交換吸附

吸附是一種界面現象，其作用發生在兩個相的界面上。原因是固體表面的分子或原子因受力不均衡而具有剩餘的表面能。當某些物質碰撞固體表面時，受到這些不平衡力的吸引而停留在固體表面上，這就是吸附。交換吸附是吸附類型的一種，是指吸附質的離子由於靜電引力作用聚集在吸附劑表面的帶電點上，並置換出原先固定在這些帶電點上的其它離子。

交換吸附在生物方面的套用主要突出在植物根部細胞表面吸附的陽離子、陰離子與土壤溶液中陽離子、陰離子的交換過程；在工業上的套用表現在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出去廢水中有害離子的方法。

基本介紹

• 中文名：交換吸附
• 外文名：Adsorption exchange
• 作用力：靜電引力、吸附熱與物理吸附相近
• 特點：有一定的選擇性

植物根細胞作用的離子交換吸附

概念

植物在生活狀態下，根細胞呼吸作用釋放大量二氧化碳，這些二氧化碳溶於土壤溶液生成的碳酸，可以離解成氫離子和碳酸氫根離子，並吸附在根細胞的表面。在土壤溶液中也含有一些陽離子和陰離子。根部細胞表面吸附的陽離子、陰離子與土壤溶液中陽離子、陰離子發生交換的過程就叫交換吸附。

具體過程

植物根部細胞吸收礦質元素過程中的一個步驟。礦質元素主要以離子形式被根系吸收。例如氮主要以NH或NO；磷主要以H₂PO；鉀、鈣、鎂等以K、Ca、Mg等吸收。根部細胞吸收離子，最初是經過離子交換，將離子吸附於根部細胞的表面。由於根部細胞的表面吸附有陰、陽離子，其中主要是H和HCO，這些離子主要是由於根呼吸過程中放出的CO₂與水形成H₂CO₃，碳酸解離為H與HCO（H₂CO₃HHCO₃）。根細胞表面吸附的H和HCO可分別與土壤溶液中的陽離子和陰離子進行等當量的交換，這樣土壤中的鹽類離子即被吸附在細胞表面。

由於這種吸附離子的方式具有交換性質，故稱為交換吸附。

特點

這種交換吸附不需要代謝能量，吸附速率很快，當吸附表面形成單分子層就達到極限，吸附速率與溫度無關。因此，它是屬於非代謝性的。

離子交換後，鹽類離子吸附在根細胞的表面，為根系進一步吸收離子做了準備。而根系附近土壤溶液中的陽離子和陰離子，又會從較遠處得到進一步的補充。交換吸附不需要消耗代謝能量，與溫度無關，發生的速度也很快。是屬於非代謝性的。農業生產上及時中耕，防止土壤板結，其作用之一就是促進根系的呼吸，以大量產生可供交換的氫離子和碳酸氫根離子。

工業吸附劑作用的離子交換吸附

概念

交換過程可看作是一種特殊吸附過程，所以其在許多方面都與吸附過程類同。它主要利用吸附質吸附水中以離子態存在的物質，並進行等當量的離子交換。在工業用水中主要用於製取軟水和純水；在沸水處理中，主要用於回收和去除廢水中金、銀、銅、鎘、鉻、鋅等金屬離子，對乾淨化放射性廢水及有機廢水也有套用。

離子交換劑的分類和組成

（1）按母體材質分為：有機和無機兩大類

有機離子交換劑：磺化煤和各種離子交換樹脂；

無機離子交換劑：天然沸石、人工合成沸石、各種類型的粘土礦物等絲光沸石

（2）按活性基團性質

離子交換樹脂分為：陽離子交換樹脂（cation resin）和陰離子交換樹脂（anion resin）

如R-SO₃-H⁺,酸性基團上的H^+,可以電離，能與其它陽離子進行等當量的離子交換；如R-NH₂活性基團水合後形成含有可離解的OH^-離子：R-NH₂+H₂O → R-NH₃-OH^-，離解出的OH^-可以和其它陰離子進行交換。

交換吸附作用過程

（1）離子交換樹脂

離子交換樹脂是一類具有離子交換特性的有機高分子聚合電解質，是一種疏鬆的具有多孔結構的固體球形顆粒，不溶於水，也不溶於電解質溶液。按化學結構可分為不溶性樹脂母體和活性基團兩部分。樹脂母體為有機化化合物和交聯劑組成的高分子共聚物。交聯劑的作用是使樹脂母體形成主體的網狀結構。交聯劑與單體的重量比的百分數稱為交聯度。活性基團由起交換作用的離子和與樹脂母體聯結的固定離子組成。

交換吸附時作用規律：①溫度和濃度對離子的交換勢影響很大；②在常溫和低濃度水溶液中，陽離子的價態越高，它的交換勢越大；③在常溫和低濃度水溶液中，同價陽離子的交換勢大致是原子序數越高，交換勢越大，但是稀土元素正好相反；④氫離子對陽離子交換樹脂的交換勢，取決於樹脂的性質；⑤在常溫和低濃度水溶液中，對弱鹼性陰離子交換樹脂來說，酸根（陰離子）的交換序列如下：SO₄^2->CrO₄^2->檸檬酸根>酒石酸根>NO₃^->AsO₄^3->PO₄^3->MoO₄^2->醋酸根、I^-、Br^->Cl^->F^-。

工藝工程：離子交換方式可分為靜態交換和動態交換兩種。靜態交換是指將廢水與交換劑同置於一耐腐蝕的容器內，使它們充分接觸（可進行不斷攪拌）直至交換反應達到平衡狀態。此法適用於平衡良好的交換反應；動態交換是指廢水與樹脂發生相對移動，它又有塔式（column）（柱式）與連續式之分。在離子交換系統中多採用柱式交換法。

（2）無機離子交換劑

①沸石：天然沸石是1756年瑞典礦物學家A. F. Cronsted 首先發現的，因其具有熱穩定性、耐酸性、耐輻射性以及成本低、儲量大等特點，已成為受世界各國重視的礦產資源。常見的天然沸石品種有絲光沸石、毛沸石、斜發沸石、輝沸石、片沸石等。

天然沸石有巨大的比表面積，且構架上的平衡陽離子與構架結合得不緊密，極易與水溶液中得陽離子發生交換作用，因而沸石具有良好得吸附、交換性能。相關研究發現，絲光沸石對鈣離子等初始交換速率很快，僅在10 min左右就達到了平衡；隨溫度升高，沸石得吸附容量變大；在中性偏酸環境（pH=6）有最大吸附容量；粒徑越大沸石吸附容量越小。由於其對鈣、鎂等的高吸附率，沸石作為離子交換劑對水中的鈣離子具有較好的去除效果，在軟化水方面有較好的套用前景。

②蒙脫石：為2：1型層狀結構矽鋁酸鹽礦物，因結構單元層中廣泛存在的Al³⁺取代部分四面體片的Si⁴⁺和八面體片的Mg²⁺等結構導致其結構層有一定數量但不確定的負電荷，故在層間域中需要填充水化陽離子以平衡此額外的負電荷，位於該層間域中的陽離子普遍具有可交換性。此外，可理論預測的可交換位置還有TOT結構片（2：1層狀結構矽酸鹽礦物的結構單元，由兩個Si-O四面體片夾一個八面體片構成）的邊緣位、粘粒的表面位、TOT結構的六方孔中，甚至替代部分結構中的八面體或四面體陽離子。常用來吸附污水中的重金屬離子、燃料廢水中的陽離子燃料等。為了提高蒙脫石對Cr³⁺等的吸附能力，常利用NH₄⁺、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）等陽離子表面活性劑交換層間的陽離子後的改性蒙脫石粘土吸附Cr³⁺，結果表明Cr³⁺離子被吸附在蒙脫石粘粒的表面、結構層的層間域、結構片的六方孔中以及結構的八面體等位置，吸附能力和吸附力顯著提升。也可利用層狀結構將有機客體分子插層到無機層狀主體中構築新型超分子自組裝體系，已有相關研究利用蒙脫石的離子交換吸附能力將偶氮燃料陽離子插入蒙脫石片層，插入的燃料分子間因共軛效應而形成規整有序、性質穩定的光致變色納米複合材料。具有類似結構的還有累托石、高嶺石、埃洛石、膨潤土等，均為層狀結構矽鋁酸鹽礦物。

蒙脫石

埃洛石

③多孔磷灰石：多孔磷灰石（HAP）材料主要有兩種類型，一種是具有一定孔隙率、孔徑尺寸、較高機械強度的陶瓷塊體，主要在臨床用於骨移植替換等修復材料；另一種是球形多孔羥基磷灰石顆粒，球形顆粒由於具有密度低、比面積大、流動性好、表面吸附能力強等特點，因此在許多領域均有重要套用。多孔羥基磷灰石為六方晶系，單晶體具有六方柱狀、片狀或針狀的結晶習性。

磷灰石

多孔羥基磷灰石形貌、尺寸設計以及孔隙率、孔徑大小及孔徑分布、孔結構貫通性控制等，使它具有一些特殊的有效功能表面，包括其孔徑通道、空腔內鹽的包藏作用以及表面上連生結晶作用，可有利於重金屬離子吸附交換的[0001]晶面、有利於固體鹼催化和陰離子吸附交換的[1010]晶面等。通過設計製備功能表面高顯露率、尺寸形貌可控等可調節多孔羥基磷灰石對重金屬離子和陰離子的交換吸附能力。