离子交换的规律

1. 离子交换怎么试验

离子交换法是一种借助于离子交换剂上的离子和废水中的离子进行交换反应而除去废水中有害离子的方法。离子交换是一种特殊吸附过程，通常是可逆性化学吸附；其特点是吸附水中离子化物质，并进行等电荷的离子交换。
离子交换剂分无机的离子交换剂如天然沸石，人工合成沸石，及有机的离子交换剂如磺化煤和各种离子交换树脂。
在应用离子交换法进行水处理时，需要根据离子交换树脂的性能设计离子交换设备，决定交换设备的运行周期和再生处理。通过本实验希望达到下述目的：
1) 加深对离子交换基本理论的理解；学会离子交换树脂的鉴别；
2) 学会离子交换设备操作方法；
3) 学会使用手持式盐度计，掌握pH计、电导率仪的校正及测量方法。
二、实验内容和原理
由于离子交换树脂具有交换基因，其中的可游离交换离子能与水中的同性离子进行等当量交换。 用酸性阳离子交换树脂除去水中阳离子，反应式如下：
nRH + M+n → RnM + nH+
M——阳离子 n——离子价数
R——交换树脂
用碱性阴离子交换树脂除去水中的阴离子，反应式如下：
nROH + Y−n → RnY + nOH-
Y——阴离子
离子交换法是固体吸附的一种特殊形式，因此也可以用解吸法来解吸，进行树脂再生。
本实验采用自来水为进水，进行离子交换处理。因为自来水中含有较多量的阴、阳离
子，如Cl¯， NH4+，Ca，Mg，Fe，Al，K，Na等。在某些工农业生产、科研、医疗卫生等工作中所用的水，以及某些废水深度处理过程中，都需要除去水中的这些离子。而采用离子交换树脂来达到目的是可行的方法。

2. 多组分变化规律

海水入侵是一个多组分的对流—弥散运移过程，伴随着离子交换和碳酸盐、硫酸盐等矿物的溶解沉淀。设计中型土柱试验，模拟一维对流—弥散条件下的海水入侵过程，分析驱替过程中多组分离子交换和矿物溶解/沉淀规律（任加国，2007）。下面以实例进行说明。

1.试验装量

海水入侵试验采用定水头水流系统，主要由定水头装置、渗流柱和流出液测量系统三部分组成，试验装置如图3—8所示。土柱由有机玻璃柱组成，带有进水口和取样口。

图3—8 试验装置示意图

1—马氏瓶；2—塞子；3—玻璃管；4—泵；5—水槽；6—定水头管；7—止水夹；8—渗流柱；9—量筒；10—筛绢；11—玻璃弯管；12—橡胶管；13—支架；14—垫板

定水头装置是带有进水口、汇水口和注水口的容器，汇水口起到定水位的作用，即控制上端注水口的位置，使多余的水或溶液从汇水口流出，保证始终有少量水缓慢流出，使瓶内水位保持不变，水头差控制为2cm。渗流柱的进水端采用三通阀门，先通入地下淡水，直至流出液的电导率恒定；然后，用海水驱替地下淡水，定时收集流出液，测定pH值、体积、电导率和离子浓度，直至流出液中各离子成分的含量与海水中相应离子含量相同。

2.结果分析

通过用海水驱替饱和土柱中的地下水，模拟海水入侵时的状况，测定流出液中各离子成分的含量，试验结果如图3—9所示。

从图3—9中可以看出，在驱替过程中，开始时流出液主要为地下淡水，各离子成分变化不大，当流出液体积达到500mL时，溶液中Cl^—浓度迅速增大，之后增加缓慢，最终趋于稳定。由于Cl^—不参与反应，可以作为示踪剂，故以Cl^—为对照来分析其他离子浓度的变化。随Cl^—浓度的增加，其他离子的浓度也发生较大变化，结果分析如下：

1）流出液中Na⁺浓度的增加比Cl^—缓慢，达到稳定所需时间较长，表明海水与含水介质之间存在阳离子交换，Na⁺被含水介质吸附。

2）流出液中Ca²⁺浓度的变化较大，随Cl^—浓度的增加迅速增大，当流出液体积为500～800mL时，Ca²⁺浓度远远高于当地海水（289.30mg/L）和地下淡水（90.53mg/L）中Ca²⁺含量，这是由于阳离子交换作用使含水介质中的Ca²⁺被解吸，流出液Ca²⁺浓度增加并高于海水中Ca²⁺的浓度。当流出液体积为580mL时，Ca²⁺浓度达到峰值，之后逐渐减少，最终趋于海水中Ca²⁺的含量。

图3—9 海水入侵过程中离子浓度变化曲线

3）Mg²⁺浓度的变化在流出液体积较小时，与Ca²⁺变化相似，但当Ca²⁺浓度达到最高值时，Mg²⁺有一个变化平缓的“台阶”阶段，随后变化与Na⁺相似。分析试验数据可得地下淡水中

值为4.737，即在原先的平衡体系中，溶液中Ca²⁺的当量浓度是Mg²⁺的4.737倍。随着溶液中含盐量的增高，为维持原有的平衡，Ca²⁺随着Mg²⁺的增加而急剧增长，此时主要表现为Na⁺、Ca²⁺交换。当Na⁺、Ca²⁺交换达到极限时，交换出的Ca²⁺不再增加，为维持平衡，Mg²⁺开始进行阳离子交换。图3—9中表现为Mg²⁺的“台阶”阶段，Ca²⁺的“顶峰”阶段，随后溶液的平衡被打破，流出液中的Ca²⁺浓度开始下降，最后Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺均趋于稳定。

4）驱替过程中K⁺浓度变化较小，K⁺、Ca²⁺交换量也很小，K⁺主要表现为化学吸附作用。

5）

浓度呈波动式变化，说明海水入侵过程中可能存在着方解石及其他矿物的溶解沉淀作用；

的变化趋势与Cl^—较为一致，Ca²⁺浓度急剧增加，可能发生了石膏矿物的溶解沉淀作用。

3. 在水处理实际应用中，离子交换树脂选择顺序如何有什么规律

阳离子交换树脂在稀溶液中的的选择性顺序如下：Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+≈NH4+>Na+>H+
这可归纳为①离子所带电荷越大，越内易被吸容着；②当离子所带电荷量相同时，离子水合半径较小的易被吸着。
弱酸性阳树脂对H+的选择性向前移动，羧酸型树脂对H+的选择性居于Fe3+之前。
在浓溶液中选择顺序有所不同，某些低价离子会居于高价离子前面。
阴离子交换树脂的选择顺序：在淡水的离子交换除盐处理系统中，即进水是稀酸溶液时，阴离子的选择顺序为SO42-(+HSO4-)>CL->HCO3->HSiO-；
当OH型离子交换树脂失效后，用碱进行再生时，即对于进水是浓碱溶液，阴离子的选择性顺序为：CL—>SO42—＞CO32->HSiO3—；

据此，可以推知，OH型离子交换树脂对于水中常见阴离子的选择顺序，遵循以下三条规则：

(1)在强弱酸混合的溶液中，OH型离子交换树脂易吸着强酸阴离子。

(2)浓溶液与稀溶液，前者利于低价离子被吸着，后者利于高价离子被吸取。

(3)在浓度和价数等条件相同的情况下，选择性系数大的易被吸着。

4. 离子交换树脂的吸附选择

离子交换树脂的吸附交换原理：

树脂本身的离子一般是回低价离子，所以树脂在与水接触时，根据树答脂的吸附选择性，会将水中的高价离子吸附，将低价离子释放，而这些被释放的低价离子会与水中的其他离子结合，成为无害的物质，而在实际使用的过程中，经常都是将树脂转化为其他的离子形式进行使用，比如一般阳离子交换树脂会转化为钠型树脂再进行使用，从而达到软化水的目的。

离子交换树脂的吸附顺序：

1、离子交换树脂对阳离子的吸附顺序：

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

2、强碱性阴离子交换树脂对阴离子的吸附顺序：

SO42－ > NO3－ > Cl－ > HCO3－ > OH－

3、弱碱性阴离子交换树脂对阴离子的吸附顺序：

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

5. 离子交换色谱的原理以及阴阳离子交换树脂的特性

离子交换树脂的结构：

离子交换树脂主要由高分子骨架和活性基团两部分组成，高分子骨架是惰性的网状结构骨架，是不溶于酸或碱的高分子物质，常用的离子交换树脂是由苯乙烯和二乙烯苯聚合得到树脂的骨架。

而活性基团不能自由移动的官能团离子和可以自由移动的可交换离子两部分组成，可交换离子能够决定树脂所吸附的离子，比如可交换离子为H型阳离子交换树脂，那么这个树脂能够吸附的离子，就是H型阳离子，而官能团离子能够决定树脂的“酸"、“碱"性和交换能力的强弱，比如官能团离子是强酸性离子，那么树脂就是强酸性离子交换树脂。

离子交换树脂的内部结构：

1.凝胶型树脂是由纯单体混合物经缩合或聚合而成的，结构为微孔状，合成的工艺比较简单，孔径大概在1-2nm左右，凝胶型树脂的操作容量高，产水量高，物理强度好，且再生效率高，被广泛应用在食品饮料加工，超纯水制备，饮用水过滤，硬水软化，制糖业，制药等领域。

2.大孔型树脂的孔径一般在10nm左右，在树脂中孔径是比较大的，所以被称为大孔型树脂，且孔径不会随着周围的环境而变化，能够弥补凝胶型树脂不能在非水系统中使用的缺点，吸附能力非常强大，不易碎裂，耐氧化好，操作容量高，能够应用在医药领域、除重金属污染、药品纯化、水处理中除去碳酸硬度、冷凝水精处理等领域。

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6. 离子交换层析法原理是什么

离子交换层析法 （ion exchange chromatography，简称IEC）是从复杂的混合物中，分离性质相似大分子的方法之一，依据的原理是物质的酸碱性、极性，也就是所带阴阳离子的不同。电荷不同的物质，对管柱上的离子交换剂有不同的亲和力，改变冲洗液的离子强度和pH值，物质就能依次从层析柱中分离出来。
离子交换层析法大致分为5个步骤：
1. 离子扩散到树脂表面。
2. 离子通过树脂扩散到交换位置。
3. 在交换位置进行离子交换；被交换的分子所带电荷愈多，它与树脂的结合愈紧密，也就愈不容易被其它离子取代。
4. 被交换的离子扩散到树脂表面。
5. 冲洗液通过，被交换的离子扩散到外部溶液中。
离子交换树脂的交换反应是可逆的，遵循化学平衡的规律，定量的混合物通过管柱时，离子不断被交换，浓度逐渐降低，几乎全部都能被吸附在树脂上；在冲洗的过程中，由于连续添加新的交换溶液，所以会朝正反应方向移动，因而可以把树脂上的离子冲洗下来。
如果被纯化的物质是氨基酸类的分子，则分子上的净电荷取决于氨基酸的等电点和溶液的pH值，所以当溶液的pH 值较低，氨基酸分子带正电荷，它将结合到强酸性的阳离子交换树脂上；随着通过的缓冲液pH逐渐增加，氨基酸将逐渐失去正电荷，结合力减弱，最后被洗下来。由于不同的氨基酸等电点不同，这些氨基酸将依次被洗出，最先被洗出的是酸性氨基酸，如apartic acid和glutamic acid（在约pH3~4时），随后是中性氨基酸，如glycine和alanine。碱性氨基酸如arginine和lysine在pH值很高的缓冲液中仍带有正电荷，因此这些在约pH值高达10~11时才出现。

7. 请问离子交换树脂的命名规则是什么以211X-7为例，谢谢。

离子交换树脂的命名规则：
离子交换树脂的命名一般是由分类名称、骨架（或基因）名版称、以及阿拉伯数字组成权，阿拉伯数字有三位数，第一位是表示树脂的分类，第二位是表示树脂的骨架，而第三位则为顺序号，凝胶型树脂与大孔型树脂的命名有一定的差异，为了方便大家理解，小编找了两张图片方便大家理解。

凝胶型离子交换树脂的命名：


离子交换树脂中的数字是什么意思？
分类代号中的数字：
0代表的是强酸性，1是弱酸性，2是强碱性，3是弱碱性，4是螯合性，5是两性，6是氧化还原性。

骨架代号中的数字：
0代表的是苯乙烯系，1是丙烯酸系，2是酚醛系，3是环氧系，4是乙烯吡啶系，5是脲醛系，6是氯乙烯系。

比如说D001树脂，其实就是大孔型强酸性苯乙烯系离子交换树脂。001*7，就是凝胶型强酸性苯乙烯系离子交换树脂。

8. 下列离子在强酸性阳离子交换树脂的交换次序

由于你提供的离子交换排代次序没有说明在什么样的介质情况下，尤其是放射性的离子选择性会在不同介质下更为敏感，所以我只能回答您常规水处理的一般应用数据，具体分析回答如下：

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。

它有两个规律：

（1）离子带的电荷越多，越易被离子交换树脂吸着，例如两价离子比一价离子易被吸着；

（2）对于带有相同电荷量的离子，则原子序数大的元素，形成离子的水合半径小，较易被吸着。

对于阳离子交换树脂来说，它对水中各种常见离子的选择性次序为：

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

这个次序只适合于在含盐量不很高的水溶液中。在浓溶液中，离子间的干扰较大，且水合半径的大小顺序和上述的次序也有些差别，其结果是使得在浓溶液中各离子间的选择性差别较小。

离子交换树脂的选择性除了和被吸着离子的本质有关外，还与离子交换树脂的结构，特别是与其活性基团有关。例如含磺酸基（-SO₃^-）的强酸性阳离子交换树脂对H⁺的吸着能力并不很强，在选择性次序中H⁺居于Na⁺和Li⁺之间，即：

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

而含有羧酸基（-COO^-）的弱酸性阳离子交换树脂，对H⁺有特别强的吸着能力，H⁺的选择性甚至比Fe³⁺还强，即：

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

9. 什么叫离子交换树脂的选择性与什么因素有关

什么是离子交换树脂的选择性？

离子交换树脂的选择性是指离子交换树脂能吸专附的金属属离子，污水中有很多金属离子而离子交树脂不可能可以把所有的金属离子都吸咐干净的，有一些金属离子树脂对它的吸附能力是比较弱的而有一些则比较强，也就是说离子交换树脂只能针对性的吸附某一些金属离子，这就是离子交换树脂的选择性。

离子交换树脂的选择性怎样？

离子交换反应和其他化学反应一样，完全服从质量作用定律。离子交换亲和力，也就是离子交换树脂对水中金属离子的吸附能力。离子交换树脂对离子的吸附能力与离子半径大小和离子所带的电荷数有关。离子交换树脂的吸附能力与金属离子的电荷数、价态和金属离子的半径成正比。

离子交换树脂的选择性：

经过实验证明，低浓度、常温下，离子交换树脂对不同离子的吸附能力顺序有下列规律。

阳离子交换树脂对金属离子的吸附顺序是：

Fe3+>Al3+>Pb2+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+。

强碱性阴离子树脂对阴离子的吸附顺序是：

SO42->NO3->CI->HCO3->OH-。

弱碱性阴离子树脂对阴离子的吸附顺序是：

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

>HCO3-。