기술자료 경기도성남시분당구구미동 18 시그마 2 빌딩 D-303 Tel : ( 代 ) 031-711-1560 Fax : 031-711-1563 www.iontec.co.kr e-mail : ion@iontec.co.kr 이온교환수지일반 1. 이온교환수지개요이온교환수지는미세한 3차원구조의고분자기체에이온교환기 (functional group) 를결합시킨것으로서극성, 비극성용액중에녹아있는이온성물질을교환, 정제하여주는고분자물질이다. 즉, 이온교환수지가가지고있는가동이온이용액중의다른이온과서로치환하여주는합성수지라고할수있다. 이온교환수지는교환기에따라서이온교환성이다르며양이온을교환하는양이온교환수지 (Cation exchange resin) 와음이온을교환하여주는음이온교환수지 (Anion exchange resin) 로크게나눌수있다. 관능기에따른분류 - 강산성, 약산성양이온교환수지 - 강염기성, 약염기성음이온교환수지 제조방법에따른분류 - GEL형수지 - 다공형수지 1) 강산성양이온교환수지가장널리사용되는양이온수지로술폰산기 (-SO3H) 를교환기로가지고있으며그골조는 styrene과 divinyl benzene의공중합체로되어있다. sulfonic acid polystyrene-dvb 공중합체는일반적으로강산, 강염기에안정하며산화제에도침해받지않으며, sulfonic acid가교환기로되어있어전 ph 범위에서이온교환이가능하다. 색, 비중 : 갈색내지흑갈색으로불투명하며일반적으로가교도가커서색이짙게되는경향이있다. 수중에서의겉보기비중은 1.3 전후이다. 안정성 : sulfonic acid polystyrene-dvb 수지의안정성은유리산의형태는 100 정도까지는교환용량의변화가없고, 염형에서는 120 의고온까지안정하다. 가열하면분해되어교환용량, 밀도, 수분흡착이저하하고 186 에서 24시간가열하면교환용량이 15 40% 저하한다. 가교도가증가할수록열에대한안정성이좋아지며수지의근본적인성질을지배하는것은교환기의종류및성질, 교환기의수 ( 교환용량 ) 및가교도의정도로서가교도란 1 차원의중합체를 3차원적으로결합시키는역할을하는 bridge에관계되는것을나타내
IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII 이온교환수지일반 - 2 - 는것으로서구체적으로는수지중의분자망목의크기에대응하여있으며일반적으로 DVB의함유량을나타낸다. 2) 약산성양이온교환수지 약산성양이온교환수지는 Porous type 으로서교환용량이높고재생효율이뛰어나의약품, 식품, 유기화합물등의정제에사용된다. 교환기는 carboxyl radical(-cooh) 을가진것으로 acid radical의해리도가적으므로보통비교적높은 ph 영역 (4~14) 에있어서자체이온교환이가능하다. 구분강산성양이온교환수지약산성양이온교환수지 구조모형 구조식 R - SO 3 H R - COOH 산도 ( 酸度 ) 강산성약산성 유효 ph 1 14 5 14 교환용량작다크다 재생효율낮다높다 이온흡착성강하다약하다 3) 강염기성음이온교환수지 제4급 ammonium 수지로가장널리사용되고있으며 styrene과 DVB의공중합체에 chloromethylethele을반응시켜 methylene chlorite radical을도입시키고다시제3급 amine과반응시키면, 제4급 ammonium 교환기를가진음이온교환수지가된다. 염의형태는 80 까지안정하고 OH형은안정치못하며상온에서도서서히분해하여 amine 냄새를발산한다. 갈색내지담갈색구형또는입상으로비중은수중에서 1.08 1.14로서 sulfonic acid 수지보다약간가볍다. 또한강염기성음이온교환수지는 I형과 II형의 2가지가있다.
IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII 이온교환수지일반 - 3-4) 약염기성음이온교환수지 제3급이하의 amine은해리정수가아주작고약염기성을나타내므로교환기에제3급이하의 amine을도입하면약염기성음이온교환수지를만들수가있다. 당, 효소정제, Formalin 정제및촉매용도로사용된다. 구분강염기성음이온교환수지약염기성음이온교환수지 구조모형 염기도강염기성약염기성 유효 ph 1 14 0 9 교환용량작다크다 재생효율낮다높다 이온흡착성강하다약하다 SiO 2 제거가능불가능 2. 이온교환수지의제조와특성 1) 이온교환수지의제조이온교환수지의구조는이온교환성, 내구성등에밀접한관계가있고중요하다. 이기체는일반적으로 Styrene 또는 Acrylic Acid와같은 Vinyl기가있는단량체 (monomer) 와 Divinyl Benzene(D.V.B) 을공중합하여제조한다. [ 중합모체의제조 ]
IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII 이온교환수지일반 - 4 - 구형입자제조원리 O I L 물 OIL 대신 STM 과 DVB 를사용하여교반시켜구슬모양의 수지를생성한다. 이때입자크기는교반속도에따라결정된다. 구슬모양의수지에교환기를도입하여제조한다. 2) 이온교환수지의가교도 전술과같이이온교환수지의기체는 STM과 DVB를공중합하여 3차원구조로제조한다. 이때전단량체에대한 DVB% 를가교도라하고이것이높을수록조밀한구조의수지가된다. 일반적으로가교도 8% 의것을표준가교도수지라하고특성은다음과같다. 구분저가교도고가교도 구조모형 수 분 (%) 많다 적다 교환용량 작다 크다 팽 윤 성 크다 작다 반응속도 빠르다 느리다 재생효율 높다 낮다 탈이온시 Leak 적다 많다 내산화성 - 양호하다 내유기오염성 양호하다 - 용적변화 크다 작다
IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII 이온교환수지일반 - 5-3) 겔형 (Gel Type) 과다공형 (Porous Type) 이온교환수지 Styrene과 D.V.B가중합해서제조된이온교환수지는투명에가깝고 Gel 구조를가지고있으므로겔형이온교환수지라고하고, 특수한중합법으로물리적다공성을갖는이온교환수지를제조할수있으며이와같은수지를다공형이온교환수지 (porous ion exchange resin) 라고한다. 이수지는기본적으로겔형과같지만고분자기체에세공 (macro pore) 이있는점이다르다. 구분 Gel Type Porous (MR) Type 형 상 수지외관 투명구상 불투명구상 수지표면 Micro pore Macro pore 내 열 성 비교적높다 높다 내유기오염성 - 양호하다 반응속도 빠르다 매우빠르다 Porous 형이온교환수지 DVB % 가그다지높지않은것 (4~8%) 을 porous화한수지로비표면적등 porous적인성질은크지않지만수용액등극성용제중에있어서교환성이나재생효율, 탈색성, 대유기오염성등의특징을가지고있다. 함수량이나용적당교환용량, 팽창도등일반적인성질은대체로가교도에의존한다. porous형이온교환수지의 DVB% 와일반적성능측정치는 gel형에유리하지만수지의실용적인면에서아주뛰어난성능을가진것이있다. 이종류의수지도 gel형과같이 DVB% 의영향이크고예를들면강산성양이온교환수지의중화시간을측정하면 DVB% 가낮은수지일수록반응이빠르다. 일반적으로저가교도의수지일수록탈색, 탈염성이좋은결과가얻어지지만 DVB% 가감소하면교환용량이감소하는것으로서처리량이얼만큼적어지는경향이있다.
IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII 이온교환수지일반 - 6 - 교환기가없는 polymer( 합성흡착제 ) Styrene과 DVB를특별한방법으로중합하면 porous성이뛰어난 high porous polymer가얻어진다. 이 polymer의비표면적이나세공용적은거대하여구조를얼만큼변화시키면세공분포를어느정도자유로변화시킬수가있고다른성질의 polymer를제조할수있다. 고다공성 Styrene계합성흡착제로서 porous성이뛰어나비표면적 500 1,200 m2/g에달하며단백질의정제, 항생제정제, 기타식품의약품의정제, 탈염, 탈색, 화합물등의흡착에사용될수있다. 4) 강염기성이온교환수지 Ⅰ형과 Ⅱ형의비교강염기성음이온교환수지는염기도가강한 Ⅰ형과이보다약한 Ⅱ형이있다. 가. Ⅰ형과 Ⅱ형의비교 구 분 Ⅰ 형 Ⅱ 형 염 기 도 강하다 약간약하다 재생난이도 어렵다 ( 재생제다량필요 ) 쉽다 ( 재생제소량필요 ) 산 흡 착 누출이적다 Ⅰ형보다많다 교환용량 일반적으로작다 일반적으로크다 화학적안정성 우수하다 약간떨어진다 수축, 팽윤 크다 작다 내열성 ( C) 60이하 (OH 형 ), 80이하 (Cl 형 ) 40이하 (OH 형 ), 60이하 (Cl 형 ) 나. Ⅰ형과 Ⅱ형의재생Level과교환용량비교 ( 재생온도 35 C) SAR20MB SAR10MB
IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII 이온교환수지일반 - 7 - 다. 2B3T와 MB장치의강염기성음이온교환수지적용 -2B3T( 양이온탑-탈탄산탑-음이온탑 ) 에는강염기성음이온교환수지 Ⅱ형을사용 a Ⅰ형수지보다재생효율이높다. 염기도가 Ⅰ형보다낮기때문에재생시이온탈착이용이하다. b 재생효율의양호함으로재생제가절감된다. -MB( 혼상탑 ) 에는강염기성음이온교환수지 Ⅰ 형을사용. a MBP 는이온의부하량이적고재생 Cycle 이매우길어재생효율에대한부담이작다. b 최종순도를끌어올리는장치이므로 SiO₂ 및음이온에대한선택성이큰수지를사용