이온교환수지란

이온교환을 할 수 있는 이온을 지닌 불용성 합성수지. 양이온교환수지, 음이온교환수지가 있으며 그 밖에 양쪽성수지·전자교환수지·킬레이트수지 등이 있다. 1935년 영국의 B.A.애덤스와 F.L.홈스는 다가페놀과 포름알데히드를 축합시킨 수지가 양이온을, 또 m-페닐렌디아민과 포름알데히드를 축합시킨 수지가 음이온을 교환하는 것을 발견하였다. 그리고 이 수지에 의해서 물 속에 있는 각종 이온을 제거할 수 있다는 사실이 밝혀졌는데, 그후 독일 및 미국 등에서 계통적 연구 및 공업적인 규모로 생산이 시작되었다. 제2차 세계대전 중 독일에서는 보파치트에서의 물의 정제, 인조견공장에서의 구리·암모니아 회수, 사진폐액으로부터의 은 회수 등에 이용하였으며, 미국에서는 핵분열 생성물·초우라늄원소 회토류원소 등의 분류에 성공하였다. 예를 들면, 물의 정제에서는 그때까지 얻을 수 없었던 전도도수(傳導度水:극히 순수한 물이며, 가장 순도가 높은 것은 0.05×10-6mho·cm-1의 전기전도도를 지닌다)를 쉽게 얻을 수 있게 되었고, 각종 물질(아미노산·항생물질 등)의 정제가 용이하게 되었으며, 이온교환막이 개발되어 전기화학적으로 중요한 역할을 한다.



◆ 이온교환수지의 성질
색깔은 백색·황색·오렌지색·갈색·흑색 등이며(이 밖에 염색한 것도 있다), 일반적으로 반투명 또는 투명한 물을 흡수한 작은 알갱이 또는 부정형(분쇄한 것)이다. 크기는 입자의 지름이 0.4∼0.6mm이고, 비중은 겉보기로 0.6∼0.9, 물을 흡수하면 1.2∼1.4이다. 일반적으로 고분자인 다가(多價)의 산 또는 염기로 간주할 수 있는데, 이들이 치환하는 기(基)의 성질에 따라 강한 산·강한 염기 등의 성질을 보인다.


◆ 이온교환수지의 종류
⑴ 강한산형:이온교환을 하는 기로서 술폰산기 －SO3H를 가지는 것. 넓은 pH 영역에 걸쳐서 양이온교환이 가능하다. 경수(硬水)의 연화, 순수의 제조 등에 강한 염기인 것과 병용하며, 가장 널리 사용된다.
⑵ 약한산형:카르복시기 －COOH를 가지는 것. 능력이 크고, 재생이 가능하다.


<음이온교환수지〉
⑴ 강한염기형:4급 암모늄염기로서 R4NOH형인 것. 강한 염기성을 지니며, 넓은 pH 영역에 걸쳐서 음이온교환이 가능하다.
⑵ 약한염기형:1급·2급·3급의 아미노기를 가지며, 염기성은 약하나 능력이 크고 안정하다. 이온교환수지는 각각 다음과 같은 중화반응·중성염분해·복분해(複分解) 등을 보인다(단, R는 수지의 모체).
  ① R－H＋NaOH ↔ R－Na＋H2O
  ② R－H＋NaCl ↔ R－Na＋HCl
  ③ R－Na＋KCl ↔ R－K＋NaCl
  ④ R－OH＋HCl ↔ R－Cl＋H2O
  ⑤ R－OH＋NaCl ↔ R－Cl＋NaOH
  ⑥ R－Cl＋NaBr ↔ R－Br＋NaCl
이들 중 ②와 ④를 조합하면 해수의 탈염이 가능하다. 이 밖에 양쪽성 이온교환수지가 있는데, 이것은 양·음의 이온을 동시에 교환할 수 있다.


◆ 이온교환수지의 용도
불순물 이온의 제거(純水) 제조, 경수 연화, 수크로오스·물엿·알코올·유지·가스 등의 정제, 포르말린 속의 포름산 제거 등), 각종 이온의 분리 추출(회토류원소·초우라늄원소 등의 분리추출, 비타민·알칼로이드·아미노산 등의 추출 정제) 외에 미량물질의 정량(定量), 이온의 치환(置換) 또는 촉매, 크로마토그래피 분석 방면에도 응용되는 등 그 용도가 매우 광범위하다.


◆ 이온교환수지탑의 운전요령
1. 역세(BACKWASH)
처리액을 통액하면 수지층중에 원수중의 현탁물질이 침착하므로 이것을 씻어내고 수지층을 풀어주 기 위해 UP FLOW로 물을 통과시킨다. 이때의 유속은 수지층이 20∼80% 증가하는 정도가 적당하고 이때문에 수지층의 상부에 충분한 공간이 필요하게 된다. 또 역세후의 수지 입자경이 작은 것부터 큰것 순으로 정밀하게 된다. 수지층의 현탁물이 충분히 제거되면 역세를 중지하고 다음 재생공정으로 옮긴다. 수지층의 현탁물이 충분히 제거되면 역세를 중지하고 다음 재생공정으로 옮긴다.

2. 재생(REGENERATION)
재생제액을 UP FLOW로 서서히 통과시킨다. 재생제의 양은 수지의 종류, 처리목적 등에 따라서 다르고 일정하지 않다. 재생액이 수지층을 균일하게 분산해서 통과하고, 그러면서도 수지와 접촉시간이 긴 것이 좋다. 재생이 끝나면 통액을 중지하고 다음 압출 공정으로 옮긴다.

3. 압출(EXPULSION)
수지층중에 미반응 재생액이 남아있으므로 이것을 충분히 이용하기 위해 재생에 이어서 물을 재생액과 같은 요령으로 수지관의 하부에서부터 주입하여 재생과 같은 유속으로 압출한다. 이 조작은 재생의 연장이라고 생각할 수 있다.

4. 수세(RINESE)
압출공정후에 수지층에 남아있는 재생폐액을 씻어내는 공정으로서 압출공정에 이어 물의 유속을 높여 세정한다. 세정의 종점은 재생제가 완전히 제거 될 때까지 한다.

5. 통액(SERVICE)
목적으로 하는 피처리액을 하향류로 통액하여 이온교환한다. 통액유속은 피처리액의 종류에 따라서 다르지만 수처리등은 비교적 고유속으로 이온이 누출하기 직전까지 통액시킨다. 이온누출이 시작되면 통액을 중지하고 세정공정에 옮긴다. 수지탑중에 남은 피처리액을 회수할 필요가 있을때는 수지층면까지 액을 빼낸다음 물로써 압출 회수한다. 이상의 조작을 반복하여 이온교환수지탑을 운전한다.