이온교환수지 원리(feat. 삼양사)

안녕하세요 H&K Environment의 K입니다.

폐수를 재이용하시거나, 강물을 취수하여 공정수로 활용하고자 하는 경우 이온을 제거한 후 사용하실텐데요

이와 관련 오늘은 이온교환수지에 대해서 논의해보고자 합니다.

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모든 자료는 삼양사 카탈로그를 참조하여 작성했습니다.

매우 정리가 잘되어있습니다. (삼양사 화이팅)

국내 기업인 삼양사가 이온교환수지를 국내최초 개발해 관련 자료가 회사 사이트에 방대하게 있으니 참조바랍니다.

(아래 로고링크 클릭)

삼양사 링크

 

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1. 원수 중 존재하는 불순물 및 처리방법

 - Ca2+, Mg2+: 배관막힘(Scale) 원인

 - Na+, K+: Carry over 원인 (고형분/수분이 증기와 함께 증발하는 현상)

 - HCO3-: 기포, 배관부식 원인

 - SO42-, NO3-, Cl-: 배관부식, 배관막힘(Scale) 원인

 - SiO2: 배관막힘(Scale) 원인

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 이온교환수지(Ion Exchange Resin) 정의

- Functional Group(기능기)를 가진 합성수지 입자

* Functional Group: 화학물질이 어떤 성질을 가지게 되는지 결정하는 역할

- 용액 중의 이온을 교환하여 분리할 수 있는 능력이 있음

- 불순물 제거 및 이온성 물질의 분리에 사용

- 주로 초순수 제조공정에 사용

- 외부에만 교환기가 있는 것이 아니라, 내부에 더 많은 교환기를 보유하고 있음

이온교환수지

 

3. 제조 원리 및 구조

- 3차원적으로 가교된 고분자 모체에, 황산(SO3-) 혹은 암모늄기(NH3+)와 같은 교환기를 도입해 생성
- 고분자 모체는 Styrene Monomer와 DVB(Divinyl Benzene) monomer의 공중합체(Copolymer) 형태로 만들어짐

* 공중합체: 두 개 이상의 다른 단량체로 구성된 고분자. 서로 다른 물성을 가지는 단량체의 사용으로 다양한 물성의 고분자 재료를 얻음

- Polymer에서 Functional Group(교환기, 기능기) 부여 시 부피가 증가함 (0.2~0.3→0.5~0.6mm)
- 일반적인 SIZE: 0.3~1.2mm

이온교환수지 제조과정

 

4. 이온교환 반응 메커니즘

1) 강산성 양이온교환수지(Cation exchange ion)

- R-SO3H + Na+ ↔ R-SO3Na + H+ (SERVICE)

- 가역반응이므로 농도가 높은 쪽에서 반대편으로 반응이 이루어짐
- Target Ion인 Na+ 이온을 제거한 후, 재생 공정을 통해 재사용 가능
  (R-SO3Na + H+ ↔ R-SO3H + Na+ (REGENERATION)

* 실제는 Na+ 뿐만 아니라 양이온 물질을 제거함

양이온교환수지 메커니즘 (강산성)

2) 강염기성 음이온교환수지(Anion exchange ion)

- R-NHOH+ Cl- ↔ R-NHCl+ OH- (SERVICE)

- 가역반응이므로 농도가 높은 쪽에서 반대편으로 반응이 이루어짐
- Target Ion인 Cl 이온을 제거한 후, 재생 공정을 통해 재사용 가능
  (R-NHCl+ OH- ↔ R-NHOH+ Cl- (REGENERATION)

* 실제는 Cl- 뿐만 아니라 음이온 물질을 제거함

음이온교환수지 메커니즘 (강염기성)

3) 이온교환수지 반응/재생(반응 후) 메커니즘 (양/음이온교환수지 혼합탑)

 

5. 이온교환수지 구분의 기준

1) 입자 크기

2) 입자 분포 (균일 or 비균일)

- 균일할수록 반응이 균일하게 이루어짐

- 빠른 유속에도 운전 교환용량이 높아 높은 생산성 실현이 가능

- 장시간 사용해도 차압상승 및 Channeling(막힘) 현상이 적음

- 물리화학적으로 안정되어 안정적인 성능, Long life time 실현 가능

3) 가교도 (DVB%, Divinyl Benzene%)

- Styrene 대비 DVB 비율에 따라 가교도가 달라짐

- DVB 증가 시 더 촘촘한 망 형태가 됨

- 8%가 표준 (저/고 가교도 구분 기준)

가교도에 따른 수지특성

4) 다공성 (Gel type, Porous type[강화])

5) 교환기 (강산성/약산성, 강염기성/약염기성 수지 등)

■ 양이온 교환수지 (강산성/약산성)

① 강산성: 교환기로 황산을 사용하며 전 pH범위에서 양이온을 교환할 수 있음 (가장 폭 넓게 사용)

② 약산성: 교환기로 카르복실기(-COOH)를 사용하며 산성에서는 교환능력이 없다. pH 5~14에서 사용, 재생이 쉬움

교환된 이온을 놓치기가 쉬운것이 단점

■ 음이온 교환수지 (강염기성/약염기성)

① 강염기성: TMA(Trimethylamine), DMEA(Dimethylethanolmine)을 교환기로 사용. 전 pH 에서 사용

② 약염기성: Tertiary Amine을 교환기로 사용, 염기성 용액에서 교환능력 없음. pH 1~9에서 사용, 재생이 쉬움

교환된 이온을 놓치기가 쉬움

■ 킬레이트수지 (Chelating Resin)

금속 이온과 킬레이트를 형성할 수 있는 Functional Group를 가지고 있어, 일반 이온교환수지 보다 금속 이온에

높은 선택도를 가짐

6) 다양한 후처리

 

6. 이온교환수지 특성

1) 교환용량 (Exchange Capacity)

- 이온교환 능력치 측정

- 단위부피당 당량: eq/l-wet resin

- 단위 중량당 당량: eq/g-dry resin

2) 수분 (Moisture Retention)

- 적정 수준의 수분이 있어야 이온교환 수지 성능을 유지할 수 있음

- 가능한 산화성 물질과의 접촉을 피해야 함

- 가교도가 높으면 수분이 감소함

3) 진비중(Specific Gravity) 및 겉보기 밀도(Apparent Density)

- 제품 포장 시 기준

- 가교도가 높으면 진비중 및 겉보기 밀도가 증가함

4) 입자크기(Particle size) 및 균일계수(Uniformity coefficient)

5) 팽윤도 (Swelling rate)

- 이온교환수지의 부피

- 가교도가 클수록 팽윤도가 낮아짐

6) 운전온도 (Operating Temperature)

- 양이온교환수지: 120℃까지 안정

- 음이온교환수지: 40~80℃까지 안정

7) 이온 선택성 (Selectivity)

- 이온에 따라서 선택성이 있으므로 알맞은 이온교환수지 선정 가능

- 강산성 양이온교환수지: Li+<Na+<Rb+<Cs+; Mg2+<Ca2+<Sr2+<Ba2+

- 음이온교환수지: Citrate>SO42->Oxalate>I->NO3->CrO42->Br->SCN->Cl->Formate>Acetate>F

8) 반응속도 (Reaction Rate)

- 입자크기가 작을수록 반응속도가 빠름

- 가교도가 낮을수록 반응속도가 빠름

9) 재생효율 (Efficiency of Regeneration)

- 양이온 교환수지 재생재: HCl, H2SO4

- 음이온 교환수지 재생재: NaOH

- 이온교환수지는 가역반응이라서 재생레벨이 올라갈 수록 이론적으로 기대되는 재생효율에 비해 낮아짐

 

7. 이온교환수지탑 종류

 

8. 이온교환수지탑 조합

감사합니다.

 

삼양사 링크