。

溶質勢是由於溶質離子和水分子之間存在吸引力，而降低了土壤水的能量平衡，如果以1g水的溶質勢為零，則在其他條件相同的情況下，含有溶質的土壤中水的溶質勢應為負值。

溶質勢與滲透壓意義相同，一般用滲透壓來確定溶質勢ψ_s(雷志棟等，1988)，即

ψ_s=-CRT/μ

式中：C——溶質濃度(g/cm³)；

R——摩爾氣體常數；

T——絕對溫度(K)；

μ——溶質的摩爾質量(g/mol)。

從上式可以看出，ψ_s只與溶質的摩爾濃度成正比，而與溶質的種類無關。

同樣，也可以定義一個溶質吸力(S_s)等於溶質勢的負值，即S_s=-ψ_s。

因此，土壤水吸力S，為S=-ψ，即

S=S_m+S_s

此式說明，土壤水吸力為基質吸力及溶質吸力之和，前者與土壤顆粒大小有關，後者與溶質濃度有關。

2.土壤溶液中元素遷移量的分析

在土壤吸力的作用下，元素的輸送或運移流量可用下式表示(袁可能，1987)：

J=D₁(dC₁/dx)+D₂(dC₂/dx)+C₃V+a

式中J為流量，即單位時間內到達單位根表面的離子數量；D₁和D₂分別為溶液中和土顆粒表面離子移動的擴散系數；C₁、C₂和C₃分別為溶液中離子濃度、吸附性離子濃度和質流中的離子濃度；V為質流速度；a為補充因子。

一般而言，土顆粒表面離子的擴散系數(交換擴散)是很小的，比離子在液體中的擴散系數低幾個數量級，因此與溶液中的擴散相比，交換擴散可以忽略不計(袁可能，1987)。因此，若忽略交換擴散和補充因子，則土壤中元素的輸送實際上決定於質流和擴散速度，即決定於上式中右側第一和第三項。

質流是由水勢能差引起的元素向植物根系表面的物質遷移。主要由質流作用輸送的元素一般為濃度較高、移動性較大的離子，如

、Ca²⁺、Mg²⁺等(Mengel，1961)。質流通量，相當於上式中右側第三項，可用下列方程式描述：

q_cc=θ·u·C

式中：θ——土壤體積含水量(%)；

u——溶質平均流速(cm/s)，為滲透系數K與有效孔隙度n之比；

C——土壤溶液中的溶質濃度(g/cm³)；

q_cc——質流通量(g/cm²·s)，為通過質流遷移的溶質通量。

由上述表達式可以看出，質流通量除與體積含水量及土壤溶液溶質濃度成正比外，還與溶質的平均流速成正比，即與土體的滲透系數成正比，與有效孔隙度(相當於重力給水度)成反比。

自然界中，有效孔隙度n在數值上接近重力給水度。表3-9為黃淮海平原表層不同粒度組成的沉積物的給水度及滲透系數的經驗值(王大純等，1986；地質部水文地質工程地質技術方法研究隊主編，1978)。

表3-9 黃淮海平原沉積物的給水度和滲透系數Table 3-9 Specific yield and permeability coefficient for sedimentation of the Huang-Huai-Hai plain

擴散是由土壤與根系之間濃度差所引起的元素的遷移，遵循Ficks定律。主要由擴散作用輸送的元素一般是濃度低、移動緩慢的離子，如

、K⁺以及Cu、Zn等微量元素(Mengel，1969；史瑞和等，1989)。擴散通量相當於流量公式中的右側第一項，可用下列方程(史瑞和等，1989)來描述：

q_cm=-θ·D_cm·GradC

式中：θ——體積含水率或體積含水量(%)；

D_cm——水中的分子擴散系數(cm²/s)；

C——土壤溶液中的溶質濃度(g/cm³)；

q_cm——擴散通量(g/cm²·s)，單位時間單位面積上由擴散作用通過的溶質量。

式中右邊以負號說明元素向濃度減小的方向擴散。其中GradC是土壤溶液濃度與根系表面的濃度差，即C溶液-C根表，它受根系生物作用的影響，根系的活力愈大，吸收元素的能力愈強，則元素濃度梯度愈大，離子擴散作用愈大。考慮到根系表面的元素很快進入植物體內，在根表殘留或保留的元素濃度很低，則C_根表可忽略不計(史瑞和等，1989)。分子擴散系數D_cm在液體中為n×10^-6—n×10^-5cm²/s，在孔隙介質的飽和水中為n×10^-6cm/s(Крайновилp.，1980)。因此，擴散通量與體積含水量、擴散系數和土壤溶液中的濃度成正比。

3.土壤溶液pH和E_h影響元素的存在形態和遷聚規律

土壤的酸鹼度是土壤在其形成過程中受生物、氣候、地質、水文等因素綜合作用的結果。我國土壤pH值大多在4.5～8.5范圍內，並且呈「東南酸西北鹼」的規律。從南方的極酸性土壤到北方的強鹼性土壤，氫離子濃度相差可達七個數量級之多。我國酸性土壤分布在兩個地區：一是東北的大、小興安嶺和長白山地區(這里土壤與北歐、北美類似)，另一個是長江以南廣大地區，此區又可分為兩個亞區，即川-貴-滇黃壤亞區和華中—華南紅壤亞區。

土壤溶液中的氧化還原作用在土壤化學反應和土壤生物化學反應中佔有極重要地位。土壤溶液中的氧化作用，主要由自由氧、

離子和高價金屬離子所引起。還原作用由某些有機質分解產物、厭氣性微生物生命活動及少量的鐵、錳等金屬低價氧化物所引起。氧化還原電位E_h可採用Nernst方程來計算：

E_h=E₀+0.0591/nlg(氧化劑)/(還原劑) (在25℃時)

在冷濕氣候區域，土壤中的鐵易還原為低價鐵(Fe³⁺+e=Fe²⁺，E₀=0.77V)。低價鐵是易溶性化合物，隨降水滲透到B層。季節性干濕變化，會引起鐵在土壤剖面中移動，但在干濕季節明顯的地區，常移動不遠，並氧化脫水而淀積，因此土壤中層富含鐵。在漬水土壤中，大量高價鐵還原為亞鐵，但由於在強還原條件下，有大量硫化氫等存在，使亞鐵形成很多不溶性的鐵鹽沉澱，故實際上土壤溶液中亞鐵離子濃度並不是很大。

錳在土壤中發生的氧化還原過程與鐵類似，但錳的標准電位為1.5V，比鐵高。說明鐵易被氧化，錳易被還原。因此，在排水良好的土壤中，當pH為7.0 時，Mn²⁺濃度雖低，但比同條件下Fe²⁺濃度高10倍。當Mn²⁺和Fe²⁺在土壤剖面移動時，Fe²⁺先氧化而沉澱，而Mn²⁺則可移至更深層次後才被氧化並脫水形成黑色MnO₂沉澱。

(三)土壤-植物系統中元素的遷聚

有關營養元素、重金屬元素在土壤-植物體系中的累積和遷移研究很多。一般認為，元素在土壤中的存在形態、含量以及植物種類和環境條件是影響土壤-植物體系中元素遷移累積的重要因素。

1.岩石土壤中元素的含量

根據維諾格拉多夫對岩石圈和土壤中元素含量(表3-10)的研究，C、N、S在土壤中的含量分別是其在岩石圈中的100倍、50倍和2倍，土壤中O、Si、Cr、As、Mo、I的含量明顯高於岩石圈，說明這些元素在土壤中不同程度地富集；土壤中Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Mn、P、F、Ba、Cl、Zn、Ni、Cu、Co、Pb、B含量則低於岩石圈，說明在土壤形成過程中其因相對淋失而貧化。

表3-10 世界土壤中化學元素的平均含量與岩石圈中化學元素含量的對比Table 3-10 Content contrast of chemical elements between soil and geosphere around the world

註：O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg數據單位為%，其餘為10^-6。

根據我國837幅1：20萬化探掃面數據統計(表3-11)，我國水系沉積物中元素含量與土壤中含量類似的元素有As、Co、Cr、F、Mo、Ni、P、Pb、Fe、Al等，其中As、Pb含量明顯高於其在陸殼中的含量，Fe、Al、Ca、Mg、K、Na含量明顯低於陸殼。

表3-11 中國水系沉積物、土壤、陸殼中元素背景值Table 3-11 Background value of elements in stream sediment soil and crust in China

續表

註：1.水系沉積物元素含量數據為837幅1：20萬化探掃面圖幅中以1：2.5萬圖幅為單元的平均值統計結果，樣本數為44422。

2.元素質量分數：Ag、Au、Cd、Hg數據單位為10^-9，氧化物為%，其數據單位元素為10^-6。

2.有機體中元素的含量

表3-12概括了人體和植物中元素的含量。表3-12顯示，O、C、H、N、Ca五種元素總和分別占人體、植物體的98.01%和96.79%，與岩石圈、土壤中元素含量分布極不相同。表3-13列出了同樣條件下生長在灰壤上的農作物中4種微量元素的含量，說明不同植物以及同種植物的不同部位，微量元素的含量不同。生長在礦床之上的植物中金屬元素比正常植物富集了100～1000倍(表3-14)，表明土壤中元素含量對植物元素含量具控制性。

表3-12 人體和植物中的元素含量Table 3-12 the content of element in human body and plant(%)

註：人體樣本含60%的水、35.7%的有機質、4.3%的灰分(據 D.Bertrand，1950)；植物資料，據 Russell，1973。其中n表示不確定。

表3-13 同樣條件下生長在灰壤上的農作物中微量元素含量Table 3-13 the content of trace element in the crop growing on podzol under the same condition

(據Katalymov，1955.)

表3-14 正常植物和生長在礦床之上的植物灰分中金屬元素含量Table 3-14 the content of rantalum in normal plant and the plant growing on mineral deposits

(據A.P.Vinogradov，1950，1962)

B. 離子交換的基本原理和裝置運行方式

離子交換的基本原理和裝置運行方式

藉助於固體離子交換劑中的離子與稀溶液中的離子進行交換，以達到提取或去除溶液中某些離子的目的，是一種屬於傳質分離過程的單元操作。離子交換是可逆的等當量交換反應。下面一起來了解一下離子交換的基本原理和裝置運行方式：

1.1離子交換的基本原理

水處理中主要採用離子交換樹脂和磺化煤用於離子交換。其中離子交換樹脂應用廣泛，種類多，而磺化煤為兼有強酸型和弱酸型交換基團的陽離子交換劑。

離子交換樹脂按結構特徵，分為：凝膠型、大孔型和等孔型;

按樹脂母體種類，分為：苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;

按其交換基團性質，分為：強酸型、弱酸型、強鹼型和弱鹼型。

⑴離子交換樹脂的構造

是由空間網狀結構骨架(即母體)與附屬在骨架上的許多活性基團所構成的不溶性高分子化合物。活性基團遇水電離，分成兩部分：固定部分，仍與骨架牢固結合，不能自由移動，構成所謂固定離子，活動部分，能在一定范圍內自由移動，並與其周圍溶液中的其他同性離子進行交換反應，稱為可交換離子。

⑵基本性能

①外觀

呈透明或半透明球形，顏色有乳白色、淡黃色、黃色、褐色、棕褐色等，

②交聯度

指交聯劑占樹脂原料總重量的百分數。對樹脂的許多性能例如交換容量、含水率、溶脹性、機械強度等有決定性影響，一般水處理中樹脂的交聯度為7%～10%.

③含水率

指每克濕樹脂所含水分的百分率，一般為50%，交聯度越大，孔隙越小，含水率越少。

④溶脹性

指干樹脂用水浸泡而體積變大的現象。一般來說，交聯度越小，活性基團越容易電離，可交換離子的水合離子半徑越大，則溶脹度越大;樹脂周圍溶液電解質濃度越高，樹脂溶脹率就越小。

在生產中應盡量保證離子交換器有長的工作周期，減少再生次數，以延長樹脂的使用壽命。

⑤密度

分為干真密度、濕真密度和濕視密度

⑥交換容量

是樹脂最重要的性能，是設計離子交換過程裝置時所必須的數據，定量地表示樹脂交換能力的大小。分為全交換容量和工作交換容量。

⑦有效PH范圍

由於樹脂的交換基團分為強酸強鹼和弱酸弱鹼，所以水的PH值對其電離會產生影響，影響其工作交換容量。弱鹼只能在酸性溶液中以及弱酸在鹼性溶液中有較高的交換能力。

⑧選擇性

即離子交換樹脂對水中某種離子能優先交換的性能。除與樹脂類型有關外，還與水中濕度和離子濃度有關。

⑨離子交換平衡

離子交換反應是可逆反應，服從質量作用定律和當量定律。經過一定時間，離子交換體系中固態的樹脂相和溶液相之間的離子交換反應達到平衡，其平衡常數也稱為離子交換選擇系數。降低反應生成物的濃度有利於交換反應的進行。

⑩離子交換速率

主要受離子交換過程中離子擴散過程的影響。

其他性能：如溶解性、機械強度和耐冷熱性等。離子交換樹脂理論上不溶於水，機械強度用年損耗百分數表示，一般要求小於3%～7%/年。另外，溫度對樹脂機械強度和交換能力有影響。溫度低則樹脂的機械強度下降，陽離子比陰離子耐熱性能好，鹽型比酸鹼型耐熱好。

⑶樹脂層離子交換過程

以離子交換柱中裝填鈉型樹脂，從上而下通以含有一定濃度鈣離子的硬水為例，以交換柱的深度為橫坐標，以樹脂的飽和度為縱坐標，可繪得某一時刻的飽和度曲線。就整個交換過程而言，樹脂層的變化可分為三個階段。

1.2離子交換裝置運行方式

離子交換裝置按運行方式不同，分為固定床和連續床

⑴固定床的構造與壓力濾罐相似，是離子交換裝置中最基本的也是最常用的一種型式，其特點是交換與再生兩個過程均在交換器中進行，根據交換器內裝填樹脂種類及交換時樹脂在交換器中的.位置的不同，可分為單層床、雙層床和混合床。

單層床是在離子交換器中只裝填一種樹脂，如果裝填的是陽樹脂，稱為陽床;如果裝填的是陰樹脂，稱為陰床。

雙層床是離子交換器內按比例裝填強、弱兩種同性樹脂，由於強、弱兩種樹脂密度的不同，密度小的弱型樹脂在上，密度大的強型樹脂在下，在交換器內形成上下兩層。

混合床則是在交換器內均勻混雜的裝填陰、陽兩種樹脂，由於陰、陽樹脂混雜，因此原水流經樹脂層時，陰、陽兩種離子同時被樹脂所吸附，其產物氫離子和氫氧根離子又因反應生成水而得以降低，有利於交換反應進行的徹底，使得出水水質大大提高。但其缺點是再生的陰、陽樹脂很難徹底分層。於是又發明了三層混床新技術，保證在反洗時將陰、陽樹脂分隔開來。

根據固定床原水與再生液的流動方向，又分為兩種形式，原水與再生液分別從上而下以同一方向流經離子交換器的，稱為順流再生固定床，原水與再生液流向相反的，稱為逆流再生固定床。

順流再生固定床的構造簡單，運行方便，但存在幾個缺點：在通常生產條件下，即使再生劑單位耗量二至三倍於理論值，再生效果也不太理想;樹脂層上部再生程度高，而下部再生程度差;工作期間，原水中被去除的離子首先被上層樹脂所吸附，置換出來的反離子隨水流流經底層時，與未再生好的樹脂起逆交換反應，上一周期再生時未被洗脫出來的被去除的離子，作為泄漏離子出現在本周期的出水中，所以出水剩餘被去除的離子較大;而到了了工作後期，由於樹脂層下半部原先再生不好，交換能力低，難以吸附原水中所有被去除的離子，出水提前超出規定，導致交換器過早地失效，降低了工作效率。因此，順流再生固定床只選用於設備出水較小，原水被去除的離子和含鹽量較低的場合。

逆流再固定床的再生有兩種操作方式：一是水流向下流的方式，一是水流向上流的方式，逆流再生可以彌補順流再生的缺點，而且出水質量顯著提高，原水水質適用范圍擴大，對於硬度較高的水，仍能保證出水水質，所以目前採用該法較多。

總起來說，固定床有出水水質好等優點，但固定床離子交換器存在三個缺點：一是樹脂交換容量利用率低，二是在同設備中進行產水和再生工序，生產不連續，三是樹脂中的樹脂交換能力使用不均勻，上層的飽和程度高，下層的低。

為克服固定床的缺點，開發出了連續式離子交換設備，即連續床。

⑵連續床又分為移動床和流動床

移動床的特點是樹脂顆粒不是固定在交換器內，而是處於一種連續的循環運動過程中，樹脂用量可減少三分之一至二分之一，設備單位容積的處理水量還可得到提高，如雙塔移動床系統和三塔移動床系統。

流動床是運行完全連續的離子交換系統，但其操作管理復雜，廢水處理中較少應用。

C. 離子交換時都是陽離子與陰離子等價交換嗎

水溶液中的一些陽離子進入反離子層，而原來在反離子層中的陽離子進入水溶液，這種發生在反離子層與正常濃度處水溶液之間的同性離子交換被稱為離子交換作用。離子交換主要發生在擴散層與正常水溶液之間，由於黏土顆粒表面通常帶的是負電荷，故離子交換以陽離子交換為主，故又稱為陽離子交換。離子交換嚴格服從當量定律，即進入反離子層的陽離子與被置換出反離子層的陽離子的當量相等。

D. 2. 陽離子交換的原則是什麼

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.

E. 天然水的礦化過程

天然水的礦化過程

礦化度
天然水中各種元素的離子、分子和化合物的總量（不包括溶解的氣體），以克/升或毫克/升表示。礦化度是劃分天然水的級別、評價水質優勢的最重要的指標。
水的硬度
硬度是指水中溶解的Ca、Mg離子總量。把水加熱至沸騰，由於形成了CaCO3和MgCO3並從水中析出，使水失去一部分Ca2+和Mg2+ ，這部分Ca2+和Mg2+的數量稱為暫時硬度。硬度與暫時硬度之差，稱為永久硬度。
礦化作用
溶濾作用
土壤和岩石中某些成分直接進入水中的過程。如氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽、硅酸鹽和鋁硅酸鹽。
吸附性陽離子交替作用
天然水中離子從溶液中轉移到膠體上（吸附過程），也可從膠體上原來吸附的離子轉移到溶液中（解吸過程）來交換陽離子。
膠體對各種陽離子的吸附能力，由大到小順序為：
H+ > Fe3+ > Al3+ > Ba2+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > NH4+ > Na+ > Li+
氧化作用
硫化物的氧化是地下水中富集硫酸鹽的途徑，
如： FeS2 + O2 + H2O → FeSO4 + H2SO4
CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + CO2↑ + H2O
還原作用
還原環境里，天然水可以與含有機物圍岩接觸，或受到過量的有機物污染，碳氫化合物可以使水中的硫酸鹽還原。
如： CH4 + CaSO4 → CaS + CO2 + H2O
CaS + CO2 + H2O → CaSO4 + H2S
蒸發濃縮作用
蒸發濃縮各種鹽的沉澱順序為
Al、Fe、Mn的氫氧化物 → Ca、Mg碳酸鹽、硫酸鹽和磷酸鹽 → Na的硫酸鹽
→ Ca、Mg的氯化物 → 硝酸鹽
青海眾多鹽湖就富集了大量的KCl、NaCl
混合作用
兩種或兩種以上的礦化度的水相遇。混合後的礦化度和化學成分都要發生變化。

F. 離子交換原理 離子是怎麼交換的

1、離子交換是應用離子交換劑（最常見的是離子交換樹脂）分離含電解質的液體混合物的過程。離子交換過程是液固兩相間的傳質（包括外擴散和內擴散）與化學反應（離子交換反應）過程，通常離子交換反應進行得很快，過程速率主要由傳質速率決定。

2、離子交換反應一般是可逆的，在一定條件下被交換的離子可以解吸（逆交換），使離子交換劑恢復到原來的狀態，即離子交換劑通過交換和再生可反復使用。同時，離子交換反應是定量進行的，所以離子交換劑的交換容量（單位質量的離子交換劑所能交換的離子的當量數或摩爾數）是有限的。

G. 廢水物理化學處理法的類型

廢水萃取處理法是利用萃取劑，通過萃取作用使廢水凈化的方法。根據一種溶劑對不同物質具有不同溶解度這一性質，可將溶於廢水中的某些污染物完全或部分分離出來。向廢水中投加不溶於水或難溶於水的溶劑（萃取劑），使溶解於廢水中的某些污染物（被萃取物）經萃取劑和廢水兩液相間界面轉入萃取劑中。
萃取操作按處理物的物態可分固——液萃取、液——液萃取兩類。工業廢水的萃取處理屬於後者，其操作流程：①混合，即使廢水和萃取劑最大限度地接觸；②分離，即使輕、重液層完全分離；③萃取劑再生，即萃取後，分離出被萃取物，回收萃取劑，重復使用。萃取劑的選擇應滿足：①對被萃取物的溶解度大，而對水的溶解度小；②與被萃取物的比重、沸點有足夠差別；③具有化學穩定性，不與被萃取物起化學反應；④易於回收和再生；⑤價格低廉，來源充足。此法常用於較高濃度的含酚或含苯胺、苯、醋酸等工業廢水的處理。 廢水離子交換處理法是藉助於離子交換劑中的交換離子同廢水中的離子進行交換而去除廢水中有害離子的方法。其交換過程：①被處理溶液中的某離子遷移到附著在離子交換劑顆粒表面的液膜中；②該離子通過液膜擴散（簡稱膜擴散）進入顆粒中，並在顆粒的孔道中擴散而到達離子交換劑的交換基團的部位上（簡稱顆粒內擴散）；③該離子同離子交換劑上的離子進行交換；④被交換下來的離子沿相反途徑轉移到被處理的溶液中。離子交換反應是瞬間完成的，而交換過程的速度主要取決於歷時最長的膜擴散或顆粒內擴散。
離子交換的特點：依當量關系進行，反應是可逆的，交換劑具有選擇性。應用於各種金屬表面加工產生的廢水處理和從原子核反應器、醫院和實驗室廢水中回收或去除放射性物質，具有廣闊的前景。 廢水吸附處理法是利用多孔性固體（稱為吸附劑）吸附廢水中某種或幾種污染物（稱為吸附質），以回收或去除某些污染物，從而使廢水得到凈化的方法。有物理吸附和化學吸附之分。前者沒選擇性，是放熱過程，溫度降低利於吸附；後者具選擇性，系吸熱過程，溫度升高利於吸附。
吸附法單元操作分三步：①使廢水和固體吸附劑接觸，廢水的污染物被吸附劑吸附；②將吸附有污染物的吸附劑與廢水分離；③進行吸附劑的再生或更新。
按接觸、分離的方式，可分為：①靜態間歇吸附法，即將一定數量的吸附劑投入反應池的廢水中，使吸附劑和廢水充分接觸，經過一定時間達到吸附平衡後，利用沉澱法或再輔以過濾將吸附劑從廢水中分離出來；②動態連續吸附法，即當廢水連續通過吸附劑填料時，吸附去除其中的污染物。吸附劑有活性炭與大孔吸附樹脂等。爐渣、焦炭、硅藻土、褐煤、泥煤、粘土等均為廉價吸附劑，但它們的吸收容量小，效率低。

H. 離子交換

鉬(Ⅵ)與大量鐵(Ⅲ)的0.5mol/LHCl溶液，通過陽離子交換樹脂後，可用0.04mol/L硫氰酸銨溶液淋洗鉬(Ⅵ版)。鉬(Ⅵ)與錸權的氫氧化鈉溶液通過陰離子交換樹脂後，可用1mol/L草酸鉀溶液淋洗鉬(Ⅵ)，再用7mol/LHCl淋洗錸。

I. 土壤離子交換

土壤中離子的交換作用

土壤中帶負電荷膠粒吸附的陽離子與內土壤溶液中的陽離子進行容交換，稱為陽離子交換 作用。
土壤陽離子交換的特點：
• 可逆反應並能迅速達到平衡
• 陽離子交換按當量關系進行
• 不同陽離子的代換力有大小差異（離子價數、原子序數、離子運動速度、質量作用定律）
25 陽離子交換量
每千克干土中所含全部陽離子總量，稱陽離子交換量
影響因素：
（1）膠體的種類
蒙脫石>水化雲母>高嶺土；有機膠體最高
（2）溶液的pH值
pH值增加，土壤負電荷量隨之增大，交換量增大

J. 在進行離子交換操作過程中，為什麼要控制流出液的流速，如太快，將會

保持液面下是防止表層樹脂乾燥，沒有交換效果還有水對樹脂的沖擊，造成樹脂浮游，還有會帶人空氣，造成氣穴，影響樹脂裝填規整，影響交換效果。

控制水的流量是保證水與樹脂能有充分的接觸時間完成交換，否則流量太快可能有部分水分子沒有充分作用，達不到交換效果，一般保證每小時5倍樹脂體積的流量比較合適。

溶液中待交換的離子與交換樹脂中的離子交換有一個過程：溶液中待交換的離子向樹脂顆粒表面遷移並通過樹脂表面的邊界水膜，進入樹脂內部的孔道與樹脂的離子交換，被交換下的離子再從樹脂孔道往外移動，穿孔樹脂膜到溶液中，這個交換過程是需要一定時間的。

如果待處理的液體流速太快，就有一部份離子來不及交換，造成泄漏,影響處理質量；如果速度太慢就會減小處理流量，降低處理效率.所以要控制液體流速。

(10)離子交換以當量關系進行擴展閱讀：

水溶液中的一些陽離子進入反離子層，而原來在反離子層中的陽離子進入水溶液，這種發生在反離子層與正常濃度處水溶液之間的同性離子交換被稱為離子交換作用。

離子交換主要發生在擴散層與正常水溶液之間，由於黏土顆粒表面通常帶的是負電荷，故離子交換以陽離子交換為主，故又稱為陽離子交換。離子交換嚴格服從當量定律，即進入反離子層的陽離子與被置換出反離子層的陽離子的當量相等。