常用阳离子交换

㈠ 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：K_A—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：

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平衡常数为：

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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：

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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：

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X为—1价的表面交换位，交换位X的总浓度为

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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）。

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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

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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

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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：

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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

㈡ 2. 阳离子交换的原则是什么

离子交换树脂在水处理中的应用基于一种独特的化学反应机制。当含有特定离子的水与树脂接触时，树脂会与水中的离子进行交换，从而达到净化水的效果。例如，H型阳离子交换树脂遇到含有Ca2+和Na+的水时，会发生如下反应：2RH + Ca2+ → R2Ca + 2H+，RH + Na+ → RNa + H+。这里，树脂上的H+和Na+离子与水中的Ca2+和Na+离子进行交换。同样，OH型阴离子交换树脂遇到含有Cl-和SO42-的水时，反应如下：ROH + Cl- → RCl + OH-，2ROH + SO42- → R2SO4 +2OH-。这些反应的结果是水中的杂质离子（如Ca2+、Na+、Cl-、SO42-等）被树脂吸附，树脂则转变为Ca型、Na型和Cl型SO4型，而树脂上的H+和OH-则进入水中，相互结合形成水，从而去除水中的杂质离子，制备出纯水。

离子交换树脂之所以能够与水中的离子进行交换，是因为树脂本身具有可交换的活性离子。此外，由于离子交换树脂具有多孔结构，即树脂颗粒内部存在许多水能够渗透的小网孔，这使得树脂与水有较大的接触面，不仅可以在树脂颗粒的外表面进行离子交换，还可以在与水接触的网孔内进行这一过程。这种多孔结构增加了树脂的活性位点，提高了其交换能力。

离子交换树脂的多孔结构还赋予了其较高的机械强度和化学稳定性。树脂颗粒内部的网孔可以容纳更多的水分子，从而提高了树脂的吸水性和吸附能力。这种结构不仅有利于离子交换过程的进行，还使得树脂在使用过程中更加耐用，不易破碎或损坏。

在实际应用中，离子交换树脂通常会与多种其他处理技术结合使用，以实现更高效的水处理效果。例如，它可以与反渗透、超滤等技术配合使用，进一步去除水中的杂质。此外，通过选择不同类型的离子交换树脂，可以根据需要去除特定类型的离子，从而实现对水质的精细化调控。

离子交换树脂在水处理领域的应用已经非常广泛，不仅限于去除水中的杂质离子，还可以用于去除重金属离子、有机污染物等。随着技术的进步，离子交换树脂的应用范围还将不断扩大，为水资源的保护和利用提供更加有效的解决方案。

㈢ 土壤阳离子交换量怎么算

在一定的pH值条件下（一般pH为7），每千克干土所吸收的全部交换性阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、H+、Al3+等)总量。

常用单位：每千克厘摩尔数cmol(+)/kg土

国际单位：mmol/kg土

(3)常用阳离子交换扩展阅读：

土壤阳离子交换量(CEC)的大小，基本上代表了土壤可能保持的养分数量，即保肥性的高低。阳离子交换量的大小，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。

b、土壤质地越细，其阳离子交换量越高。

c、对于实际的土壤而言，土壤黏土矿物的SiO2/R2O3比率越高，其交换量就越大。

d、土壤溶液pH值，因为土壤胶体微粒表面的羟基（OH）的解离受介质pH值的影响，当介质pH值降低时，土壤胶体微粒表面所负电荷也减少，其阳离子交换量也降低；反之就增大。

㈣ 离子交换纤维素色谱法离子交换的分类及常见种类

离子交换纤维素色谱法主要依据离子交换剂的类型和特性进行分类，包括阳离子交换剂和阴离子交换剂，这两类又可以根据解离性强弱进一步细分为强酸性和弱酸性、强碱性和弱碱性。

1. 阳离子交换剂，如磺酸、磷酸、羧酸和酚羟基等酸性基团的交换剂，如国产的1×7树脂和国际品牌的Dowex 50、Zerolit 225，它们属于强酸型。反应方式包括强酸性R-SO3-H++Na+ R-SO3- Na+H+和弱酸性R-COOH+Na+ R-COONa+H+。

2. 阴离子交换剂，如伯胺、仲胺、叔胺和季胺等碱性基团的交换剂，如国产的#201号树脂和Dowex 1、Dowex 2、ZerolitFF，它们属于强碱型。反应方式有强碱性R-N+（CH3）2 H·OH-+Cl R-N+（CH3）2 Cl+OH-和弱碱性R-N+（CH3）2 H·OH-+Cl R-N+（CH3）2 HCl+OH-。

离子交换剂种类丰富，例如纤维素离子交换剂有CM-纤维素（阳离子）和氯代三乙胺纤维纱（DESE-纤维素，阴离子）。交联葡聚糖离子交换剂如Sephadex，有阴离子和阳离子两种，如DEAE-Sephadex A-25、A-50和CM-Sephadex C-50等，英文字头A代表阴离子，C代表阳离子，数字表示型号。琼脂糖离子交换剂如DEAE-Sephades和CM-Sepharose，是通过DESE-或CM-基团附着在Sepharose CL-6B上制成，具有优良的分离性能和稳定性。

Sober和Peterson于1956年首次将离子交换基团结合到纤维素上，制成了离子交换纤维素，成功地应用于蛋白质的分离。从此使生物大分子的分级分离方法取得了迅速的发展。离子交换基团不但可结合到纤维上，还可结合到交联葡聚糖（S-ephadex）和琼脂糖凝胶（Sepharose）上。近年来离子交换色谱技术已经广泛应用于蛋白质、酶、核酸、肽、寡核苷酸、病毒、噬菌体和多糖的分离和纯化。

㈤ 阳离子交换能力大小顺序

阳离子交换能力大小顺序：Fe3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞K+≈NH4+＞Na+＞Li+。

离子交换树脂对水中各种离子的交换能力是不同的，即有些离子易被离子交换树脂吸着，但吸着后要把它解吸下来就比较困难；反之，有些离子则难被离子交换树脂吸着，但易被解吸，这种性能称为离子交换树脂的选择性。这种选择性影响到离子交换树脂的交换和再生过程。

含义

如水中的K+会被岩土吸附，而置换岩土吸附的Na+到水中。但是当某种离子的相对浓度增大，则其交替吸附能力也随之增大，如海水入侵陆相沉积物（淡水含水层）时，水中的Na+将置换岩土吸附的部分Ca2+，形成富含Ca2+的地下水。

以上内容参考：网络-阳离子交换作用