陽離子交換吸附作用是一種可逆反應

Ⅰ 陽樹脂的基本簡介

陽樹脂,全名是陽離子交換樹脂,具有交換容量高，交換速度快，機械強度好等特點，尤其適合於制備供鍋爐使用的軟水和純水的制備。色可賽思開發出樹脂也可用於催化劑和脫水劑，以及濕法冶金、製糖制葯工業等。
離子交換法(ion exchange process)是液相中的離子和固相中離子間所進行的的一種可逆性化學反應，當液相中的某些離子較為離子交換固體所喜好時，便會被離子交換固體吸附，為維持水溶液的電中性，所以離子交換固體必須釋出等價離子回溶液中。 這類樹脂（IONRESIN）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。色可賽思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。
樹脂在使用一段時間後，要進行再生處理，即用化學葯品使離子交換反應以相反方向進行，使樹脂的官能基團回復原來狀態，以供再次使用。如上述的陽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。 這類樹脂（IONRESIN）含弱酸性基團，如羧基－COOH，能在水中離解出H+ 而呈酸性。色可賽思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。色可賽思樹脂亦是用酸進行再生(比強酸性樹脂較易再生)。
據江蘇色可賽思樹脂有限公司產品在中國地區標准型號有如:001X7 D001 D113樹脂等等。

Ⅱ 陽離子交換樹脂的簡介

離子交換法(ion exchange process)是液相中的離子和固相中離子間所進行的一種可逆性化學反應，當液相中的某些回離子較答為離子交換固體所喜好時，便會被離子交換固體吸附，為維持水溶液的電中性，所以離子交換固體必須釋出等價離子回溶液中。離子交換樹脂一般呈現多孔狀或顆粒狀，其大小約為0.5~1.0mm，其離子交換能力依其交換能力特徵可分 ：
1. 強酸型陽離子交換樹脂：主要含有強酸性的反應基如磺酸基（－SO3H），此離子交換樹脂可以交換所有的陽離子。
2.弱酸型陽離子交換樹脂：具有較弱的反應基如羧基（－COOH基），此離子交換樹脂僅可交換弱鹼中的陽離子如Ca2+、Mg2+，對於強鹼中的離子如Na+、K+等無法進行交換。
陽離子樹脂是以苯乙烯和二乙烯苯聚合， 經硫酸磺化而製得的聚合物。 生產過程中不含有明 膠及其它任何動物提取物。陽離子交換樹脂遇水可將其本身的某一種具有活性的離子和水中某電離子相互交換，即發生置換反應，去除水中可溶解的離子。陽離子交換樹脂有粉狀和球狀，都是人工合成的。

Ⅲ 廢水離子交換處理法交換反應

廢水離子交換處理法是一種特殊的化學反應，其主要特點體現在三個方面：首先，它遵循當量定律，即離子之間的交換是等比例的；其次，它是可逆反應，受質量作用定律制約；再者，交換劑具有選擇性，即優先與離子勢能較大的離子進行交換。在常溫和低離子濃度下，陽離子的交換勢與其價數和原子序數相關，如強酸陽樹脂中，Fe3+的交換勢大於Al3+，而同價陽離子中，原子序數較大的離子交換勢更強。

對於陽離子，強鹼陰樹脂的選擇性順序為：Cr2O崼>SO厈>NO婣>CrO厈>Cl->OH-。當離子濃度升高時，這些順序可能會受到影響，主要取決於實際的濃度水平。離子交換的選擇性可以用選擇系數K屧來量化，它是一個無量綱數值，反映樹脂中離子與溶液中離子的相對選擇性。K屧大於1意味著樹脂更傾向於吸附An+；K屧等於1表示對An+和B+的選擇性相同；K屧為0則An+不會被樹脂吸附。例如，陽離子交換樹脂對陰離子的選擇系數為0，反之亦然。

當K屧小於1時，樹脂優先選擇B+；而當K屧遠大於或小於1時，An+和B+的分離更易進行。為了在再生時使樹脂恢復至原始狀態，需要調整溶液中B+離子的濃度。對於離子交換平衡的熱力學解釋，唐南膜平衡模型提供了更全面的闡述，它超越了簡單的質量作用定律。

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除去廢水中有害離子的方法。 人類對自然界中的某些離子交換現象早已有所認識。古希臘著作中已有關於使用粘土脫去水中礦物質的敘述。1850年有人發現了土壤中離子交換的現象，以後又有人發現泥土吸附地下水中的離子是可逆反應。

Ⅳ 吸附種類和吸附機理

按吸附現象產生的原因而言，可分為物理吸附及化學吸附。

（一）物理吸附

固體顆粒表面電荷的不均衡，往往使其帶電荷。按其電荷的性質可分為永久電荷和可變電荷。

永久電荷是礦物晶格內的同晶替代所產生的電荷。例如，粘土礦物的結構為硅四面體和鋁八面體，四面體內的硅和八面體內的鋁均可被與其直徑大小相近的離子所替代；四價的Si⁴⁺可被三價的Al³⁺所替代，而三價的Al³⁺可被二價的Mg²⁺所替代，這樣的結果，使顆粒表面電荷產生了不均衡，使其呈現出負電性。由於同晶替代是在粘土礦物形成時產生的，並且是在粘土晶格的內部，因此一旦產生這種電荷就不會改變，具有永久性質，故稱永久電荷。蒙脫石和伊利石的同晶替代較多，所以它們的表面電荷以永久電荷為主；而高嶺石則不同，它的同晶替代少，其主要的表面電荷另有來源。

可變電荷是顆粒表面產生化學解離形成的，其表面電荷的性質（正電荷或負電荷）及數量往往隨介質的pH值的改變而變化，所以稱為可變電荷。例如某些膠體顆粒表面分子或原子團的解離：

（1）二氧化硅膠體和含水二氧化硅膠體的解離

水文地球化學基礎

（2）粘土礦物顆粒晶面上的OH基中H⁺的解離

水文地球化學基礎

高嶺石晶體表面的OH基較多，所以它的表面電荷以可變電荷為主。

（3）氫氧化鐵及氫氧化鋁表面分子OH基的解離

Fe（OH）₃→Fe（OH）^2--+OH^-

A1（OH）₃→Al（OH）²⁺+H⁺

（4）腐殖質上某些原子團的解離

水文地球化學基礎

上述談到顆粒表面電荷形成的機理。由於固體顆粒表面帶電荷，所以在固液相接觸時。便會發生靠固體表面靜電引力吸附液相異性離子的現象，這種現象稱為物理吸附。

物理吸附的特點是，其吸附的鍵聯力為靜電引力，鍵聯力較弱，因此已吸附在顆粒表面的離子，在一定條件下，可被液體中另一種離子所替換，所以物理吸附也稱為「離子交換」。被吸附離子的電性，取決於表面電荷的電性，顆粒表面帶負電荷，吸附陽離子，稱為陽離子吸附，或陽離子交換；顆粒表面帶正電荷，吸附陰離子，稱為陰離子吸附，或陰離子交換。物理吸附這個表面反應是一種可逆反應，可用質量作用定律來描述。

（二）化學吸附

化學吸附不是依賴於靜電引力發生的，液相中的離子是靠鍵力強的化學鍵（如共價鍵）結合到固體顆粒表面的；被吸附的離子進入顆粒的結晶格架，成為晶格的一部分，它不可能再返回溶液，是一種不可逆反應。這種現象也稱為「特殊吸附」。產生化學吸附的一個基本條件是，被吸附離子直徑與晶格中網穴的直徑大致相等，例如，K⁺的直徑為266pm（2.66Å），硅鋁酸鹽膠體晶格網穴直徑為280pm（2.80Å），它們的直徑大致相等，所以K⁺可被吸附到膠體的晶格里。

在實際研究中，要區分物理吸附及化學吸附是十分困難的；而物理吸附要比化學吸附普遍。因此，目前研究最多的是物理吸附，而且物理吸附的研究，實際上也包括化學吸附在內，因為兩者很難區分。特別是地下水污染中污染物的研究更是如此。

Ⅳ 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：

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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：

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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