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㈡ 阳离子交换
1.阳离子交换
按质量作用定律，阳离子交换反应可以表示为
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为吸附在固体颗粒表面的离子；方括号指活度。
在海水入侵过程中，准确模拟阳离子交换作用是预测阳离子在含水层中运移的前提条件。按照质量作用定律可以用一个平衡常数把离子交换作为一种反应来描述。例如Na+、Ca2+的交换：
水文地球化学基础
平衡常数为：
水文地球化学基础
式（3—115）表明，交换反应是等当量的，是个可逆过程；两个Na+交换一个Ca2+。如果水中的Na+与吸附在固体颗粒表面的Ca2+（即CaX）交换，则反应向右进行；反之，则向左进行。如果反应向右进行，Ca2+是解吸过程，而Na+是吸附过程。所以，阳离子交换实际上是一个吸附—解吸过程。Na+、Ca2+的交换是一种最广泛的阳离子交换。当海水入侵淡水含水层时，由于海水中Na+远高于淡水，而且淡水含水层颗粒表面可交换的阳离子主要是Ca2+，因此产生Na+、Ca2+之间的离子交换，Na+被吸附而Ca2+被解吸，方程（3—115）向右进行；当淡水渗入海相地层时，则Na+被解吸而Ca2+被吸附，反应向左进行。
2.质量作用方程
描述离子交换反应的方程式有多种，通常主要是通过对实验数据的最佳拟合来决定选择哪一种方程式，众多的研究者很难达成一致（Gaines et al.，1953；Vanselow，1932；Gapon，1933；Appelo et al.，1993；Grolimund et al.，1995；Vulava et al.，2000），因为目前并没有一个统一的理论来计算吸附剂上的离子活度，而前面提到的迪拜—休克尔方程、戴维斯方程都是适用于水溶液中的离子活度计算。
交换性阳离子活度有时用摩尔分数来计算，但更为常用的是当量分数作为交换位的数量分数或者作为交换性阳离子的数量分数。在一种理想的标准状态下，交换剂只被一种离子完全占据，交换离子的活度等于1。对于等价交换使用哪一种方程式没有区别，但是对于非等价交换影响十分显著（Grolimund et al.，1995；Vulava et al.，2000）。所有的模型都有相同的函数形式：
水文地球化学基础
即为交换位浓度（单位质量吸附剂的摩尔数）与无单位函数 （ ， ）和 （ ， ）的乘积。这些函数依赖于溶液中阳离子的活度。
海水入侵过程中的交换反应主要为Na+与Ca2+之间的交换，通常写作：
水文地球化学基础
X为—1价的表面交换位，交换位X的总浓度为
水文地球化学基础
式中：S指每单位质量固体的总交换位浓度，mol/g。这种情况下S的量等于阳离子交换容量（只要单位换算统一即可）。
水文地球化学基础
式（3—120）的书写方式符合Gaines—Thomas方程式，Gaines（盖恩斯）和Thomas（托马斯）（1995）最先给出交换性阳离子热动力学标准态的严格定义。它使用交换性阳离子的当量分数作为吸附离子的活度。若式（3—120）使用摩尔分数，则遵守Vanselow（1932）公式。
如果假定吸附阳离子的活度和被离子占据的交换位的数目成正比，反应式（3—115）则可写成
水文地球化学基础
式（3—122）符合Gapon（加蓬）方程式。在Gapon方程式中，摩尔分数和当量分数是一样的，都是电荷为—1的单一交换位。
还有一种交换形式为：
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Y指交换位的电荷为—2，这种反应式同样是交换反应的一种有效热力学描述。它假定交换位Y的总浓度为
水文地球化学基础
S则为阳离子交换容量的二分之一。Cernik（采尔尼克）等根据当量分数利用反应式（3—123），将交换系数表示为：
水文地球化学基础
3.质量作用方程拟合
利用Gaines—Thomas（GT）方程式、Vanselow（VS）方程式和Gapon（GP）方程式对在砂样中进行的试验所获得的数据进行拟合，根据拟合结果作出 Na+、Ca2+、Mg2+、K+吸附等温线（刘茜，2007），如图3—4～图3—7所示。
图3—4 Na+吸附等温线和拟合数据
由吸附等温线可以看出，砂样对Na+、Mg2+、K+的吸附量均随着溶液中离子浓度的增加而逐渐增加，而Ca2+发生解吸。图3—4中，砂样对Na+的吸附量随溶液中离子浓度的增加而缓慢增加。图3—5中，在Ca2+浓度较低时，解吸量迅速增大，当Ca2+浓度较高时，随浓度增加解吸量增加缓慢，逐渐趋于平稳状态。
图3—6中Mg2+浓度较低时，吸附量增加较慢，在较高浓度时增加较快，但并没有出现Ca2+的解吸等温线中的平稳状态，依然为直线型，且直线的斜率大于低浓度状态时的斜率，说明Na+、Mg2+的吸附速率在低浓度（海水含量为20%左右）时较小，在高浓度时，吸附速率变大；Ca2+的解吸在高浓度时基本达到平衡，而Na+、Mg2+还有增长趋势，也较好证明了试验所用砂样的交换位主要为Ca2+所占据。图3—7中K+实测值的吸附等温线则没有出现Ca2+、Na+、Mg2+的规律，虽然整体上随着溶液离子浓度的增加，吸附量也是增长趋势，但并没有出现直线规律。究其原因，主要是阳离子交换吸附作用不大，主要是化学吸附，因为K+的水化膜较薄，所以有较强的结合力，K+被吸附后，大多被牢固吸附在黏土矿物晶格中。
图3—5 Ca2+吸附等温线和拟合数据
图3—6 Mg2+吸附等温线和拟合数据
图3—7 K+吸附等温式和拟合数据
由吸附等温线模拟图（图3—4～图3—7）及公式与试验数据拟合的相关系数（表3—17）看出，GT方程式拟合效果较好，能够很好地预测离子交换趋势。因此，在多组分离子交换模拟计算中采用Gaines—Thomas方程，为阳离子交换的定量研究提供了依据。
表3—17 GT、GP、VS方程式拟合的相关系数
所以根据Gaines—Thomas方程式（3—126）～式（3—131）计算离子交换系数（表3—18）。由于 9 种配比浓度的离子强度不同，所以各自的交换系数也有所差别。对比 、 、 可知3种离子的吸附亲和力顺序为Mg2+＞K+＞Na+。但是由于海水中Na+、Mg2+含量远远高于地下水，尤其是Na+的含量比地下水高出3个数量级，因此，海水入侵过程中以Ca2+、Na+交换为主，其次为Ca2+、Mg2+交换，交换量最少的为Ca2+、K+。
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表3—18 试验土样不同浓度下的交换系数
㈢ AgF+KBr化学方程式
AgF+KBr化学方程式：
氟化银吸湿性极强，易溶于水，而溴化银极难溶于水。因此AgF+KBr形成溴化银沉淀，同时形成氟化钾。反应方程式如下：
㈣ 离子交换柱交换过程化学方程式
强酸型阳离子交换树脂：R-SO3H （有许多SO3H基团）
强碱型阴离子交换树脂：[R4N]OH （有许多内OH基团）
R-SO3H + M(+) = RSO3M + H(+) 将所有阳离容子吸附到树脂上，释放出H(+)；
[R4N]OH + X(-) = [R4N]X + OH(-) 将所有阴离子吸附到树脂上，释放出OH(-)；
H(+) + OH(-) = H2O 阳离子交换产生的H(+)与阴离子交换产生的OH(-)结合成水。
㈤ 图1是氯碱工业中离子交换膜电解槽示意图，其中离子交换膜是“阳离子交换膜”，它有一特殊的性质——只允
⑴、来Ca 2+ +CO 2 O + O 2 ↑ ③、NaOH，H 2 O（加少量稀硫酸）。
㈥ 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。
㈦ （14分）Ⅰ.氯碱工业中常用离子交换膜法电解制碱（如图1所示）。 （1）写出图1中阴极的电极反应式
(除标注外，每空2分，共14 分) Ⅰ（1）2H 2 O + 2e — = H 2 ↑ + 2OH — 或2H + + 2e — = H 2 ↑ (2)缺阴离子交换膜 （3分，合理答案均计分） Ⅱ（1）收集少量气体，将气体通入品红溶液中，观察到品红溶液褪色，加热又恢复原色（合理答案均计分） （2） 5SO 2 + 2H 2 O + 2KMnO 4 = K 2 SO 4 + 2MnSO 4 + 2H 2 SO 4 （3） 1:1:3 （4） MoS 2 (s) + 6MoO 3 (s) = 7MoO 2 (s) + 2SO 2 (g)△H=＋67KJ/mol （3分）
㈧ 离子交换树脂系统的介绍
离子交换树脂常用于原水处理的有钠型阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，全名称由分类名称、骨架(或基因)名称、基本名称构成。根据树脂的酸碱性分，属酸性的在名称前加“阳”，强酸性阳离子树脂与NaCl作用，转变为钠型树脂使用，就叫做“钠型阳离子交换树脂”。属碱性的在名称前加“阴”。
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，使树脂的官能基团恢复原来状态，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。 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
㈨ 用化学方程式说明什么是离子交换反应
NaOH+HCl=NaCl+H2O
㈩ 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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发布：2025-06-19 10:01:43
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