离子交换剂平衡
化学反应中离子交换作用机理与影响因素
化学反应中离子交换作用机理与影响因素离子交换作用是指在化学反应中，反应物和生成物中的离子之间发生交换的过程。
离子交换作用机理和影响因素如下：1.离子交换机理：a.直接交换机理：反应物中的阳离子与生成物中的阴离子直接交换，形成新的化合物。
b.间接交换机理：反应物中的阳离子与生成物中的阴离子通过共用电子对进行交换。
2.影响因素：a.离子浓度：离子浓度越大，离子交换作用越容易发生。
b.离子价态：离子价态越高，离子交换作用越容易发生。
c.溶剂：极性溶剂有利于离子交换作用的进行。
d.温度：温度越高，离子交换作用越容易发生。
e.压力：压力对离子交换作用的影响较小。
f.反应时间：反应时间越长，离子交换作用越充分。
3.离子交换反应的类型：a.单离子交换反应：反应物和生成物中只有一个离子发生交换。
b.双离子交换反应：反应物和生成物中分别有两个离子发生交换。
c.多离子交换反应：反应物和生成物中存在多个离子交换。
4.离子交换反应的平衡：a.平衡常数：离子交换反应的平衡常数K表示反应物和生成物浓度比的稳定值。
b.平衡移动：改变反应条件（如温度、浓度等）会导致平衡位置的移动。
5.离子交换反应的应用：a.离子交换树脂：用于水处理、药物提纯等领域。
b.离子交换膜：用于电池、燃料电池等领域的电极材料。
c.离子交换纤维：用于纺织品、生物医学等领域。
6.离子交换反应的实例：a.酸碱中和反应：酸和碱反应生成水和盐的离子交换反应。
b.沉淀溶解反应：难溶物质溶解时，离子交换生成可溶物质。
c.氧化还原反应：氧化剂和还原剂之间的离子交换反应。
以上是关于化学反应中离子交换作用机理与影响因素的知识点介绍。
希望对您有所帮助。
习题及方法：1.习题：在某溶液中，Na+和Mg2+的浓度分别为0.1mol/L和0.2mol/L，若加入Ba2+离子，哪种离子更容易发生交换？解题思路：根据离子浓度和离子价态，分析哪种离子更容易发生交换。
答案：Mg2+更容易发生交换，因为Mg2+的离子价态高于Na+，且Mg2+的浓度较低。
离子交换层析
样品进柱
离子交换层析的基本操作
为了达到满意的分离效果，进样量一般为介质交换容量的10-20% 为了避免进样溶液中的离子强度过高，样品浓度不宜太高
交换容量：离子交换剂中全部可交换的离子或功能基团的总数
样品洗脱
恒定洗脱
离子交换层析的基本操作
分子浓度 离子强度
pH值
阶段洗脱
梯度洗脱
弱酸性阳离子交换剂在pH值降低时，其电离率逐渐降低，离子 交换能力逐渐减弱
弱碱性阴离子交换剂在pH值升高时，其电离率逐渐降低，离子 交换能力逐渐减弱
离子交换介质的基本性质
常用的离子交换剂
离子交换树脂：
最常见的离子交换树脂是含有酸性或碱性基团的人工合成的聚苯 乙烯-二乙烯苯不溶性高分子化合物
离子交换树脂的优点是：流速快，对小分子物质的交换容量大， 因而适合用于氨基酸、核苷酸等小分子生化物质的分离纯化
离子交换层析
离子交换层析的基本原理 离子交换介质的基本性质 离子交换介质的选择原则 离子交换层析的基本操作
离子交换层析的基本原理
离子交换层析是以离子交换剂为固定相，以特定的含离子溶液为 流动相，利用离子交换剂对待分离的各种离子结合力的差异，而将混 合物中不同离子进行分离的层析技术。
离子交换介质的基本性质
离子交换介质的基本性质
常用的离子交换剂
离子交换葡聚糖：
离子交换葡聚糖是葡聚糖经环氧氯丙烷交联后形成的具有多孔三 维空间网状结构和离子交换功能基团的多糖衍生物（Sephadex G） Sephadex的优点如下：
亲水性强、不会引起生物分子的变性和失活，母链对蛋白质、核 酸及其它生物分子的非特异性吸附能力小
10 20 30 40 50 60 70 80 90
核电厂水化学9补充-第五章 离子交换理论(20150423)
5
6
产品分类 强酸性 弱酸性 强碱性 弱碱性 螯合性 两 性 氧化还原性
表5-3 骨架代号（第二位数字）
代号
0
1
2
3
4
5
6
骨架组成 苯乙烯系 丙烯酸系 酚醛系 环氧系 乙烯吡啶系 脲醛系 氯乙烯系
这样，离子交换水处理中常用的四种树脂全名称和型号分 别为：
强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，型号为001×7； 强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，型号为201×7； 大孔型弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂，型号为D113、 D116； 大孔型弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，型号为D301、 D302。 目前，我国生产的树脂的命名，都遵循以上原则，国外生 产树脂的厂家很多，其产品类型可参阅有关文献报道的国内 外树脂牌号对照表。
大孔型树脂具有抗有机物污染的能力，因为被树脂截流的有机物， 易在再生过程中从树脂网孔中被清除出去。
九、离子交换树脂的牌号（由树脂的全名称、型号 组成）
树脂的牌号根据国标GB1631-79《离子交换树 脂产品分类、命名及型号》制定。
1．全名称
树脂的全名称由分类名称、骨架（或基团）名称、基本 名称依次排列组成。
因此，本章主要介绍离子交换树脂的四个基 本问题，即：
离子交换树脂的性能、交换机理、离子交换 平衡、动力学过程。
五、离子交换树脂的分子结构
人为地分为两部分—离子交换剂的骨架、活性基团 离子交换剂的骨架：由高分子组成，具有庞大的空间结 构，支撑着整个化合物；
离子交换剂的活性基团（也称交换基团）：以化学键牢 固地结合在高分子骨架上，能提供可交换的离子。
合 成
半 天 然
合
成
称海 绿 砂
合 成 沸 石
离子交换层析讲解
三、离子交换剂的种类和性质 1.离子交换剂的基质
• 其中：聚苯乙烯离子交换剂（又称为聚苯乙烯树脂）是以
苯乙烯和二乙烯苯合成的具大、流速快。但它与 水的亲和力较小，具有较强的疏水性，容易引起蛋白的变 性。故一般常用于分离小分子物质，如无机离子、氨基酸、 核苷酸等。 以纤维素（Cellulose）、球状纤维素（Sephacel）、葡聚 糖（Sephadex）、琼脂糖（Sepharose）为基质的离子交 换剂都与水有较强的亲和力，适合于分离蛋白质等大分子 物质，葡聚糖离子交换剂一般以Sephadex G－25和G－50 为基质，琼脂糖离子交换剂一般以Sepharose CL－6B为基 质。关于这些离子交换剂的性质可以参阅相应的产品介绍。
离子交换层析
原理及应用
一、简介
• 1、定义：
离子交换层析（Ion Exchange Chromatography简称为IEC）是以离子交换 剂为固定相，依据流动相中的组分离子与交 换剂上的平衡离子进行可逆交换时的结合力 大小的差别而进行分离的一种层析方法
2、发展历程
• 1848年，Thompson等人在研究土壤碱性物质交
二、基本原理 阴离子交换
• 通过选择合适的洗脱方式和洗脱液，如增加离子
强度的梯度洗脱。随着洗脱液离子强度的增加， 洗脱液中的离子可以逐步与结合在离子交换剂上 的各种负电基团进行交换，而将各种负电基团置 换出来，随洗脱液流出。 与离子交换剂结合力小的负电基团先被置换出来， 而与离子交换剂结合力强的需要较高的离子强度 才能被置换出来，这样各种负电基团就会按其与 离子交换剂结合力从小到大的顺序逐步被洗脱下 来，从而达到分离目的。
X+ Y-↔ A-
二、基本原理
• 从上面的反应式中可以看出，如果A离子与离子交 •
离子交换剂的选择
1.离子交换剂的选择离子交换剂的种类很多，离子交换层析要取得较好的效果首先要选择合适的离子交换剂。
首先是对离子交换剂电荷基团的选择，确定是选择阳离子交换剂还是选择阴离子交换剂。
这要取决于被分离的物质在其稳定的pH下所带的电荷，如果带正电，则选择阳离子交换剂;如带负电，则选择阴离子交换剂。
例如待分离的蛋白等电点为4，稳定的pH范围为6-9，由于这时蛋白带负电，故应选择阴离子交换剂进行分离。
强酸或强碱型离子交换剂适用的pH 范围广，常用于分离一些小分子物质或在极端pH下的分离。
由于弱酸型或弱碱型离子交换剂不易使蛋白质失活，故一般分离蛋白质等大分子物质常用弱酸型或弱碱型离子交换剂。
其次是对离子交换剂基质的选择。
前面已经介绍了，聚苯乙烯离子交换剂等疏水性较强的离子交换剂一般常用于分离小分子物质，如无机离子、氨基酸、核苷酸等。
而纤维素、葡聚糖、琼脂糖等离子交换剂亲水性较强，适合于分离蛋白质等大分子物质。
一般纤维素离子交换剂价格较低，但分辨率和稳定性都较低，适于初步分离和大量制备。
葡聚糖离子交换剂的分辨率和价格适中，但受外界影响较大，体积可能随离子强度和pH变化有较大改变，影响分辨率。
琼脂糖离子交换剂机械稳定性较好，分辨率也较高，但价格较贵。
另外离子交换剂颗粒大小也会影响分离的效果。
离子交换剂颗粒一般呈球形，颗粒的大小通常以目数(mesh)或者颗粒直径(mm)来表示，目数越大表示直径越小。
前面在介绍交换容量时提到了一些关于交换剂颗粒大小、孔隙的选择。
另外离子交换层析柱的分辨率和流速也都与所用的离子交换剂颗粒大小有关。
一般来说颗粒小，分辨率高，但平衡离子的平衡时间长，流速慢;颗粒大则相反。
所以大颗粒的离子交换剂适合于对分辨率要求不高的大规模制备性分离，而小颗粒的离子交换剂适于需要高分辨率的分析或分离。
这里特别要提到的是，离子交换纤维素目前种类很多，其中以DEAE-纤维素(二乙基氨基纤维素)和CM-纤维素(羧甲基纤维素)最常用，它们在生物大分子物质(蛋白质，酶，核酸等)的分离方面显示很大的优越性。
4 离子交换
二阶对一阶离子交换反应通式为：
2RA B2 R2 B 2 A
其离子交换选择系数为
K
B* A
[ R 2 B][ [RA]2[
A ]2 B2 ]
y (1 y)2
. (1 x)2 x
E C
0 0
.K
B A
式中
K
B* A
—表观选择性系数；
✓ 按设备的功能分为：阳离子交换器、阴离子交换器和混
合比离子交换器
✓ 固定床离子交换器间歇工作过程
1. 离子交换过程
在床层穿透以前，树脂分属于饱和区、交换区和未用区，真 正工作的只有交换区内树脂交换区的厚度取决于所用的树脂、 离子种类和浓度以及工作条件。
从交换带来讲， 要经历两个阶段： 1）形成阶段； 2）下移阶段。
Na+
Na+
OH Na+
CO+lH--++OOH+H－Cl-+ +
ClOH
－
OH-Cl- Na+
交换前
交换达到平衡后
强酸性苯乙烯型阳离子交换树脂
大孔弱碱性苯乙烯型阴离子交换树脂
阳离子交换树脂的强弱顺序：
R—SO3H＞R—CH2SO3H＞R—PO3H2＞R—COOH＞R—OH 磺酸基 次甲基磺酸基 磷酸基 羧酸基 酚基
1.非中性盐的分解反应：
R(COOH)2+Ca(HCO3)2 → R(COO)2Ca+2H2CO3 R=NH2OH+NH4CL → R=NH2CL+ NH4OH
2.强酸或强碱的中和反应：
第四章离子交换法
离子交换树脂的结构 离子交换树脂是具有特殊网状结构的高分子化合物，由空间
网状结构骨架（即母体）和附着在骨架上的许多活性基团所构成。 活性基团遇水电离，分成：固定部分和活动部分
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5
树脂的网络骨架
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6
2.2离子交换树脂的分类 一般按树脂所带功能团的性质不同分为阳离子交换树
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1
离子交换法的应用： （1）从贫液中富集和回收有价金属：贵金属和稀有金属； （2）提纯化合物和分离性质相似的元素：稀土分离； （3）处理某些工厂的废水； （4）生产软化水。
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2
第二节 离子交换树脂及其性能
2.1离子交换树脂的结构
（1）高分子部分：聚苯乙烯或聚丙烯酸酯等。连接树脂 的功能团的作用。
柱上离子交换分为运动树脂床和固定树脂床。
交换柱内离子交换过程：B A B A
柱上中层为交换层。
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28
漏穿容量 （V V1 )C mol / L
废水中只有一种离子B+
V2
V 至漏穿时流过的料液体积；V1 树脂床的空隙体积；
进水（C0）
C V2 树脂床的体积；C 料液中金属离子浓度。
(c V）Na OH 交换容量＝
(c
V)
HCl
100 25
m 树脂(g)
100
0.1100 0.112.5
25 5(mmol.g 1 )
1
阳离子交换树脂： 交换容量＝ c V NaOH NaOH c HCl VHCl
干树脂质量 (g)
生化工程 测试题二
生化工程（生物化学技术原理与应用）测试题二一、名词解释1.排阻极限：不能进入到凝胶网络内部的最小分子的相对分子量。
（渗入极限：能够完全进入到凝胶网络内部的最大分子的相对分子量。
）2.阴离子交换剂：功能基团带正电荷，与阴离子交换。
（书：阳离子交换剂的电荷基团带负电，反离子带正电。
因此这种交换剂可以与溶液中的正电荷化合物或阳离子进行交换反应。
阴离子交换剂是在树脂中分别引入季胺［—N（CH3）3］、叔胺［—N（CH3）2］、仲胺［—NHCH3］和伯胺［—NH2］）基团后构成的。
阴离子交换树脂对化学试剂及热都不如阳离子交换树脂稳定。
）3.交换容量：是指离子交换剂能提供交换离子的量，它反映离子交换剂与溶液中离子进行交换的能力。
通常以每毫克或每毫升交换剂含有可解离基团的毫克当量数（meq/mg或meq/ml）表示。
（书：是指离子交换剂与溶液中离子或离子化合物进行交换的能力。
一般用总交换容量和有效交换容量表示。
）4.层析技术：主体介质由互不相溶的流动相和固定相组成，利用混合物中各组分物理化学性质的差异（如吸附力、分子形状及大小、分子亲和力、分配系数等），使各组分在两相中的分布程度不同，从而使各组分以不同的速度移动而达到分离的目的。
（层析是以基质为固定相（呈柱状或薄层状），以液体或气体为流动相，使有效成分和杂质在这两个相中连续不断、反复多次地进行分配或交换、吸附作用，最终达到分离混合物之目的。
）5.矫正保留时间：（书P416）【死时间（t r0）：不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间，它与色谱柱的空隙体积成正比。
由于该物质不与固定相作用，因此，其流速与流动相的流速相近。
据t0可求出流动相平均流速。
（书：死时间是指不被固定相吸附或溶解的空气或甲烷，从进样口经过柱体出现浓度极大值所需的时间，即空气通过色谱柱所需要的时间。
）保留时间t r：试样从进样到出现峰极大值时的时间。
它包括组份随流动相通过柱子的时间t0和组份在固定相中滞留的时间。
离子交换剂平衡
C/C0
曲线上任意一点的切线的斜率即为此浓度下的分配比。分配比并非为恒 定值，随操作条件的不同而改变。曲线的起始阶段斜率较大，分配比较 大。但是随着树脂相中离子浓度的提高，交换趋势下降，曲线斜率即分 配比逐渐降低，最终树脂上离子达到饱和。
离子交换反应为一种可逆反应：
如：nR—H + Men+
Rn—Me + nH+
◇交换平衡常数越大，交换反应越能在较高的H+浓度下进行： 磺酸型树脂在2Mol/L的盐酸中仍有交换能力；膦酸和亚膦酸要在pH高于3之 后才具有较强的交换能力；酚羟基要在pH10以上才能发生交换。
◇在应用中，酸性树脂常以钠型或其他离子形式进行交换，这样可以不受溶液 pH值的影响。
2、影响阳离子交换能力的因素 ◆ 水合半径—就是包括内外层配位水分子的离子半径 ◇水合离子与功能基之间的作用力是静电吸引，因此同价离子对树脂的 亲和力，随水合半径的增加而下降。
I
i
Vi
S
◆在实际应用中，为保证较高的树脂利用率，树脂床必须足够高，以保证 远大于交换区高度。
◆ 在做实验时，交换柱的直径也不能过小，一般至少应为树脂粒径的25 倍，以减少壁效应。
三、离子交换平衡
1、选择系数 离子交换树脂对离子选择型的大小，或者各种离子对树脂亲和力的大小， 常用离子交换选择系数来表示。
由漏穿点VB至饱和点VS之间交换区内树 脂由溶液中吸附的离子量（摩尔数）为:
qz
V S (Co C)dV VB
等于图中阴影面积VBSB
而交换区内树脂的理论吸附量Qz（摩尔数）
为：Qz＝Co（VS－VB），等于图中矩形面 积VBVSSB。
Vo 交换区内已经交换的树脂分数 f 为：
离子交换层析原理
简介离子交换层析（Ion Exchange Chromatography简称为IEC）是以离子交换剂为固定相，依据流动相中的组分离子与交换剂上的平衡离子进行可逆交换时的结合力大小的差别而进行分离的一种层析方法。
1848年，Thompson等人在研究土壤碱性物质交换过程中发现离子交换现象。
本世纪40年代，出现了具有稳定交换特性的聚苯乙烯离子交换树脂。
50年代，离子交换层析进入生物化学领域，应用于氨基酸的分析。
目前离子交换层析仍是生物化学领域中常用的一种层析方法，广泛的应用于各种生化物质如氨基酸、蛋白、糖类、核苷酸等的分离纯化。
基本原理离子交换层析是依据各种离子或离子化合物与离子交换剂的结合力不同而进行分离纯化的。
离子交换层析的固定相是离子交换剂，它是由一类不溶于水的惰性高分子聚合物基质通过一定的化学反应共价结合上某种电荷基团形成的。
离子交换剂可以分为三部分：高分子聚合物基质、电荷基团和平衡离子。
电荷基团与高分子聚合物共价结合，形成一个带电的可进行离子交换的基团。
平衡离子是结合于电荷基团上的相反离子，它能与溶液中其它的离子基团发生可逆的交换反应。
平衡离子带正电的离子交换剂能与带正电的离子基团发生交换作用，称为阳离子交换剂；平衡离子带负电的离子交换剂与带负电的离子基团发生交换作用，称为阴离子交换剂。
其中R代表离子交换剂的高分子聚合物基质，X- 和X+ 分别代表阳离子交换剂和阴离子交换剂中与高分子聚合物共价结合的电荷基团，Y+ 和Y- 分别代表阳离子交换剂和阴离子交换剂的平衡离子，A+ 和A- 分别代表溶液中的离子基团。
从上面的反应式中可以看出，如果A离子与离子交换剂的结合力强于Y离子，或者提高A离子的浓度，或者通过改变其它一些条件，可以使A离子将Y离子从离子交换剂上置换出来。
也就是说，在一定条件下，溶液中的某种离子基团可以把平衡离子置换出来，并通过电荷基团结合到固定相上，而平衡离子则进入流动相，这就是离子交换层析的基本置换反应。
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S
f Qz
qz
面积VB SB 面积VBVT SB S
2）交换柱的树脂负载率
3）交换区的流出时间
面积V0 VB PC0 fc 面积V0 VSPC0
tJ=（HJ×A）/QL
交换区从穿透到流出柱外的流出时间 tJ 相当于料液充满交换区的时间
QL为流出液的体积流速，如M3/h等；A为交换柱横截面积。
βA/B=DA/DB
当离子A、B同为1价离子时，βA/B=KBA
显然，βA/B=1,则表明该树脂对A、B两离子无分离效果。相反， βA/B偏离1 越远，表明A、B离子越容易分离 。
4、离子交换平衡等温线 恒定温度下，测定不同浓度下一种离 子与一定形式的某种树脂的交换平衡， 以树脂相和平衡水相中该离子的浓度 CR、CS分别为纵坐标和横坐标作图， 即得离子交换平衡等温线。 q/Q 有时以q/Q为纵坐标，C/C0为横坐标。
阴离子：SO42->C2O42->I->NO3->CrO42->Br->SCN->Cl->OH->CH3COO->F◆ H+对弱酸性阳离子交换树脂的亲和力较大，酸性越弱，H+的亲和力越
大，甚至大于Tl+；OH-对弱碱性阴离子交换树脂的亲和力较大，碱性 越弱，OH-的亲和力越大。
◆ 离子与溶液中电荷相反的离子或络合剂形成络合物的作用越强，则该
q- 平衡时离子在树脂相的浓度，如mol/g Q- 树脂的总交换容量，如 mol/g C- 平衡时离子在溶液中的浓度，如 mol/L C0- 溶液的原始浓度，如 mol/L
C/C0
曲线上任意一点的切线的斜率即为此浓度下的分配比。分配比并非为恒 定值，随操作条件的不同而改变。曲线的起始阶段斜率较大，分配比较 大。但是随着树脂相中离子浓度的提高，交换趋势下降，曲线斜率即分 配比逐渐降低，最终树脂上离子达到饱和。 离子交换反应为一种可逆反应： 如：nR—H + Men+ Rn—Me + nH+
仲胺型阴离子交换树脂： R
NH· HCl
伯胺型阴离子交换树脂： R—NH2· HCl
二、离子交换柱内离子的吸附交换过程
欲交换的离子流经离子交换柱时，树脂对溶液中离子的吸附（或交换） 是自上而下逐渐进行的。以氨型磺酸阳离子交换树脂吸附溶液中的 Men+离子为例说明柱内吸附过程。 1、交换带、饱和带及空白带
I
II III
0 C/C0 1
2、流出曲线
流出曲线的形成过程
C/C0 d
c
f
e
a
b
流出曲线：当料液不断流入交换柱时，交换带将不断向下移动，但是从 交后液中Men+的浓度一直为零。当交换带移动到柱底时 ，则交后液中开 始检测到有Me出现，称为“漏穿点”。随后交后液中Men+浓度逐渐增大， 一直增大到原始浓度C0。如果以交后液体积V或流出时间t为横坐标，以 交后液中Men+浓度与料液中Men+浓度之比c/c0为纵坐标作图，所得曲线称 为“流出曲线”。
◆在流出曲线中，曲线bfe左边区域的abfecd面积与吸附于树脂上的Me 离子的量相对应，右边区域的面积则与流入交后液中的Me离子的量相 对应。 ◆b—漏穿点； ◆abcd—与树脂的穿透交换容量相对应；
◆abfed—与树脂的饱和交换容量相对应； 3、影响流出曲线的因素： 流出曲线的“波形（斜率变化）、宽度（漏穿点至饱和点）、漏穿点 出现的位置”三者称为贯穿参量。贯穿参量所表征的柱操作流出曲线 是反映离子交换过程动态行为的一种特征曲线，它反映了“交换体 系”、“设备结构”、“操作条件”、“交换平衡”、“传质动力学” 的综合影响。
树脂对离子的选择性直接受交换反应的可逆倾向程度支配。各种离子的可 逆倾向有很大差别，可以归纳为三类：
◆ 平衡时，交换反应主导向右的叫做有利平衡，如图中线1（分配比大于1）； ◆ 平衡时，交换反应主导向左的叫做不利平衡，如图中线3（分配比小于1）； ◆ 平衡时，正、逆反应相等的叫做有利平衡， 如图中线2（分配比等于1）；
M=C0×（面积V0VBi I A / V0Vi I A）/ 树脂量
◆在实际应用中，为保证较高的树脂利用率，树脂床必须足够高，以保证
远大于交换区高度。
◆ 在做实验时，交换柱的直径也不能过小，一般至少应为树脂粒径的25
倍，以减少壁效应。
三、离子交换平衡
1、选择系数 离子交换树脂对离子选择型的大小，或者各种离子对树脂亲和力的大小， 常用离子交换选择系数来表示。 1）对于1价离子：
影响流出曲线或贯穿参量的因素：
（1）树脂对交换离子的亲和力 亲和力越大，则交换带（Ⅱ）高度越小，故流出曲线斜率变化大， 波形陡峭，漏穿点出现晚，漏穿容量越大，柱利用率也越高。 （2）树脂粒度 （3）树脂交联度 （4）树脂容量 （5）操作流速 （6）料液浓度 降低料液浓度有利于提高柱效率，而在扩散控制的情况下增加料 液浓度有利于提高交换速度 （7）操作温度 （8）柱形、柱高 H/D大可改善柱内的树脂填充状态、改善液流分布有利于交换
料液 I 区：该区域树脂已全部被Men+所饱和，在该区域 溶液中Me的浓度C等于初始浓度C0，称为饱和带。 II 区：该区域树脂只吸附了部分Men+离子，正在继 续吸附自上而下流入的Men+离子。树脂上同时含有 NH4+和Men+离子，但各点的交换程度不同，自上 而下吸附的Men+离子浓度逐渐减小，该区域称为交 换带（或交换层）。 III区：该区域的树脂还没有与Men+离子进行交换， 仍保留原来的NH4+型，该区域溶液中的Men+离子 浓度等于0，该区域称为空白带。
根据平衡曲线的形状，就可判断树脂优先吸附哪种离子。
四、阳离子树脂的交换反应
1、不同酸性功能团的比较
◆ 酸性对树脂性能的影响
阳离子交换树脂常用功能基：
磺酸(—SO3H) 膦酸(—P(O)(OH)2)/亚膦酸(—P(O)OH) 羧酸(—COOH) 酚基(phOH)
pKa 2 3 5-6 10
◇pKa越小H+越易电离，H+越易被其他离子交换。 ◇交换平衡常数越大，交换反应越能在较高的H+浓度下进行： 磺酸型树脂在2Mol/L的盐酸中仍有交换能力；膦酸和亚膦酸要在pH高于3之 后才具有较强的交换能力；酚羟基要在pH10以上才能发生交换。 ◇在应用中，酸性树脂常以钠型或其他离子形式进行交换，这样可以不受溶液 pH值的影响。
0.133 0.098
◇水合离子负载到树脂微孔中的功能基上，能使微孔中的压力升高，产
生较高的压强，称作溶胀压，结果使树脂胀大。
◇强酸性树脂由钠型转换为氢型，体积约膨胀5%，产生很大的溶胀压，
这个压力反过来对树脂的选择性产生了影响，使水合半径小的离子具 有较大的亲和力。
◆ 离子电荷
◇离子电荷增加，离子对树脂的亲和力增大。 虽然水合半径与离子电荷可能同时增大，但是电荷增加的比例往往大于 水合半径。因而在较强的酸性溶液中，高价离子对树脂的亲和力一般高 于低价离子。另外，在酸性较弱时，高价离子易水解而解离出H+，从而 使水合离子的电荷下降，交换势随之降低，可能引起交换顺序的变化。
◆在常温下的稀溶液中（0.1mol/L以下），离子对树脂亲和力随离子价
数的增大而增大，如：
Th4+>RE3+>Cu2+>H+
◆在常温下的稀溶液中（0.1mol/L以下），离子价数相同时，离子对树
脂亲和力随离子水合半径的减小而增大，如：
阳 离 子
Tl+>Ag+>Cs+>Rb+>K+>NH4+>Na+>H+>Li+ Ba2+>Pb2+>Sr2+>Ca2+>Ni2+>Cd2+>Cu2+>Co2+>Mg2+>UO22+ La3+>Ce3+>Pr3+>Nd3+>Sm3+>Eu3+>Gd3+>Tb3+>Dy3+>Ho3+ >Tm3+>Yb3+>Lu3+
VS—树脂饱和时流过料液的体积 VB —漏穿时流过料液的体积 A — 交换柱的横截面积
5、从流出曲线计算交换柱工作参数 1）树脂负载率
由漏穿点VB至饱和点VS 之间交换区内树 脂由溶液中吸附的离子量（摩尔数）为:
V q z S (Co C )dV VB
等于图中阴影面积VBSB
而交换区内树脂的理论吸附量Qz（摩尔数） 为：Qz＝Co（VS－VB），等于图中矩形面 积VBVSSB。
如果KAB=1，则A、B离子的选择性相同，不能用该树脂分离二者 2）对于n价离子： 平衡时：
nRA + Bn = RnB +n A
[ Rn B][ A]n B KA n [ B ][RA]n
为便于比较不同电荷离子的选择性系数的大小，一般把上式改为：
RA + 1/nBn = 1/nRnB + A
K
2、影响阳离子交换能力的因素
◆ 水合半径—就是包括内外层配位水分子的离子半径
◇水合离子与功能基之间的作用力是静电吸引，因此同价离子对树脂的 亲和力，随水合半径的增加而下降。 Cs+ > 水合半径/nm 0.505 离子半径/nm 0.165 Rb+ > 0.509 0.149 K+ > Na+ > 0.53 0.79 Li+ 1、分配比 D 分配比：交换反应达到平衡时离子Me在树脂相浓度[B]与水相浓度[B]的比值