离子交换技术往往被认为是一种新兴技术，然而，它已经存在和发展了近200年。这项技术被广泛运用于各个行业，如污染物去除、水体脱盐、采矿、微电子、分离提纯、纳米技术、海水淡化和新兴的新能源及碳中和领域，并展现其特有的优势。本书将从基础理论出发，由浅入深地介绍离子交换技术的发展过程和化学机理，使读者逐步理解离子交换剂的存在形式和关键参数，并且通过实际工程的分析解读，使读者对该技术的实际应用有身临其境的感受。随着章节的发展和理解的加深，加入离子交换动力学和热力学的讲解，即便对于未接触高等数学的读者也完全可以接受。本书最后两章主要介绍了离子交换领域的最新发展和科研趋势，如与纳米技术相结合的复合离子交换剂以及新型铝离子硬度去除工艺等，为该领域的科研人员提供研究思路和方法。
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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
1.1 历史 1
1.2 水与离子交换：密不可分的伙伴 5
1.3 离子交换剂的组成成分 8
1.4 什么是离子交换 10
1.5 离子交换容量的产生 11
1.5.1 无机离子交换剂 11
1.5.2 有机/聚合离子交换剂 13
1.5.3 Ⅰ型与Ⅱ型强碱性阴离子交换树脂 19
1.6 生物吸附剂、液态离子交换剂和溶剂浸渍型树 23
1.6.1 生物吸附剂 23
1.6.2 液态离子交换剂 25
1.6.3 溶剂浸渍型树脂 27
1.7 两性无机离子交换剂 28
1.8 离子交换剂与活性炭：相似与不同 33
1.9 离子交换剂形态学 33
1.10 广泛应用的离子交换技术 34
1.10.1 软化水技术 35
1.10.2 去离子或脱盐 38
第1章 摘要：十个要点 43
参考文献 44
第2章 离子交换机理 48
2.1 物理特性 48
2.2 膨胀与收缩：离子交换中的渗透压 49
2.3 离子交换平衡 52
2.4 其他平衡常数与影响平衡的变量 56
2.4.1 修正选择性系数(KcIX) 56
2.4.2 选择性系数(KseIX) 57
2.4.3 分离因数(αAB) 57
2.4.4 分离因数：等价离子交换 58
2.4.5 分离因数：异价离子交换 59
2.4.6 选择性反转的物理实质：勒夏特列原理 61
2.4.7 平衡常数：不一致性及潜在陷阱 62
2.5 静电相互作用：抗衡离子选择性的产生 65
2.6 离子交换容量：等温线 71
2.6.1 静态吸附技术 71
2.6.2 可再生微型色谱柱法 75
2.6.3 步进式过柱实验 77
2.7 离子交换剂中的唐南膜效应 80
2.7. 1配对离子入侵或电解质渗透 80
2.7.2 离子交换树脂的交联度 84
2.7.3 唐南效应的成因 85
2.8 弱酸性与弱碱性离子交换树脂 87
2.8.1 弱离子交换树脂的pKa值 88
2.8.2 弱酸官能团与弱碱官能团 91
2.9 再生 93
2.9.1 异价离子交换中的选择性反转 95
2.9.2 pH 秋千 95
2.9.3 通过金属氧化物实现配体交换 100
2.9.4 助溶剂的应用 100
2.9.5 双温再生 102
2.9.6 二氧化碳再生工艺 105
2.9.7 纯水再生 106
2.10 树脂的降解和微量毒素的形成 106
2.11 离子排斥和离子迟滞 109
2.11.1 离子排斥 109
2.11.2 离子迟滞 110
2.12 两性离子和氨基酸吸附 111
2.13 溶液渗透压对离子交换的影响 115
2.14 离子交换剂的催化作用 117
第2章 摘要：十一个要点 119
参考文献 120
第3章 痕量离子交换 124
3.1 选择性的起源 124
3.2 痕量等温线 129
3.3 多溶质平衡 131
3.4 与亨利定律相符 133
3.5 多痕量溶质：洗脱色谱法的基本原理 136
3.6 痕量离子的上向运输：唐南膜效应 142
3.7 痕量泄漏 144
3.8 天然有机物造成的痕量污染 146
3.9 离子交换过程中伴随的化学反应 148
3.9.1 沉淀 148
3.9.2 络合反应 149
3.9.3 氧化还原反应 150
3.10 一价-二价离子的选择性 150
3.10.1 电荷分离效应：机理 151
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 152
3.10.3 硝酸根选择性树脂的机理 154
3.10.4 铬酸根离子的选择性 155
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 157
3.11.1 研究重点及相关意义 158
3.11.2 溶质-吸附剂及溶质-溶剂相互作用的特性 161
3.11.3 实验观察：化学计量、亲和性顺序以及助溶剂的作用 164
3.11.4 吸附过程中的能量变化 167
3.11.5 疏水相互作用：从气-液系统到液-固系统 170
3.11.6 聚合基质与溶质疏水性对离子交换的影响171
3.12 线性自由能关系和相对选择性 173
3.13 同时去除目标金属阳离子和阴离子 175
3.14 与亨利定律的偏差 176
3.15 两性金属氧化物的可调吸附行为 181
3.16 离子筛 184
3.17 痕量离子的去除 189
3.17.1 铀（Ⅵ） 189
3.17.2 镭 191
3.17.3 硼 192
3.17.4 高氯酸根 193
3.17.5 新型污染物及多污染物系统 196
3.17.6 砷和磷：As（Ⅴ）、P（Ⅴ）和As（Ⅲ） 199
3.17.7 氟（F-）202
第3章 摘要：十个要点203
参考文献 204
第4章 离子交换的动力学基础：粒子间扩散效应 213
4.1 离子选择性的影响 213
4.2 离子交换材料中的水分子状态 221
4.3 离子交换剂中的活化能水平：化学动力学 224
4.4 离子交换剂的物理特性：凝胶、大孔和纤维形态230
4.4.1 凝胶型树脂颗粒 230
4.4.2 大孔型离子交换树脂 231
4.4.3 离子交换纤维 233
4.5 色谱柱中断测试：扩散机理的决定因素 236
4.6 与离子交换动力学有关的现象 238
4.6.1 浓度对半反应时间（t1/2）的影响 238
4.6.2 离子交换速率的主要差异 239
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 239
4.6.4 竞争离子浓度的影响：凝胶型与大孔型树脂241
4.6.5 再生过程中的粒子内扩散 242
4.6.6 壳层级进动力学与缓扩散溶质 242
4.7 粒子内扩散的互扩散系数 244
4.8 痕量离子交换动力学 251
4.8.1 目标痕量离子：氯代酚 251
4.8.2 大孔离子交换剂内的粒子内扩散 253
4.8.3 吸附亲和力对粒子内扩散的影响 255
4.8.4 溶质浓度效应 258
4.9 矩形等温线和壳层级进动力学 259
4.9.1 溶质到达顺序产生的异常 260
4.9.2 量化解释 262
4.10 对4.6节观察结果的进一步讨论 262
4.10.1 浓度对半反应时间（t1/2）的影响 263
4.10.2 弱酸树脂的缓慢动力学 263
4.10.3 化学性质相似的平衡离子：粒子内扩散系数的巨大差异 264
4.10.4 凝胶型与大孔型树脂 264
4.10.5 再生过程中的粒子内扩散 265
4.10.6 核收缩或壳层级进动力学 265
4.11 限速步骤：无量纲参数 266
4.12 粒子内扩散：从理论到实践 270
4.12.1 缩短扩散路径：短床工艺与潜壳树脂 270
4.12.2 双官能团树脂的研发 274
4.12.3 以离子交换剂为主体增强吸附动力学 276
第4章 摘要：十个要点 277
参考文献 278
第5章 固相和气相离子交换 282
5.1 固相离子交换 282
5.1.1 难溶固体 282
5.1.2 离子交换诱导沉淀法脱盐 288
5.1.3 竞争性固相分离 289
5.1.4 从土壤中的离子交换位点回收 290
5.1.5 类布离子交换器 291
5.1.6 重金属（Me2+）与具有高缓冲能力的固相混合物 293
5.1.7 使用螯合离子交换剂进行配体诱导金属回收298
5.2 从活性污泥中回收混凝剂 301
5.2.1 唐南离子交换膜工艺的研发 302
5.2.2 明矾回收：唐南平衡的应用 305
5.2.3 工艺验证 305
5.3 气相离子交换 307
5.3.1 酸性或碱性气体的吸附 308
5.3.2 使用弱碱阴离子交换剂去除二氧化碳和二氧化硫 309
5.3.3 离子交换剂形态的影响 310
5.3.4 氧化还原性气体：硫化氢与氧气 315
5.4 使用二氧化碳气体作为离子交换软化过程的再生剂：案例分析 317
第5章 摘要：十个要点 322
参考文献 323
第6章 复合离子交换纳米技术 328
6.1 磁性聚合物颗粒 330
6.1.1 MAPP的特性表征 334
6.1.2 影响所获磁性的因素 334
6.1.3 磁性和吸附行为共存 338
6.2 用于选择性吸附配体的复合型纳米吸附剂 340
6.2.1 复合型纳米材料离子交换剂的合成 341
6.2.2 复合型纳米吸附剂的表征 343
6.2.3 阴离子交换剂母体与复合型阴离子交换剂［HAIX-Nano Fe（Ⅲ）］的对比 346
6.2.4 复合型离子交换剂的支撑材料：阳离子与阴离子 348
6.2.5 再生效率与实际应用 351
6.2.6 复合离子交换纤维：同时去除高氯酸盐和砷353
6.3 HAIX-Nano Zr（Ⅳ）：同时除氟与脱盐 359
6.4 HIX-纳米技术的优势 363
第6章 摘要：十个要点 366
参考文献 367
第7章 重金属络合作用与聚合配体交换 374
7.1 重金属与螯合离子交换剂 374
7.1.1 重金属的概念 374
7.1.2 重金属的性质及其分离方法 376
7.1.3 螯合交换剂的出现 378
7.1.4 螯合离子交换剂中的路易斯酸碱反应 380
7.1.5 再生方法、反应动力学和金属亲和力 384
7.2 聚合配体交换 387
7.2.1 聚合配体交换剂的概念和表征方法 388
7.2.2 聚合配体交换剂的吸附作用 389
7.2.3 配体交换机理的验证 393
第7章 摘要：十个要点 394
参考文献 395
第8章 合成与可持续性 399
8.1 废酸中和：简介 399
8.1.1 基础科学概念 399
8.1.2 通过循环发动机进行机械做工 404
8.2 提高厌氧生物反应器的稳定性 405
8.2.1 选择性离子交换剂的潜在用法 406
8.2.2 离子交换纤维：性能和表征 407
8.3 可持续铝循环软化处理除硬度工艺 411
8.3.1 现状与挑战 411
8.3.2 Na循环软化工艺的替代：无钠方法 412
8.3.3 铝循环阳离子交换的基础科学原理 413
8.3.4 钠循环与铝循环工艺性能比较 415
8.3.5 再生效率和除钙能力 418
8.3.6 可持续发展问题和新的机遇 420
8.4章 末总结 421
第8章 摘要：十个要点 422
参考文献 423
附录 428
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