離子交換的規律

1. 離子交換怎麼試驗

離子交換法是一種藉助於離子交換劑上的離子和廢水中的離子進行交換反應而除去廢水中有害離子的方法。離子交換是一種特殊吸附過程，通常是可逆性化學吸附；其特點是吸附水中離子化物質，並進行等電荷的離子交換。
離子交換劑分無機的離子交換劑如天然沸石，人工合成沸石，及有機的離子交換劑如磺化煤和各種離子交換樹脂。
在應用離子交換法進行水處理時，需要根據離子交換樹脂的性能設計離子交換設備，決定交換設備的運行周期和再生處理。通過本實驗希望達到下述目的：
1) 加深對離子交換基本理論的理解；學會離子交換樹脂的鑒別；
2) 學會離子交換設備操作方法；
3) 學會使用手持式鹽度計，掌握pH計、電導率儀的校正及測量方法。
二、實驗內容和原理
由於離子交換樹脂具有交換基因，其中的可游離交換離子能與水中的同性離子進行等當量交換。 用酸性陽離子交換樹脂除去水中陽離子，反應式如下：
nRH + M+n → RnM + nH+
M——陽離子 n——離子價數
R——交換樹脂
用鹼性陰離子交換樹脂除去水中的陰離子，反應式如下：
nROH + Y−n → RnY + nOH-
Y——陰離子
離子交換法是固體吸附的一種特殊形式，因此也可以用解吸法來解吸，進行樹脂再生。
本實驗採用自來水為進水，進行離子交換處理。因為自來水中含有較多量的陰、陽離
子，如Cl¯， NH4+，Ca，Mg，Fe，Al，K，Na等。在某些工農業生產、科研、醫療衛生等工作中所用的水，以及某些廢水深度處理過程中，都需要除去水中的這些離子。而採用離子交換樹脂來達到目的是可行的方法。

2. 多組分變化規律

海水入侵是一個多組分的對流—彌散運移過程，伴隨著離子交換和碳酸鹽、硫酸鹽等礦物的溶解沉澱。設計中型土柱試驗，模擬一維對流—彌散條件下的海水入侵過程，分析驅替過程中多組分離子交換和礦物溶解/沉澱規律（任加國，2007）。下面以實例進行說明。

1.試驗裝量

海水入侵試驗採用定水頭水流系統，主要由定水頭裝置、滲流柱和流出液測量系統三部分組成，試驗裝置如圖3—8所示。土柱由有機玻璃柱組成，帶有進水口和取樣口。

圖3—8 試驗裝置示意圖

1—馬氏瓶；2—塞子；3—玻璃管；4—泵；5—水槽；6—定水頭管；7—止水夾；8—滲流柱；9—量筒；10—篩絹；11—玻璃彎管；12—橡膠管；13—支架；14—墊板

定水頭裝置是帶有進水口、匯水口和注水口的容器，匯水口起到定水位的作用，即控制上端注水口的位置，使多餘的水或溶液從匯水口流出，保證始終有少量水緩慢流出，使瓶內水位保持不變，水頭差控制為2cm。滲流柱的進水端採用三通閥門，先通入地下淡水，直至流出液的電導率恆定；然後，用海水驅替地下淡水，定時收集流出液，測定pH值、體積、電導率和離子濃度，直至流出液中各離子成分的含量與海水中相應離子含量相同。

2.結果分析

通過用海水驅替飽和土柱中的地下水，模擬海水入侵時的狀況，測定流出液中各離子成分的含量，試驗結果如圖3—9所示。

從圖3—9中可以看出，在驅替過程中，開始時流出液主要為地下淡水，各離子成分變化不大，當流出液體積達到500mL時，溶液中Cl^—濃度迅速增大，之後增加緩慢，最終趨於穩定。由於Cl^—不參與反應，可以作為示蹤劑，故以Cl^—為對照來分析其他離子濃度的變化。隨Cl^—濃度的增加，其他離子的濃度也發生較大變化，結果分析如下：

1）流出液中Na⁺濃度的增加比Cl^—緩慢，達到穩定所需時間較長，表明海水與含水介質之間存在陽離子交換，Na⁺被含水介質吸附。

2）流出液中Ca²⁺濃度的變化較大，隨Cl^—濃度的增加迅速增大，當流出液體積為500～800mL時，Ca²⁺濃度遠遠高於當地海水（289.30mg/L）和地下淡水（90.53mg/L）中Ca²⁺含量，這是由於陽離子交換作用使含水介質中的Ca²⁺被解吸，流出液Ca²⁺濃度增加並高於海水中Ca²⁺的濃度。當流出液體積為580mL時，Ca²⁺濃度達到峰值，之後逐漸減少，最終趨於海水中Ca²⁺的含量。

圖3—9 海水入侵過程中離子濃度變化曲線

3）Mg²⁺濃度的變化在流出液體積較小時，與Ca²⁺變化相似，但當Ca²⁺濃度達到最高值時，Mg²⁺有一個變化平緩的「台階」階段，隨後變化與Na⁺相似。分析試驗數據可得地下淡水中

值為4.737，即在原先的平衡體系中，溶液中Ca²⁺的當量濃度是Mg²⁺的4.737倍。隨著溶液中含鹽量的增高，為維持原有的平衡，Ca²⁺隨著Mg²⁺的增加而急劇增長，此時主要表現為Na⁺、Ca²⁺交換。當Na⁺、Ca²⁺交換達到極限時，交換出的Ca²⁺不再增加，為維持平衡，Mg²⁺開始進行陽離子交換。圖3—9中表現為Mg²⁺的「台階」階段，Ca²⁺的「頂峰」階段，隨後溶液的平衡被打破，流出液中的Ca²⁺濃度開始下降，最後Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺均趨於穩定。

4）驅替過程中K⁺濃度變化較小，K⁺、Ca²⁺交換量也很小，K⁺主要表現為化學吸附作用。

5）

濃度呈波動式變化，說明海水入侵過程中可能存在著方解石及其他礦物的溶解沉澱作用；

的變化趨勢與Cl^—較為一致，Ca²⁺濃度急劇增加，可能發生了石膏礦物的溶解沉澱作用。

3. 在水處理實際應用中，離子交換樹脂選擇順序如何有什麼規律

陽離子交換樹脂在稀溶液中的的選擇性順序如下：Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+≈NH4+>Na+>H+
這可歸納為①離子所帶電荷越大，越內易被吸容著；②當離子所帶電荷量相同時，離子水合半徑較小的易被吸著。
弱酸性陽樹脂對H+的選擇性向前移動，羧酸型樹脂對H+的選擇性居於Fe3+之前。
在濃溶液中選擇順序有所不同，某些低價離子會居於高價離子前面。
陰離子交換樹脂的選擇順序：在淡水的離子交換除鹽處理系統中，即進水是稀酸溶液時，陰離子的選擇順序為SO42-(+HSO4-)>CL->HCO3->HSiO-；
當OH型離子交換樹脂失效後，用鹼進行再生時，即對於進水是濃鹼溶液，陰離子的選擇性順序為：CL—>SO42—＞CO32->HSiO3—；

據此，可以推知，OH型離子交換樹脂對於水中常見陰離子的選擇順序，遵循以下三條規則：

(1)在強弱酸混合的溶液中，OH型離子交換樹脂易吸著強酸陰離子。

(2)濃溶液與稀溶液，前者利於低價離子被吸著，後者利於高價離子被吸取。

(3)在濃度和價數等條件相同的情況下，選擇性系數大的易被吸著。

4. 離子交換樹脂的吸附選擇

離子交換樹脂的吸附交換原理：

樹脂本身的離子一般是回低價離子，所以樹脂在與水接觸時，根據樹答脂的吸附選擇性，會將水中的高價離子吸附，將低價離子釋放，而這些被釋放的低價離子會與水中的其他離子結合，成為無害的物質，而在實際使用的過程中，經常都是將樹脂轉化為其他的離子形式進行使用，比如一般陽離子交換樹脂會轉化為鈉型樹脂再進行使用，從而達到軟化水的目的。

離子交換樹脂的吸附順序：

1、離子交換樹脂對陽離子的吸附順序：

Fe3+ > Al3+ > Pb2+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > H+

2、強鹼性陰離子交換樹脂對陰離子的吸附順序：

SO42－ > NO3－ > Cl－ > HCO3－ > OH－

3、弱鹼性陰離子交換樹脂對陰離子的吸附順序：

OH－ > 檸檬酸根3－ > SO42－ > 酒石酸根2－ >草酸根2－ > PO43－ >NO2－ > Cl－ >醋酸根－ > HCO3－

5. 離子交換色譜的原理以及陰陽離子交換樹脂的特性

離子交換樹脂的結構：

離子交換樹脂主要由高分子骨架和活性基團兩部分組成，高分子骨架是惰性的網狀結構骨架，是不溶於酸或鹼的高分子物質，常用的離子交換樹脂是由苯乙烯和二乙烯苯聚合得到樹脂的骨架。

而活性基團不能自由移動的官能團離子和可以自由移動的可交換離子兩部分組成，可交換離子能夠決定樹脂所吸附的離子，比如可交換離子為H型陽離子交換樹脂，那麼這個樹脂能夠吸附的離子，就是H型陽離子，而官能團離子能夠決定樹脂的「酸"、「鹼"性和交換能力的強弱，比如官能團離子是強酸性離子，那麼樹脂就是強酸性離子交換樹脂。

離子交換樹脂的內部結構：

1.凝膠型樹脂是由純單體混合物經縮合或聚合而成的，結構為微孔狀，合成的工藝比較簡單，孔徑大概在1-2nm左右，凝膠型樹脂的操作容量高，產水量高，物理強度好，且再生效率高，被廣泛應用在食品飲料加工，超純水制備，飲用水過濾，硬水軟化，製糖業，制葯等領域。

2.大孔型樹脂的孔徑一般在10nm左右，在樹脂中孔徑是比較大的，所以被稱為大孔型樹脂，且孔徑不會隨著周圍的環境而變化，能夠彌補凝膠型樹脂不能在非水系統中使用的缺點，吸附能力非常強大，不易碎裂，耐氧化好，操作容量高，能夠應用在醫葯領域、除重金屬污染、葯品純化、水處理中除去碳酸硬度、冷凝水精處理等領域。

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6. 離子交換層析法原理是什麼

離子交換層析法 （ion exchange chromatography，簡稱IEC）是從復雜的混合物中，分離性質相似大分子的方法之一，依據的原理是物質的酸鹼性、極性，也就是所帶陰陽離子的不同。電荷不同的物質，對管柱上的離子交換劑有不同的親和力，改變沖洗液的離子強度和pH值，物質就能依次從層析柱中分離出來。
離子交換層析法大致分為5個步驟：
1. 離子擴散到樹脂表面。
2. 離子通過樹脂擴散到交換位置。
3. 在交換位置進行離子交換；被交換的分子所帶電荷愈多，它與樹脂的結合愈緊密，也就愈不容易被其它離子取代。
4. 被交換的離子擴散到樹脂表面。
5. 沖洗液通過，被交換的離子擴散到外部溶液中。
離子交換樹脂的交換反應是可逆的，遵循化學平衡的規律，定量的混合物通過管柱時，離子不斷被交換，濃度逐漸降低，幾乎全部都能被吸附在樹脂上；在沖洗的過程中，由於連續添加新的交換溶液，所以會朝正反應方向移動，因而可以把樹脂上的離子沖洗下來。
如果被純化的物質是氨基酸類的分子，則分子上的凈電荷取決於氨基酸的等電點和溶液的pH值，所以當溶液的pH 值較低，氨基酸分子帶正電荷，它將結合到強酸性的陽離子交換樹脂上；隨著通過的緩沖液pH逐漸增加，氨基酸將逐漸失去正電荷，結合力減弱，最後被洗下來。由於不同的氨基酸等電點不同，這些氨基酸將依次被洗出，最先被洗出的是酸性氨基酸，如apartic acid和glutamic acid（在約pH3~4時），隨後是中性氨基酸，如glycine和alanine。鹼性氨基酸如arginine和lysine在pH值很高的緩沖液中仍帶有正電荷，因此這些在約pH值高達10~11時才出現。

7. 請問離子交換樹脂的命名規則是什麼以211X-7為例，謝謝。

離子交換樹脂的命名規則：
離子交換樹脂的命名一般是由分類名稱、骨架（或基因）名版稱、以及阿拉伯數字組成權，阿拉伯數字有三位數，第一位是表示樹脂的分類，第二位是表示樹脂的骨架，而第三位則為順序號，凝膠型樹脂與大孔型樹脂的命名有一定的差異，為了方便大家理解，小編找了兩張圖片方便大家理解。

凝膠型離子交換樹脂的命名：


離子交換樹脂中的數字是什麼意思？
分類代號中的數字：
0代表的是強酸性，1是弱酸性，2是強鹼性，3是弱鹼性，4是螯合性，5是兩性，6是氧化還原性。

骨架代號中的數字：
0代表的是苯乙烯系，1是丙烯酸系，2是酚醛系，3是環氧系，4是乙烯吡啶系，5是脲醛系，6是氯乙烯系。

比如說D001樹脂，其實就是大孔型強酸性苯乙烯系離子交換樹脂。001*7，就是凝膠型強酸性苯乙烯系離子交換樹脂。

8. 下列離子在強酸性陽離子交換樹脂的交換次序

由於你提供的離子交換排代次序沒有說明在什麼樣的介質情況下，尤其是放射性的離子選擇性會在不同介質下更為敏感，所以我只能回答您常規水處理的一般應用數據，具體分析回答如下：

離子交換樹脂對水中各種離子的交換能力是不同的，即有些離子易被離子交換樹脂吸著，但吸著後要把它解吸下來就比較困難；反之，有些離子則難被離子交換樹脂吸著，但易被解吸，這種性能稱為離子交換樹脂的選擇性。這種選擇性影響到離子交換樹脂的交換和再生過程。

它有兩個規律：

（1）離子帶的電荷越多，越易被離子交換樹脂吸著，例如兩價離子比一價離子易被吸著；

（2）對於帶有相同電荷量的離子，則原子序數大的元素，形成離子的水合半徑小，較易被吸著。

對於陽離子交換樹脂來說，它對水中各種常見離子的選擇性次序為：

Fe³⁺ ＞Al³⁺ ＞Ca²⁺ ＞Mg²⁺ ＞K⁺ ≈NH₄⁺ ＞Na⁺ ＞Li⁺

這個次序只適合於在含鹽量不很高的水溶液中。在濃溶液中，離子間的干擾較大，且水合半徑的大小順序和上述的次序也有些差別，其結果是使得在濃溶液中各離子間的選擇性差別較小。

離子交換樹脂的選擇性除了和被吸著離子的本質有關外，還與離子交換樹脂的結構，特別是與其活性基團有關。例如含磺酸基（-SO₃^-）的強酸性陽離子交換樹脂對H⁺的吸著能力並不很強，在選擇性次序中H⁺居於Na⁺和Li⁺之間，即：

Fe³⁺ ＞Al³⁺ ＞Ca²⁺ ＞Mg²⁺ ＞K⁺ ≈NH₄⁺ ＞Na⁺ ＞H⁺ ＞Li⁺；

而含有羧酸基（-COO^-）的弱酸性陽離子交換樹脂，對H⁺有特別強的吸著能力，H⁺的選擇性甚至比Fe³⁺還強，即：

H⁺ ＞Fe³⁺ ＞Al³⁺ ＞Ca²⁺ ＞Mg²⁺ ＞K⁺ ≈NH₄⁺ ＞Na⁺ ＞Li⁺。

9. 什麼叫離子交換樹脂的選擇性與什麼因素有關

什麼是離子交換樹脂的選擇性？

離子交換樹脂的選擇性是指離子交換樹脂能吸專附的金屬屬離子，污水中有很多金屬離子而離子交樹脂不可能可以把所有的金屬離子都吸咐干凈的，有一些金屬離子樹脂對它的吸附能力是比較弱的而有一些則比較強，也就是說離子交換樹脂只能針對性的吸附某一些金屬離子，這就是離子交換樹脂的選擇性。

離子交換樹脂的選擇性怎樣？

離子交換反應和其他化學反應一樣，完全服從質量作用定律。離子交換親和力，也就是離子交換樹脂對水中金屬離子的吸附能力。離子交換樹脂對離子的吸附能力與離子半徑大小和離子所帶的電荷數有關。離子交換樹脂的吸附能力與金屬離子的電荷數、價態和金屬離子的半徑成正比。

離子交換樹脂的選擇性：

經過實驗證明，低濃度、常溫下，離子交換樹脂對不同離子的吸附能力順序有下列規律。

陽離子交換樹脂對金屬離子的吸附順序是：

Fe3+>Al3+>Pb2+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+。

強鹼性陰離子樹脂對陰離子的吸附順序是：

SO42->NO3->CI->HCO3->OH-。

弱鹼性陰離子樹脂對陰離子的吸附順序是：

OH->檸檬酸根3->SO42->酒石酸根2->草酸根2->PO43->NO2->Cl->醋酸根-

>HCO3-。