由於離子交換反應

❶ 磷酸鋁給甲醇脫水反應

甲醇脫水反應指的是甲醇經添加磷酸鋁等脫水劑，在高溫和大氣壓力下，乙醛和乙醇分子被水分子離開而出現的一種化學反應，主要是將甲醇轉化為乙醛和乙醇，是甲醇在工業上主要應用之一。

反應化學式：2CH3OH → 2CH3CHO + CH3CH2OH

反應條件：在高溫和大氣壓力下添加磷酸鋁等脫水劑即褲喚可發生。

反應原理：磷酸鋁的離子形式為Al3+，其與水的反應是在磷酸鋁的活性羥基和水的活性羥基之間發生離子交換反應，由於受到熱力的影響，這種離子交換反應的速率會變快，水的分子被磷酸鋁的離拍段子（Al3+）代替，從而發生了脫水反應胡賀凱，最終實現了乙醇和乙醛之間的轉化。

❷ 高溫水-岩化學作用

高肆鉛溫水-岩化學作用表現為深部岩石與深源水溶液之間的相互作用，除了環境的溫度較高以外，深源水溶液的化學組成也比較復雜，這與它們的成因和演化有關。

3.4.3.1 深源水溶液的類型及化學組成

深源水的成因比較復雜，懷特（1974、1986）、斯金納（1979）根據水的化學成分、同位素組成和水中的氣體成分等，將地下熱水劃分為六種成因類型，它們分別是：①大氣降水；②深循環海水；③經過演變的同生水；④變質水；⑤岩漿水；⑥初生水。深源水通常都是多成因的，下面舉例介紹部分深源水的化學組成及它的可能來源。

（1）熱泉水。以西藏羊八井熱泉水為例，它的組成特徵是：在氫氧同位素組成方面，氫同位素的豐度較高，與大氣降水的同位素組成相似，具大氣降水深循環成因的特徵；水鹽度較低，為型；弱酸性；Hg、Sb、As、Bi和 Cu、Pb、Zn、Fe、Mo、Sn、Ti 等具有高濃度。美國加利福尼亞州南部地下熱鹵水也是一種熱泉水，鹽度高，礦化度更高，但據同位素組成等分析也主要來自大氣降水。水的化學類型為（Na、Ca）-Cl型，沉澱物為氯化物型。其中 Cu、Pb、Zn、Fe、Mn、As、Cd、Ag都達到了成礦熱液的濃度。

（2）海底熱液泉。現代大洋中普遍分布的一種深循環熱液，產於大洋中脊。水的同位素成分接近海水；鹽度比較高，水為（Na、Ca、K）-Cl 型，富SiO₂、Fe、Mn和重金屬，同時富含金屬成礦物質；熱液呈酸性；因富 H₂S 和含 CO₂、H₂、NH₄等氣體，含大量硫化物。

（3）岩漿熱液。來自經歷過結晶過程的酸性和中性岩漿。這類岩漿的初始含水量約為4%～5%，岩漿結晶後，岩石中的含水量降至0.5%，岩漿中的水大部分轉入熱液。岩漿熱液中除易溶元素外，還常常含有大量的Si、Al、Fe等難溶元素和高溫射氣元素 F、B和、H₂O等，熱液中成礦元素的含量的高低與初始岩漿中成礦元素的含量及岩漿的結晶演化歷程有關。

3.4.3.2 高溫下元素遷移和成礦化學作用機制研究實例

巴爾蘇科夫（1968）對錫石-石英脈型熱液礦床進行過系統的地球化學研究，很好地說明了高溫下元素遷移成礦的化學作用機制。

首先，他通過地質及實驗研究歸納了錫石-石英脈型錫礦床的基本特徵。

（1）錫石-石英脈型礦床的地質特徵。錫礦體為錫石-石英脈型，其根部插入花崗岩中（圖3.17）。花崗岩主體的岩石類型為黑雲母花崗岩，在礦體的下部部分黑雲母已發生白雲母化，成為二雲母花崗岩，同時花崗岩還經歷了鈉長石化交代作用。礦脈及蝕變帶具分帶結構。礦床的分帶結構如圖 3.17b 所示：脈內礦物為錫石-石英組合；脈旁圍岩中為蝕變雲英岩化礦物組合（長石、鈉長石、黑雲母、白雲母），其中長石已蝕變為鈉長石，黑雲母蝕變為白雲母，含有蝕變礦物黃玉和螢石。在含礦石英脈的上部，兩旁對稱地發育雲英岩化，但向外很快由鈉長石化和白雲母化花崗岩過渡到未變質的黑雲母花崗岩，在脈旁雲英岩中還可見到錫石、螢石和黃玉；在含礦石英脈的下部，雲英岩蝕變帶的寬度變窄，鈉長石化和白雲母化花崗岩的寬度加大，並向外逐漸過渡為未變質的黑雲母花崗岩。

圖3.17 錫裂鍵好石-石英脈型礦床不同標高錫的含量和圍岩蝕變分亮知帶示意圖

（2）元素在岩石、礦物中的含量。一般含錫花崗岩的含錫量范圍為（16～30）×10^-6，常見為（18～20）×10^-6；不含錫花崗岩中的含錫量為（3～5）×10^-6。本岩體中二雲母花崗岩的含錫量平均為12×10^-6；黑雲母花崗岩含錫量平均為27×10^-6；上部脈旁雲英岩中，近脈處含錫量可達（30～207）×10^-6，遠離礦脈逐步下降；下部脈旁雲英岩中錫在其中有一個狹窄的遷出帶。因此元素含量的空間分布表現為在脈體上方為正異常，在脈體下方為負異常（圖3.17a）。

（3）元素存在形式的研究。元素在岩石各組成礦物中的分配是不均一的，研究表明：80%～100%的錫分配在黑雲母中，黑雲母中錫的分布相當均勻，錫含量的變化范圍為（80～400）×10^-6；顯微鏡下未見岩石中有錫石顆粒；將黑雲母單礦物研細至200～300目後，用碘化鉀溶劑無法提取其中的錫。因此認為，錫在黑雲母花崗岩中主要以類質同象形式分布在黑雲母中。進一步研究發現，當黑雲母發生白雲母化蝕變後，白雲母中的錫含量大大低於黑雲母中的錫含量。

然後，巴爾蘇科夫進行了模擬實驗研究。他在地質背景研究和錫含量分配研究的基礎上，再據礦物組合和礦物成分設計模擬實驗，研究高溫條件下元素遷移成礦的化學機制。

由於花崗岩在自變質過程中發生了鈉長石化，熱液系統應富鈉；在礦脈旁的蝕變礦物中出現了富氟礦物，實驗體系應相對富氟。礦脈上部礦物組合顯示有 K、Ca、Na帶入，下部礦物組合顯示有Na置換 Ca。由礦物中包裹體成分及均一化溫度的測定得知，成礦溶液富含 Na、F、K、（OH）、Cl和，溶液的pH值范圍為6～8.3，成礦溫度為250～300 ℃。

實施實驗時，他按包裹體研究獲得的成礦溶液成分配製實驗溶液，用SnO₂作試料，在300 ℃、500×10⁵ Pa的溫壓條件下進行 SnO₂的溶解實驗。實驗結果表明：當實驗介質 pH＞8 時，SnO₂大量溶解，由於溶液中含有 F^-和OH^-，推斷Sn 進入溶液後呈[Sn（F，OH）₆]^2-形式遷移；當實驗介質 pH≌7.5 時，有SnO₂從溶液中析出，同時釋放出HF（氣相）。由以上實驗結果分析錫成礦時的化學反應為：

地球化學

綜合以上研究，巴爾蘇科夫將錫石-石英脈的成礦過程歸納為以下幾個階段：

第一階段：花崗岩發生自變質作用——在t＞300 ℃和pH＞8的溫度和壓力條件下，長石發生鈉長石化，黑雲母蝕變為白雲母，作用後從長石和黑雲母中析出了Fe、Mg和Sn，Sn進入溶液後可能以氟錫絡合物形式存在。

第二階段：沿壓力降低的方向，氟錫絡合物等隨溶液向上運移，在溫度、pH變化不大的條件下，氟錫絡合物穩定。

第三階段：當 t≤300 ℃和 pH≌7.5 時，氟錫絡合物發生水解，在析出錫石的同時，礦脈內和近脈圍岩中結晶出螢石、黃玉、毒砂、電氣石等礦物。

從以上分析中可以看出，Sn 在花崗岩中主要以類質同象的方式存在於黑雲母中，當Sn從黑雲母中析出後，經熱液搬運，在花崗岩的上方形成了錫石-石英脈，這一過程既是Sn的富集礦化過程，也是Sn的地球化學遷移過程，因為 Sn不僅發生了空間位移，還伴隨有存在形式的變化。

3.4.3.3 交代變質作用

變質作用按系統的開放性分為區域變質作用和交代變質作用。在區域變質作用過程中系統的化學組成基本不變（近似封閉體系），在交代變質過程中系統的組成會發生變化（開放體系）。熱液交代變質作用是典型的水-岩化學作用，在高溫條件下更活躍。交代作用常主要通過熱液與圍岩的相互作用來實現，使圍岩成分發生變化的過程即熱液蝕變，交代後的圍岩稱為蝕變圍岩。

交代變質作用主要有熱液蝕變和矽卡岩化兩類，兩者都是水流體相和岩石之間的相互作用。熱液蝕變是含有多種成分的熱水溶液與岩石直接發生作用，熱液中的活動組分進入圍岩，對圍岩進行改造，使圍岩中形成新的礦物組合。矽卡岩化是中酸性岩漿與圍岩的相互作用，水流體相是兩者間作用的介質，起輸運元素的作用，在原岩和矽卡岩化岩石中並不一定能見到水的蹤跡。

（1）熱液蝕變。以水為主的深源熱液攜帶了大量的可溶物質，其組成與圍岩的成分往往差異較大，兩者間處於明顯的不平衡狀態，引起彼此間的物質成分交換。由於熱液中的一些元素加入圍岩，形成了新的礦物組合，岩石的總組成也將發生變化。通過圍岩成分的變化（如圍岩蝕變礦物）可以判斷是否曾發生過熱液交代作用。熱液組成與圍岩成分的差異愈大，交代作用愈強烈，圍岩的蝕變也會愈強。環境的物理化學條件、圍岩的物理性質、作用時間的長短也會對交代作用的強度和范圍產生影響。如鉀長石的鈉長石化的交代反應式為：

地球化學

雲英岩化的交代反應式為：

地球化學

隨著Na⁺和 H⁺離子加入到圍岩中，K⁺從圍岩中被帶出，這一過程是通過水介質來實現的，除溶液具富Na⁺特徵外，雲英岩化要求在偏酸性的環境下進行。特徵元素組合的含礦熱液往往可以形成特徵的蝕變礦物組合，如斑岩型銅礦床的圍岩一般都發育石英絹雲母化。在錫石-石英脈的圍岩中常生成螢石、黃玉、毒砂、電氣石等蝕變礦物組合。無論是否為含礦熱液，都可以發生熱液蝕變。

（2）矽卡岩化。在酸性或中酸性岩漿岩和碳酸鹽岩石的接觸帶上，通過交代作用將引發矽卡岩的形成，稱為矽卡岩化。矽卡岩化是流體與圍岩間的交代作用，但主要是岩漿與圍岩組分間的交換，在作用過程中水的含量不一定很豐富，它可以是孔隙溶液（流動性較差），也可以是滲濾溶液（流動性較強）。如果圍岩中裂隙比較發育，岩漿和圍岩間壓力差又較顯著，作用過程將主要是岩漿中的優勢元素（或組分）向圍岩輸運，矽卡岩化主要發生在灰岩（外接觸帶）中，形成單交代矽卡岩。如果圍岩中裂隙不太發育，或者岩漿和圍岩間壓力差較小，灰岩和岩漿岩中各自的優勢元素（或組分）都可以向對方輸運，因此在灰岩和岩漿岩（內接觸帶）中都將發生矽卡岩化，形成雙交代矽卡岩，雙交代矽卡岩化的范圍一般較小。在交代過程中，隨物理化學條件的變化，有些組分很快被溶解和擴散，在溶液中的濃度會迅速均勻化，它們在交代岩石中的濃度取決於組分在溶液中的濃度，這些組分由於在系統的不同部分存在化學位差異（或濃度差），因而發生遷移，向岩石中帶入或自岩石中帶出，這樣的組分稱為活性組分。還有一些組分，其溶解和擴散的速度極慢，基本不發生帶出和帶入，在交代前後岩石中的含量基本保持不變，屬於惰性組分。圖 3.18 對雙交代矽卡岩化過程Si、Al、Ca含量變化及矽卡岩礦物-岩石的變化關系作了簡要的說明。由於是雙交代矽卡岩化，在矽卡岩化的前後內外接觸帶的成分都有變化。如在碳酸鹽岩石中，白雲石和方解石由於硅的加入生成了透輝石，CO₂被轉入溶液，反應方程式為：

圖3.18 雙交代矽卡岩形成的化學機理示意圖

地球化學

隨硅、鋁帶入量的增大，進一步將形成透輝石-石榴子石矽卡岩帶和單石榴子石矽卡岩帶。同時，在內接觸帶，隨硅、鋁的帶出量和鈣（鎂）的帶入量的增大，先後形成透輝石-斜長石矽卡岩帶、透輝石-石榴子石矽卡岩帶和單石榴子石矽卡岩帶。在內、外矽卡岩中雖然最後都會形成單石榴子石矽卡岩帶，但兩者石榴子石的成分有所不同，外矽卡岩中的石榴子石接近鈣鐵榴石的成分，內矽卡岩中的石榴子石接近鈣鋁榴石的成分。

（3）交代過程反應的類型及控制條件。在交代作用過程中，離子交換反應、脫水和水解反應表現得比較突出，當CO₂活度較高時，碳酸鹽化和脫碳酸鹽化反應也較活躍。溶液組分與岩石組分的濃度差異是交代的動因，溫度、壓力、pH值和氧化還原條件是控制反應強度、反應速率和反應是否能達到平衡的重要因素。溫度升高通常使熱液和其中的活動組分的活性增強，壓力增大則往往起相反的作用。由於OH^-和 H⁺參與脫水和水解反應（作為反應物或生成物），將改變溶液的pH值，因此，一定的脫水和水解反應也只有在適宜的 pH值溶液中才能進行。如白雲母的高嶺石化過程為：

地球化學

在這一過程中消耗了H⁺和釋放出K⁺，使交代溶液向鹼性化方向演化，酸性介質中有利於這一反應的進行。

❸ 交換樹脂再生的過程實際上是什麼過程

離子交換樹脂的最大特點就是其交換性能的可逆性。
離子交換反應是可逆的。例如，當含有Na+的水通過RH型陽離子交換樹脂時，發生如下交換反應：
RH + Na+ → RNa + H+
由於上述反應不斷消耗RH型樹脂，以致它已不能繼續使水中的Na+被交換成H+時，為了恢復樹脂的交換能力，可以用鹽酸或硫酸通過該Na型樹脂，由於離子交換反應是可逆的，樹脂又可恢復到RH型的狀態，其可逆反應可表示如下：
RH + Na+ ⇋ RNa + H+
當水中Na+多而樹脂層RH型樹脂多時，上式的平衡向右移動，反之，向左移動。
離子交換反應的可逆性，是離子交換樹脂的重要而可貴的性質，它使離子交換樹脂能夠長期反復地使用。

❹ 環保工程師知識點：離子交換

2017環保工程師知識點：離子交換

離子交換法在水的軟化和除鹽中早已獲得廣泛的應用，目前已應用在回收和處理工業廢水中的有毒物質方面。下面我為大家准備了離子交換的相關知識，歡迎閱讀。

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。

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。

3離子交換工藝的設計

⑴進水預處理

廢水成分復雜，應進行預處理，目的是保障反應器中離子交換樹脂交換容量充分得以發揮，並有效延長使用壽命。預處理的對象包括進水的水溫、PH值、懸浮物、油類、有機物、引起樹脂中毒的高價離子和氧化劑等。

⑵樹脂的選用

選擇樹脂時應考慮交換容量、進水水質和離子交換器的運行方式等，選擇合適的樹脂。

例如考慮進水水質時，對於只需去除進水中吸附交換能力較強的陽離子，可選用弱酸型樹脂，若需去除的陽離子的吸附交換能力較弱，只能選用強酸型陽離子樹脂。考慮離子交換器的運行方式時，移動床和流動床要選用耐磨、高機械強度的樹脂。對於混床，要選用濕真密度相差較大的陰、陽樹脂。另外，不同樹脂的交換容量有差異，而同一種樹脂的交換容量還受所處理廢水的懸浮物、油類、高價金屬離子等影響。

⑶掌握工藝設計參數

4離子交換法在水處理中的應用

離子交換法目前廢水處理中得到了廣泛應用，例如

⑴用於含鉻廢水的處理

對於廢水，經預處理後，可用陽樹脂去除三價鉻和其他陽離子，用陽樹脂去除六價鉻，並可回收鉻酸，實現廢水在生產中的循環使 用。

⑵含鋅廢水的處理

化纖廠紡絲車間的酸性廢水主要含有硫酸鋅、硫酸和硫酸鈉等，用鈉離子型陽樹脂交換其中的鋅離子，用芒硝再生失效的樹脂，即可得到硫酸鋅的濃縮液。

⑶電鍍含氰廢水的處理

陰樹脂對絡合氰(即氰與金屬離子的絡合物)的結合力大，所以利用陰離子交換樹脂能消除氰化物以及重金屬離子的污染，並將其回收利用。

⑷有機廢水的處理

如洗滌煙草的過程中產生的含有煙鹼的廢水，可以用陽樹脂回收後作為殺蟲劑。

⑸用於水的軟化處理

例如利用鈉離子交換軟化法可以去除水中的硬度。

⑹水的除鹽

分復床除鹽和混合床除鹽等系統。

復床是指陽、離子交換器串聯使用，常用的系統有強酸-脫氣-強鹼系統，強酸-弱鹼-脫氣系統以及強酸-脫氣-弱鹼-強鹼系統等。 混合床除鹽具有水質穩定、間斷運行影響小、失效終點分明等特點。

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❺ 水岩作用

一、吸附與解吸附

吸附作用就是介質固體表面對溶解在水中的成分進行吸附去除；解吸附則是吸附的逆反應，即已被固體表面吸附的成分又回到水溶液中。

如果吸附固體不發生遷移，那麼吸附作用可以使水中被吸附成分得到阻滯，其濃度會降低；如果吸附劑是懸浮在地下水中的膠體，可隨水流運動的話，那麼這樣的吸附作用不會阻止被吸附溶質的遷移，只有當膠體沉澱發生時，溶質才能夠從地下水中去除。

吸附、解吸附作用最典型的是離子交換反應。在地下環境中，粘土礦物是最常見的吸附劑。粘土礦物表面凈電荷呈負性，所以容易對陽離子進行吸附。陽離子交換容量（CEC）用來描述粘土離子交換的能力，一般表示為每100g干物質樣品中吸附陽離子的當量數。一般來說，在粘土礦物中，陽離子交換容量由大到小順序依次為：蒙脫石、伊利石、高嶺石。其中蒙脫石的CEC可達80～100 meq/100 g，而高嶺石只有3～15 meq/100 g。粘土的陽離子交換能力同時還受pH值的影響，pH值低時，不利於粘土對陽離子的吸附；但隨著pH值增加，氫離子活度降低，增大了陽離子交換能力。

有機物是地下環境中另一個主要的離子交換吸附來源。在天然狀態下主要是一些腐殖物質，呈負電性，其吸附作用同樣受pH條件的控制。一般認為，腐殖質的陽離子交換總容量要比硅酸鹽粘土礦物大很多，其數量級可達200 meq/100 g。

在粘土礦物中，陰離子交換作用也可以存在，但由於礦物表面總體呈負電性，所以陰離子交換作用遠不如陽離子吸附交換作用。但是，當礦物表面吸附了H⁺以後，可以產生正電性，發生如下反應：

現代水文地質學

其中≡M表示礦物格架中的金屬離子。這樣就可以對陰離子進行吸附：

現代水文地質學

式中：SI稱為礦物的飽和指數；K_礦物為含水層中地下水實際溫度下反應的平衡常數。

SI=0；礦物與水達到了化學平衡；

SI＜0；水中礦物處於非飽和狀態，有利於礦物的溶解作用；

SI＞0；水中礦物超飽和，會發生沉澱。

在實際判定溶解沉澱反應時，其關鍵是求得系統中的化學反應方程式和反應過程，如果系統比較復雜的話，需要進行仔細的分析判斷。考慮到水樣分析、活度計算、平衡常數計算等方面的誤差，在評價時允許SI有一定的范圍，一般為SI=0±0.5。

❻ 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。

❼ 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：Si₈Al_3.33Mg_0.67O₂₀（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：

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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：

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式中：A^m+、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：

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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q_A和q_B，則吸附劑表面A、B的摩爾分數分別為：

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顯然，x_A+x_B=1。這樣式（2-5-7）可改寫為：

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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y_A和y_B分別表示吸附劑表面A、B的當量百分數，則有：

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同樣，y_A+y_B=1，這樣式（2-5-7）變為：

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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：

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交換系數分別為K_Ca-Na和K_K-Na，則在該吸附劑中反應：

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的交換系數為：

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這是因為（以Vanselow慣例為例）：

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故有：

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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：

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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：

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【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：

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不考慮活度系數的影響，其平衡常數（Vanselow慣例）為：

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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：

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整理得：

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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：

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以式（2-5-25）帶入式（2-5-24）得：

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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：

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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：

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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：

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以式（2-5-26）帶入式（2-5-28）並整理得：

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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：

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式中c_A和c_B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，Q_A-B=K_A-B。式（2-5-29）可改寫為：

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由式（2-5-30）可見，Q_A-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Q_A-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Q_A-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Q_A-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，Q_Na-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：

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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）：

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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：

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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：

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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⁺。

❽ 鹽酸鹽與鈉鹽進行離子交換反應，最後形成什麼化學鍵

這需要看情況回答。
離子交換反應原則上是在（水）溶液中進行的。那麼鹽酸鹽與專鈉鹽反應，需要屬生成難溶物質或弱電解質（氣體在這里的可能性不是很大）。最後形成的NaCl和另一種新鹽，由於在水溶液中，實際上的狀態是溶液中的陰陽離子均被水分子包裹，因此不能說有離子鍵。只有沉澱，以及將溶液蒸發後形成的晶體內，是（新的）離子鍵。

❾ 六硫氰化鐵和氟化鈉的反應現象

六硫氰化鐵和氟化鈉的反應是一種離子交換反應，化學方程式如下：

Fe(SCN)6 3- + 6 NaF → 6 Na+ + FeF6 3- + 6 SCN-

在反應中，六硫氰化鐵離子（Fe(SCN)6 3-）和氟化鈉（NaF）發生離子交換，生成六氟合鐵離子（FeF6 3-）和硫氰蔽孝首酸鈉（NaSCN）。

反應宏數的現象是，當六硫氰化鐵溶液和氟化鈉溶液混合時，會產生白色沉澱，這是由於生成的六氟合鐵慎沒離子是不溶於水的。同時，反應後溶液中的顏色也會發生變化，由原來的紅色或黃色變成了無色或淺灰色。這是因為，六硫氰化鐵離子和六氟合鐵離子的顏色不同，導致反應後顏色發生變化。

❿ 催化劑的製造方法

製造催化劑的每一種方法，實際上都是由一系列的操作單元組合而成。為了方便，人們把其中關鍵而具特色的操作單元的名稱定為製造方法的名稱。傳統的方法有機械混合法、沉澱法、浸漬法、溶液蒸干法、熱熔融法、浸溶法（瀝濾法）、離子交換法等，現發展的新方法有化學鍵合法、纖維化法等。
某些晶體物質（如合成沸石分子篩）的金屬陽離子（如Na）可與其他陽離子交換。 將其投入含有其他金屬（如稀土族元素和某些貴金屬）離子的溶液中，在控制的濃度、溫度、pH條件下，使其他金屬離子與 Na進行交換。由於離子交換反應發生在交換劑表面，可使貴金屬鉑、鈀等以原子狀態分散在有限的交換基團上，從而得到充分利用。此法常用於制備裂化催化劑，如稀土-分子篩催化劑。 ①化學鍵合法。此法現大量用於製造聚合催化劑。其目的是使均相催化劑固態化。能與過渡金屬絡合物化學鍵合的載體，表面有某些官能團(或經化學處理後接上官能團)，如-X、-CH2X、-OH基團。將這類載體與膦、胂或胺反應，使之膦化、胂化或胺化，然後利用表面上磷、砷或氮原子的孤電子對與過渡金屬絡合物中心金屬離子進行配位絡合，即可製得化學鍵合的固相催化劑，如丙烯本體液相聚合用的載體──齊格勒－納塔催化劑的製造。
②纖維化法。用於含貴金屬的載體催化劑的製造。如將硼硅酸鹽拉製成玻璃纖維絲，用濃鹽酸溶液腐蝕，變成多孔玻璃纖維載體，再用氯鉑酸溶液浸漬，使其載以鉑組分。根據實用情況，將纖維催化劑壓製成各種形狀和所需的緊密程度，如用於汽車排氣氧化的催化劑，可壓緊在一個短的圓管內。如果不是氧化過程，也可用碳纖維。纖維催化劑的製造工藝較復雜，成本高。