离子交换动力学ppt

1. 离子交换

钼(Ⅵ)与大量铁(Ⅲ)的0.5mol/LHCl溶液，通过阳离子交换树脂后，可用0.04mol/L硫氰酸铵溶液淋洗钼(Ⅵ版)。钼(Ⅵ)与铼权的氢氧化钠溶液通过阴离子交换树脂后，可用1mol/L草酸钾溶液淋洗钼(Ⅵ)，再用7mol/LHCl淋洗铼。

2. 腐殖质与金属离子之间作用关系

无论是煤炭腐殖质还是其他类型腐殖质，都与金属离子的络合作用及离子交换作用有着密切的关系。在环境保护方面，可以利用腐殖质与金属之间的化学作用，来处理含有重金属离子的工业废水和含废油、染料、农药、细菌等城市污水。农业上可利用腐殖质来富集土壤中的矿物质成分和微量元素，提高肥力。目前我们发现的地下沉积地层中某些金属矿床的形成，与腐殖质的特殊化学作用有密切的关系。因此，腐殖酸（或黄腐酸）与金属离子的相互作用关系的研究是一个十分引人注目，又十分重要的课题。

（一）离子交换

从广义上讲，离子交换是指当一电解质溶液与一不溶性物体相接触时，因该物体基质上带有正电荷或负电荷的取代基结合着可以移动的离子，则离子交换作用就可以发生。对于腐殖酸或黄腐酸来说，离子交换作用的进行是通过金属阳离子与腐殖酸和黄腐酸所形成的大分子阴离子原子团相互作用而发生的。在水溶液中，腐殖酸或黄腐酸中离子交换官能团（如—COOH），可以发生电离：

吐哈盆地铀有机地球化学研究及侏罗系划分

电离出来的氢离子可以与溶液中的金属阳离子进行离子交换，这一离子交换过程可以简单表示为：

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其中Mⁿ⁺表示n价金属离子。一般情况下，离子交换后所生成的“结合体”，如上式中的（FA—COO）_nM或（HA—COO）_nM均是可以发生电离子离子型基团。目前的观点，在酸性和中性环境中，腐殖酸或黄腐酸具有羧基型离子交换剂的作用，在碱性环境中氢离子和苯酚羟基能够参加离子交换作用。

（二）络合或螯合反应

经典理论认为，络合是指由电子供体（配位体，以L表示）的孤电子对，给予电子受体（金属离子，以H表示），形成带有共价键性质的配位键。在金属络合物中，一个金属原子结合了比简单化合键更多的离子或分子。各种配位体中只含有一个可提供电子对的配位原子，如H₂O：、：NH₃、：CN、：F^-等，称为单齿配位体；如果配位体中含有两个以上的配位原子，如乙二胺（H₂N^..—CH₂—CH₂—N^..H₂），称为多齿配位体。单齿配位体以配位键与金属离子结合时，只有一个结合点。若金属离子的配位数是n，则一个金属离子可与n个配位体结合，形成ML_n型络合物，如

、

、

等。单齿配位络合物ML_n是逐级形成的，络合物多数不稳定，相邻两级的稳定常数相差较小。多齿配位体以配位键与金属离子结合时，每个配位体与金属离子将有两个以上的结合点，这样就形成了环状结构，配位体好似蟹钳一样抓住金属离子，这类络合物称为螯合物。如乙二胺和金属Cu²⁺的反应：

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由于形成了环状结构，络合物的稳定性增高。螯合物的稳定性与成环数目有关。当配位原子相同时，环越多螯合物越稳定；螯合物的稳定性还与螯环的大小有关，一般五员或六员环最为稳定。

1.金属与腐殖质形成络合物（螯合物）的本质

腐殖酸和黄腐酸的络合能力，主要取决于它们的含氧官能团的含量。例如COOH、酚OH和各种C=O基团。还可能包括氨基和亚氨基。腐殖酸或黄腐酸的结构，提供了多种螯合的可能位置。可能在腐殖物质的1，2-二羟基或羟基醌位置上发生络合作用，腐殖物质中可能有多重配位位置。研究认为，腐殖酸保持Zn至少有三种位置，最不稳定的络合物据认为是与酚OH和弱酸性COOH联系在一起；比较稳定的络合物是包含有强酸性的COOH。虽然强结合Zn只占总保留量的1%以下，据信其有关位置具有很大的重要性，因为少量的Zn将首先结合为最稳定的络合物。研究认为，在金属与黄腐酸的相互作用中有两种类型的反应，最重要的一种包括有酚OH和COOH基。重要性较差的反应只包括酸度较小的COOH。这个反应是：

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曾应用红外光谱（IR）技术试图测定腐殖酸中金属与羧基结合的离子化程度。分析的基础是COOH基在1720cm^-1处C=O吸收带当与金属离子反应时便消失，而新的吸收带出现在近1600cm^-1和1380cm^-1处。这些带分别为COO^-结构不对称和对称伸缩振荡所形成的。不对称带的位置，提供了它的键是离子键抑或共价键的迹象。尤其是当形成共价键时，不对称带便移向较高的频率。Stevenson的结论是，对于Cu²⁺，在添加的金属离子水平低时形成共价键，但当腐殖酸被这种金属饱和时，离子键便逐渐增加。有些IR研究表明，OH、C=O和NH基在COOH基以外亦参与了金属离子的络合。Robert 利用核磁共振技术（NMR）研究腐殖酸与金属离子络合位置，认为起主要作用的官能团是羧基COOH和羟基OH。在黄腐酸（腐殖酸）与金属离子相互作用时，通常认为对一价金属离子可能是离子交换，而对于多价金属离子则可能既有离子交换又有络合（或螯合）作用。同离子交换作用一样，黄腐酸（腐殖酸）分子中的羧基（—COOH）和酚羟基（—OH）也是与金属离子进行络合（或螯合）的主要部位（结合点）。特别是邻苯二甲酸型（即两个羧基处于芳环的两个相互相邻的位置上）的邻位羧基和水杨酸型（即一个羧基和一个羟基处于芳环的两个相互相邻的位置上）的邻位羧基与酚羟基是发生络合（或螯合）的主要部位（结合点）：

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另有研究证明醌羰基和邻位酚羟基结构以及互为邻位的两个酚羟基结构也有可能成为金属离子络合的部位（结合点）：

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实际上，在分子较大、结构较复杂的黄腐酸（腐殖酸）分子中不会仅存在一种类型的络合位点，而是几种类型同时共存，即便是同一类络合位点，由于所处的化学环境不同，络合能力也会有所不同。因此，黄腐酸（腐殖酸）对金属离子的络合，有可能是多个位点同时发生，而最终得到混合型的金属络合物（或螯合物）。但是也并非完全不可控制，如果我们对络合环境的pH值加以控制，就有可能使得某种类型的络合成为主要形式。一般认为在中性和酸性环境中（pH=4～7），黄腐酸（腐殖酸）的邻苯二甲酸型的两个邻位羧基易发生络合（或螯合），其金属络合物以下列两种结合形式为主：

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在碱性环境中（pH＞7），酚羟基上的氢才能发生解离，使得黄腐酸（腐殖酸）金属络合物以另外两种结合形式为主：

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Schnitzer研究腐殖酸与金属离子的络合反应，认为即存在单齿的也存在多齿的络合。络合的形式是多样的，多核络合物也可能存在，其中一些腐殖酸和黄腐酸与金属的反应重要类型已经被证实：

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一些金属离子与腐殖酸络合物形成腐殖酸盐的顺序是：

。

腐殖质与金属离子形成腐殖酸盐络合物与 pH 值关系，已有研究证实，他观察到在Cu²⁺、Zn²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Al³⁺与腐殖酸形成络合物后，若在酸性介质中，会发生不溶性腐殖酸盐沉淀。沉淀物中各种金属含量受pH值影响较大。当pH=1时，所有络合物完全溶解。

2.腐殖酸盐或黄腐酸盐络合物溶解性质

腐殖酸和黄腐酸可与多价金属离子形成可溶和不溶的络合物，这种溶解性质决定了在地球化学环境中金属元素的迁移和金属沉积矿床的形成。黄腐酸由于其高度酸性和较低的分子量，所以它的金属络合物溶解度要远大于腐殖酸。

实际上，在地球化学环境中，金属离子与腐殖质之间的作用关系是相互的，一方面金属离子可与腐殖酸或黄腐酸形成不溶性盐而发生沉淀；另一方面腐殖质的络合能力束缚了金属离子从而影响了腐殖质的溶解特性。当腐殖酸或黄腐酸溶解于水中时，酸性基团就发生解离，由于带电基团排斥的关系，分子成为伸展的结构。当加入金属离子时，通过形成盐而降低电荷，分子便萎缩，因而降低了溶解度。多价阳离子亦具有将各个分子连接起来以形成类似链状结构的潜能。按照Stevenson的理论，腐殖酸的金属络合物在低金属-腐殖酸比率时（链中有少数相结合的分子）是可溶的，但是，当链状结构增长而且游离的COOH基通过盐桥而中和时，便发生沉淀。发生沉淀的条件受离子强度、pH、腐殖酸浓度和金属阳离子类型等因素的影响。

下面的图解说明了以上的情况，金属离子（B）将两个分子结合在1条链中：

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金属离子与腐殖物质相互作用而被固定，可通过或者形成不溶性络合物，或者与黏粒表面包被的腐殖质起固相络合。通过在黏粒—有机质界面上的直接交换，或通过形成可溶性络合物后又被矿物表面吸附而连结起来，是可以发生吸着的。有些阳离子将腐殖质络合物连结到黏粒表面上，其他的占据着边缘的位置并易与土壤溶液的配位体进行交换。

3.黄腐酸（腐殖酸）与金属离子络合作用的研究方法

虽然由于黄腐酸（腐殖酸）都是非均质性的化合物，使其与金属离子的相互作用不能够用严格的数学术语来描述，也较难于精确量化和解释。那些在独立化学体系中定义清楚的概念，如配位体浓度（络合容量）、稳定常数等，对黄腐酸（腐殖酸）类物质来说就变得意义模糊不清了。然而相关材料信息的积累，却可以帮助我们描绘出可以用来解释黄腐酸（腐殖酸）类物质的“平均行为”的简易方法。在对黄腐酸（腐殖酸）与金属离子络合作用的研究中，络合稳定常数是描述络合反应最重要的特征数据。

目前测定黄腐酸（腐殖酸）与金属离子络合反应的条件稳定常数已有许多方法，但是都不甚完善。应用最广泛的要数离子交换法和电化学法。现分别简单介绍如下：

（1）离子交换平衡法

配位体（L）和金属离子（B）进行络合（或螯合）反应，可以用以下平衡式表示为：

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因此络合物（或螯合物）形成常数或稳定常数是：

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在一金属离子的溶液中，加入一定的阳离子交换树脂，达到平衡后，吸附在单位质量树脂上的金属摩尔数M_r和溶液中金属摩尔浓度之比用λ₀来表示，则

λ₀=M_r/［B］ （6-2）

λ₀是可以通过实验方法进行测定的数值。

保持其他条件不改变，只是加入了配位体L，此时达到一新的平衡，单位质量树脂上吸附的金属摩尔数M_r和溶液中游离金属离子加络合物浓度之和的比用λ来表示，即：

λ=M_r/（［B］+［BL_n］） （6-3）

将式（6-2）与式（6-3）联立可得：

［BL_n］=M_r/λ M_r/λ₀ （6-4）

现将式（6-4）和式（6-2）代入式（6-1）可得：

K=（λ₀/λ-1）/［L］ⁿ（6-5）

或

lg（λ₀/λ-1）=lgK +nlg［L］ （6-6）

如果以lg（λ₀/λ-1）对lg［L］作图，则纵坐标的截距就是lgK，斜率即为n值，从而就可以求得络合稳定常数K值。

这一方法只适用于单核络合物，即BL_n型的络合物，n必须是等于1或大于1的整数。

（2）阳极溶出伏安法（ASV）

阳极溶出伏安法（ASV）是一个极化微电极上利用控制一定的电极电位——预电解位，另一个电极为工作电极。使水溶液中的金属离子有选择地在电极上被还原生成金属，经过一定时间的预电解电极上积累了一定浓度，然后用各类极谱仪记录金属氧化生成离子（称阳极溶出）所产生的电流-电压曲线图。溶出峰电流I_p与被测定离子浓度［B］之间的比例关系简单地表示为：

I_p=k［B］

上式中k的含义与实验条件和仪器参数有关，可以由滴入已知浓度c（B）的标准金属溶液与测定出的峰电流值之间的关系曲线的斜率算出。

如果溶液中存在可与金属反应生成络合物的有机配位体L（如黄腐酸和腐殖质），则有络合反应：

mB +nL==B_mL_n

k=［B_mL_n/［B^m］［L］ⁿ

式中［B］、［L］——分别是游离金属离子和游离配位体的浓度；［M_mL_n］——络合物的浓度；m，n——配比系数；k——络合物生成的条件稳定常数。

对于黄腐酸和腐殖质这样结构不确定的有机配位体，只能考虑平均的总的条件稳定常数，以1：1配比求取的条件稳定常数可简化为：

k=［BL］/［B］［L］

式中络合物的浓度相当于已结合金属的浓度，即

［BL］=c_B［B］

已结合的配位体浓度也与已结合金属的浓度相等。而游离配位体浓度［L］则等于总配位体浓度［L₀］与已结合配位体浓度之差：

［B］=［L₀］（c_B［B］）

可得下式：

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既然游离金属离子浓度与结合金属浓度之比［B］/c_B［B］对游离金属浓度［B］作图，可以获得一条直线，从直线斜率B和截距A就可以求得络合反应的条件稳定局势常数：k=B/A。

阳极溶出伏安法（ASV）所得金属浓度不单是游离金属离子，而是电化学不安定态的金属，既包括稳定常数较小的弱络合物，也包括动力学上迅速解离的络合物。此法测定腐殖质以及结构不明的天然有机物与金属络合物的总平均条件稳定常数是一个较实用的可靠方法。

（三）还原反应

腐殖质中含有相当可观的自由基（free radicals），它属于半醌基结构，既能氧化成醌又能还原成酚，因此他们是电子的给体也是受体。腐殖酸中的半醌基比黄腐酸中占有更重要位置。这些自由基可以是永久性的组成部分，也可以是相对暂时性的组成部分。它受pH变化的化学反应、或辐射等因素影响而产生。自由基可以有几分钟的或几小时的存在时间，这些自由基的存在，对地球化学环境中的一些聚合或氧化还原反应起着重要作用。腐殖质可以以还原电位+0.5～0.7eV还原许多金属离子，这对可还原金属的迁移有很大的影响。

腐殖质能还原某些氧化态的金属离子，最典型的情况是Fe³⁺还原为Fe²⁺，据研究腐殖酸可以还原Fe³⁺为Fe²⁺，而且在pH=3的条件下，腐殖酸对 Fe³⁺还原作用最强。Szalay（1982）实验证实，腐殖酸可还原流动的偏钒酸阴离子（

VO₃-），此种阴离子可以被还原为（VO⁺），而这种阳离子可以由腐殖酸的阳离子交换性质牢固地结合。

3. h-na并联离子交换系统，h为什么运行到na离子泄漏为止

答：离子来交换的动力学过程一自般可分为五步：（1）水中Na+首先在水中扩散，到达树脂颗粒表面的边界水膜，逐渐扩散通过此膜。（2）Na+进入树脂颗粒内部的交联网孔，并进行扩散。（3）Na+与树脂内交换基团接触，并与交换基团上可交换的H+进行交换。（4）被交换下来的H+在树脂颗粒内部交联网孔中向树脂表面扩散。（5）被交换下来的H+扩散通过树脂颗粒表面的边界水膜，进入水溶液中。

4. 有没有化学动力学方面的书比如说离子交换树脂吸附金属离子的动力学过程怎么研究呢

肯定有的，到图书馆看看就知道了！

5. 地球化学动力学研究步骤和方法

图4.11 地球化学动力学研究的步骤和方法框图

地球化学动力学研究步骤如图4.11所示:首先根据研究的地质-地球化学问题,视问题的主次,忽略次要的、突出主要的,使问题合理简化,形成地球化学动力学的概念模型(conceptual modesl)。如在研究热液成矿系统的热流体对流迁移过程时可侧重热驱动流体的动力学过程,而忽略流体与围岩的化学反应;在研究矿物蚀变导致矿物自中心到边缘成分变化、矿物与流体同位素交换等过程时则主要考虑组分的扩散和离子交换反应;研究矽卡岩化过程除考虑流体的渗滤外,还要考虑流体中主要组分K、Na、Ca、Mg、Si、lA的扩散和流体与围岩的化学作用。对经历了多期次、多阶段、多物质来源的地球化学作用的地球化学系统要重点研究主要阶段和主要物质来源。对诸如区域地球化学演化这样复杂的动力学问题,应对所涉及的各个子系统和过程分别建立动力学模型,从各个侧面去把握复杂体系的动力学行为。

图4.12 典型的水-岩反应动力学实验装置示意图

建立地球化学动力学概念模型,主要有两条研究途径:一是应用化学动力学、流体动力学等原理及其相应的数学表述,建立地球化学动力学的数学模型,也称动力学模型(dynamic models),并在此基础上,应用有限元、有限差分等数值计算方法,通过计算机数值模拟,获得动力学系统的演化规律;另一途径是地球化学动力学实验。目前主要限于两类地球化学动力学实验:一类是高温高压水-岩反应动力学实验,典型的实验装置和原理见图4.12,侧重于开放体系中流体与矿物或岩石颗粒之间的化学反应机制和反应速率研究;另一类实验是在一个大的容器(称tank)内通过激光摄像和各种探头实时检测容器内流体的运动和成分变化,可以模拟宏观尺度的地球化学输运-反应动力学过程,但较难控制温、压条件,大多在常压下实验。

无论是数值模拟还是实验模拟,都需先确定模型所需的各种动力学参数如流体的密度、粘度系数、围岩的孔隙度和渗透率、颗粒比表面积等,还要根据实验研究对象确定边界条件和初始条件。

数值模拟和实验模拟各有其长,可以相互补充。计算机模拟的优势是可以模拟较复杂的地球化学体系,且可以方便地修改模型,或改变动力学参数和边界、初始条件,得到各种模拟结果,从而研究不同条件下地球化学体系的演化规律。但数值模拟的成果取决于所建立数学模型的合理性和计算机软件系统的正确性,受研究者主观判断和水平的影响。实验模拟能较为宏观地模拟地球化学过程,结果更为可信,但受实验设备和实验条件等限制,实验研究只限于比较简单的地球化学过程和简单的边界条件,且较费时费力,目前研究比较成熟的主要限于水-岩反应动力学实验。

6. 谁有离子交换色谱的ppt啊，给我传下，[email protected] 越详细越好！

你这不是问问题。

7. 水-岩作用化学动力学

水-岩作用化学动力学是地球化学动力学最基本和最重要的研究内容，它主要研究开放（流动）体系内流体与矿物或岩石颗粒表面的化学作用机制和化学反应速率。

自然界中的化学反应有可逆反应和不可逆反应、均相反应和多相反应等；可逆反应有溶解-沉淀、离子交换反应及氧化还原反应等。此外，通常也把流体中的成核作用和生长过程包括在内。而在地质-地球化学过程中，水或水溶液与矿物、岩石间的化学反应显得尤为重要，通常称为“水-岩相互作用”（water-rock interaction）或“流体-岩石相互作用”（fluid-rock interaction）。风化作用及风化淋滤成矿作用，热液蚀变及与此相关的热液成矿作用，油气运移、地下水及地表水与围岩的相互作用，污染物与土壤的相互作用等均涉及水-岩相互作用，其实质是矿物溶解-沉淀过程动力学。

图4.14 霞石在水溶液中溶解的Arrhenius图

矿物的溶解作用受表面反应和流体中组分向矿物颗粒表面、反应后产物向溶液扩散的控制。若扩散的速率大于反应的速率，则称为“表面控制”的反应，反之则称“扩散控制”的反应。对于表面控制的溶解-沉淀导致水溶液中第 i 个组分的浓度c_i的变化率R_i可表示为：

地球化学

式中：A_m为第m种矿物的表面积；V为总溶液体积；v_i，m为组分i在m 种矿物溶解反应式中的化学计量系数；k_m分别为第m种矿物的溶解速率常数，由实验测定。许多矿物的溶解反应依赖于溶液中氢离子的活度，其溶解速率常数的经验公式为：

地球化学

指数 n_m介于0～1之间，通常为1/2；ΔG_m为第m 种矿物溶解反应的吉布斯自由能。A.C.Lasaga曾对水-岩作用的化学动力学进行过详细的分析。

8. 乳酸提取中离子交换工艺

我国生产乳酸的工艺主要采用钙盐法。乳酸生产工艺及主要排放源：玉米淀粉→喷射糊化→糖化发酵→板框压滤→沉 淀 →蒸 发 →复分解 →浓 缩→离子交换→废水废水主要来源于糖化发酵, 板框压滤及离子交换3个工段，废渣来自板框压滤、沉淀2个工段。夏 群等 乳酸生产废水处理工程设计及运行结果注意喷射糊化代替喷淋液化，膜分离代替板框压滤的效果。至于产生哪些污染物，不想说。除了你自己没人能够替你学习。

9. 离子交换树脂系统的离子交换树脂基本类型

1、 强酸性阳离子树脂
这类树脂含有大量的强酸性基团，如磺酸基-SO3H，容易在溶液中离解出H+，故呈强酸性。树脂离解后，本体所含的负电基团，如SO3-，能吸附结合溶液中的其他阳离子。这两个反应使树脂中的H+与溶液中的阳离子互相交换。强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用。
树脂在使用一段时间后，要进行再生处理，即用化学药品使离子交换反应以相反方向进行，使树脂的官能基团回复原来状态，以供再次使用。如上述的阳离子树脂是用强酸进行再生处理，此时树脂放出被吸附的阳离子，再与H+结合而恢复原来的组成。
2、 弱酸性阳离子树脂
这类树脂含弱酸性基团，如羧基-COOH，能在水中离解出H+ 而呈酸性。树脂离解后余下的负电基团，如R-COO-(R为碳氢基团)，能与溶液中的其他阳离子吸附结合，从而产生阳离子交换作用。这种树脂的酸性即离解性较弱，在低pH下难以离解和进行离子交换，只能在碱性、中性或微酸性溶液中(如pH5～14)起作用。这类树脂亦是用酸进行再生(比强酸性树脂较易再生)。
3、 强碱性阴离子树脂
这类树脂含有强碱性基团，如季胺基(亦称四级胺基)-NR3OH(R为碳氢基团)，能在水中离解出OH-而呈强碱性。这种树脂的离解性很强，在不同pH下都能正常工作。它用强碱(如NaOH)进行再生。
4、 弱碱性阴离子树脂
这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基(亦称一级胺基)-NH2、仲胺基(二级胺基)-NHR、或叔胺基(三级胺基)-NR2，它们在水中能离解出OH-而呈弱碱性。这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性条件(如pH1～9)下工作。它可用Na2CO3、NH4OH进行再生。
注：不论强碱性还是弱碱性树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。

10. 离子交换过程的5个步骤

离子交换过程归纳为如下几个过程1.水中离子在水溶液中向树脂表面扩散2.水中离子进入树脂颗粒的交联网孔，并进行扩散3.水中离子与树脂交换基团接触，发生复分解反应，进行离子交换4.被交换下来的离子，在树脂的交联网孔内向树脂表面扩散5.被交换下来的离子，向水溶液中扩散影响交换的主要因素有流速、原料液浓度、温度等。流速原料液的流速实际上反映了达到反应平衡的时间，在交换过程中，离子进行扩散—交换—扩散一系列步骤，有效地控制流速很重要。一般，交换液流速大，离子的透析量就高，未来及交换而通过树脂层流失的量增多。因此，应根据交换容量等选择适宜的流速。原料液浓度树脂中可交换的离子与溶液中同性离子既有可能进行交换，也有可能相斥，液相离子浓度高，树脂接触机会多，较易进入树脂网孔内，液相浓度低，树脂交换容量大时，则相反。但液相离子浓度过高，将引起树脂表面及内部交联网孔收缩，也会影响离子进入网孔。实验证明，在流速一定时，溶液浓度越高，溶质的流失量液越大。温度温度越提高，离子的热运动越剧烈。单位时间碰撞次数增加，可加快反应速率。但温度太高，离子的吸附强度会降低，甚至还会影响树脂的热稳定性，经济上不利，实际生产中采用室温操作较宜。

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