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이온 교환 수지

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작성자 최고관리자 작성일19-08-06 18:20 조회1,075회 댓글0건

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1. 이온 교환 수지

1) 설명

 이온교환작용을 나타내는 물질, 즉 이온교환체의 일종. 물에 불용성인 합성수지이며, 양이온교환수지·음이온교환수지·양쪽성이온교환수지[兩性(양성)ion交換樹脂(교환수지)] 등이 있다.

2) 이온교환 수지의 역사

 이온교환 현상은 오래 전부터 알려져 있었으나, 화학적으로는 19세기 초 영국의 토양학자 H.S. 톰슨과 J. 웨이가 밝혀냈다. 어떤 종류의 토양에서 칼슘이온과 암모늄이온 사이에 양이온교환이 일어난다는 것을 알아내고, 이 경우의 교환에는 당량관계가 있으며, 어떤 이온은 다른 이온보다 쉽게 교환된다는 선택성을 발견하였다.

처음에는 점토물질이 교환제로 사용되었으나, 1935년 B.A. 애덤스와 F.L. 홈스 등이 다가페놀(多價phenol)과 포름알데히드를 축합시킨 수지의 염류수용액과의 양이온교환현상, 아닐린이나 메타페닐렌디아민과 포름알데히드의 축합물인 수지 입자가 황산기를 흡착하는 음이온교환 현상을 발견하였다.

또 그 뒤 독일의 IG사에 의해 계통적인 연구와 공업적인 이온교환수지의 제조가 시작되었다. 또한 같은 무렵에 미국의 레지너스사(지금의 Rohm & Hass社)에서도 연구가 진행되어 1941년에는 이 결과 개발된 이온교환수지가 앰벌라이트(Amberlite)라는 상품명으로 시판되었다.

그리고 제2차세계대전중 미국·독일 등에서 이온교환수지는 용수(用水) 등의 물 처리, 벰베르크레이온공장의 폐수로부터의 구리 회수, 퀴닌의 추출·정제, 희토류원소의 분리·추출, 바닷물의 담수화 등 넓은 범위에 걸쳐 활용되었다. 제2차세계대전 후에는 스티렌계의 강한산성양이온교환수지가 롬-하스사에서 발매됨으로써 스티렌계이온교환수지의 시대가 시작되었으며, 핵분열 생성물의 분리, 고순도 순수(純水)의 제조, 여러 가지 고가의 화학물질, 예컨대 아미노산이나 항생물질 등의 정제가 공업적 규모로 실현되었다.

또한 이것은 사탕수수 당액 탈색, 사탕무로부터의 소프트슈거(그래뉴당)의 직접제조, 바닷물 농축 등 여러 공업 분야에서 널리 응용되었다. 한편 이온교환수지를 막모양으로 성형(成形)한 <이온교환막>이 개발되어 새로운 격막(隔膜)으로서 여러 면에 활용되고 있다.

3) 구조

3차원의 입체적 구조를 가진 고분자화합물, 즉 모체(母體;基體)에 이온교환 기능을 가진 이온교환기(ion-exchange group)가 공유 결합으로 안정하게 결합하여 수지 표면에 골고루 고정·분포되어 있다. 이온교환수지의 고분자 모체로는 현재 스티렌과 디비닐벤젠(DVB)의 혼성중합체가 가장 많이 이용되고 있는데, 이것에서 DVB는 선상(線狀)의 스텐렌중합체 사이를 알맞게 다리걸침시키기 위해 사용된 것이다.

4) 종류

 모체에 도입되는 이온교환기의 종류에 따라 <강한산성양이온교환수지>, <약한산성양이온교환수지>, <강한염기성음이온교환수지> <약한염기성음이온교환수지> 등으로 나뉜다. 이 밖에 특수한 것으로는 특정 금속과 킬레이트결합을 할 수 있는 작용기를 가진 <킬레이트수지>와 <양쪽성이온교환수지> 등이 있다. 모체인 스티렌·DVB혼성중합체는 구조상 투명하고 거의 균질인 겔형, 즉 헤테로포러스형과 물리적으로 큰 구멍지름을 가진 매크로포리스형 등으로 크게 나뉘는데, 이것들에 각각 여러 가지 이온교환기를 도입·고정시킨 갖가지 이온교환수지가 시판되고 있다.

5) 성질

 색깔은 흰색·황색·주황색·갈색·검정색 등 여러 가지가 있으며, 일반적으로 물을 흡수한 상태로 시판되고 있다. 이것의 입자는 대부분 크기 20∼40메시(입자 지름 0.4∼0.6㎜)의 부정형(不定形) 또는 구형 입자인데, 부정형인 것은 덩어리모양 또는 입자모양의 이온교환수지를 분쇄하여 만든 것이다. 함수(含水) 상태일 때의 비중은 1.2∼1.4 정도이다.

6) 제조법

 이전에는 모체인 고분자화합물로 다가페놀류와 포름알데히드의 축합중합물이 많이 사용되었으나, 현재는 앞에서 말했듯이 스티렌과 DVB의 다리걸침혼성중합체가 많이 사용되고 있다. 이것에 여러 가지 작용기를 도입하고 다리걸침도는 DVB의 양으로 조절하는데, 일반적으로 DVB 함유량은 6~16% 정도이고, 표준 다리걸침의 DVB함유량은 8% 정도이다. 양이온교환수지는 양이온교환기로서 산성기를, 음이온교환수지는 음이온교환기로서 염기성기를 도입한 것이며, 약한산성기와 약한염기성기를 둘 다 가진 것이 양쪽성 이온교환수지이다.

이온교환수지의 이온교환기로는 다음과 같은 것들이 흔히 이용되고 있다.

① 강한산성기: 술폰산기 -SOH
 ② 약한산성기: 카르복시기-COOH, 페놀성히드록시기 -OH
 ③ 강한염기성기: 제4암모늄염기 -NHOH
 ④ 약한염기성: 제1아민·제2아민·제3아민(-NH, -NHR, -NR) 등이 있다.

7) 용도

 이온교환수지의 주된 용도는 이온교환인데, 양이온교환수지와 음이온교환수지의 용도는 경수를 연수로 전환시키는데 있다.

8) 순수제조와 용수처리

 현재 순수(증류수)제조는 보통 이온교환법에 의해 하고 있다. 입자모양 이온교환수지를 각 칼럼에 충전하고, 먼저 양이온교환수지를 충전한 칼럼에 소금 NaCl의 수용액을 부으면, 반응식 (R-H+NaOH ↔ R-Na+H2O ) 의 반응으로 양이온교환수지에는 나트륨이온 Na가 고정되고, 흘러 나오는 물속에는 염산 HCl이 남는다.

이어서 이 물을 음이온교환수지를 충전한 칼럼에 흘러내리게 하면, 반응식 (R-OH+HCl ↔ R-Cl+H2O ) 의 반응으로 음이온교환수지에 염소이온 Cl가 고정되어 순수가 흘러 나오게 된다. 이상의 역반응 과정은 바닷물로부터 소금을 제조하는 데 이용되는데, 현재 소금 제조에는 더 효율적인 이온교환막(이온교환수지 등을 막모양으로 성형한 막)이 활용되고 있다. 한편 전자공학·화력발전 등 산업 분야에서 사용되는 물을 공급하기 위해 물처리를 하는 것을 용수처리라 한다. 천연수 속에는 칼슘·마그네슘 등의 양이온이나 탄산수소이온·황산이온 및 콜로이드상유기산 등의 음이온 등이 있는데, 이것들을 이온교환수지로 교환·흡착 처리하는 방법으로 용수를 얻는다.

9) 기타 용도

 이온교환수지는 주로 이온교환을 하는 용도와 고체촉매로서의 사용법이 있다. 이온교환을 주로 하는 용도에는 순수의 제조 외에 경수의 연화, 포르말린 속의 포름산 제거, 각종 이온의 분리·추출(희토류원소·초우라늄원소 등), 비타민·알칼로이드·아미노산 등의 추출 정제, 도금 폐액 중에서 중금속이온이나 시안이온의 회수 등이 있다. 촉매로는 양이온교환수지 또는 음이온교환수지가 산 또는 염기촉매반응의 고체촉매로서 이용된다. 반응 후의 촉매 회수는 여과에 의해 할 수 있으므로 반응생성물을 쉽게 정제할 수 있다.

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