离子交换作用的三个特点

A. 离子交换是什么

离子交换法
一、前言
离子交换法(ion exchange process)是液相中的离子和固相中离子间所进行的的一种可逆性化学反应，当液相中的某些离子较为离子交换固体所喜好时，便会被离子交换固体吸附，为维持水溶液的电中性，所以离子交换固体必须释出等价离子回溶液中。

离子交换树脂一般呈现多孔状或颗粒状，其大小约为0.1~1mm，其离子交换能力依其交换能力特征可分：

1. 强酸型阳离子交换树脂：主要含有强酸性的反应基如磺酸基（－SO3H），此离子交换树脂可以交换所有的阳离子。

2. 弱酸型阳离子交换树脂：具有较弱的反应基如羧基（－COOH基），此离子交换树脂仅可交换弱碱中的阳离子如Ca2+、Mg2+，对于强碱中的离子如Ca2+、K+等无法进行交换。

3. 强碱型阴离子交换树脂：主要是含有较强的反应基如具有四面体铵盐官能基之－N+(CH3)3，在氢氧形式下，－N+(CH3)3OH-中的氢氧离子可以迅速释出，以进行交换，强碱型阴离子交换树脂可以和所有的阴离子进行交换去除。

4. 弱碱型阴离子交换树脂：具有较弱的反应基如氨基，仅能去除强酸中的阴离子如SO42-，Cl－或NO3－，对于HCO3－，CO32－或SiO42－则无法去除。

不论是离子交换树脂或是沸石，都有其一定的可交换基浓度，称为离子交换容量(ion exchange capacity)。对阳离子交换树脂而言，大约在200~500meq/100g。因为阳离子交换为一化学反应，故必须遵守质量平衡定律。离子交换树脂的一般方程式可以表示如下：
全文请看：
http://www.qlhw.cn/ShiYan/UploadFiles/200501/20050106235836920.doc

离子交换的基本知识
为了除去水中离子态杂质,现在采用得最普遍的方法是离子交换。这种方法可以将水中离子态杂质清除得以较彻底，因而能制得很纯的水。所以，在热力发电厂锅炉用水的制备工艺中，它是一个必要的步骤。

离子交换处理，必须用一种称做离子交换剂的物质（简称交换剂）来进行。这种物质遇水时，可以将其本身所具有的某种离子和水中同符号的离子相互交换，离子交换剂的种类很多，有天然和人造、有机和无机、阳离子型和阴离子型等之分，大概情况如表所示。此外，按结构特征来分，还有大孔型和凝胶型等。
全文请看：
http://www.qlhw.cn/ShiYan/UploadFiles/200501/20050107000541376.doc

B. 土壤阳离子交换作用有哪些特点

土壤阳离子交换量是随着土壤在风化过程中形成，一些矿物和有机质被分专解成极细小的颗属粒。化学变化使得这些颗粒进一步缩小，肉眼便看不见。这些最细小的颗粒叫做“胶体”。每一胶体带净负电荷。电荷是在其形成过程中产生的。它能够吸引保持带正电的颗粒
，就像磁铁不同的两极相互吸引一样。阳离子是带正电荷的养分离子，如钙（Ca)、镁（Mg)、钾（K)、钠（Na)、氢（H)和铵(NH4)。粘粒是土壤带负电荷的组份。这些带负电的颗粒（粘粒）吸引、保持并释放带正电的养分颗粒（阳离子）
。有机质颗粒也带有负电荷，吸引带正电荷的阳离子。砂粒不起作用。
土壤保持和交换阳离子的能力用阳离子交换量（CEC)来表示，可作为评价土壤保肥能力的指标。阳离子交换量是土壤缓冲性能的主要来源，是改良土壤和合理施肥的重要依据。

C. 离子交换原理

离子交换的基本原理 离子交换的选择性定义为离子交换剂对于某些离子显示优先活性的性质。离子交换树脂吸附各种离子的能力不一，有些离子易被交换树脂吸附，但吸着后要把它置换下来就比较困难；而另一些离子很难被吸着，但被置换下来却比较容易，这种性能称为离子交换的选择性。离子交换树脂对水中不同离子的选择性与树脂的交联度、交换基团、可交换离子的性质、水中离子的浓度和水的温度等因素有关。离子交换作用即溶液中的可交换离子与交换基团上的可交换离子发生交换。一般来说，离子交换树脂对价数较高的离子的选择性较大。对于同价离子，则对离子半径较小的离子的选择性较大。在同族同价的金属离子中，原子序数较大的离子其水合半径较小，阳离子交换树脂对其的选择性较大。对于丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂来说，它对一些离子的选择性顺序为：H+>Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na十。 离子交换反应是可逆反应，但是这种可逆反应并不是在均相溶液中进行的，而是在固态的树脂和溶液的接触界面间发生的。这种反应的可逆性使离子交换树脂可以反复使用。以D113型离子交换树脂制备硫酸钙晶须为例说明： D113丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂是一种大孔型离子交换树脂，其内部的网状结构中有无数四通八达的孔道，孔道里面充满了水分子，在孔道的一定部位上分布着可提供交换离子的交换基团。当硫酸锌溶液中的Zn2+，S042-扩散到树脂的孔道中时，由于该树脂对Zn2+选择性强于对Ca2+的选择性，，所以Zn2+就与树脂孔道中的交换基团Ca2+发生快速的交换反应，被交换下来的Ca2+遇到扩散进入孔道的S042-发生沉淀反应，生成硫酸钙沉淀。其过程大致为：
(1)边界水膜内的扩散 水中的Zn2+，S042-离子向树脂颗粒表面迁移，并扩散通过树脂表面的边界水膜层，到达树脂表面； (2)交联网孔内的扩散(或称孔道扩散) Zn2+，S042-离子进入树脂颗粒内部的交联网孔，并进行扩散，到达交换点；
(3)离子交换 Zn2+与树脂基团上的可交换的Ca2+进行交换反应；
(4)交联网孔内的扩散 被交换下来的Ca2+在树脂内部交联网孔中向树脂表面扩散；部分交换下来的Ca2+在扩散过程中遇到由外部扩散进入孔径的S042-发生沉淀反应，生成CaS04沉淀；
(5)边界水膜内的扩散 没有发生沉淀反应的部分Ca2+扩散通过树脂颗粒表面的边界水膜层，并进入水溶液中。 此外，由于离子交换以及沉淀反应的速度很快，硫酸钙沉淀基本在树脂的孔道里生成，因此树脂的孔道就限制了沉淀的生长及形貌，对其具有一定的规整作用。通过调整搅拌速度、反应温度等外界条件，可以使树脂颗粒及其内部孔道发生相应的变化，这样当沉淀在树脂孔道中生成后，就得到了不同尺寸和形貌的硫酸钙沉淀。

D. 阳离子交换作用的特征地理变化趋势及产生原因

摘要 阳离子交换量是随着土壤在风化过程中形成，一些矿物和有机质被分解成极细小的颗粒。化学变化使得这些颗粒进一步缩小，肉眼便看不见。这些最细小的颗粒叫做“胶体”。每一胶体带净负电荷。电荷是在其形成过程中产生的。它能够吸引保持带正电的颗粒 ，就像磁铁不同的两极相互吸引一样。阳离子是带正电荷的养分离子，如钙（Ca)、镁（Mg)、钾（K)、钠（Na)、氢（H)和铵(NH4)。粘粒是土壤带负电荷的组份。这些带负电的颗粒（粘粒）吸引、保持并释放带正电的养分颗粒（阳离子） 。有机质颗粒也带有负电荷，吸引带正电荷的阳离子。砂粒不起作用。

E. 离子交换膜的特点是什么

1）离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。2）离子交换膜按功能及结构的不同，可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜、两性交换膜、镶嵌离子交换膜、聚电解质复合物膜五种类型。3）离子交换膜的膜电阻和选择透过性是膜的电化学性能的重要指标。阳离子在阳膜中透过性次序为： Li+＞Na+＞NH4+＞K+＞Rb+＞Cs+＞Ag+＞ Tl+＞Mg2+＞Zn2+＞Co2+＞Cd2+＞ Ni2+＞Ca2+＞Sr2+＞Pb2+＞Ba2+ 阴离子在阴膜中透过性次序为： F-＞CH3COO-＞HCOO-＞Cl-＞SCN-＞Br-＞ CrO4-＞NO3-＞I-＞(COO)2-(草酸根)＞SO42-4）离子交换膜可装配成电渗析器而用于苦咸水的淡化和盐溶液的浓缩。

F. 请问离子交换的作用是什么啊

您问的太笼统了啊。
（1）按骨架材料分类
按合成离子交换树脂骨架材料的不同，离子交换树脂可分为苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系、环氧系等。
（2）按交换基团的性质分类
根据交换基团的性质不同，离子交换树脂可分为两大类：凡与溶液中阳离子进行交换反应的树脂，称为阳离子交换树脂，阳离子交换树脂可电离的反离子是氢离子及金属离子；凡与溶液中的阴离子进行交换反应的树脂，称为阴离子交换树脂，阴离子交换树脂可电离的反离子是氢氧根离子和酸根离子。
离子交换树脂同低分子酸碱一样，根据它们的电离度不同又可将阳离子交换树脂分为强酸性阳树脂和弱酸性阳树脂；可将阴离子交换树脂分为强碱性阴树脂和弱碱性阴树脂。表1中归纳了离子交换树脂的类别。
表1 离子交换树脂的类别
树脂名称
交换基团
酸碱性
化学式
名称
阳离子交换树脂
—SO3-H+
磺酸基
强酸性
—COO-H+
羧酸基
弱酸性
阴离子交换树脂
—N+OH-
季铵基
强碱性
—NH+OH-
—NH2+OH-
—NH3+OH-
叔胺基
仲胺基
伯胺基
弱碱性

此外，还可以根据交换基团中反离子的不同，将离子交换树脂冠以相应的名称，例如：氢型阳树脂、钠型阳树脂、氢氧型阴树脂、氯型阴树脂等。离子交换树脂由钠型转变为氢型或由氯型转变为氢氧型称为树脂的转型。
（3）按离子交换树脂的微孔型态分类
由于制造工艺的不同，离子交换树脂内部形成不同的孔型结构。常见的产品有凝胶型树脂和大孔型树脂。
a）凝胶型树脂。这种树脂是均相高分子凝胶结构，所以统称凝胶型离子交换树脂。在它所形成的球体内部，由单体聚合成的链状大分子在交联剂的链接下，组成了空间结构。这种结构像排布错乱的蜂巢，存在着纵横交错的“巷道”，离子交换基团就分布在巷道的各个部位。由巷道所构成的空隙，并非我们想象的毛细孔，而是化学结构中的空隙，所以称为化学孔或凝胶孔。其孔径的大小与树脂的交联度和膨胀程度有关，交联度越大，孔径就越小。当树脂处于水合状态时，水分子链舒伸，链间距离增大，凝胶孔就扩大；树脂干燥失水时，凝胶孔就缩小。反离子的性质、溶液的浓度及pH值的变化都会引起凝胶孔径的改变。
凝胶孔的特点是孔径极小，平均孔径约1~2nm，而且大小不一，形状不规则。它只能通过直径很小的离子，直径较大的分子通过时，则容易堵塞孔道而影响树脂的交换能力。凝胶型树脂的缺点是抗氧化性和机械强度较差，特别是阴树脂易受有机物的污染。
b）大孔型树脂。这种树脂在制造过程中，由于加入了致孔剂，因而形成大量的毛细孔道，所以称为大孔树脂。在大孔树脂的球体中，高分子的凝胶骨架被毛细孔道分割成非均相凝胶结构，它同时存在着凝胶孔和毛细孔。其中毛细孔的体积一般为0.5mL（孔）/g（树脂）左右，孔径在20~200nm以上，比表面积从几m2/g到几百m2/g。由于这样的结构，大孔型树脂可以使直径较大的分子通行无阻，所以用它去除水中高分子有机物具有良好的效果。
大孔型树脂由于孔隙占据一定的空间，骨架的实体部分就相对减少，离子交换基团含量也相应减少，所以交换能力比凝胶型树脂低。大孔型树脂的吸附能力强，与交换的离子结合较牢固，不容易充分恢复其交换能力。但大孔树脂的抗氧化性能比较好，因为它的交联度较大，大分子不易降解。再者，大孔树脂具有较好的抗有机物污染性能，因为被树脂截留的有机物，易于在再生操作中，从树脂的孔眼中清除出去。
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。
如前所述，合成的离子交换树脂是一种带有交联剂的高分子化合物，有许多水能渗入的网孔，交换剂的内部是一个立体的网状结构作为骨架，这些网组成了无数的四通八达的孔隙，孔隙里面充满了水。在孔隙的一定部位上有一个可以自由活动的交换离子。当离子交换树脂和水溶液接触时，水溶液即通过这些网状结构的孔渗入其内，离子交换树脂进行离解，结果是一定数量的离子（H型离子交换树脂为氢离子，OH型离子交换树脂为氢氧根离子）进入围绕离子交换树脂颗粒四周的水溶液中，形成离子雾。
离子交换树脂与水溶液中离子的交换过程，实际上就是离子雾中的离子与水溶液中的离子的相互交换过程，其机理可以用双电层理论进行解释。
这种理论是将离子交换树脂看作具有胶体型结构的物质，即在离子交换树脂的高分子表面上有和胶体表面相似的双电层。也就是说，在离子交换树脂的高分子表面有两层离子，紧挨着高分子表面的一层离子（如强酸性阳树脂中的—SO3-），称为内层离子，在其外面的是一层符号相反的离子层（如强酸性阳树脂中的H+）。和内层离子符号相同的离子称为同离子，符号相反的称为反离子。
根据胶体结构的概念，双电层中的离子按其活动性的大小，可划分为吸附层和扩散层。那些活动性较差，紧紧地被吸附在高分子表面的离子层，称为吸附层，它包括内层离子和部分反离子；在吸附层外侧，那些活动性较大，向溶液中逐渐扩散的离子，称为扩散层。
内层离子依靠化学键结合在高分子的骨架上，吸附层中的反离子依靠异电荷的吸引力被固定着。而在扩散层中的反离子，由于受到异电荷的吸引力较小，热运动比较显著，所以这些反离子有向水溶液中渐渐扩散的现象。
当离子交换树脂遇到含有电解质的水溶液时，电解质对其双电层有以下的作用：
（1）交换作用
扩散层中的离子与胶核距离大，受胶核电荷吸引力小，在溶液中活动较自由，离子交换作用主要是由扩散层中的反离子和溶液中其它离子互换位置所致。
在H型阳离子交换树脂与溶液中Na+的交换中，树脂内部网孔间的水中有很多从树脂上离解下来的H+，形成了很大的H+浓度，但在流动的水中H+浓度却很小；相反在流动的水中，Na+浓度很大，而树脂内部网孔水溶液中原来没有Na+。浓度大的地方的离子要向浓度小的地方运动，这就是扩散。所以水溶液中的Na+要扩散到树脂颗粒内部去，而H+要从树脂颗粒内部扩散到水溶液中去。这就是离子交换的过程。
上述的交换过程并不局限于扩散层。溶液中也有一些反离子先交换至扩散层，然后再与吸附层中的反离子互换位置；吸附层中的反离子，也会先与扩散层的反离子互换位置后，再完成上述的交换过程。
（2）压缩作用
当水溶液中盐类浓度增大时，可以使扩散层受到压缩，从而使原来处于扩散层中的部分反离子变成吸附层中的反离子，以及使扩散层的活动范围变小。这使扩散层中的反离子活性减弱，不利于进行离子交换。这也可以说明为什么当再生溶液的浓度太大时，不仅不能提高再生效果，有时反使效果降低。
上述将离子交换树脂看作具有胶体型结构的物质，用扩散理论对其交换过程进行解释，适合与水处理工艺的离子交换过程。但关于离子交换过程的机理，有多种说法，现尚还不能统一。

G. 离子交换树脂的结构有什么特点

离子交换树脂是带有可交换离子功能基团的具有三维网孔结构的高分子聚合物，其能够与溶液中相应的阳离子或阴离子发生交换作用，达到吸附去除或富集提取的目的。

离子交换树脂的结构由三部分组成：不溶性的三维空间网状高分子骨架、连接在高分子骨架上的功能基团以及功能基团上所带的可交换离子。

离子交换树脂按照组成其分子骨架的物质不同，分为苯乙烯系、丙烯酸系、环氧系等；按照其可交换的离子性质分类，可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，而阳离子交换树脂又可分为强酸阳离子交换树脂与弱酸阳离子交换树脂，阴离子交换树脂又可分为强碱阴离子交换树脂与弱碱阴离子交换树脂；按照其内部孔道结构的不同，可分为大孔型离子交换树脂与凝胶型离子交换树脂。

（1）强酸阳离子交换树脂

强酸阳离子交换树脂分子骨架上带有强酸性基团（如磺酸基－SO3H），在溶液中，强酸基团易离解出H+，故呈强酸性；而强酸功能基团上的负电基团（如－SO3—），能吸附结合溶液中的其他阳离子，使树脂功能基团上解离的H+与溶液中的其他阳离子发生交换作用。强酸阳离子交换树脂因其强酸功能基团解离能力强，因此，在酸性或碱性溶液中功能基团均能发生解离并产生离子交换作用。

（2）弱酸阳离子交换树脂

弱酸阳离子交换树脂分子骨架上带有弱酸性基团（如羧酸基－COOH），在溶液中，弱酸基团同样可以解离出H+而呈酸性；而弱酸功能基团上的负电基团（如－COO—），能吸附结合溶液中的其他阳离子，使树脂功能基团上解离的H+与溶液中的其他阳离子发生交换作用。但是因为弱酸阳离子交换树脂所带功能基团为弱酸基团，解离性较弱，低pH环境下不利于弱酸基团的解离，因此，弱酸阳离子交换树脂适合在碱性、中性或弱酸性溶液中（如pH：5～14）使用。

（3）强碱阴离子交换树脂

强碱阴离子交换树脂分子骨架上带有强碱性基团（如季胺基－NR3OH），强碱基团能在溶液中离解出OH—而呈强碱性；而强碱基团上的正电基团（如－NR3+），能吸附结合溶液中的其他阴离子，使树脂功能基团上解离的OH—与溶液中的其他阴离子发生交换作用。强碱阴离子交换树脂所带强碱基团具有很强的解离性能，在不同pH环境下均能正常使用。

（4）弱碱阴离子交换树脂

弱碱阴离子交换树脂分子骨架上带有弱碱基团（如伯胺基－NH2、仲胺基－NHR、叔胺基－NR2），弱碱基团在溶液中也能解离出OH—而呈弱碱性；弱碱基团上的正电基团能吸附结合溶液中的其他阴离子，从而产生阴离子交换作用。因为弱碱阴离子交换树脂所带弱碱基团的解离性较弱，因此，其适合在中性或酸性条件下（如pH：1～9）下使用。

H. 阳离子交换作用

岩石颗粒的表面往往带负电荷，因此能吸附某些阳离子。当某种成分的地下水与岩石颗粒接触时，水中某些阳离子被岩石颗粒表面吸附，以代替原来被吸附的阳离子，而原来被吸附的阳离子则进入水中，改变了地下水的化学成分，这种作用称为阳离子交换吸附作用。

阳离子交换的强度取决于很多因素，其中主要的是岩石的粒度、交换阳离子的性质、介质的pH值和水中电解质的浓度。

1.粒度

一般岩石的粒度越细，它的交换性能越强。因此，在黏土和黏土岩中，阳离子交换对水化学成分的影响明显。

2.离子性质

不同阳离子的吸附能不同，在其他条件相同的情况下，吸附能的大小取决于它们的离子价，离子价越高吸附能越强，并易留在岩石上。如果阳离子的电价相同，吸附能随原子量的增加而增大。部分离子吸附能强弱的顺序如下：

H⁺＞Fe³⁺＞Al³⁺＞Ba²⁺＞Ca²⁺＞Mg²⁺＞K⁺＞Na⁺

由上可见，Ca²⁺的吸附能大于Na⁺，因此在自然界中常可见到地下水中的Ca²⁺交换吸附岩石颗粒表面的Na⁺。

水文地球化学基础

阳离子交换吸附作用在含水层中广泛地进行，并且对改变地下水的化学成分及地下水的性质有重大意义。这种作用使硬度大的地下水变为硬度小的软水，形成低矿化度的钠水，如SO₄—Na型、HCO₃—Na型以及一些其他过渡型水。

3.pH值

在阳离子交换反应中，氢离子有着特殊的作用。它的交换能量不仅高于一价的阳离子，还高于二价和三价的阳离子。介质的pH值影响阳离子的吸附数量，水中的氢离子越多，对其他阳离子进入胶状综合体的阻力越强。增加与土壤处于平衡状态的溶液pH值，土壤的交换性能增强。当介质的pH值由6增加到11时，交换容量增加1～2倍。

4.电解质浓度

离子交换吸附作用并不仅决定于离子的性质，在吸附交换过程中，水中电解质浓度也起着重要作用，浓度大的离子比浓度小的离子易被吸附。因此，如果钠的浓度相当大时，吸附综合体中的部分钙离子将被钠离子排挤出去，水中的Na⁺与岩石颗粒表面的Ca²⁺就发生交换吸附的现象，例如海水入侵过程中的Na⁺与Ca²⁺的交换吸附。

水文地球化学基础

天然水中的交换主要是阳离子交换，而不是阴离子交换。这是由于岩石和土壤的胶体成分主要是由SiO₂、Al₂O₃和其他带负电的胶粒所组成，它们吸附带正电的阳离子。除阳离子吸附外，在某些情况下也能发生阴离子吸附作用（例如砖红壤），但是对这种过程研究很少。

I. 离子交换分离法的特点

1 分离效率高，既能实现相反电荷离子的分离，又能实现相近电荷离子的分离。
2 应用范围广，可以用于分离、富集、纯化。
3 使用方便，处理量大，多数可再生利用。
4 操作比较麻烦，周期长。