离子交换平衡与动力学

1. 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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2. 水文地球化学模拟现状

水-岩相互作用(Water-Rock Interaction，缩写为WRI)这个术语，是水文地球化学学科的奠基人之一———苏联A.M.奥弗琴尼柯夫在20世纪50年代末提出的。水-岩相互作用即水与岩石之间的物理、化学作用。

在地下水地球化学演化由定性研究到定量研究的发展过程中，水文地球化学模拟起到了重要的推动作用。水文地球化学模拟的研究对象为水-岩之间相互作用的地球化学过程，目前主要以化学、热力学为理论基础。它可以定量模拟各种天然过程和人类活动影响下的水-岩相互作用，研究地下水系统在不同时间尺度上的演化过程;也可以模拟地下水中污染物的运移过程，分析地下水污染产生的原因与发展趋势(陈宗宇，1995)。水文地球化学模拟方法可分为物理模拟与计算机模拟两大类。其中物理模拟通过实验条件来恢复现实水-岩反应系统中化学组分的迁移和转化，并可在不同的模拟条件下实现一系列特定的水-岩反应，以分析实际地下水化学组分的形成机理。近几十年来，人类活动强烈介入地下水化学组分的形成过程，地下水地球化学环境的研究渐趋复杂化，控制水-岩相互作用的因素也趋于多样化，物理模拟已经难于再现复杂的水-岩反应，于是基于计算机数值模型的水文地球化学模拟应运而生。自1962年Garrets等建立海水的离子缔合模型以来，水-岩相互作用的计算机模拟技术得到了迅速发展，已经先后出现了几十种模拟软件。

迄今，地球化学模拟模型的发展经历了离子缔合模型与水相化学平衡模型两个阶段。上述两种模型的支撑理论尚不完善，因而它们各自有其局限性。离子缔合模型假定地下水中的各种组分以自由离子、配阴离子、配合物等形式存在，并根据配合离子的质量作用方程与平衡常数对每种元素均建立其物质平衡方程，进而求解各元素的不同存在形式及含量。离子缔合模型是其他所有水化学模型的基础，它考虑了多种地下水组分，并建立了改进的、大温度范围的热力学数据库，但由于许多微量元素、稀土元素的离子缔合模型数量有限，该模型仍有待进一步完善。水相化学平衡模型又称为质量平衡模型，用于模拟天然水溶液体系中的化学平衡，最早于20世纪80年代在Pitzer电解质理论的基础上引入地下水化学系统。该模型考虑水组分平衡、碱度平衡、元素及其价态的摩尔平衡、摩尔电子与电荷平衡、同位素平衡等，包括如下反应类型:液相离子配合反应、固相表面的吸附反应、固相的溶解和沉淀反应。目前，该模型广泛用于地下水系统中水-岩相互作用的研究，在使用该模型前，需对地下水系统水化学场的地球化学条件进行详细分析，以确定模型中参加反应的物相。

经历了几十年的发展后，水文地球化学模拟的几个研究方向如正向地球化学模拟、反向地球化学模拟已经日臻完善。正向地球化学模拟是研究水-岩相互作用的一种有效方法，其理论框架于1968年由Helgeson提出，它依据假定的水-岩反应来计算水溶液的化学组分和质量迁移，可用于分析地下水溶液中离子、分子及配合物的物质分配形式，矿物相-地下水之间反应的质量迁移等。反向地球化学模拟则根据已有的水化学和同位素资料来确定地下水系统中所进行的水-岩反应，用以解决地下水流场中的地球化学演化路径问题，即了解某一水化学系统中发生了哪些水-岩反应，其理论基础由Garrels等(1962)奠定。水文地球化学模拟的另一个前沿发展方向为反应性溶质运移模拟，它把地球化学过程的研究与流体溶质迁移过程的研究相结合，可视作地球化学模拟与水文迁移模拟的耦合。反应性溶质运移模型所考虑的因素比正向与反向地球化学模拟模型更接近于实际情况，将成为水文地球化学模拟中最有前景的模型。

水文地球化学模拟软件在几十年来已经得到了长足的发展，其中用于正向地球化学模拟的典型软件为EQ3/6(Wolery，1992)，SOLMINEQ.88，SOLCHEM等;反向地球化学模拟的典型软件为BALANCE，NETPATH等;反应性溶质运移模拟的典型软件则为MT3DMS，RT3D，SEAM3D与PHAST等。而若论正向与反向地球化学模拟最有代表性的软件，则非PHREEQC莫属。PHREEQC是PHREEQE的C语言版本，现在已兼容了PHREEQE和NETPATH的全部功能，既可进行反向模拟，也可用于正向模拟，还可应用于反应性溶质运移研究。该模型中加入了离子交换、表面络合、定压气相平衡、对流运移等模块，其最新功能还包括动力学控制反应模拟、固液相平衡模拟、定体积气相平衡模拟、一维耦合运移模拟，以及同位素在反向模拟中的平衡等。

水文地球化学模拟一般通过对地下水水化学组分总量及常量组分进行分析而完成。如Sasamoto等(2004)对日本Tono铀矿的矿物相组成与水文地球化学概况进行了研究，并利用PHREEQE软件模拟了地下水中的HCO^－₃，SO^2－₄，Na⁺，Ca²⁺，K⁺，Si等组分的形成过程，取得了令人满意的结果。近年来，对微量元素的水化学模拟也逐步发展起来。Igarashi等(1999)对日本中部Kanto区北部的一个水库进行了研究，并对水库水中铝元素的地球化学成因进行了模拟。Geelhoed等(2002)研究了苏格兰格拉斯哥的一个铬渣堆，对其中Cr(Ⅲ)与Cr(Ⅵ)向地下水系统的淋滤过程进行了实验研究与水文地球化学模拟，两者的结果拟合得很好。Tempel等(2000)利用EQ6软件对美国Humboldt县一个由矿坑形成的湖的砷浓度进行了预测。OSracek等(2004)则对近年来学者们关于微量元素砷开展的水文地球化学模拟工作进行了总结。同位素在水文地球化学模拟方面的应用也时见于文献。如LNPlummer(1990)曾利用稳定同位素分析判断地下水循环年龄及流动速率，并模拟水-岩相互作用的质量迁移情况。EMMurphy等(1998)在美国东南部的Midden-dorf含水层利用NETPATH软件对稳定碳、硫同位素(¹⁴C，³⁴S)地球化学进行了模拟，并由此评价地下水系统中微生物的呼吸作用。

3. 离子交换树脂的平衡常数和选择性系数一样吗

不一样。
平衡常数
是通过一系列实验测量出来的，而
选择性系数
是根据平衡常数计算出来的。多看
看书吧
。
简单的说
平衡常数主要是理论上的，选择性系数是应用层次上的。

4. 为什么动作电位的膜电位是正的，静息电位的膜电位是负

生物电与膜电位
请见2017-02-05由中国科学院网站发表的王孝恩写的论文《生物电与膜电位》
网址：http://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=54217
生物电是生命的灵魂，但它至今仍充斥着无穷的神秘，尤其是动物细胞的跨膜电位。人体的可兴奋性细胞在安静时其静息电位可达-90mV左右，在去极化时能翻转至+30mV左右。
自从生物电现象被发现以后，最初人们把实验上测到的细胞膜内的负的电位，看作是质膜的一种电容效应，称为“膜学说”。霍奇金和英国生理学家卡茨(Bernard SirKatz)对膜学说加以修正，于1949年提出了"离子学说“(ionic theory) [1]。直到20世纪80-90年代，我国多数大学的生理学教材中，还沿用着离子学说。几乎都把静息电位产生的原因归于钾离子的平衡电位。其依据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为膜电位，下标“O”和“i”分别表示胞外和胞内。
R是普适气体常数，其值为8.314 J K-1mol-1.
T是绝对温度，普通实验取材的温度近似可取300K，哺乳动物在体实验时可取310K。
F为法拉弟常数，其值为96,485 C·mol？1 或J·V？1·mol？1.
在那些教材中，以细胞外、内的钾离子浓度的比值1/35（既，4/140）代入（1），刚好计算出一个90mV的数值。但所有那些教材中都没有讨论正负号的问题，往往给学生造成错觉：钾离子浓差是构成膜电位的主要原因。
根据电化学原理，（1）式所表示的能斯特方程的形式，若对数符号前取正号，对数项内的分母表示的是参比电极的离子浓度，分子表示的才是待测电极的浓度。因此，计算出来的-90mV表示的是胞内取零电位时，胞外为-90mV。也就是说，若胞外取零电位参考值时，胞内就是+90mV，而不是实测的-90mV。
若用浓差电池来分析，对于仅由浓差形成的两个半电池，氧化态最高的、阳离子浓度最大的那个半电池，一定是原电池的正极，另一个则是负极。钾元素只有两个氧化态：单质态和一价的阳离子态。胞内比胞外的钾离子浓度高，如果膜电位是由钾离子浓差所致，胞内就应该是正值。（1）式的计算结果与实测电位的数值差不多，但符号刚好相反。
另外，去极化时膜内电位由-90mV可翻转至+30mV左右，但钾离子浓度之比，并未出现大的翻转。所以我们说，钾离子浓差对膜电位有贡献，但不可能是唯一的直接关系。
还有人根据神经纤维的去极化是由钠离子的内流引起，提出膜电位成因的钠流学说。但只由钠离子的浓差变化也不能解释可兴奋性细胞在静息和兴奋时的膜电位变化。
20世纪40年代建立的戈德曼-霍奇金-卡茨方程（Goldman-Hodgkin-Katz Equation，简记为GHK方程）[1，2]，试图建立钠、钾、氯三种一价离子的浓度梯度与膜电位的关系
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为膜电位，p代表各离子的通透系数。
（2）式虽然考虑了钠、钾及氯等多离子浓度梯度对膜电位的综合影响，但本文认为该方程仍存在以下缺陷而未能合理的描述膜电位的实际情况。
一、根据化学热力学和化学动力学的惯例，化学平衡的平衡常数表达式，等于各生成物浓度的系数次方之积，与各反应物浓度的系数次方之积的比。但在GHK方程式中却将各离子浓度之积表示成了各离子浓度之和。
二、通常在电位和平衡常数的表达式中，若在对数前用正号，所表示的电位就是对数式中分子中浓度所在处的电位值。也就是说，GHK方程式中写在分子上的是胞外的阳离子浓度，由它求出的就应该是胞外的电位，胞内则是参考电位0伏。若将胞外作参考电位（0伏），求胞内的电位时式中对数符号前取正号，就应该将胞内的各阳离子浓度写在分子上。所以我们说，（2）式的作者与（1）的作者犯了同样的错误，忽视了电位符号与对数式中分子和分母位置的对应关系。
三、阴离子对膜电位的影响不应引入方程中。其一，在氧化-还原电化学上处理阳离子的浓差电位时，通常都不考虑阴离子的作用。其二，因为阴离子的半径通常都比较大，在动作电位的变化期间一般难以跨膜。并且胞内蛋白质往往属于超级多价阴离子大分子，一个带有众多负电荷的蛋白质颗粒，能结合大量的金属阳离子，由于依数性，它对渗透压的贡献却可以忽略。胞内蛋白质的存在，为半径小的金属阳离子进行的渗透压运作留下了更大的空间。如果细胞内没有大量的蛋白质，离子浓差就难以保持，膜电位也就难以建立。因此，氯离子浓度及胞内超多价阴离子的蛋白质浓度都不应该纳入方程式中。
四、随膜电位起伏而浓度大幅变化的二价钙离子浓度不应该排除在方程式之外。与钠、钾、氯等离子浓度相比，胞内钙浓度极低，往往被人们所忽略。这与一个国家的人群分布类似，越是数量少的，在总人口中占比小的那些社会精英、国家领导人，越能主导国家的沉浮。因为（2）式错误的使用了各离子浓度的求和方式，在加和时浓度极低的钙离子浓度自然会被忽略掉。对钙离子浓度梯度的忽略是至今人们仍对生物电及膜电位产生模糊和神秘感的一个重要原因。
五、GHK方程在每一项离子浓度的前面都加入了一个离子的通透性系数，但这些系数都不是常数，它们都随膜电位的变化而变化。因此，不但大大降低了方程的应用价值，而且给各离子通道增加了更多的神秘感。
本文提出一个改进的GHK方程，用来描述钙、钠及钾离子浓度梯度与膜电位的关系。
考虑钙、钠、钾离子间的跨膜离子交换，在胞浆和胞外液之间存在下列离子交换平衡：
Ca2+0 + 2Na+0 + 2K+0 == Ca2+i + 2Na+ i + 2K+ i （3）
式中双等号应为化学平衡号，改进后的GHK方程为
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、 计算可兴奋性细胞的静息电位
取R=8.314 J K-1mol-1，T=300K，F=96,485 C·mol？1 ，把自然对数换为常用对数，并把静息时的细胞内、外液的浓度：[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），我们得：
Ei = 0.0595/2log{([Ca2+]i[Na+]2i[K+]2i)/([Ca2+]0[Na+]20[K+]20)}
= - 0.0893（V）
此计算结果与文献值基本一致。
2、 用于去极化时的膜电位计算
在去极化时，细胞外液中的钙、钠及钾离子浓度可视为不变，在计算时只考虑细胞内液中的离子浓度变化既可。不过，目前关于可兴奋性细胞去极化时，瞬时胞浆中各离子浓度的实测数据的文献比较少。较多的报道的是内钙的离子浓度能增大两个数量级，再者就是神经元中钠离子的瞬时内流。对于神经细胞而言，内钙增大两个数量级，内钠浓度只要增大2~3倍，由（4）或（5）式计算的去极化电位，就能达到+30 mV左右。但对于肌细胞，对去极化电位的贡献可能主要来自于内钙浓度的变化。如此，则需要肌浆中的内钙浓度要有近3个数量级的增大，这还需要今后实测数据的支持。
本文提出的公式，比GHK方程更能体现阳离子梯度如何影响膜电位的物理化学本质。从（4）式可看出，钙离子浓度梯度以比值和乘积的形式与钠、钾离子浓度一起出现，其浓度虽小，但对膜电位的影响却不小。
（4）或（5）式都不含有离子的通透性系数。一方面，很大程度上消除了离子浓度梯度对膜电位影响的不确定性。另一方面，也消除了人们对不同离子通道门控机理的神秘感。本文认为，所有的离子通道都是一定的离子浓度梯度和电位梯度的影响下进行门控的，都是被动的蛋白质孔隙。它们都不具有自主意识的主动的门控机理，因此并不神秘。
本文认为，胞浆与细胞外液的疏水性（或离子强度）的差异，钙、钾、钠等金属阳离子的亲水性及水合离子的生成自由能之间的差异，是形成细胞内、外离子浓差和膜电位的基础。渗透压与细胞及亚细胞尺度的膜性分室化，及钙ATP酶对钙离子的操控是生物电运作的动力，各种专属的离子通道是生物电运作的上好工具。钙离子浓度梯度的变化及钙/钠交换才是膜电位变化的操控者。20170205
参考文献
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. 什么是离子交换过程,影响离子交换过程的因素有哪些

离子交换是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.它是一种属于传质分离过程的单元操作.
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0.1mm,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：
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：

6. 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！

7. 离子交换树脂的“转型”和“平衡”是一个意思吗

激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光专辐照使之和基属体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、 抗氧化及电器特性等的工艺方法。

8. 离子交换法的原理

吸附（）
溶液中的离子与树脂上官能团发生反应，并结合到树脂上的过程。
淋洗（elution）
用一定浓度的淋洗剂将已吸附在离子交换树脂上的金属由树脂转移到水溶液中的过程，又称解吸。
转型（transformation）
将树脂从一种型式转变为其他离子型式的过程。
离子交换树脂（ion exchange resin）
一种带有官能团（有交换离子的活性基团）、具有网状结构与不溶性的高分子聚合物。通常是球形颗粒物。
饱和树脂（loadedresin）
在某一特定条件下，当吸附尾液中被吸附离子的浓度与进料液中浓度相等或达到动态平衡时的离子交换树脂。
离子交换法是以圆球形树脂(离子交换树脂)过滤原水，水中的离子会与固定在树脂上的离子交换。常见的两种离子交换方法分别是硬水软化和去离子法。硬水软化主要是用在反渗透(RO)处理之前，先将水质硬度降低的一种前处理程序。软化机里面的球状树脂，以两个钠离子交换一个钙离子或镁离子的方式来软化水质。
离子交换树脂利用氢离子交换阳离子，而以氢氧根离子交换阴离子；以包含磺酸根的苯乙烯和二乙烯苯制成的阳离子交换树脂会以氢离子交换碰到的各种阳离子(例如Na+、Ca2+、Al3+)。同样的，以包含季铵盐的苯乙烯制成的阴离子交换树脂会以氢氧根离子交换碰到的各种阴离子(如Cl-)。从阳离子交换树脂释出的氢离子与从阴离子交换树脂释出的氢氧根离子相结合后生成纯水。
阴阳离子交换树脂可被分别包装在不同的离子交换床中，分成所谓的阴离子交换床和阳离子交换床。也可以将阳离子交换树脂与阴离子交换树脂混在一起，置于同一个离子交换床中。不论是哪一种形式，当树脂与水中带电荷的杂质交换完树脂上的氢离子及(或)氢氧根离子，就必须进行“再生”。再生的程序恰与纯化的程序相反，利用氢离子及氢氧根离子进行再生，交换附着在离子交换树脂上的杂质。

9. 氨基酸用离子交换柱,色谱柱为什么需要平衡啊

如果你用的是一般的液相色谱仪,需要很长的时间平衡柱子和系统,因为离子交换柱对流动相中的离子很敏感,一般的液相色谱仪内壁是金属的,多会产生离子或静电荷,对分析造成干扰.推荐用离子色谱仪,或氨基酸分析仪,不过也要平衡一定的时间