1. 이온교환수지 (ion exchange resin) 란?
이온교환수지는 3차원 구조의 고분자에 이온교환기를 결합시킨 것으로 극성, 비극성 용액에 녹아있는 이온성 불순물들을 교환 및 정제 해주는 고분자 물질이다.
작용기에 도입되는 교환기에 따라 양이온 또는 음이온 교환수지로 구분할 수 있다.
일반적으로 수지 모체는 Styrene 또는 Acrylic acid와 같이 *Vinyl기가 있는 단량체(monomer)와 *Divinyl Benzene(DVB)를 공중합하여 제조한다.
Vinyl기의 이중결합은 긴 사슬로써의 중합을 가능하게 하고, 이러한 선형(Linear) 폴리머 사슬을 안정적인 3차원 구조로 만들기 위해 가교제인 Divinyl Benzene(DVB)를 투입한다.
* 비닐기 (Vinyl)
-CH=CH2로 표시되는 작용기를 의미한다.
* Divinyl Benzene (DVB)
총 단량체에 대한 DVB 함량(%)을 가교도라고 하며, DVB 함량이 높을수록 조밀한 구조의 수지가 형성된다.
함수 상태에서 미세공(micro pore)이 형성되며, 미세공 공간을 통해 이온 확산하며 이온 교환이 이뤄진다.
가교도가 높을수록 미세공의 크기도 상승한다.
2. 이온교환수지 분류
이온교환수지는 모체 구조에 따라 겔형(Gel)과 다공형(Porous)으로 분류 가능하다.
1) 겔형(Gel)
Styrene과 D.V.B가 중합해서 제조된 이온교환수지는 투명에 가깝고 Gel 구조를 가진다.
이온교환수지는 함수 상태에서 부피가 팽창하며, 가교된 폴리머와 수화된 폴리머 사이의 거리차로 인해 *기공(Void)이 만들어진다.
* 폴리스티렌 사슬 사이의 공극을 기공이라고 한다.
겔(Gel) 수지의 기공은 크기는 몇 Å (micro pores)로 매우 작은 수준이지만, 비교적 일정하다.
아래 그림에서 폴리스티렌 사슬은 파란색으로 표시되고, DVB로 형성된 "Bridge"는 빨간색으로 표시된다.
겔 타입 레진에 사용할 수 있는 DVB의 양은 한계가 있으며, 가교도가 높을수록(DVB가 많을수록) 더 큰 이온을 잡아줄 수 없기 때문에 단점이 될 수도 있다.
예를 들어 무기이온의 경우 직경이 0.2 ~ 0.5 nm로 매우 작기 때문에 일반적인 겔 수지로는 완전히 제거 가능하지만, 분자 사이즈가 큰 유기분자를 제거해야할 경우 겔 타입으로 제거하기에는 어려움이 있다.
또한, 흡착된 유기물은 재생과정에서 유기물로 오염되기 쉬우며, 팽창 특성은 수지의 반복사용에 따른 기계적 강도를 저하의 원인이 된다. (팽창과 수축으로 인한 파손)
2) 다공형(Porous)
겔(Gel)타입 이온교환수지 문제점를 극복하기 위해 다공형 이온교환수지(porous ion exchange resin)가 발명되었다.
포로겐 또는 상 연장제가 이온교환수지 중합에 포함되면서, 매트리스 상 공간을 생성하는 특수한 중합법으로 물리적 다공성을 갖는 이온교환수지를 제조할 수 있다.
중합 반응이 완료되면 포로겐은 씻겨 나가고 폴리머 구조에 공극만 남게 되는데, 이 것이 거대 기공(macro pores) 이다 .
다공형은 특수한 중합으로 실제 기공(macro pores)을 만들기 때문에 함수 상태에서 부풀지 않는다.
최종 수지는 불투명하며, 큰 이온을 교환할 수 있다.
수화된 Gel형 이온교환수지는 약 1~2nm (10~20Å)의 기공 크기를 갖는데 비해,
다공성 수지는 20~100nm (200~1000Å) 크기의 거대 기공을 갖는다.
참조 :
길이의 단위 (cm, mm, μm, nm, Å, pm)
아래에 1m(meter)보다 작은 크기를 표현하는 단어 명칭과 지칭하는 크기를 나타내었고,1m로 변환한 값은 다음과 같다. 1. 센치미터 (cm) - 1cm = 10-2m - 1 m = 1,000 cm 2. 밀리미터 (mm) - 1mm = 10-3m - 1 m = 10,000
imagine-imengine.tistory.com
3. 양이온/음이온 교환수지 란?
또한, 교환기의 종류에 따라 양이온 교환수지(Cation exchange resins)와 음이온 교환수지(Anion exchange resins)로 분류한다.
1) 강산성 양이온 교환수지 (SAC, Strongly acidic cation exchange resins)
강산성 양이온 교환 기능성은 고온에서 농축 황산과 접촉하여 술폰화 반응을 통해 화학적으로 활성화를 시킬 수 있다.
술폰화 반응 후 수지를 세척하여 과량의 황산을 제거하면, 작용기가 수소 형태인 수지를 생성할 수 있다.
제품을 연화 수지로 사용하려면 탄산나트륨을 사용하여 나트륨 형태로 전환해야 한다.
2) 약산성 양이온 교환수지 (WAC, Weakly acidic cation exchange resins)
약산성 양이온 교환수지는 폴리스티렌 비드의 활성화로 생성되는 것이 아닌, 아크릴로니트릴이나 메틸 아크릴레이트에서 시작하는 아크릴 폴리머로 만들어진다.
상기의 폴리머는 카르복실산(-COOH) 그룹을 형성하기 위해, 폴리아크릴로니트릴 폴리머는 황산, 폴리아크릴레이트는 가성소다로 가수분해 해야한다.
얻어진 수지는 약산이며 중성 환경에서 부분적으로만 이온화되며, 산성도는 아세트산과 유사하다.
매트릭스가 방향족이 아닌 지방족 경량 구조로 인해, 폴리스티렌 기반 수지보다 활성 그룹의 밀도가 더 높다.
이로 인해 총 이온교환 용량이 높다.
* (참조) 강산성/약산성 양이온교환수지 특징
3) 강염기성/약염기성 음이온 교환수지 (Strongly and weakly basic anion exchange resins)
음이온 교환 기능성을 화학적으로 활성화 시키기 위해서는 두 가지의 단계가 필요하다.
첫 번째 단계는 클로로메틸화 단계로, 폴리머 비드와 클로로메틸 메틸에테르 간의 반응이다.
염화물 그룹이 있지만 이는 공유 결합이며 이온화되지 않았기 때문에, 아직 음이온 교환 기능성을 갖지 못한다.
활성화의 두 번째 단계는 아민화로 , 공유 결합 염화물이 아민으로 대체된다.
그림은 아민화의 두 가지 경우이며, 생성물은 4차 암모늄 염화물 염이다.
SBA Type 1은 가장 일반적인 강염기 교환기이며, SBA Type 2는 1형 대비 염기성이 다소 낮다.
SBA Type 2형 수지는 재생성(OH- 형태로 전환)이 더 좋지만, 온도 저하에 더 민감하고 이온에 대한 선택성 낮다.
생성된 SBA 수지는 하이드록시기(OH-)형태보다 보관 및 운송되기 안정적인 염화물(Cl-) 형태이며, 탈염 시스템에서 사용하기 전에 아래 그림과 같이 가성소다로 재생해야 한다.
약염기성 음이온 교환 수지는 같은 방식으로 생산할 수 있지만, 3차 아민 대신 2차 아민을 사용한다.
2차 아민으로는 대부분 디메틸아민이 사용된다.
* (참조) 강염기성/약염기성 음이온교환수지 특징
3. 이온교환수지의 이온 선택성
이온교환수지는 각종의 이온에 대하여 선택. 흡착성이 각각 다르다.
1) 양이온교환수지의 선택성
강산성양이온교환수지를 사용해서 저농도, 상온의 이온수용액을 처리 시 이온의 선택흡착성은 이온의 원자가가 높을수록 크다.
: Na+ < Ca 2+ < Al 3+ < Th 4+
원자가가 같은 경우에는 원자번호가 높을수록 선택성이 커지나 그 차이는 원자가의 차이만큼 크지는 못하다.
: Li+ < Na+ < Rb+ < Cs+ ; Mg 2+ < Ca 2+ < Ba 2+
즉, 양이온교환수지의 양이온에 대한 선택성의 순서는 다음과 같다.
: Ba 2+ > Pb 2+ > Sr 2+ > Ca 2+ > Ni 2+ > Cd 2+ > Cu 2+ > Zn 2+ > Tl+ > Ag+ > Cs+ > Rb+ > K+ > NH 4+ > Na+ > Li+
2) 음이온교환수지의 선택성
음이온교환수지의 선택성은 다음과 같다.
: Citrate > SO4 2- > Oxalate > I- > NO 3- > CrO4 2- > Br- > SCN- > Cl- > Formate > Acetate > F- 또는 OH
4. 이온교환수지 사용/재생 Mechanism
이온교환은 고체와 액체 상 사이의 가역적 이온 교환으로 정의된다.
수지 재생공정을 통해 원래 상태로 복원하여 재사용 할 수 있다.
'Engineering > Basics' 카테고리의 다른 글
| 밀도(Density)과 비중(Specific Gravity)의 차이 (0) | 2024.07.22 |
|---|---|
| 결정화 온도(Crystallisation temperature)란 무엇인가? (2) | 2024.07.16 |
| 길이의 단위 (cm, mm, μm, nm, Å, pm) (0) | 2024.07.13 |
| 색상분석 방법 (APHA , Gardner) (0) | 2024.07.13 |
| 물체색 측정방법 (CIE Lab, YI) (0) | 2024.07.13 |
