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环境科学

环境过程中的离子交换--基础应用与可持续技术

作者：(美)阿勒普·森古普塔

出版社：科学出版社出版时间：2022-08-01

开本： 16开 页数： 443

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环境过程中的离子交换--基础应用与可持续技术版权信息

ISBN：9787030728562
条形码：9787030728562 ; 978-7-03-072856-2
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
工业技术
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环境科学

环境过程中的离子交换--基础应用与可持续技术内容简介

该书系统的介绍了离子交换技术的发展、基础理论、机理以及新兴技术。使读者由浅入深的了解离子交换技术，并为科研工作者提供了研究的理论依据以及试验方法和实验方向。使读者逐步理解离子贾环剂的存在形式和关键参数，并且解读了实际工程案例。

环境过程中的离子交换--基础应用与可持续技术目录

致中国读者中译本序前言第1章离子交换与离子交换剂：概述 1.1 历史 1.2 水与离子交换：密不可分的伙伴 1.3 离子交换剂的组成成分 1.4 什么是离子交换 1.5 离子交换容量的产生 1.5.1 无机离子交换剂 1.5.2 有机/聚合离子交换剂 1.5.3 Ⅰ型与Ⅱ型强碱性阴离子交换树脂 1.6 生物吸附剂、液态离子交换剂和溶剂浸渍型树 1.6.1 生物吸附剂 1.6.2 液态离子交换剂 1.6.3 溶剂浸渍型树脂 1.7 两性无机离子交换剂 1.8 离子交换剂与活性炭：相似与不同 1.9 离子交换剂形态学 1.10 广泛应用的离子交换技术 1.10.1 软化水技术 1.10.2 去离子或脱盐第1章摘要：十个要点参考文献第2章离子交换机理 2.1 物理特性 2.2 膨胀与收缩：离子交换中的渗透压 2.3 离子交换平衡 2.4 其他平衡常数与影响平衡的变量 2.4.1 修正选择性系数（KcIX） 2.4.2 选择性系数（KseIX） 2.4.3 分离因数（αAB） 2.4.4 分离因数：等价离子交换 2.4.5 分离因数：异价离子交换 2.4.6 选择性反转的物理实质：勒夏特列原理 2.4.7 平衡常数：不一致性及潜在陷阱 2.5 静电相互作用：抗衡离子选择性的产生 2.6 离子交换容量：等温线 2.6.1 静态吸附技术 2.6.2 可再生微型色谱柱法 2.6.3 步进式过柱实验 2.7 离子交换剂中的唐南膜效应 2.7.1 配对离子入侵或电解质渗透 2.7.2 离子交换树脂的交联度 2.7.3 唐南效应的成因 2.8 弱酸性与弱碱性离子交换树脂 2.8.1 弱离子交换树脂的pKa值 2.8.2 弱酸官能团与弱碱官能团 2.9 再生 2.9.1 异价离子交换中的选择性反转 2.9.2 pH秋千 2.9.3 通过金属氧化物实现配体交换 2.9.4 助溶剂的应用 2.9.5 双温再生 2.9.6 二氧化碳再生工艺 2.9.7 纯水再生 2.10 树脂的降解和微量毒素的形成 2.11 离子排斥和离子迟滞 2.11.1 离子排斥 2.11.2 离子迟滞 2.12 两性离子和氨基酸吸附 2.13 溶液渗透压对离子交换的影响 2.14 离子交换剂的催化作用第2章摘要：十一个要点参考文献第3章痕量离子交换 3.1 选择性的起源 3.2 痕量等温线 3.3 多溶质平衡 3.4 与亨利定律相符 3.5 多痕量溶质：洗脱色谱法的基本原理 3.6 痕量离子的上向运输：唐南膜效应 3.7 痕量泄漏 3.8 天然有机物造成的痕量污染 3.9 离子交换过程中伴随的化学反应 3.9.1 沉淀 3.9.2 络合反应 3.9.3 氧化还原反应 3.10 一价-二价离子的选择性 3.10.1 电荷分离效应：机理 3.10.2 阴离子交换中硝酸根/硫酸根以及氯离子/硫酸根的选择性 3.10.3 硝酸根选择性树脂的机理 3.10.4 铬酸根离子的选择性 3.11 熵驱动的选择性离子交换：疏水性可离子化有机化合物（HIOC）的实验案例 3.11.1 研究重点及相关意义 3.11.2 溶质-吸附剂及溶质-溶剂相互作用的特性 3.11.3 实验观察：化学计量、亲和性顺序以及助溶剂的作用 3.11.4 吸附过程中的能量变化 3.11.5 疏水相互作用：从气-液系统到液-固系统 3.11.6 聚合基质与溶质疏水性对离子交换的影响 3.12 线性自由能关系和相对选择性 3.13 同时去除目标金属阳离子和阴离子 3.14 与亨利定律的偏差 3.15 两性金属氧化物的可调吸附行为 3.16 离子筛 3.17 痕量离子的去除 3.17.1 铀（Ⅵ） 3.17.2 镭 3.17.3 硼 3.17.4 高氯酸根 3.17.5 新型污染物及多污染物系统 3.17.6 砷和磷：As（Ⅴ）、P（Ⅴ）和As（Ⅲ） 3.17.7 氟（F-）第3章摘要：十个要点参考文献第4章离子交换的动力学基础：粒子间扩散效应 4.1 离子选择性的影响 4.2 离子交换材料中的水分子状态 4.3 离子交换剂中的活化能水平：化学动力学 4.4 离子交换剂的物理特性：凝胶、大孔和纤维形态 4.4.1 凝胶型树脂颗粒 4.4.2 大孔型离子交换树脂 4.4.3 离子交换纤维 4.5 色谱柱中断测试：扩散机理的决定因素 4.6 与离子交换动力学有关的现象 4.6.1 浓度对半反应时间（t1/2）的影响 4.6.2 离子交换速率的主要差异 4.6.3 化学性质相似的平衡离子的粒子内扩散速率的显著差异 4.6.4 竞争离子浓度的影响：凝胶型与大孔型树脂 4.6.5 再生过程中的粒子内扩散 4.6.6 壳层级进动力学与缓扩散溶质 4.7 粒子内扩散的互扩散系数 4.8 痕量离子交换动力学 4.8.1 目标痕量离子：氯代酚 4.8.2 大孔离子交换剂内的粒子内扩散 4.8.3 吸附亲和力对粒子内扩散的影响 4.8.4 溶质浓度效应 4.9 矩形等温线和壳层级进动力学 4.9

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环境过程中的离子交换--基础应用与可持续技术节选

第1章离子交换与离子交换剂：概述 1.1历史进化通常被认为是物种持续、缓慢地获得新特性的方式。与之相反，“科学”却时常经历快速发展期与发展停滞期。记录离子交换现象的**部著作为圣经旧约中《出埃及记》，第15章22～25页记载，摩西通过离子交换和吸附技术将苦水转化为饮用水。另一个经常被引用的记载是亚里士多德通过某种沙粒的渗透过滤，降低或改变水中的含盐量。然而，从科学的角度来看，离子交换现象的真正记录来自于英国的农业和土壤化学家维（Way）和汤普森（Thompson）。1850年，这两位科学家成功使用某种土壤通过离子交换从肥料中去除铵根离子，并做了十分详细的记录和分析。他们的实验实现了以下所示的离子交换反应：（1.1）（1.2）离子交换过程中的一部分基本原理也正是通过两位科学家的该项实验总结归纳出来：①离子交换与物理吸附不同；②离子交换实为等电量交换；③离子交换的过程可逆；④某些离子的交换相比于其他离子更为有利。由于维（Way）和汤普森（Thompson）实验中的很多突破与当时的许多科学研究冲突，他们的结论受到学界的广泛质疑和抵触，他们不得不终止了相关的实验。*终，由于资料有限、离子交换材料合成困难，关于离子交换的实验研究进展十分缓慢。之后的研究发现无机沸石（天然或人工合成的硅铝酸盐）在水体软化中有着十分广泛的应用，例如，通过阳离子交换作用去除水中的钙、镁等离子。然而针对阴离子的交换作用依然未被发现。即使在当时，人们也不难接受通过氢离子和氢氧根离子的分别交换来生产纯水的技术：（1.3）实现这一目标的*大障碍在于离子交换剂的合成。所需的交换剂除了具有良好的阴阳离子交换效果，还需要在不同温度、pH等条件下稳定耐用。1935年，Adams和Holmes成功合成了**个有机（聚合）阳离子交换剂。在此后不到十年的时间内，成功合成了多种强/弱酸性阳离子交换剂和强/弱碱性阴离子交换剂。自那以后，各种新型离子交换剂的合成似乎从未减缓。离子交换技术在电力、生物、农业、制药、化学、微电子等行业中的应用不断增多。没有任何一个专业可以独立发展，离子交换原理、离子交换树脂以及离子交换膜在全球范围内不断创新发展并且实际应用。图1.1展示了近三十年来美国发表的离子交换技术的相关专利数量，充分印证了新产品新工艺的不断研发。图1.1根据谷歌专利检索，每年有关“阴离子交换”和“阳离子交换”的专利数量。数据经过谷歌许可具有讽刺意味的是，第二次世界大战，更准确地说是核技术竞争，加速了离子交换技术的发展和成熟。离子交换技术被认为是分离过渡元素的可行方案，进而引起了人们极大的兴趣。事实上，Boyd等在第二次世界大战期间针对离子交换热力学和动力学进行了一系列基础实验研究并公开发表在各类期刊文献中。一直以来，对离子交换基础原理的理解远远落后于其实际应用。表1.1中总结概述了离子交换技术发展中的里程碑。 1.2水与离子交换：密不可分的伙伴离子交换是一个非均质的过程，而水则是我们地球上储备*丰富的极性溶剂。即便涉及气体或固体的离子交换过程也必须要有水的参与。因此为了探寻离子交换的*基础的原理，我们必须首先了解水的基本性质。氧元素存在于元素周期表中的ⅥA族，而水（H2O）则是氧的二氢化物。我们知道，元素周期表中，硫（S）和硒（Se）也与氧元素属于同一族，但是它们的二氢化物（H2S和H2Se）在室温下均有挥发性。相比之下，水是液体，并且是具有离子键的盐类的极好溶剂。从水的分子结构来看，氢元素和氧元素相隔较远，氢带有正电荷而氧则带有负电荷，由于共享电子对在氢和氧之间的不均匀分布，水分子中的共价键为极性共价键。如图1.2（A）所示，水分子为偶极子，其偶极矩为1.85D。如图1.2（B）所示，水的分子结构呈四面体排列，氧原子具有两个孤对电子。因此将水分子放置于电场中时会产生扭矩，该扭矩称为偶极矩。当分子具有偶极矩时，其分子间的作用力会明显增大，可能形成偶极-偶极相互作用力或者氢键。水分子中氧原子有两个极性氢氧键和两对孤对电子，使得水分子间的相互作用非常强烈。如图1.3所示，这会使得四个氢原子和一个氧原子通过共价键和氢键结合在一起。因此，水分子通常以三聚体（H6O3）的形式存在，而水的沸腾也需要更高的汽化热来破坏水分子间的共价键和氢键。如图1.4所示，在所有ⅥA族氢化物中，水的沸点*高。

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