離子交換與吸附應用

A. 樹脂對 重金屬的去除作用是離子交換和吸附作用兩者的區別是什麼

離子交換樹脂都是用有機合成方法製成。常用的原料為苯乙烯或丙烯酸(酯)，通過聚合反應生成具有三維空間立體網路結構的骨架，再在骨架上導應用
1）水處理
水處理領域離子交換樹脂的需求量很大，約占離子交換樹脂產量的90%，用於水中的各種陰陽離子的去除。目前，離子交換樹脂的最大消耗量是用在火力發電廠的純水處理上，其次是原子能、半導體、電子工業等。

2）食品工業
離子交換樹脂可用於製糖、味精、酒的精製、生物製品等工業裝置上。例如：高果糖漿的製造是由玉米中萃出澱粉後，再經水解反應，產生葡萄糖與果糖，而後經離子交換處理，可以生成高果糖漿。離子交換樹脂在食品工業中的消耗量僅次於水處理。

3）制葯行業
制葯工業離子交換樹脂對發展新一代的抗菌素及對原有抗菌素的質量改良具有重要作用。鏈黴素的開發成功即是突出的例子。近年還在中葯提成等方面有所研究。

4）合成化學和石油化學工業
在有機合成中常用酸和鹼作催化劑進行酯化、水解、酯交換、水合等反應。用離子交換樹脂代替無機酸、鹼，同樣可進行上述反應，且優點更多。如樹脂可反復使用，產品容易分離，反應器不會被腐蝕，不污染環境，反應容易控制等。
甲基叔丁基醚（MTBE）的制備，就是用大孔型離子交換樹脂作催化劑，由異丁烯與甲醇反應而成，代替了原有的可對環境造成嚴重污染的四乙基鉛。

5）環境保護
離子交換樹脂已應用在許多非常受關注的環境保護問題上。目前，許多水溶液或非水溶液中含有有毒離子或非離子物質，這些可用樹脂進行回收使用。如去除電鍍廢液中的金屬離子，回收電影製片廢液里的有用物質等。

6）濕法冶金及其他
離子交換樹脂可以從貧鈾礦里分離、濃縮、提純鈾及提取稀土元素和貴金屬。

其他補充：
離子交換技術有相當長的歷史，某些天然物質如泡沸石和用煤經過磺化製得的磺化煤都可用作離子交換劑。但是，隨著現代有機合成工業技術的迅速發展，研究製成了許多種性能優良的離子交換樹脂，並開發了多種新的應用方法，離子交換技術迅速發展，在許多行業特別是高新科技產業和科研領域中廣泛應用。近年國內外生產的樹脂品種達數百種，年產量數十萬噸。
在工業應用中，離子交換樹脂的優點主要是處理能力大，脫色范圍廣，脫色容量高，能除去各種不同的離子，可以反復再生使用，工作壽命長，運行費用較低(雖然一次投入費用較大)。以離子交換樹脂為基礎的多種新技術，如色譜分離法、離子排斥法、電滲析法等，各具獨特的功能，可以進行各種特殊的工作，是其他方法難以做到的。離子交換技術的開發和應用還在迅速發展之中。
離子交換樹脂的應用，是近年國內外製糖工業的一個重點研究課題，是糖業現代化的重要標志。膜分離技術在糖業的應用也受到廣泛的研究。

離子交換樹脂都是用有機合成方法製成。常用的原料為苯乙烯或丙烯酸(酯)，通過聚合反應生成具有三維空間立體網路結構的骨架，再在骨架上導入不同類型的化學活性基團(通常為酸性或鹼性基團)而製成。
離子交換樹脂不溶於水和一般溶劑。大多數製成顆粒狀，也有一些製成纖維狀或粉狀。樹脂顆粒的尺寸一般在0.3～1.2mm 范圍內，大部分在0.4～0.6mm之間。它們有較高的機械強度(堅牢性)，化學性質也很穩定，在正常情況下有較長的使用壽命。
離子交換樹脂中含有一種(或幾種)化學活性基團，它即是交換官能團，在水溶液中能離解出某些陽離子(如H+或Na+)或陰離子(如OH－或Cl－)，同時吸附溶液中原來存有的其他陽離子或陰離子。即樹脂中的離子與溶液中的離子互相交換，從而將溶液中的離子分離出來。
廣泛的應用於水處理領域。

B. 吸附法和離子交換法

以各類陰、陽離子交換樹脂為固定相的離子交換法，以萃淋樹脂為固定相的萃淋法回，以螯合答樹脂、螯合纖維、活性炭、聚氨酯泡沫塑料、巰基棉及黃原脂棉等固定相的螯合-吸附法以廣泛用於貴金屬的分離與富集。

在HCl介質中，貴金屬氯配陰離子與陰離子交換樹脂相互作用的強度決定於配陰離子的電荷數，其中雙電荷的［PtCl₄］^2-、［PdCl₄］^2-、［PtCl₆］^2-、［IrCl₆］^2-、［RuCl₆］^2-、［OsCl₆］^2-牢固地吸附於樹脂上，而三電荷的［IrCl₆］^3-、［RhCl₆］^3-、［RuCl₆］^3-僅有很弱的親和力。銠、釕的配合物。由於其配合物在溶液中電荷的可變性，因此它們的吸附強度也隨其電荷數而變化。在實際應用中應考慮這一特性。

C. 根部離子交換吸附原理

根系吸收礦質的來過程
1.離子被吸附源在根系細胞表面
Ø根部細胞呼吸作用放出CO2和H2O。CO2溶於水生成H2CO3, H2CO3能解離出H+和HCO3－離子,這些離子同土壤溶液和土壤膠粒上吸附的離子交換，如K+、Cl-、NCO3－等進行交換,使土壤中的離子被吸附到根表面。
Ø離子交換按「同荷等價」的原理進行,即陽離子只同陽離子交換,陰離子只能同陰離子交換,而且價數必須相等。
Ø根系還可分泌出一些檸檬酸、蘋果酸等有機酸來溶解一些難溶性鹽類，並進一步加以吸收。岩石縫中生長的樹木、岩石表面的地衣等植物就是通過這種方式來獲取礦質營養的。

D. 試述土壤的離子交換和吸附作用對污染物遷移轉化的影響。

吸附作用對污染物在土壤中的質體流動轉移有影響，污染物在土壤中的移動距離大小順序與吸附系數大小順序一般相反，即吸附強，移動就越不容易。離子交換的選擇性較高，適用於較高純度的分離和凈化。

E. 離子交換法和吸附法在處理污水時的運行機理有何異同

離子抄交換法是屬於襲化學反滲透，吸附法屬於物理分離。
拓展閱讀：污水處理 (sewage treatment,wastewater treatment)：為使污水達到排水某一水體或再次使用的水質要求對其進行凈化的過程。污水處理被廣泛應用於建築、農業，交通、能源、石化、環保、城市景觀、醫療、餐飲等各個領域，也越來越多地走進尋常百姓的日常生活。

F. 什麼是離子交換吸附劑

離子交換，就是將溶液中的離子與某一物質發生反應，溶液中的離子結合到物內質上，而容原物質上的離子進入溶液。
1、同一溶液中的離子交換：
Na2SO4 + BaCl2 = BaSO4 + 2NaCl
可以認為硫酸根和氯離子相互交換陽離子，當然也可以說，鈉離子和鋇離子相互交換陰離子。
2、不同液體中的交換（化學萃取）：
H2[ZnCl4] + 2RNH3Cl = (RNH3)2[ZnCl4] + 2HCl
R = 長碳鏈烴基
3、溶液和固體中的交換：
1) NaAl11O17 + K(+) = KAl11O17 + Na(+)
2) Ca(2+) + 2HO3S-R = Ca(O3S-R)2 + 2H(+)
1)為無機固體離子交換材料與溶液中的離子交換；
2）為離子交換樹脂與溶液中的離子交換
通常所說的離子交換是指2和3兩種情況，尤其以3中的2)這種離子交換為主。

G. 離子交換樹脂吸附的原理

離子交換樹脂是一類具有離子交換功能的高分子材料。在溶液中它能將本身的離子與溶液中的同號離子進行交換。按交換基團性質的不同，離子交換樹脂可分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩類。
陽離子交換樹脂大都含有磺酸基（—SO3H）、羧基（—COOH）或苯酚基（—C6H4OH）等酸性基團，其中的氫離子能與溶液中的金屬離子或其他陽離子進行交換。例如苯乙烯和二乙烯苯的高聚物經磺化處理得到強酸性陽離子交換樹脂，其結構式可簡單表示為R—SO3H，式中R代表樹脂母體，其交換原理為 2R—SO3H＋Ca2+——（R—SO3）2Ca＋2H+
這也是硬水軟化的原理。
陰離子交換樹脂含有季胺基[-N（CH3）3OH]、胺基（—NH2）或亞胺基（—NH2）等鹼性基團。它們在水中能生成OH-離子，可與各種陰離子起交換作用，其交換原理為
R—N（CH3）3OH＋Cl- ——R—N（CH3）3Cl＋OH-
由於離子交換作用是可逆的，因此用過的離子交換樹脂一般用適當濃度的無機酸或鹼進行洗滌，可恢復到原狀態而重復使用，這一過程稱為再生。陽離子交換樹脂可用稀鹽酸、稀硫酸等溶液淋洗；陰離子交換樹脂可用氫氧化鈉等溶液處理，進行再生。
離子交換樹脂的用途很廣，主要用於分離和提純。例如用於硬水軟化和製取去離子水、回收工業廢水中的金屬、分離稀有金屬和貴金屬、分離和提純抗生素等。

H. 吸附法和離子交換法異同

吸附法有物理吸附和化學吸附之分，物理吸附如活性炭，把待吸附物吸附在本身的表面專，但是可逆過程，化學屬吸附是通過化學反應將待吸附物吸附，是不可逆的。而離子交換是在溶液或某種介質下兩種物質中得離子發生交換，達到去除某種離子的目的

I. 試述土壤中陽離子交換與吸附作用對污染物的遷移轉化的影響

陽離子交換使土壤比較重要的性質之一，使土壤本身的特有屬性，主要原因就是土壤膠體的負電特性，其電荷分為可變電荷和固定電荷，當pH較低時（到達等電點時），整個性質就會發生變化。陽離子交換，顧名思義，負電荷的土壤膠體表面吸附有一些可交換態的陽離子如K、Mg、Ca等，當污染物特別是重金屬類物質與土壤接觸時，由於其於土壤膠體表面基團具有更強的結合能力，從而取代部分正電性基團，但是陽離子交換過程並不穩定，屬於靜電作用，因此自身並不穩定，如上述內容所說，易受pH影響，低pH條件下容易被淋洗。同時由於其具有很強的水溶性，因此生物有效性較高，容易被動植物吸收而貯藏在體內，是土壤化學反應較為活躍的一部分，受土壤環境影響較大。

吸附作用是一種泛稱，涉及內容較多，分配、離子交換、絡合等都包括在內，以有機質吸附為例，土壤環境中存在很多的有機污染物如農葯（有機氯、有機磷）、PAH、PCBs等，通過分配作用，這些污染物易與土壤中的腐殖質、植物殘體、黑炭等結合，這一過程既可以促進有機污染物的分解，也可以抑制該過程。例如一些污染物進入當碳粒內部，從而抑制微生物的降解，也就限制了污染物的降解，但是也有一部分可能絡合在碳顆粒表面，碳粒表層有較大的比表面積，提供了大量的微生物附著位點，為其降解提供了條件，本身也可以當做電子受體。
這一問題應因具體環境而異，因污染物性質變化而異，環境是復雜的體系，具體結果如何完全看如何讀復雜過程進行解讀，現在很多過程還是無法解釋清楚的，我們目前位置更多的是控制條件，找出影響因素，因此並不是雖有條件都適用的。

J. 離子交換樹脂和吸附樹脂使用中應該注意那些問題

樹脂使用時的注意事項：

1.樹脂在使用的過程中，要防止與金屬、油污、有機分子回微生物、強氧化劑等接觸，否則答可能會造成樹脂的離子交換能力下降，嚴重的話可能會導致樹脂失去效果。

2.當樹脂需要更換時，廢舊樹脂不能隨便處理，要將樹脂裝入容器中，交給專業單位進行處理，防止污染環境。

3.在一定的條件下，氧化性試劑（如硝酸）會侵蝕有機的離子交換樹脂。這種影響可能小到只會導致輕微的樹脂降解，大到會導致劇烈的放熱反應（如爆炸）。在使用強氧化劑之前，要先向技術人員或者有經驗的人員咨詢。

4. 樹脂內含有反應溶劑、還沒有參加反應的物質和一些低分子量的聚合物，還有一些雜質，在使用的時候，一些雜質就會一起流入水裡，在一開始就污染了水質，所以新樹脂在使用之前要進行預處理。

5.樹脂最好不要用手直接接觸，防止引起皮膚過敏，如果直接用手接觸，需要用清水清洗干凈，萬一誤食，應立即到醫院處理。