離子交換平衡與動力學

1. 離子交換過程的5個步驟

離子交換過程歸納為如下幾個過程1.水中離子在水溶液中向樹脂表面擴散2.水中離子進入樹脂顆粒的交聯網孔，並進行擴散3.水中離子與樹脂交換基團接觸，發生復分解反應，進行離子交換4.被交換下來的離子，在樹脂的交聯網孔內向樹脂表面擴散5.被交換下來的離子，向水溶液中擴散影響交換的主要因素有流速、原料液濃度、溫度等。流速原料液的流速實際上反映了達到反應平衡的時間，在交換過程中，離子進行擴散—交換—擴散一系列步驟，有效地控制流速很重要。一般，交換液流速大，離子的透析量就高，未來及交換而通過樹脂層流失的量增多。因此，應根據交換容量等選擇適宜的流速。原料液濃度樹脂中可交換的離子與溶液中同性離子既有可能進行交換，也有可能相斥，液相離子濃度高，樹脂接觸機會多，較易進入樹脂網孔內，液相濃度低，樹脂交換容量大時，則相反。但液相離子濃度過高，將引起樹脂表面及內部交聯網孔收縮，也會影響離子進入網孔。實驗證明，在流速一定時，溶液濃度越高，溶質的流失量液越大。溫度溫度越提高，離子的熱運動越劇烈。單位時間碰撞次數增加，可加快反應速率。但溫度太高，離子的吸附強度會降低，甚至還會影響樹脂的熱穩定性，經濟上不利，實際生產中採用室溫操作較宜。

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2. 水文地球化學模擬現狀

水-岩相互作用(Water-Rock Interaction，縮寫為WRI)這個術語，是水文地球化學學科的奠基人之一———蘇聯A.M.奧弗琴尼柯夫在20世紀50年代末提出的。水-岩相互作用即水與岩石之間的物理、化學作用。

在地下水地球化學演化由定性研究到定量研究的發展過程中，水文地球化學模擬起到了重要的推動作用。水文地球化學模擬的研究對象為水-岩之間相互作用的地球化學過程，目前主要以化學、熱力學為理論基礎。它可以定量模擬各種天然過程和人類活動影響下的水-岩相互作用，研究地下水系統在不同時間尺度上的演化過程;也可以模擬地下水中污染物的運移過程，分析地下水污染產生的原因與發展趨勢(陳宗宇，1995)。水文地球化學模擬方法可分為物理模擬與計算機模擬兩大類。其中物理模擬通過實驗條件來恢復現實水-岩反應系統中化學組分的遷移和轉化，並可在不同的模擬條件下實現一系列特定的水-岩反應，以分析實際地下水化學組分的形成機理。近幾十年來，人類活動強烈介入地下水化學組分的形成過程，地下水地球化學環境的研究漸趨復雜化，控制水-岩相互作用的因素也趨於多樣化，物理模擬已經難於再現復雜的水-岩反應，於是基於計算機數值模型的水文地球化學模擬應運而生。自1962年Garrets等建立海水的離子締合模型以來，水-岩相互作用的計算機模擬技術得到了迅速發展，已經先後出現了幾十種模擬軟體。

迄今，地球化學模擬模型的發展經歷了離子締合模型與水相化學平衡模型兩個階段。上述兩種模型的支撐理論尚不完善，因而它們各自有其局限性。離子締合模型假定地下水中的各種組分以自由離子、配陰離子、配合物等形式存在，並根據配合離子的質量作用方程與平衡常數對每種元素均建立其物質平衡方程，進而求解各元素的不同存在形式及含量。離子締合模型是其他所有水化學模型的基礎，它考慮了多種地下水組分，並建立了改進的、大溫度范圍的熱力學資料庫，但由於許多微量元素、稀土元素的離子締合模型數量有限，該模型仍有待進一步完善。水相化學平衡模型又稱為質量平衡模型，用於模擬天然水溶液體系中的化學平衡，最早於20世紀80年代在Pitzer電解質理論的基礎上引入地下水化學系統。該模型考慮水組分平衡、鹼度平衡、元素及其價態的摩爾平衡、摩爾電子與電荷平衡、同位素平衡等，包括如下反應類型:液相離子配合反應、固相表面的吸附反應、固相的溶解和沉澱反應。目前，該模型廣泛用於地下水系統中水-岩相互作用的研究，在使用該模型前，需對地下水系統水化學場的地球化學條件進行詳細分析，以確定模型中參加反應的物相。

經歷了幾十年的發展後，水文地球化學模擬的幾個研究方向如正向地球化學模擬、反向地球化學模擬已經日臻完善。正向地球化學模擬是研究水-岩相互作用的一種有效方法，其理論框架於1968年由Helgeson提出，它依據假定的水-岩反應來計算水溶液的化學組分和質量遷移，可用於分析地下水溶液中離子、分子及配合物的物質分配形式，礦物相-地下水之間反應的質量遷移等。反向地球化學模擬則根據已有的水化學和同位素資料來確定地下水系統中所進行的水-岩反應，用以解決地下水流場中的地球化學演化路徑問題，即了解某一水化學系統中發生了哪些水-岩反應，其理論基礎由Garrels等(1962)奠定。水文地球化學模擬的另一個前沿發展方向為反應性溶質運移模擬，它把地球化學過程的研究與流體溶質遷移過程的研究相結合，可視作地球化學模擬與水文遷移模擬的耦合。反應性溶質運移模型所考慮的因素比正向與反向地球化學模擬模型更接近於實際情況，將成為水文地球化學模擬中最有前景的模型。

水文地球化學模擬軟體在幾十年來已經得到了長足的發展，其中用於正向地球化學模擬的典型軟體為EQ3/6(Wolery，1992)，SOLMINEQ.88，SOLCHEM等;反向地球化學模擬的典型軟體為BALANCE，NETPATH等;反應性溶質運移模擬的典型軟體則為MT3DMS，RT3D，SEAM3D與PHAST等。而若論正向與反向地球化學模擬最有代表性的軟體，則非PHREEQC莫屬。PHREEQC是PHREEQE的C語言版本，現在已兼容了PHREEQE和NETPATH的全部功能，既可進行反向模擬，也可用於正向模擬，還可應用於反應性溶質運移研究。該模型中加入了離子交換、表面絡合、定壓氣相平衡、對流運移等模塊，其最新功能還包括動力學控制反應模擬、固液相平衡模擬、定體積氣相平衡模擬、一維耦合運移模擬，以及同位素在反向模擬中的平衡等。

水文地球化學模擬一般通過對地下水水化學組分總量及常量組分進行分析而完成。如Sasamoto等(2004)對日本Tono鈾礦的礦物相組成與水文地球化學概況進行了研究，並利用PHREEQE軟體模擬了地下水中的HCO^－₃，SO^2－₄，Na⁺，Ca²⁺，K⁺，Si等組分的形成過程，取得了令人滿意的結果。近年來，對微量元素的水化學模擬也逐步發展起來。Igarashi等(1999)對日本中部Kanto區北部的一個水庫進行了研究，並對水庫水中鋁元素的地球化學成因進行了模擬。Geelhoed等(2002)研究了蘇格蘭格拉斯哥的一個鉻渣堆，對其中Cr(Ⅲ)與Cr(Ⅵ)向地下水系統的淋濾過程進行了實驗研究與水文地球化學模擬，兩者的結果擬合得很好。Tempel等(2000)利用EQ6軟體對美國Humboldt縣一個由礦坑形成的湖的砷濃度進行了預測。OSracek等(2004)則對近年來學者們關於微量元素砷開展的水文地球化學模擬工作進行了總結。同位素在水文地球化學模擬方面的應用也時見於文獻。如LNPlummer(1990)曾利用穩定同位素分析判斷地下水循環年齡及流動速率，並模擬水-岩相互作用的質量遷移情況。EMMurphy等(1998)在美國東南部的Midden-dorf含水層利用NETPATH軟體對穩定碳、硫同位素(¹⁴C，³⁴S)地球化學進行了模擬，並由此評價地下水系統中微生物的呼吸作用。

3. 離子交換樹脂的平衡常數和選擇性系數一樣嗎

不一樣。
平衡常數
是通過一系列實驗測量出來的，而
選擇性系數
是根據平衡常數計算出來的。多看
看書吧
。
簡單的說
平衡常數主要是理論上的，選擇性系數是應用層次上的。

4. 為什麼動作電位的膜電位是正的，靜息電位的膜電位是負

生物電與膜電位
請見2017-02-05由中國科學院網站發表的王孝恩寫的論文《生物電與膜電位》
網址：http://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=54217
生物電是生命的靈魂，但它至今仍充斥著無窮的神秘，尤其是動物細胞的跨膜電位。人體的可興奮性細胞在安靜時其靜息電位可達-90mV左右，在去極化時能翻轉至+30mV左右。
自從生物電現象被發現以後，最初人們把實驗上測到的細胞膜內的負的電位，看作是質膜的一種電容效應，稱為「膜學說」。霍奇金和英國生理學家卡茨(Bernard SirKatz)對膜學說加以修正，於1949年提出了"離子學說「(ionic theory) [1]。直到20世紀80-90年代，我國多數大學的生理學教材中，還沿用著離子學說。幾乎都把靜息電位產生的原因歸於鉀離子的平衡電位。其依據的是下列形式的能斯特（Nernst）方程式
E = (RT/F) ln ([K+]O/[K+]i) （1）
式中E為膜電位，下標「O」和「i」分別表示胞外和胞內。
R是普適氣體常數，其值為8.314 J K-1mol-1.
T是絕對溫度，普通實驗取材的溫度近似可取300K，哺乳動物在體實驗時可取310K。
F為法拉弟常數，其值為96,485 C·mol？1 或J·V？1·mol？1.
在那些教材中，以細胞外、內的鉀離子濃度的比值1/35（既，4/140）代入（1），剛好計算出一個90mV的數值。但所有那些教材中都沒有討論正負號的問題，往往給學生造成錯覺：鉀離子濃差是構成膜電位的主要原因。
根據電化學原理，（1）式所表示的能斯特方程的形式，若對數符號前取正號，對數項內的分母表示的是參比電極的離子濃度，分子表示的才是待測電極的濃度。因此，計算出來的-90mV表示的是胞內取零電位時，胞外為-90mV。也就是說，若胞外取零電位參考值時，胞內就是+90mV，而不是實測的-90mV。
若用濃差電池來分析，對於僅由濃差形成的兩個半電池，氧化態最高的、陽離子濃度最大的那個半電池，一定是原電池的正極，另一個則是負極。鉀元素只有兩個氧化態：單質態和一價的陽離子態。胞內比胞外的鉀離子濃度高，如果膜電位是由鉀離子濃差所致，胞內就應該是正值。（1）式的計算結果與實測電位的數值差不多，但符號剛好相反。
另外，去極化時膜內電位由-90mV可翻轉至+30mV左右，但鉀離子濃度之比，並未出現大的翻轉。所以我們說，鉀離子濃差對膜電位有貢獻，但不可能是唯一的直接關系。
還有人根據神經纖維的去極化是由鈉離子的內流引起，提出膜電位成因的鈉流學說。但只由鈉離子的濃差變化也不能解釋可興奮性細胞在靜息和興奮時的膜電位變化。
20世紀40年代建立的戈德曼-霍奇金-卡茨方程（Goldman-Hodgkin-Katz Equation，簡記為GHK方程）[1，2]，試圖建立鈉、鉀、氯三種一價離子的濃度梯度與膜電位的關系
Em=(RT/F)ln{(pNa[Na+]O+pk[K+]O+pCl[Cl-]i)/(pNa[Na+]i+pk[K+]i+pCl[Cl-]O)} （2）
式中Em為膜電位，p代表各離子的通透系數。
（2）式雖然考慮了鈉、鉀及氯等多離子濃度梯度對膜電位的綜合影響，但本文認為該方程仍存在以下缺陷而未能合理的描述膜電位的實際情況。
一、根據化學熱力學和化學動力學的慣例，化學平衡的平衡常數表達式，等於各生成物濃度的系數次方之積，與各反應物濃度的系數次方之積的比。但在GHK方程式中卻將各離子濃度之積表示成了各離子濃度之和。
二、通常在電位和平衡常數的表達式中，若在對數前用正號，所表示的電位就是對數式中分子中濃度所在處的電位值。也就是說，GHK方程式中寫在分子上的是胞外的陽離子濃度，由它求出的就應該是胞外的電位，胞內則是參考電位0伏。若將胞外作參考電位（0伏），求胞內的電位時式中對數符號前取正號，就應該將胞內的各陽離子濃度寫在分子上。所以我們說，（2）式的作者與（1）的作者犯了同樣的錯誤，忽視了電位符號與對數式中分子和分母位置的對應關系。
三、陰離子對膜電位的影響不應引入方程中。其一，在氧化-還原電化學上處理陽離子的濃差電位時，通常都不考慮陰離子的作用。其二，因為陰離子的半徑通常都比較大，在動作電位的變化期間一般難以跨膜。並且胞內蛋白質往往屬於超級多價陰離子大分子，一個帶有眾多負電荷的蛋白質顆粒，能結合大量的金屬陽離子，由於依數性，它對滲透壓的貢獻卻可以忽略。胞內蛋白質的存在，為半徑小的金屬陽離子進行的滲透壓運作留下了更大的空間。如果細胞內沒有大量的蛋白質，離子濃差就難以保持，膜電位也就難以建立。因此，氯離子濃度及胞內超多價陰離子的蛋白質濃度都不應該納入方程式中。
四、隨膜電位起伏而濃度大幅變化的二價鈣離子濃度不應該排除在方程式之外。與鈉、鉀、氯等離子濃度相比，胞內鈣濃度極低，往往被人們所忽略。這與一個國家的人群分布類似，越是數量少的，在總人口中佔比小的那些社會精英、國家領導人，越能主導國家的沉浮。因為（2）式錯誤的使用了各離子濃度的求和方式，在加和時濃度極低的鈣離子濃度自然會被忽略掉。對鈣離子濃度梯度的忽略是至今人們仍對生物電及膜電位產生模糊和神秘感的一個重要原因。
五、GHK方程在每一項離子濃度的前面都加入了一個離子的通透性系數，但這些系數都不是常數，它們都隨膜電位的變化而變化。因此，不但大大降低了方程的應用價值，而且給各離子通道增加了更多的神秘感。
本文提出一個改進的GHK方程，用來描述鈣、鈉及鉀離子濃度梯度與膜電位的關系。
考慮鈣、鈉、鉀離子間的跨膜離子交換，在胞漿和胞外液之間存在下列離子交換平衡：
Ca2+0 + 2Na+0 + 2K+0 == Ca2+i + 2Na+ i + 2K+ i （3）
式中雙等號應為化學平衡號，改進後的GHK方程為
Ei = (RT/2F)ln{([Ca2+]i[Na+]2i[K+]2i)/([Ca2+]0[Na+]20[K+]20)} （4）
或者
Ei = (RT/2F)ln([Ca2+]i/[Ca2+]0)+(RT/F)ln([Na+]i/[Na+]0)+(RT/F)ln([K+]i/[K+]0) （5）
1、 計算可興奮性細胞的靜息電位
取R=8.314 J K-1mol-1，T=300K，F=96,485 C·mol？1 ，把自然對數換為常用對數，並把靜息時的細胞內、外液的濃度：[Ca2+]i= 5.0×10-7 mol/L，[Ca2+]0=2.0×10-3 mol/L，[Na+]i=1.0×10-2 mol/L，[Na+]0=1.4×10-1 mol/L，[K+]i =1.4×10-1 mol/L，[K+]0= 5×10-3 mol/L.代入（4），我們得：
Ei = 0.0595/2log{([Ca2+]i[Na+]2i[K+]2i)/([Ca2+]0[Na+]20[K+]20)}
= - 0.0893（V）
此計算結果與文獻值基本一致。
2、 用於去極化時的膜電位計算
在去極化時，細胞外液中的鈣、鈉及鉀離子濃度可視為不變，在計算時只考慮細胞內液中的離子濃度變化既可。不過，目前關於可興奮性細胞去極化時，瞬時胞漿中各離子濃度的實測數據的文獻比較少。較多的報道的是內鈣的離子濃度能增大兩個數量級，再者就是神經元中鈉離子的瞬時內流。對於神經細胞而言，內鈣增大兩個數量級，內鈉濃度只要增大2~3倍，由（4）或（5）式計算的去極化電位，就能達到+30 mV左右。但對於肌細胞，對去極化電位的貢獻可能主要來自於內鈣濃度的變化。如此，則需要肌漿中的內鈣濃度要有近3個數量級的增大，這還需要今後實測數據的支持。
本文提出的公式，比GHK方程更能體現陽離子梯度如何影響膜電位的物理化學本質。從（4）式可看出，鈣離子濃度梯度以比值和乘積的形式與鈉、鉀離子濃度一起出現，其濃度雖小，但對膜電位的影響卻不小。
（4）或（5）式都不含有離子的通透性系數。一方面，很大程度上消除了離子濃度梯度對膜電位影響的不確定性。另一方面，也消除了人們對不同離子通道門控機理的神秘感。本文認為，所有的離子通道都是一定的離子濃度梯度和電位梯度的影響下進行門控的，都是被動的蛋白質孔隙。它們都不具有自主意識的主動的門控機理，因此並不神秘。
本文認為，胞漿與細胞外液的疏水性（或離子強度）的差異，鈣、鉀、鈉等金屬陽離子的親水性及水合離子的生成自由能之間的差異，是形成細胞內、外離子濃差和膜電位的基礎。滲透壓與細胞及亞細胞尺度的膜性分室化，及鈣ATP酶對鈣離子的操控是生物電運作的動力，各種專屬的離子通道是生物電運作的上好工具。鈣離子濃度梯度的變化及鈣/鈉交換才是膜電位變化的操控者。20170205
參考文獻
1、 Hodgkin A L, Katz B. (1949) J Physiol (London) 108:37–77. CrossRefMedlineWeb of ScienceGoogle Scholar.
2、 Goldman D E. (1943) J Gen Physiol 27:37–60. Abstract/FREE Full Text

5. 什麼是離子交換過程,影響離子交換過程的因素有哪些

離子交換是藉助於固體離子交換劑中的離子與稀溶液中的離子進行交換,以達到提取或去除溶液中某些離子的目的.它是一種屬於傳質分離過程的單元操作.
離子交換法
一、前言
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.
離子交換樹脂一般呈現多孔狀或顆粒狀,其大小約為0.1mm,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Ca2+、K+等無法進行交換.
3.
強鹼型陰離子交換樹脂：主要是含有較強的反應基如具有四面體銨鹽官能基之－N+(CH3)3,在氫氧形式下,－N+(CH3)3OH-中的氫氧離子可以迅速釋出,以進行交換,強鹼型陰離子交換樹脂可以和所有的陰離子進行交換去除.
4.
弱鹼型陰離子交換樹脂：具有較弱的反應基如氨基,僅能去除強酸中的陰離子如SO42-,Cl－或NO3－,對於HCO3－,CO32－或SiO42－則無法去除.
不論是離子交換樹脂或是沸石,都有其一定的可交換基濃度,稱為離子交換容量(ion exchange capacity).對陽離子交換樹脂而言,大約在200~500meq/100g.因為陽離子交換為一化學反應,故必須遵守質量平衡定律.離子交換樹脂的一般方程式可以表示如下：
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離子交換的基本知識
為了除去水中離子態雜質,現在採用得最普遍的方法是離子交換.這種方法可以將水中離子態雜質清除得以較徹底,因而能製得很純的水.所以,在熱力發電廠鍋爐用水的制備工藝中,它是一個必要的步驟.
離子交換處理,必須用一種稱做離子交換劑的物質（簡稱交換劑）來進行.這種物質遇水時,可以將其本身所具有的某種離子和水中同符號的離子相互交換,離子交換劑的種類很多,有天然和人造、有機和無機、陽離子型和陰離子型等之分,大概情況如表所示.此外,按結構特徵來分,還有大孔型和凝膠型等.
全文請看：

6. 有沒有化學動力學方面的書比如說離子交換樹脂吸附金屬離子的動力學過程怎麼研究呢

肯定有的，到圖書館看看就知道了！

7. 離子交換樹脂的「轉型」和「平衡」是一個意思嗎

激光熔覆技術是指以不同的填料方式在被塗覆基體表面上放置選擇的塗層材料，經激光專輻照使之和基屬體表面一薄層同時熔化，並快速凝固後形成稀釋度極低並與基體材料成冶金結合的表面塗層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、 抗氧化及電器特性等的工藝方法。

8. 離子交換法的原理

吸附（）
溶液中的離子與樹脂上官能團發生反應，並結合到樹脂上的過程。
淋洗（elution）
用一定濃度的淋洗劑將已吸附在離子交換樹脂上的金屬由樹脂轉移到水溶液中的過程，又稱解吸。
轉型（transformation）
將樹脂從一種型式轉變為其他離子型式的過程。
離子交換樹脂（ion exchange resin）
一種帶有官能團（有交換離子的活性基團）、具有網狀結構與不溶性的高分子聚合物。通常是球形顆粒物。
飽和樹脂（loadedresin）
在某一特定條件下，當吸附尾液中被吸附離子的濃度與進料液中濃度相等或達到動態平衡時的離子交換樹脂。
離子交換法是以圓球形樹脂(離子交換樹脂)過濾原水，水中的離子會與固定在樹脂上的離子交換。常見的兩種離子交換方法分別是硬水軟化和去離子法。硬水軟化主要是用在反滲透(RO)處理之前，先將水質硬度降低的一種前處理程序。軟化機裡面的球狀樹脂，以兩個鈉離子交換一個鈣離子或鎂離子的方式來軟化水質。
離子交換樹脂利用氫離子交換陽離子，而以氫氧根離子交換陰離子；以包含磺酸根的苯乙烯和二乙烯苯製成的陽離子交換樹脂會以氫離子交換碰到的各種陽離子(例如Na+、Ca2+、Al3+)。同樣的，以包含季銨鹽的苯乙烯製成的陰離子交換樹脂會以氫氧根離子交換碰到的各種陰離子(如Cl-)。從陽離子交換樹脂釋出的氫離子與從陰離子交換樹脂釋出的氫氧根離子相結合後生成純水。
陰陽離子交換樹脂可被分別包裝在不同的離子交換床中，分成所謂的陰離子交換床和陽離子交換床。也可以將陽離子交換樹脂與陰離子交換樹脂混在一起，置於同一個離子交換床中。不論是哪一種形式，當樹脂與水中帶電荷的雜質交換完樹脂上的氫離子及(或)氫氧根離子，就必須進行「再生」。再生的程序恰與純化的程序相反，利用氫離子及氫氧根離子進行再生，交換附著在離子交換樹脂上的雜質。

9. 氨基酸用離子交換柱,色譜柱為什麼需要平衡啊

如果你用的是一般的液相色譜儀,需要很長的時間平衡柱子和系統,因為離子交換柱對流動相中的離子很敏感,一般的液相色譜儀內壁是金屬的,多會產生離子或靜電荷,對分析造成干擾.推薦用離子色譜儀,或氨基酸分析儀,不過也要平衡一定的時間