イオン交換樹脂とは
イオン交換樹脂は水を浄化するために用いられます。
樹脂の表面はスルホ基やアンモニウムイオンなどで修飾されており、水を流すと水に含まれるイオン性の不純物と樹脂表面のイオンが交換され、不純物が除去されます。イオン交換樹脂は陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂の2つに分けられ、除去したいイオンの種類、強さに応じて使い分けます。イオン交換樹脂は純水の製造、重金属イオンの除去など様々な用途で用いられます。
イオン交換樹脂の使用用途
イオン交換樹脂は水を浄化するために用いられます。例えば海水には塩、つまり塩素イオンとナトリウムイオンなどの様々なイオンが含まれています。
その他、工場で使われた水には重金属イオンが含まれることがあります。これらのイオンを除去するために用いられるのがイオン交換樹脂です。イオン交換樹脂の具体的な用途としては純水の精製、カルシウムイオンなどが多い硬水の軟水への加工、重金属イオンの分離・回収、医薬品の精製などが挙げられます。
イオン交換樹脂の原理
イオン交換樹脂は0.5mm程度の球状の樹脂で、表面には様々な官能基が修飾されています。修飾された部分はイオンの状態で存在しており、正電荷または負電荷を有しています。この樹脂にイオンが含まれた水を流すと、イオンの電荷の強さの大小によって樹脂のイオンと水中のイオンが交換、つまり水中のイオンが樹脂によって除去されます。イオン交換樹脂は2種類に分けられます。
1. 陽イオン交換樹脂
樹脂の表面に酸性官能基を導入しており、水中の陽イオンを除去することができます。強酸であるスルホ基、または弱酸であるカルボン酸基が修飾されており、除去したいイオンの強さに応じて使い分けます。
2. 陰イオン交換樹脂
図1. 水中のイオン除去
樹脂の表面に塩基性官能基を導入しており、水中の陰イオンを除去するために用います。アンモニウムイオンやジエチルアミノ基が修飾されており、塩素イオンなどの陰イオンの除去に用います。
イオンを除去できる能力は樹脂のイオンの強さ、水中に含まれるイオンの強さ、濃度、カラム温度など様々な条件に依存します。そのため、実際に使用するときは条件の最適化が必須です。
イオン交換樹脂のその他情報
1. イオン交換樹脂の寿命と再生法
図2. イオン交換樹脂の再生
イオン交換樹脂は樹脂表面に修飾された官能基に含まれるイオンと水中のイオンを交換することで水を浄化させます。したがってイオン交換樹脂を使い続けると樹脂表面のイオンは水中に含まれるイオンに置き換わり続け、イオン交換能力も減少します。
ただし、イオン交換樹脂は再生、再利用することが可能です。陽イオン交換樹脂は塩酸、陰イオン交換樹脂では水酸化ナトリウムに浸漬させることでイオン交換樹脂に吸着した水中のイオンと塩酸の水素イオン、水酸化ナトリウムの水酸化物イオンの交換が起こります。これによりイオン交換樹脂を再生させ、利用することが可能です。
2. イオン交換樹脂の廃棄
イオン交換樹脂は上記の通り再生、再利用することが可能です。一方で、樹脂自体が劣化したり、修飾したイオン交換基が分解したり、樹脂表面に汚れが蓄積してイオン交換基が覆われると再生不可能となります。
性能が低下して使用できなくなったイオン交換樹脂を廃棄する場合、焼却処理するのが一般的です。ただし、スルホ基などの修飾された官能基、水中に含まれる塩化物イオンなどが焼却時に分解したり、酸化物に変化することで大気汚染の原因となる可能性もあります。イオン交換樹脂の処理は自治体の条例に従う必要があります。
3. イオン交換樹脂を用いた純水製造
イオン交換樹脂は純水製造装置に使われています。ただし、イオン交換樹脂は水中のイオン以外の不純物を除去することが出来ません。このような不純物を除去するため、純水製造装置にはイオン交換樹脂以外に砂や活性炭も含まれています。まず砂ろ過、活性炭処理、前処理フィルターによって固形分などの不純物を除去したり、簡易精製を行った後にイオン交換樹脂で処理することで純水を製造します。
参考文献
http://www.purolite.co.jp/2013-01-29-573#i-5
http://ier.organo.co.jp/ion_exchange/index.html
https://www.diaion.com/youto/
https://kcr.kurita.co.jp/wtschool/004.html
https://patents.google.com/patent/JP2005219011A/ja
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jaie1990/11/2/11_2_45/_pdf