1. 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。
2. 阳离子交换树脂的用途和原理
阳树脂分弱树脂和强树脂两大类。分子式H-R（当然也可以是Na-R型）, H就是氢离回子。树脂高度约0.8米到1.6米。当答水从上向下，通过树脂层时，水中的阳离子与树脂的H离子发生交换，树脂最上层是铁钙镁离子，接着是钾钠氨离子。
出水水质是酸性的，PH值一般小于3。当运行约一天左右时，出水开始出现钠离子，表示反应到了终点，需要用酸（HCl）反洗，将钠钙离子再置换出来。
3. 阳离子交换质量作用方程
（一）阳离子吸附亲合力
就特定的固相物质而言，阳离子吸附亲合力是不同的。影响阳离子吸附亲合力的因素主要是；（1）同价离子，其吸附亲合力随离子半径及离子水化程度而差异，一般来说，它随离子半径的增加而增加，随水化程度的增加而降低；离子半径越小，水化程度越高。例如Na+、K+、NH4＋的离子半径分别为0.98、1.33和1.43Å，其水化半径分别为7.9、5.37和5.32Å；他们的亲合力顺序为NH4＋>K+>Na+。（2）一般来说，高价离子的吸附亲合力高于低价离子的吸附亲合力。
按各元素吸附亲合力的排序如下：
水文地球化学基础
上述排序中，H+是一个例外，它虽然是一价阳离子，但它具有两价或三价阳离子一样的吸附亲合力。
值得注意的是，上述排序并不是绝对的，因为阳离子交换服从质量作用定律，所以吸附亲合力很弱的离子，只要浓度足够大，也可以交换吸附亲合力很强而浓度较小的离子。
（二）阳离子交换质量作用方程
按质量作用定律，阳离子交换反应可表示为：
水文地球化学基础
式中，KA-B为阳离子交换平衡常数，A和B为水中的离子，Ax和Bx为吸附在固体颗表面的离子，方括弧表示活度。
以Na-Ca交换为例，其交换反应方程为：
水文地球化学基础
（1.146）式表明，交换反应是等当量交换，是个可逆过程；两个钠离子交换一个钙离子。如果水中的Na+交换已被吸附在固体颗粒表面的Ca2+（即Cax），则反应向右进行；反之，则向左进行。如反应向右进行，那么，就钙离子而言，是个解吸过程；就钠离子而言，是个吸附过程。所以，阳离子交换反应，实际上是一个吸附－解吸过程。
在地下水系统中，Na-Ca交换是一种进行得最广泛的阳离子交换。例如，当海水入侵到淡水含水层时，由于海水Na+远高于淡水，而且淡水含水层颗粒表面可交换性的阳离子主要是Ca2+，因此产生海水中的Na+与颗粒表面的Ca2+产生交换，形成Na+被吸附而Ca2+被解吸，方程（1.146）向右进行。又如，如果在某个地质历史里，淡水渗入海相地层，按上述类似的机理判断，则产生Na+被解吸Ca2+被吸附的过程，方程（1.146）向左进行。
Na-Ca交换反应方向的判断，以及对地下水化学成分的影响，仍至对土壤环境的影响，是水文地球化学及土壤学中一个很重要的问题，后面将作更详细的介绍。
上述（1.145）式中都使用活度，水中的A和B离子活度可以按第一节所提供的方法求得，但如何求得被吸附的阳离子（Ax和Bx）的活度，目前还没有太满意的解决办法。万赛罗（Vanselow,1932）〔7〕提出，规定被吸附离子的摩尔分数等于其活度。
摩尔分数的定义为：某溶质的摩尔分数等于某溶质的摩尔数与溶液中所有溶质摩尔数和溶剂摩尔数总和之比。其数学表达式如下
水文地球化学基础
式中，xB为B组分的摩尔分数，无量纲；mA为溶剂的摩尔数（mol/L）;mB、mC、mD、……为溶质B、C、D……的摩尔数（mol/L）。就水溶液而言，溶剂是水，1mol H2O=18g,lL H2O=1000g，所以l升溶剂（H2O）的摩尔数＝1000/18=55.56mol/L。
按照上述摩尔分数的定义，Ax和Bx的摩尔分数的数学表达式为：
水文地球化学基础
式中，NA和NB分别为被吸附离子A和B的摩尔分数；（Ax）和（Bx）分别为被吸附离子A和B的摩尔数（mol/kg）。
以摩尔分数代替被吸附离子A和B的活度。则（2.145）的交换平衡表达式可写成：
水文地球化学基础
式中，
从理论上讲，
在研究阳离子交换反应时，人们关心的问题是，在地下水渗流过程中，从补给区流到排泄区，由于阳离子交换反应，地下水中的阳离子浓度将会产生何种变化？为了简化问题起见，假定其他反应对阳离子浓度的变化都可忽略，那么从理论上讲，地下水从原来的地段进入一个具有明显交换能力的新地段后，必然会破坏其原有的阳离子交换平衡，而调整到一个新的交换平衡条件。达到新的平衡后，其阳离子浓度的变化主要取决于：（1）新地段固体颗粒表面各种交换性阳离子的浓度，以及它们互相间的比值；（2）进入新地段地下水的原有化学成分，特别是阳离子浓度。随着地下水的不断向前流动，阳离子交换平衡不断被打破，又不断地建立新的平衡。其结果是，不但水的阳离子浓度变化了，含水层固体颗粒表面有关的交换性阳离子浓度也改变了。为了定量地说明上述理论上的判断，特列举下列例题的计算。
例题1.8
在某一地下水流动系统中，有一段具有明显阳离子交换能力且含有大量粘土矿物的地段，试利用阳离子交换质量平衡方程（2.150），计算地下水达到新的交换平衡后，水中Ca2+和Mg2+浓度的变化，含水层粘土矿物颗粒表面交换性阳离子（被吸附的阳离子）浓度的变化。
假定：（1）含粘土矿物地段的阳离子交换容量为100meq/100g，交换性阳离子只有Ca2+和Mg2+，且Cax=Mgx，即Cax=Mgx=50meq/100g;（2）进入该地段前，地下水中的Ca2+和Mg2+浓度也相等，即Ca2+=Mg2+=1×10-3mol/L;（3）该含水层地段的有关参数：孔隙度n=0.33；固体颗粒密度ρ=2.65g/cm3;（4）地下水与该地段粘土矿物颗粒相互作用后，达到平衡时，选择系数
计算步骤：
（1）求新的地下水进入该地段前的NCa和NMg
按题意所给，Cax=Mgx=50meq/100g。把它们换算为以mol/g表示，则Cax=Mgx=0.25×10-8mol/g；将此数据代入（1.149）式，则
NCa=NMg=0.5
（2）求新的地下水刚进入该地段时，起始状态的
按质量作用定律，Ca-Mg交换方程为：
水文地球化学基础
交换平衡后，虽然各自的摩尔分数有所增减，但其总数仍然不变，即NCa+NMg=1。
设达到新交换平衡时，NCa=Y，那么，NMg=1-Y。
把上述假设代入（1.151）式，则
水文地球化学基础
因达到新的交换平衡时，
水文地球化学基础
因达到新交换平衡时，Cax和Mgx虽然有变化，那其总和仍然不变，即Cax+Mgx=0.5。设那时的Cax=Z，那么：
水文地球化学基础
把（1.154）式代入（1.153）式，得：
水文地球化学基础
由于达到交换平衡前后，固相中的交换性钙离子（Cax）和液相中的溶解钙离子的总和不变。就一升水及其所接触的岩土而论，达到交换平衡前，一升水的Ca2+为1mmol；岩土中的Cax=0.25mmol/g，－升水所占据的岩土体积＝5379.5g。达交换平衡后，一升水的Ca2+摩尔数为x，岩土中交换性钙离子（Cax）浓度为Z。那么，其均衡方程为：
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式的左边，为交换平衡前固液相中钙离子总量（mmol）；式的右边，为交换平衡后固液相中钙离子总量（mmol）。
整理（1.156）式，得：
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把（1.157）式代入（1.155）式，整理后得：
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解方程（1.158），得：
Z=0.250046，即交换平衡后，Cax=0.250046mmol/g
那么，Mgx=0.5-0.250046=0.249954mmol/L
按上述计算摩尔分数的方法，得：
NCa=0.50009,NMg=0.49991
把所算得的Z值代入（1.157），得：
x=0.7525，即交换平衡后，〔Ca2+〕＝0.7525mmol/L
那么，〔Mg2+〕＝2-0.7525=1.2475mmol/L
上述计算结果说明，当新的地下水通过交换地段，达到交换平衡时，吸附的阳离子（Ca2+和Mg2+）的浓度或摩尔分数的比值变化极小；相比之下，地下水中Ca2+和Mg2+的浓度变化很大，〔Mg2+〕/〔Ca2+〕从1约增至1.7。如果随后进入该地段的地下水〔Mg2+〕/（Ca2＋）仍然是1的话，地下水再次破坏了刚建立起来的交换平衡，交换反应又继续进行，直至NMg/NCa=O.6为止。此时，新流入地下水的Ca2+和Mg2+的浓度才不会改变。然而，要达到此种状态，必需通过无数个孔隙体积的水，甚至要几百万年时间才能完成。
上述计算还说明，阳离子的交换方向，从左向右进行（2.151式），水中的Ca2+被吸附，而固相表面所吸附的Mg2+不断被解吸。交换反应方向不仅取决于水中两种离子的浓度比，同时也取决于吸附离子的摩尔分数比。如若交换的起始条件为NMg=0.375和NCa=0.625，流入的水，其钙镁活度比为1，那么流过该地段的地下水，其Ca2+和Mg2+的浓度就没有变化了。如若交换的起始条件为NMg/NCa＜0.6，其交换方向则与上述相反，从右向左进行（2.151式）。
（三）地下水系统中的Na-Ca交换
地下水中Na-Ca交换在地下水化学成分形成和演变过程中，是一个很重要的阳离子交换过程，它无论在深层地下水形成和演变，或者在浅层潜水水化学成分的改变，特别是硬度升高等方面，都具有重要意义；在土壤科学中，它对盐碱土的形成，也有重要作用。
地下水系统中，固液相间的Na-Ca交换也服从质量作用定律，但其质量作用方程的表达形式不同。其交换反应如下：
水文地球化学基础
（2.159）反应最常用的质量作用方程是Gappn方程：
水文地球化学基础
在Gapon方程的基础上，又有许多学者提出类似于此方程的各种表达式。例如，美国盐实验室〔17〕在研究灌溉水与土壤间的Na-Ca交换时，提出类似于Gapon方程的表达式：
水文地球化学基础
式中，Nax为达到交换平衡时土壤的交换性钠量（meq/100g）;CEC为土壤的阳离子交换容量（meq/100g）;Na+、Ca2+和Mg2+是达交换平衡时水中这些离子的浓度（meq/L）;K为平衡常数。
（1.161）式左边项表示为：
水文地球化学基础
式中的ESR称为“交换性钠比”。
（1.16l）式右边项表示为：
水文地球化学基础
式中的“SAR”称为钠吸附比，它是Na-Ca交换中一个很重要的参数。（1.161）式可改写成：
水文地球化学基础
（1.164）式说明，ESR与SAR线性相关，水中的SAR越高，岩土中的ESR值也越大，岩土中的Nax也越高。许多学者通过岩土的Na-Ca交换试验，得出了有关回归方程，列于表1.20。
表1.20Na-Ca交换的回归方程
表1.20中的Na-Ca交换方程是实验方程，应用起来当然有其局限性。其中，美国盐实验室的回归方程是用美国西部12个土壤剖面59个土样试验得出的，所以其代表性较好。尽管有其局限性，但是，应用此类方程判断Na-Ca交换的方向，定量化计算其交换量，还是比较有效的。表1.21的数据充分说明这一推断。
表1.21Na-Ca试验中某些参数的变化〔2〕
表1.21中是一组Na-Ca交换试验数据，其中包括实测值与计算值的对比。表中的数据可说明以下几点；
（1）Na-Ca交换反应方向取决于水中的起始SAR值，及岩土中的起始ESR值。例如，用SAR值分别为0.73和9.81的水淋滤ESR值为0.046的同一种土壤时，淋滤后，前者的（Cax+Mgx）从8.56增至8.76meq/100g，水中的Ca2+和Mg2+被吸附，而固体颗粒表面的交换性Na+解吸到水中，按（1.159）式，其交换反应方向朝左进行；相反，后者的（Cax+Mgx）从8.56减至7.52meq/100g，水中的Na+被吸附，而固体颗粒表面的交换性Ca2+和Mg2+解吸进入水中，按（1.159）式，其交换反应向右进行。如果起始条件已知，即水中的SAR值及岩土中的ESR值已知，也可判断其反应方向。例如，把表1.21中的SAR值0.73和9.81分别代入表1.20中的3号方程，ESR值的计算值分别为0.038和0.1379。前者的ESR计算值（0.038）小于土壤的起始ESR值（0.046，见表1.21），反应按（1.159）式向左进行；后者的SER计算值（0.1379）明显大于土壤的起始ESR值（0.046），反应按（1.159）式向右进行。也就是说；如果ESR计算值小于岩土的ESR值，反应向左进行；反之，则相反。当然，如果土壤的起始ESR值为0.038，与S4R值为0.73的水相互作用时，Na-Ca交换处于平衡状态，水中的Na+、Ca2+和Mg2+浓度不会改变。表1.22是现场试验结果，结果说明，SAR值越高，固体表面解吸出来的Ca2+和Mg2+就越多，水的硬度增加就越大。这些数据充分证明了上述理论。
表1.22SAR值不同的污水现场试验结果〔2〕
注：硬度以CaCO3计（mg/L）。
（2）把Na-Ca交换方程应用于实际是比较可靠的。表1.21中（Cax+Mgx）的实测值及计算值相差很小，说明了这一点。其计算方法如下：以计算SAR=0.73的水为例，将0.73代入表1.20中的方程3，求得ESR=0.038；将此值及CEC值（8.96）代入（1.162）式，求得Nax=0.328meq/100g；将CEC值减去Nax值，即为（Cax+Mgx）值（因为土中吸附的阳离子主要是Na+、Ca2+和Mg2+），其值为8.63meq/100g。
SAR值不仅在研究Na-Ca交换反应中是重要的，而且它是灌溉水质的一个重要参数。前面谈到，SAR高的水，在水岩作用过程中，引起水中的Na+被吸附到固相颗粒表面上，2个Na+交换一个Ca2+或Mg2+（等当量交换）。因为2个Na2＋的大小比一个Ca2+或Mg2+大，因而引起土壤的透气性减小，产生板结及盐碱化。有关SAR值的灌溉水质标准可参考有关文献。本书不详述。
4. 土壤阳离子交换作用有哪些特点
土壤阳离子抄交换量是袭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。
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。
5. 阳离子交换作用特点
阳离子交换作用特点
土壤阳离子交换是一个可逆的反应,可以迅速达到平衡,而且是等价离子交换,也服从质量作用定律.
土壤阳离子交换是一个可逆的反应,可以迅速达到平衡,而且是等价离子交换,也服从质量作用定律.
6. 影响阳离子交换能力的因素有哪些
土壤溶液来中的阳离子进行交自换，称为阳离子的交换作用。影响因素有——（1）阳离子的代换能力随离子价数的增加而增大，因为高价阳离子的电荷量大、电性强所以代换能力也大，各种阳离子代换力的大小顺序：Na+<K+<NH4+<Mg2+<Ca2+<H+<Al3+<Fe3+（2）等价离子代换能力的大小，随原子序数的增加而增大（3）离子运动速度愈大，交换力愈强（4）阳离子的相对浓度及交换生成物的性质。
影响土壤阳离子交换量的因素有:阳离子交换量：每千克干土中所含的全部阳离子总量，以厘摩尔（+）每千克土或 c mol(+)kg的-1次幂表示。影响因素——（1）胶体的种类，有机胶体>无机胶体，有机质高的>有机质低的，次生铝硅酸盐（2:1>1:1）>次生氧化物（2）溶液的pH值（3）土壤质地，质地愈细交换量愈高。
7. 阳离子交换树脂的用途和原理
(1)
强酸性阳离子树脂
这类树脂含有大量的强酸性基团，如磺酸基－so3h，容易在溶液中离解出h+，故呈强酸性。树脂离解后，本体所含的负电基团，如so3－，能吸附结合溶液中的其他阳离子。这两个反应使树脂中的h+与溶液中的阳离子互相交换。强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用。
树脂在使用一段时间后，要进行再生处理，即用化学药品使离子交换反应以相反方向进行，使树脂的官能基团回复原来状态，以供再次使用。如上述的阳离子树脂是用强酸进行再生处理，此时树脂放出被吸附的阳离子，再与h+结合而恢复原来的组成。
(2)
弱酸性阳离子树脂
这类树脂含弱酸性基团，如羧基－cooh，能在水中离解出h+
而呈酸性。树脂离解后余下的负电基团，如r-coo－(r为碳氢基团)，能与溶液中的其他阳离子吸附结合，从而产生阳离子交换作用。这种树脂的酸性即离解性较弱，在低ph下难以离解和进行离子交换，只能在碱性、中性或微酸性溶液中(如ph5～14)起作用。这类树脂亦是用酸进行再生(比强酸性树脂较易再生)。
(3)
强碱性阴离子树脂
这类树脂含有强碱性基团，如季胺基(亦称四级胺基)－nr3oh(r为碳氢基团)，能在水中离解出oh－而呈强碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。
这种树脂的离解性很强，在不同ph下都能正常工作。它用强碱(如naoh)进行再生。
(4)
弱碱性阴离子树脂
这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基(亦称一级胺基)-nh2、仲胺基(二级胺基)-nhr、或叔胺基(三级胺基)-nr2，它们在水中能离解出oh－而呈弱碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性条件(如ph1～9)下工作。它可用na2co3、nh4oh进行再生。
8. 阳离子交换膜作用
1、可装配成电渗析器而用于苦咸水的淡化和盐溶液的浓缩。
2、也可应用于甘油、聚乙二醇的除盐，分离各种离子与放射性元素、同位素，分级分离氨基酸等。
3、在有机和无机化合物的纯化、原子能工业中放射性废液的处理与核燃料的制备，以及燃料电池隔膜与离子选择性电极中，也都采用离子交换膜。
4、离子交换膜在膜技术领域中占有重要的地位，它对仿生膜研究也将起重要作用
9. 阳离子交换树脂的作用是什么
液体通过交换树脂，树脂官能团上的离子与水中阳离子相互交换。
10. 土壤阳离子交换作用的特征有哪些
土壤阳离子交换是一个可逆的反应,可以迅速达到平衡,而且是等价离子交换,也服从质量作用定律.