离子交换以当量关系进行

A. 岩土-水-农作物元素系统

不论土壤中的元素来源是自然源还是人为源，都是在被作物吸收并积累于可食部分(如籽实)进入食物链后，才会对人类的健康安全产生影响。植物营养和植物生理学家认为，16种植物必需营养元素除C、H、O 主要从大气中获取外，其他如 N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、S、Cl等均主要由根系从地下吸收。植物根系吸收养分的方式主要有3种，其中以质流和扩散方式摄取的养分占总摄取量的95%以上，而质流和扩散均是借助于地下水或土壤水的运动来实现的。实际上，植物蒸腾作用使得植物在吸收水分的同时，不仅吸收了必需的养分元素，还吸收了非必需的有害元素，使这些有害元素(如重金属元素)进入人类食物链，对人类生存和健康构成威胁。

这种存在于岩土体→土壤溶液→农作物系统中的元素链(图3-2)，使得土地成为农产品生态安全保障的源头。这一元素生物链的存在构成了利用农业地质环境调查数据开展土地生态安全性评价的理论依据之一。

图3-2 土地-农作物系统中元素生物循环示意图

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

(一)土-水界面的元素迁移

土颗粒向土壤溶液中供给元素的方式主要有两种。粗颗粒矿物提供元素的主要方式是矿物本身不断风化分解释放出元素，如长石、黑云母、白云母等矿物风化释放出K、Na、Fe、Mn、Cu、Zn、Si、P等植物必需元素，角闪石、钛铁矿等矿物风化释放出Co、Ni等有害元素。随着矿物的不断风化和元素释出，矿物颗粒由粗变细，甚至彻底崩解，同时形成一些颗粒细小的粘土矿物。粘土矿物的形成，使土壤具有了一些新的性质，如比表面积大、本身带有电荷、有较强的吸附作用，成为元素由土壤进入土壤溶液最重要的途径。

不同的粘土矿物比表面积不同。蒙脱石类表面积最大(600～800m²/g)，不仅有外表面，并且有巨大的内表面，伊利石次之，高岭石最小(7～30m²/g)。腐殖质也具有巨大的外表面(可达700m²/g)，与蒙脱石相当。比表面积愈大，表面能愈大，吸收性质愈强。

同时，这些粘土矿物还带有电荷。土壤吸附离子的多少，决定于其所带电荷的数量，而离子被吸附的牢固程度则与土壤的电荷密度有关。粘土矿物所带电荷又有永久负电荷、可变负电荷、正电荷和净电荷之分。永久负电荷不受环境(如pH、电解质浓度等)的影响，一般不超过电荷总量的15%。可变电荷随pH的变化而发生变化，在低pH时为正电荷，在高pH时则变为负电荷。可变电荷对高岭土(1：1型粘土矿物)比对蒙脱石或蛭石(2：1型粘土矿物)来讲更为重要。2：1型硅酸盐可变电荷仅为负电荷的5%～10%，而1：1型粘土矿物可变电荷可达50%或更多。土壤中大量存在的铁和铝的氧化物，也可产生可变电荷。净电荷是土壤的正电荷与负电荷的代数和。由于土壤的负电荷一般多于正电荷，因此，除了少数较强酸性条件下的土壤，大多数土壤带有净负电荷。

在通常情况下，带负电荷的土壤表面上吸附了很多阳离子，如 H⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等。这些被土壤吸附的阳离子，在一定条件下可以被另一些阳离子所交换。例如，某一吸附H⁺、K⁺、

、Na⁺、Mg²⁺等的土壤，施用钙质肥料后，就会产生阳离子交换作用，使原来被土壤吸附的一部分离子解吸出来。这种阳离子交换作用是一种可逆过程，离子与离子之间交换是以当量关系进行的，并受质量作用定律支配。通常用每千克干土所含的全部交换性阳离子的厘摩尔数表征土壤的阳离子交换量。另外一些土壤如水合氧化铁、铝等矿物带正电荷，也可以吸附一些阴离子，如

、

、

、

、

等。

元素由土颗粒向土壤溶液供给元素的能力除与单位体积土中所含元素的量有关外，还与单位时间内元素自固相向土壤溶液中转移的数量有关，且受控于水、土两相界面上的作用，这是一个非常复杂的过程。一般而言，由固相补给土壤溶液中元素的方式，主要有溶解和解吸两种(袁可能，1987)。溶解过程只限于沉淀固相，由溶度积控制；解吸过程比较复杂。借助边界场理论进行分析，可定量地描述(Kpaйнов и дp.，1980)为：

Q=β·S·(C_s-C₀)

式中：Q——元素在单位时间内通过与固体直接接触的表面液体层的流量；

S——与土壤溶液相互作用的固体表面面积；

C_s-C₀——元素在表面层溶液中的浓度与土壤溶液中的浓度差；

β——物质迁出系数，表明物质从固体相分界面和液体中迁移的数量，它相当于C_s-C₀=1时，单位时间通过单位表面积的量。

由于元素在溶液中的浓度相对于土颗粒表面层中的浓度小得多，故C₀项可忽略，即C_s-C₀≈C_s。所以，上述方程式可简化为：

Q=β·S·C_s

显然，土壤颗粒的表面积是制约土体中的养分元素向土壤溶液中转移量的重要因素。粒度越小，表面积S越大，转移量就越大。

(二)土壤溶液中元素迁移的驱动力和量的分析

植物吸收水分主要有两种途径，一种是通过叶面上的气孔吸收大气中的水分；另一种是通过根系吸收地下土壤中的水分。前者，只有在夜晚没有蒸发的情况下才是可能的，大部分水分仍是通过根系吸收的。土壤中水分的重要性还在于它不是化学意义上的纯水，而是赋存着许许多多元素的土壤溶液。

一般认为，植物从土壤中吸收元素主要通过从土壤溶液中吸收和接触置换两种途径，而且根圈周围所能提供的元素仅占植物吸收总量的很小部分(袁可能，1987；史瑞和等，1989)。因此，土壤溶液向植物根系表面输送养分的机制和数量对植物而言至关重要。

1.土壤水势是土壤溶液中元素迁移的驱动力

从能量的角度分析，水分的运移主要受基质势ψ_m、溶质势ψ_s、重力势ψ_g、压力势ψ_p和温度势ψ_t的控制(雷志栋等，1988)，即土壤水总势ψ=ψ_m+ψ_s+ψ_g+ψ_p+ψ_to其中，重力势是由于重力对土壤水作用的结果，在考虑势差时，可忽略不计。温度势是由温度场的温差所引起的，通常认为，由于温差存在而造成的土壤水分运动通量相对而言很小，也可忽略不计。

基质势是指土-水系统中吸持水分的能力，它是由于土壤毛管产生的毛管力和土粒表面的吸附力所引起的。设不被吸持的水的基质势为0，则被土壤基质所吸持的土壤水的势值必为负值，饱水状态下，ψ_m=0。为了方便，将基质势的正值定义为基质吸力(S_m)，则S_m=-ψ_m。对基质吸力而言，土颗粒越小，吸力越大。

溶质势是由于溶质离子和水分子之间存在吸引力，而降低了土壤水的能量平衡，如果以1g水的溶质势为零，则在其他条件相同的情况下，含有溶质的土壤中水的溶质势应为负值。

溶质势与渗透压意义相同，一般用渗透压来确定溶质势ψ_s(雷志栋等，1988)，即

ψ_s=-CRT/μ

式中：C——溶质浓度(g/cm³)；

R——摩尔气体常数；

T——绝对温度(K)；

μ——溶质的摩尔质量(g/mol)。

从上式可以看出，ψ_s只与溶质的摩尔浓度成正比，而与溶质的种类无关。

同样，也可以定义一个溶质吸力(S_s)等于溶质势的负值，即S_s=-ψ_s。

因此，土壤水吸力S，为S=-ψ，即

S=S_m+S_s

此式说明，土壤水吸力为基质吸力及溶质吸力之和，前者与土壤颗粒大小有关，后者与溶质浓度有关。

2.土壤溶液中元素迁移量的分析

在土壤吸力的作用下，元素的输送或运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为流量，即单位时间内到达单位根表面的离子数量；D₁和D₂分别为溶液中和土颗粒表面离子移动的扩散系数；C₁、C₂和C₃分别为溶液中离子浓度、吸附性离子浓度和质流中的离子浓度；V为质流速度；a为补充因子。

一般而言，土颗粒表面离子的扩散系数(交换扩散)是很小的，比离子在液体中的扩散系数低几个数量级，因此与溶液中的扩散相比，交换扩散可以忽略不计(袁可能，1987)。因此，若忽略交换扩散和补充因子，则土壤中元素的输送实际上决定于质流和扩散速度，即决定于上式中右侧第一和第三项。

质流是由水势能差引起的元素向植物根系表面的物质迁移。主要由质流作用输送的元素一般为浓度较高、移动性较大的离子，如

、Ca²⁺、Mg²⁺等(Mengel，1961)。质流通量，相当于上式中右侧第三项，可用下列方程式描述：

q_cc=θ·u·C

式中：θ——土壤体积含水量(%)；

u——溶质平均流速(cm/s)，为渗透系数K与有效孔隙度n之比；

C——土壤溶液中的溶质浓度(g/cm³)；

q_cc——质流通量(g/cm²·s)，为通过质流迁移的溶质通量。

由上述表达式可以看出，质流通量除与体积含水量及土壤溶液溶质浓度成正比外，还与溶质的平均流速成正比，即与土体的渗透系数成正比，与有效孔隙度(相当于重力给水度)成反比。

自然界中，有效孔隙度n在数值上接近重力给水度。表3-9为黄淮海平原表层不同粒度组成的沉积物的给水度及渗透系数的经验值(王大纯等，1986；地质部水文地质工程地质技术方法研究队主编，1978)。

表3-9 黄淮海平原沉积物的给水度和渗透系数Table 3-9 Specific yield and permeability coefficient for sedimentation of the Huang-Huai-Hai plain

扩散是由土壤与根系之间浓度差所引起的元素的迁移，遵循Ficks定律。主要由扩散作用输送的元素一般是浓度低、移动缓慢的离子，如

、K⁺以及Cu、Zn等微量元素(Mengel，1969；史瑞和等，1989)。扩散通量相当于流量公式中的右侧第一项，可用下列方程(史瑞和等，1989)来描述：

q_cm=-θ·D_cm·GradC

式中：θ——体积含水率或体积含水量(%)；

D_cm——水中的分子扩散系数(cm²/s)；

C——土壤溶液中的溶质浓度(g/cm³)；

q_cm——扩散通量(g/cm²·s)，单位时间单位面积上由扩散作用通过的溶质量。

式中右边以负号说明元素向浓度减小的方向扩散。其中GradC是土壤溶液浓度与根系表面的浓度差，即C溶液-C根表，它受根系生物作用的影响，根系的活力愈大，吸收元素的能力愈强，则元素浓度梯度愈大，离子扩散作用愈大。考虑到根系表面的元素很快进入植物体内，在根表残留或保留的元素浓度很低，则C_根表可忽略不计(史瑞和等，1989)。分子扩散系数D_cm在液体中为n×10^-6—n×10^-5cm²/s，在孔隙介质的饱和水中为n×10^-6cm/s(Крайновилp.，1980)。因此，扩散通量与体积含水量、扩散系数和土壤溶液中的浓度成正比。

3.土壤溶液pH和E_h影响元素的存在形态和迁聚规律

土壤的酸碱度是土壤在其形成过程中受生物、气候、地质、水文等因素综合作用的结果。我国土壤pH值大多在4.5～8.5范围内，并且呈“东南酸西北碱”的规律。从南方的极酸性土壤到北方的强碱性土壤，氢离子浓度相差可达七个数量级之多。我国酸性土壤分布在两个地区：一是东北的大、小兴安岭和长白山地区(这里土壤与北欧、北美类似)，另一个是长江以南广大地区，此区又可分为两个亚区，即川-贵-滇黄壤亚区和华中—华南红壤亚区。

土壤溶液中的氧化还原作用在土壤化学反应和土壤生物化学反应中占有极重要地位。土壤溶液中的氧化作用，主要由自由氧、

离子和高价金属离子所引起。还原作用由某些有机质分解产物、厌气性微生物生命活动及少量的铁、锰等金属低价氧化物所引起。氧化还原电位E_h可采用Nernst方程来计算：

E_h=E₀+0.0591/nlg(氧化剂)/(还原剂) (在25℃时)

在冷湿气候区域，土壤中的铁易还原为低价铁(Fe³⁺+e=Fe²⁺，E₀=0.77V)。低价铁是易溶性化合物，随降水渗透到B层。季节性干湿变化，会引起铁在土壤剖面中移动，但在干湿季节明显的地区，常移动不远，并氧化脱水而淀积，因此土壤中层富含铁。在渍水土壤中，大量高价铁还原为亚铁，但由于在强还原条件下，有大量硫化氢等存在，使亚铁形成很多不溶性的铁盐沉淀，故实际上土壤溶液中亚铁离子浓度并不是很大。

锰在土壤中发生的氧化还原过程与铁类似，但锰的标准电位为1.5V，比铁高。说明铁易被氧化，锰易被还原。因此，在排水良好的土壤中，当pH为7.0 时，Mn²⁺浓度虽低，但比同条件下Fe²⁺浓度高10倍。当Mn²⁺和Fe²⁺在土壤剖面移动时，Fe²⁺先氧化而沉淀，而Mn²⁺则可移至更深层次后才被氧化并脱水形成黑色MnO₂沉淀。

(三)土壤-植物系统中元素的迁聚

有关营养元素、重金属元素在土壤-植物体系中的累积和迁移研究很多。一般认为，元素在土壤中的存在形态、含量以及植物种类和环境条件是影响土壤-植物体系中元素迁移累积的重要因素。

1.岩石土壤中元素的含量

根据维诺格拉多夫对岩石圈和土壤中元素含量(表3-10)的研究，C、N、S在土壤中的含量分别是其在岩石圈中的100倍、50倍和2倍，土壤中O、Si、Cr、As、Mo、I的含量明显高于岩石圈，说明这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含量则低于岩石圈，说明在土壤形成过程中其因相对淋失而贫化。

表3-10 世界土壤中化学元素的平均含量与岩石圈中化学元素含量的对比Table 3-10 Content contrast of chemical elements between soil and geosphere around the world

注：O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg数据单位为%，其余为10^-6。

根据我国837幅1：20万化探扫面数据统计(表3-11)，我国水系沉积物中元素含量与土壤中含量类似的元素有As、Co、Cr、F、Mo、Ni、P、Pb、Fe、Al等，其中As、Pb含量明显高于其在陆壳中的含量，Fe、Al、Ca、Mg、K、Na含量明显低于陆壳。

表3-11 中国水系沉积物、土壤、陆壳中元素背景值Table 3-11 Background value of elements in stream sediment soil and crust in China

续表

注：1.水系沉积物元素含量数据为837幅1：20万化探扫面图幅中以1：2.5万图幅为单元的平均值统计结果，样本数为44422。

2.元素质量分数：Ag、Au、Cd、Hg数据单位为10^-9，氧化物为%，其数据单位元素为10^-6。

2.有机体中元素的含量

表3-12概括了人体和植物中元素的含量。表3-12显示，O、C、H、N、Ca五种元素总和分别占人体、植物体的98.01%和96.79%，与岩石圈、土壤中元素含量分布极不相同。表3-13列出了同样条件下生长在灰壤上的农作物中4种微量元素的含量，说明不同植物以及同种植物的不同部位，微量元素的含量不同。生长在矿床之上的植物中金属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对植物元素含量具控制性。

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

注：人体样本含60%的水、35.7%的有机质、4.3%的灰分(据 D.Bertrand，1950)；植物资料，据 Russell，1973。其中n表示不确定。

表3-13 同样条件下生长在灰壤上的农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

(据Katalymov，1955.)

表3-14 正常植物和生长在矿床之上的植物灰分中金属元素含量Table 3-14 the content of rantalum in normal plant and the plant growing on mineral deposits

(据A.P.Vinogradov，1950，1962)

B. 离子交换的基本原理和装置运行方式

离子交换的基本原理和装置运行方式

借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离子进行交换，以达到提取或去除溶液中某些离子的目的，是一种属于传质分离过程的单元操作。离子交换是可逆的等当量交换反应。下面一起来了解一下离子交换的基本原理和装置运行方式：

1.1离子交换的基本原理

水处理中主要采用离子交换树脂和磺化煤用于离子交换。其中离子交换树脂应用广泛，种类多，而磺化煤为兼有强酸型和弱酸型交换基团的阳离子交换剂。

离子交换树脂按结构特征，分为：凝胶型、大孔型和等孔型;

按树脂母体种类，分为：苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;

按其交换基团性质，分为：强酸型、弱酸型、强碱型和弱碱型。

⑴离子交换树脂的构造

是由空间网状结构骨架(即母体)与附属在骨架上的许多活性基团所构成的不溶性高分子化合物。活性基团遇水电离，分成两部分：固定部分，仍与骨架牢固结合，不能自由移动，构成所谓固定离子，活动部分，能在一定范围内自由移动，并与其周围溶液中的其他同性离子进行交换反应，称为可交换离子。

⑵基本性能

①外观

呈透明或半透明球形，颜色有乳白色、淡黄色、黄色、褐色、棕褐色等，

②交联度

指交联剂占树脂原料总重量的百分数。对树脂的许多性能例如交换容量、含水率、溶胀性、机械强度等有决定性影响，一般水处理中树脂的交联度为7%～10%.

③含水率

指每克湿树脂所含水分的百分率，一般为50%，交联度越大，孔隙越小，含水率越少。

④溶胀性

指干树脂用水浸泡而体积变大的现象。一般来说，交联度越小，活性基团越容易电离，可交换离子的水合离子半径越大，则溶胀度越大;树脂周围溶液电解质浓度越高，树脂溶胀率就越小。

在生产中应尽量保证离子交换器有长的工作周期，减少再生次数，以延长树脂的使用寿命。

⑤密度

分为干真密度、湿真密度和湿视密度

⑥交换容量

是树脂最重要的性能，是设计离子交换过程装置时所必须的数据，定量地表示树脂交换能力的大小。分为全交换容量和工作交换容量。

⑦有效PH范围

由于树脂的交换基团分为强酸强碱和弱酸弱碱，所以水的PH值对其电离会产生影响，影响其工作交换容量。弱碱只能在酸性溶液中以及弱酸在碱性溶液中有较高的交换能力。

⑧选择性

即离子交换树脂对水中某种离子能优先交换的性能。除与树脂类型有关外，还与水中湿度和离子浓度有关。

⑨离子交换平衡

离子交换反应是可逆反应，服从质量作用定律和当量定律。经过一定时间，离子交换体系中固态的树脂相和溶液相之间的离子交换反应达到平衡，其平衡常数也称为离子交换选择系数。降低反应生成物的浓度有利于交换反应的进行。

⑩离子交换速率

主要受离子交换过程中离子扩散过程的影响。

其他性能：如溶解性、机械强度和耐冷热性等。离子交换树脂理论上不溶于水，机械强度用年损耗百分数表示，一般要求小于3%～7%/年。另外，温度对树脂机械强度和交换能力有影响。温度低则树脂的机械强度下降，阳离子比阴离子耐热性能好，盐型比酸碱型耐热好。

⑶树脂层离子交换过程

以离子交换柱中装填钠型树脂，从上而下通以含有一定浓度钙离子的硬水为例，以交换柱的深度为横坐标，以树脂的饱和度为纵坐标，可绘得某一时刻的饱和度曲线。就整个交换过程而言，树脂层的变化可分为三个阶段。

1.2离子交换装置运行方式

离子交换装置按运行方式不同，分为固定床和连续床

⑴固定床的构造与压力滤罐相似，是离子交换装置中最基本的也是最常用的一种型式，其特点是交换与再生两个过程均在交换器中进行，根据交换器内装填树脂种类及交换时树脂在交换器中的.位置的不同，可分为单层床、双层床和混合床。

单层床是在离子交换器中只装填一种树脂，如果装填的是阳树脂，称为阳床;如果装填的是阴树脂，称为阴床。

双层床是离子交换器内按比例装填强、弱两种同性树脂，由于强、弱两种树脂密度的不同，密度小的弱型树脂在上，密度大的强型树脂在下，在交换器内形成上下两层。

混合床则是在交换器内均匀混杂的装填阴、阳两种树脂，由于阴、阳树脂混杂，因此原水流经树脂层时，阴、阳两种离子同时被树脂所吸附，其产物氢离子和氢氧根离子又因反应生成水而得以降低，有利于交换反应进行的彻底，使得出水水质大大提高。但其缺点是再生的阴、阳树脂很难彻底分层。于是又发明了三层混床新技术，保证在反洗时将阴、阳树脂分隔开来。

根据固定床原水与再生液的流动方向，又分为两种形式，原水与再生液分别从上而下以同一方向流经离子交换器的，称为顺流再生固定床，原水与再生液流向相反的，称为逆流再生固定床。

顺流再生固定床的构造简单，运行方便，但存在几个缺点：在通常生产条件下，即使再生剂单位耗量二至三倍于理论值，再生效果也不太理想;树脂层上部再生程度高，而下部再生程度差;工作期间，原水中被去除的离子首先被上层树脂所吸附，置换出来的反离子随水流流经底层时，与未再生好的树脂起逆交换反应，上一周期再生时未被洗脱出来的被去除的离子，作为泄漏离子出现在本周期的出水中，所以出水剩余被去除的离子较大;而到了了工作后期，由于树脂层下半部原先再生不好，交换能力低，难以吸附原水中所有被去除的离子，出水提前超出规定，导致交换器过早地失效，降低了工作效率。因此，顺流再生固定床只选用于设备出水较小，原水被去除的离子和含盐量较低的场合。

逆流再固定床的再生有两种操作方式：一是水流向下流的方式，一是水流向上流的方式，逆流再生可以弥补顺流再生的缺点，而且出水质量显著提高，原水水质适用范围扩大，对于硬度较高的水，仍能保证出水水质，所以目前采用该法较多。

总起来说，固定床有出水水质好等优点，但固定床离子交换器存在三个缺点：一是树脂交换容量利用率低，二是在同设备中进行产水和再生工序，生产不连续，三是树脂中的树脂交换能力使用不均匀，上层的饱和程度高，下层的低。

为克服固定床的缺点，开发出了连续式离子交换设备，即连续床。

⑵连续床又分为移动床和流动床

移动床的特点是树脂颗粒不是固定在交换器内，而是处于一种连续的循环运动过程中，树脂用量可减少三分之一至二分之一，设备单位容积的处理水量还可得到提高，如双塔移动床系统和三塔移动床系统。

流动床是运行完全连续的离子交换系统，但其操作管理复杂，废水处理中较少应用。

C. 离子交换时都是阳离子与阴离子等价交换吗

水溶液中的一些阳离子进入反离子层，而原来在反离子层中的阳离子进入水溶液，这种发生在反离子层与正常浓度处水溶液之间的同性离子交换被称为离子交换作用。离子交换主要发生在扩散层与正常水溶液之间，由于黏土颗粒表面通常带的是负电荷，故离子交换以阳离子交换为主，故又称为阳离子交换。离子交换严格服从当量定律，即进入反离子层的阳离子与被置换出反离子层的阳离子的当量相等。

D. 2. 阳离子交换的原则是什么

离子交换原理
应用离子交换树脂进行水处理时,离子交换树脂可以将其本身所具有的某种离子和水中同符号电荷的离子相互交换而达到净化水的目的.
如H型阳离子交换树脂遇到含有Ca2+、Na+的水时,发生如下反应：
2RH + Ca2+ → R2Ca + 2H+
RH + Na+ → RNa + H+
当OH型阴离子交换树脂遇到含有Cl-、SO42-的水时,其反应为：
ROH + Cl- → RCl + OH-
2ROH + SO42- → R2SO4 +2OH-
反应的结果是水中的杂质离子（Ca2+、Na+、Cl-、SO42-等）分别被吸着在树脂上,树脂由H型和OH型变为Ca型、Na型和Cl型SO4型,而树脂上的H+、OH-则进入水中,相互结合成为水,从而除去水中的杂质离子,制得纯水.
H+ + OH- → H2O
离子交换树脂的离子与水中的离子之间所以能进行交换,是在于离子交换树脂有可交换的活动离子.而且因为离子交换树脂是多孔的,即在树脂颗粒中存在着许多水能渗入其内的微小网孔,这样使树脂和水有很大的接触面,不仅能在树脂颗粒的外表面进行交换,而且在与水接触的网孔内也可以进行这一交换.

E. 天然水的矿化过程

天然水的矿化过程

矿化度
天然水中各种元素的离子、分子和化合物的总量（不包括溶解的气体），以克/升或毫克/升表示。矿化度是划分天然水的级别、评价水质优势的最重要的指标。
水的硬度
硬度是指水中溶解的Ca、Mg离子总量。把水加热至沸腾，由于形成了CaCO3和MgCO3并从水中析出，使水失去一部分Ca2+和Mg2+ ，这部分Ca2+和Mg2+的数量称为暂时硬度。硬度与暂时硬度之差，称为永久硬度。
矿化作用
溶滤作用
土壤和岩石中某些成分直接进入水中的过程。如氯化物、硫酸盐、碳酸盐、硅酸盐和铝硅酸盐。
吸附性阳离子交替作用
天然水中离子从溶液中转移到胶体上（吸附过程），也可从胶体上原来吸附的离子转移到溶液中（解吸过程）来交换阳离子。
胶体对各种阳离子的吸附能力，由大到小顺序为：
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盐的途径，
如： FeS2 + O2 + H2O → FeSO4 + H2SO4
CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + CO2↑ + H2O
还原作用
还原环境里，天然水可以与含有机物围岩接触，或受到过量的有机物污染，碳氢化合物可以使水中的硫酸盐还原。
如： CH4 + CaSO4 → CaS + CO2 + H2O
CaS + CO2 + H2O → CaSO4 + H2S
蒸发浓缩作用
蒸发浓缩各种盐的沉淀顺序为
Al、Fe、Mn的氢氧化物 → Ca、Mg碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐 → Na的硫酸盐
→ Ca、Mg的氯化物 → 硝酸盐
青海众多盐湖就富集了大量的KCl、NaCl
混合作用
两种或两种以上的矿化度的水相遇。混合后的矿化度和化学成分都要发生变化。

F. 离子交换原理 离子是怎么交换的

1、离子交换是应用离子交换剂（最常见的是离子交换树脂）分离含电解质的液体混合物的过程。离子交换过程是液固两相间的传质（包括外扩散和内扩散）与化学反应（离子交换反应）过程，通常离子交换反应进行得很快，过程速率主要由传质速率决定。

2、离子交换反应一般是可逆的，在一定条件下被交换的离子可以解吸（逆交换），使离子交换剂恢复到原来的状态，即离子交换剂通过交换和再生可反复使用。同时，离子交换反应是定量进行的，所以离子交换剂的交换容量（单位质量的离子交换剂所能交换的离子的当量数或摩尔数）是有限的。

G. 废水物理化学处理法的类型

废水萃取处理法是利用萃取剂，通过萃取作用使废水净化的方法。根据一种溶剂对不同物质具有不同溶解度这一性质，可将溶于废水中的某些污染物完全或部分分离出来。向废水中投加不溶于水或难溶于水的溶剂（萃取剂），使溶解于废水中的某些污染物（被萃取物）经萃取剂和废水两液相间界面转入萃取剂中。
萃取操作按处理物的物态可分固——液萃取、液——液萃取两类。工业废水的萃取处理属于后者，其操作流程：①混合，即使废水和萃取剂最大限度地接触；②分离，即使轻、重液层完全分离；③萃取剂再生，即萃取后，分离出被萃取物，回收萃取剂，重复使用。萃取剂的选择应满足：①对被萃取物的溶解度大，而对水的溶解度小；②与被萃取物的比重、沸点有足够差别；③具有化学稳定性，不与被萃取物起化学反应；④易于回收和再生；⑤价格低廉，来源充足。此法常用于较高浓度的含酚或含苯胺、苯、醋酸等工业废水的处理。 废水离子交换处理法是借助于离子交换剂中的交换离子同废水中的离子进行交换而去除废水中有害离子的方法。其交换过程：①被处理溶液中的某离子迁移到附着在离子交换剂颗粒表面的液膜中；②该离子通过液膜扩散（简称膜扩散）进入颗粒中，并在颗粒的孔道中扩散而到达离子交换剂的交换基团的部位上（简称颗粒内扩散）；③该离子同离子交换剂上的离子进行交换；④被交换下来的离子沿相反途径转移到被处理的溶液中。离子交换反应是瞬间完成的，而交换过程的速度主要取决于历时最长的膜扩散或颗粒内扩散。
离子交换的特点：依当量关系进行，反应是可逆的，交换剂具有选择性。应用于各种金属表面加工产生的废水处理和从原子核反应器、医院和实验室废水中回收或去除放射性物质，具有广阔的前景。 废水吸附处理法是利用多孔性固体（称为吸附剂）吸附废水中某种或几种污染物（称为吸附质），以回收或去除某些污染物，从而使废水得到净化的方法。有物理吸附和化学吸附之分。前者没选择性，是放热过程，温度降低利于吸附；后者具选择性，系吸热过程，温度升高利于吸附。
吸附法单元操作分三步：①使废水和固体吸附剂接触，废水的污染物被吸附剂吸附；②将吸附有污染物的吸附剂与废水分离；③进行吸附剂的再生或更新。
按接触、分离的方式，可分为：①静态间歇吸附法，即将一定数量的吸附剂投入反应池的废水中，使吸附剂和废水充分接触，经过一定时间达到吸附平衡后，利用沉淀法或再辅以过滤将吸附剂从废水中分离出来；②动态连续吸附法，即当废水连续通过吸附剂填料时，吸附去除其中的污染物。吸附剂有活性炭与大孔吸附树脂等。炉渣、焦炭、硅藻土、褐煤、泥煤、粘土等均为廉价吸附剂，但它们的吸收容量小，效率低。

H. 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。

I. 土壤离子交换

土壤中离子的交换作用

土壤中带负电荷胶粒吸附的阳离子与内土壤溶液中的阳离子进行容交换，称为阳离子交换 作用。
土壤阳离子交换的特点：
• 可逆反应并能迅速达到平衡
• 阳离子交换按当量关系进行
• 不同阳离子的代换力有大小差异（离子价数、原子序数、离子运动速度、质量作用定律）
25 阳离子交换量
每千克干土中所含全部阳离子总量，称阳离子交换量
影响因素：
（1）胶体的种类
蒙脱石>水化云母>高岭土；有机胶体最高
（2）溶液的pH值
pH值增加，土壤负电荷量随之增大，交换量增大

J. 在进行离子交换操作过程中，为什么要控制流出液的流速，如太快，将会

保持液面下是防止表层树脂干燥，没有交换效果还有水对树脂的冲击，造成树脂浮游，还有会带人空气，造成气穴，影响树脂装填规整，影响交换效果。

控制水的流量是保证水与树脂能有充分的接触时间完成交换，否则流量太快可能有部分水分子没有充分作用，达不到交换效果，一般保证每小时5倍树脂体积的流量比较合适。

溶液中待交换的离子与交换树脂中的离子交换有一个过程：溶液中待交换的离子向树脂颗粒表面迁移并通过树脂表面的边界水膜，进入树脂内部的孔道与树脂的离子交换，被交换下的离子再从树脂孔道往外移动，穿孔树脂膜到溶液中，这个交换过程是需要一定时间的。

如果待处理的液体流速太快，就有一部份离子来不及交换，造成泄漏,影响处理质量；如果速度太慢就会减小处理流量，降低处理效率.所以要控制液体流速。

(10)离子交换以当量关系进行扩展阅读：

水溶液中的一些阳离子进入反离子层，而原来在反离子层中的阳离子进入水溶液，这种发生在反离子层与正常浓度处水溶液之间的同性离子交换被称为离子交换作用。

离子交换主要发生在扩散层与正常水溶液之间，由于黏土颗粒表面通常带的是负电荷，故离子交换以阳离子交换为主，故又称为阳离子交换。离子交换严格服从当量定律，即进入反离子层的阳离子与被置换出反离子层的阳离子的当量相等。