A. 什麼叫陽離子交換什麼叫陰離子交換
、離子交換樹脂的組成
離子交換樹脂是一類帶有功能基的網狀結構專高分子化合物，其結構由三部分組成屬：不溶性的三維空間網狀骨架，連接在骨架上的功能基團和功能基團所帶的相反電荷的可交換離子。
陽離子交換樹脂：骨架上結合有磺酸基(-SO3H)（強酸性陽離子交換樹脂）或羧酸基(-COOH)(弱酸性陽離子交換樹脂）。
陰離子交換樹脂：骨架上結合有季銨基(強鹼性陰離子交換樹脂)，伯胺基、仲胺基、叔胺基（弱鹼性陰離子交換樹脂）。
二、離子交換樹脂的分類
按骨架結構不同：凝膠型(干態無孔，吸水後產生微孔)和大孔型(樹脂內部無論干、濕或收縮、溶脹都存在著比凝膠型樹脂更大、更多的孔)。
根據所帶的功能基團的特性：陽離子交換樹脂（帶酸性功能基，能與陽離子進行交換）、陰離子交換樹脂（帶鹼性功能基，能與陰離子進行交換）和其它樹脂。
B. 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：KA—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：
水文地球化學基礎
即為交換位濃度（單位質量吸附劑的摩爾數）與無單位函數
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：
水文地球化學基礎
X為—1價的表面交換位，交換位X的總濃度為
水文地球化學基礎
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）。
水文地球化學基礎
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
水文地球化學基礎
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：
水文地球化學基礎
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
水文地球化學基礎
表3—18 試驗土樣不同濃度下的交換系數