이온교환수지

3. 구조

이온 교환 수지는 주로 직경 1mm 미만의 입자 형태로 공급되거나 이용되지만, 그 외에도 섬유 형태나 액상 제품도 있다. 막 형태의 것은 특히 이온 교환막이라고 불린다.

3. 1. 모체

3. 2. 이온 교환기

일반적으로 이온 교환 수지는 가수(이온의 전하량)가 크고 원자량이 무거운 이온일수록 더 잘 달라붙는 경향(이온 선택성)이 있다. 즉, 이런 이온들과 더 쉽게 교환된다. 이러한 성질 때문에, 사용한 이온 교환 수지를 수소 이온(H⁺)이나 수산화물 이온(OH^-)을 이용하여 원래 상태로 되돌리면(재생), 물속에 녹아있는 다양한 종류의 이온들을 효과적으로 제거할 수 있다. 하지만 예외적으로 플루오린 이온(F^-)은 수산화물 이온보다 선택성이 낮아서 이온 교환 수지로 제거하기 어렵다.

4. 종류

이온 교환 수지는 작용기의 종류에 따라 크게 네 가지 주요 유형으로 나눌 수 있다.^[4]

• 강산성 양이온 교환 수지 (SAC, Strong Acid Cation): 술폰산기를 작용기로 가지며, 연수화 및 탈염에 주로 사용된다.^[4]
• 강염기성 음이온 교환 수지 (SBA, Strong Base Anion): 4급 아미노기를 작용기로 가지며, 실리카, 우라늄, 질산염 제거 등에 효과적이다.^[4]
• 약산성 양이온 교환 수지 (WAC, Weak Acid Cation): 카복실산기를 작용기로 가지며, 탈알칼리화나 고농도 염수 연수화에 사용된다.^[4]
• 약염기성 음이온 교환 수지 (WBA, Weak Base Anion): 1차, 2차, 3차 아미노기를 작용기로 가지며, 강산 흡착 및 특정 탈염 공정(SiO₂ 및 CO₂ 제거 불필요 시)에 사용된다.^[4]

4. 1. 양이온 교환 수지

• 강산성 양이온 교환 수지 (SAC, Strong Acid Cation):
• 주로 술폰산기를 작용기로 가진다. 예를 들어 폴리스타이렌 설폰산 나트륨이나 polyAMPS 등이 있다.^[4]
• 연수화(물 속의 칼슘, 마그네슘 이온 제거) 및 탈염 작업에 자주 사용된다.^[4]

• 약산성 양이온 교환 수지 (WAC, Weak Acid Cation):
• 주로 카복실산기를 작용기로 가진다.^[4]
• 탈알칼리화(물 속의 탄산염, 중탄산염 제거)에 이상적이며, 염분 농도가 높은 물의 연수화에도 사용될 수 있다.^[4]

4. 2. 음이온 교환 수지

=== 강염기성 음이온 교환 수지 (SBA) ===

강염기성 음이온 교환 수지(Strong Base Anion exchange resin, SBA)는 일반적으로 4급 암모늄기를 작용기로 가지며,^[4] 예를 들어 트리메틸암모늄기가 있다.^[4] 이 수지의 활성 부위는 흔히 –NR₄⁺OH⁻ 형태로 표현된다.^[6] 이들은 주로 수지 매트릭스의 일부로 4급 암모늄 양이온을 갖는 스티렌–디비닐벤젠 공중합체 형태이다.^[6] SBA 수지는 넓은 pH 범위에서 음전하를 안정적으로 유지하는 특징이 있다.^[5] 이러한 특성 덕분에 실리카(SiO₂), 우라늄, 질산염 등 강산 및 약산의 음이온 제거에 효과적으로 사용된다.^[4] 대표적인 반응식은 다음과 같다.^[6]

: –NR₄⁺OH⁻ + HCl → –NR₄⁺Cl⁻ + H₂O

=== 약염기성 음이온 교환 수지 (WBA) ===

약염기성 음이온 교환 수지(Weak Base Anion exchange resin, WBA)는 일반적으로 1차, 2차 및/또는 3차 아미노기를 작용기로 가지며,^[4] 예를 들어 폴리에틸렌 아민 기반 수지가 있다.^[4] WBA 수지는 높은 pH 환경에서는 염기성이 약해져 탈양성자화되어 전하를 잃을 수 있다.^[5] 하지만 기계적 및 화학적 안정성이 우수하고, 높은 이온 교환 속도를 나타낸다는 장점이 있다.^[5] 주로 염산, 황산과 같은 강산의 중화 및 흡착에 효과적이며,^[4] 실리카(SiO₂)나 이산화탄소(CO₂) 제거가 필요하지 않은 탈염 공정에 사용된다.^[4] 또한, 높은 안정성과 빠른 교환 속도 덕분에 유기 염 처리에 적합하다.^[5]

=== 재생 및 이온 선택성 ===

음이온 교환 수지는 사용 후 재생 과정을 통해 교환 능력을 회복할 수 있다. 일반적으로 수산화 나트륨(NaOH) 수용액과 같은 강염기성 용액을 사용하여 수지에 흡착된 음이온을 배출시킨다.

이온 교환 수지의 이온 선택성은 일반적으로 이온의 가수(valence)가 크고 원자량이 무거울수록 커지는 경향이 있다. 즉, 이러한 이온들이 더 쉽게 교환된다. 이 원리에 따라 수소 이온(H⁺)과 수산화물 이온(OH⁻)으로 재생된 이온 교환 수지는 물속의 다양한 이온을 효과적으로 제거할 수 있다. 다만, 플루오린 이온(F⁻)은 수산화물 이온보다 선택성이 작기 때문에 이온 교환이 상대적으로 어렵다.

음이온 교환 크로마토그래피는 이러한 음이온 교환 수지의 원리를 이용하여 혼합물이나 용액으로부터 특정 물질을 분리하고 정제하는 기술에 응용된다.^[6]

5. 특성

이온 교환 수지는 종종 다음과 같은 특징에 따라 설명된다.^[7]

• '''용량''': 수지 1 단위 질량당 교환하거나 저장할 수 있는 이온의 양을 나타낸다. 일반적으로 수지 1그램당 이온 밀리그램(mg/g)으로 표현된다.
• '''팽윤''': 용매와 접촉하면 수지가 팽윤(부피 증가)될 수 있다. 수지의 팽윤 거동은 화학 조성, 고분자 구조, 가교 결합에 의해 영향을 받는다. 가교 결합 정도가 높은 수지는 가교 결합이 낮은 수지에 비해 팽윤 경향이 낮다. 팽윤은 일반적으로 특정 용매에 노출되었을 때 수지의 부피 또는 무게 증가율로 표현된다.
• '''선택성''': 수지가 특정 이온을 다른 이온보다 선택적으로 흡착하거나 교환하는 선호도 또는 능력을 나타낸다. 이는 용액에서 특정 이온을 분리하거나 제거하는 데 있어 수지의 효과를 결정하는 기본적인 특성이다.
• '''안정성''': 수지의 완전성은 비드의 기계적 및 화학적 탄력성 측면에서 설명할 수 있다.

6. 기공

수지 입자의 기공 매질은 제품의 효율을 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나이다. 이 기공들은 크기에 따라 다양한 기능을 수행하며, 전체 이온 교환 과정을 가능하게 하는 상 간의 물질 전달을 담당하는 주요 특징이다. 기공 크기는 크게 세 가지 유형으로 나뉜다:^[7]

• '''미세 기공''': 2nm 미만의 슬릿 폭을 가지며, 일반적으로 더 큰 기공의 끝 부분에서 발견된다. 이들의 주요 특징은 벽 전위가 중첩된다는 것이다. 즉, 내부 입자들이 고체 벽에 끌리면서 활성 부위와 접촉하게 된다.
• '''중간 기공''': 2nm~50nm의 슬릿 폭을 가지는 중간 크기의 기공으로, 모세관 응축을 억제하는 것이 주요 목적이며, 일반적으로 미세 기공 전에 위치한다.
• '''거대 기공''': 50nm 이상의 슬릿 폭을 가지는 가장 큰 크기의 기공으로, 분자가 입자 안으로 들어가고 이후 다른 작은 채널을 통해 재분배되는 주요 경로 역할을 한다.

7. 재생

이온 교환 능력은 일정량의 이온 교환을 수행하면 손실되지만, 원래의 교환 이온을 포함하는 수용액에 담가 재생할 수 있다.

8. 용도

이온 교환 수지는 수지 내부의 고정된 이온과 용액 속의 교환 대상 이온(대립 이온) 사이의 흡착력 차이를 이용하여 용액 속 이온들을 분리하는 데 사용된다.^[1]

주요 용도로는 중성염의 분해·탈염과 특정 이온기의 회수·제거가 있으며, 화학 공업에서의 물질 정제 등에 사용된다. 구체적인 활용 분야는 다음과 같다.

• 수처리: 경수를 연수로 바꾸는 처리(연수화), 물속 이온을 제거하여 순수 및 초순수 제조, 초기 해수 담수화 공정 등 다양한 수처리에 활용된다.
• 식품 및 화학 공업: 과즙, 설탕, 물엿, 알코올, 식용·약용 유지류 등에서 불순물이나 특정 성분(유기산 등)을 제거하여 품질을 향상시킨다. 또한 아미노산, 비타민, 항생 물질과 같은 유용 유기산이나 유기 아민을 추출하고 정제하는 데에도 사용된다.
• 금속 처리: 귀금속, 희토류 등의 특정 금속 이온을 선택적으로 분리하거나 회수한다. 이 과정에서 특정 금속과 잘 결합하는 킬레이트 수지가 함께 사용되기도 한다. 우라늄의 화학 농축 공정에도 이용된다.
• 에너지: 연료 전지, 특히 고분자 고체 전해질의 재료로 사용된다. 설포계 이온 교환 수지를 사용한 연료 전지는 제미니 우주선에 탑재된 바 있다.
• 의약품: 체내 특정 이온 농도가 비정상적으로 높아 생명을 위협할 때, 이를 다른 이온으로 대체하여 치료하는 약물(폴리스티렌 설폰산 나트륨 등)의 주성분으로 사용된다.

8. 1. 수처리

8. 2. 금속 분리 및 정제

• 희토류 금속 분리: 란타넘족과 악티늄족(토륨 포함)에 속하는 희토류 원소들은 화학적 및 물리적 성질이 매우 유사하여 분리가 어렵다. 이온 교환법은 1940년대 프랭크 스페딩에 의해 개발된 이후 오랫동안 란타넘, 네오디뮴, 이터븀, 사마륨, 루테튬 등을 포함한 희토류 원소들을 대량으로 분리하는 유일하고 실용적인 방법으로 사용되었다. 현재는 최고 순도의 제품 생산을 제외하고는 용매 추출법이 이온 교환법을 상당 부분 대체하였다.
• 퓨렉스 공정: 핵연료 재처리 과정에서 매우 중요한 퓨렉스(Plutonium-Uranium Extraction) 공정은 핵반응기에서 사용된 핵연료로부터 플루토늄과 우라늄을 분리하고 방사성 폐기물을 처리하는 데 이온 교환 기술을 활용한다. 이렇게 분리된 플루토늄과 우라늄은 새로운 원자로 연료를 만들거나 핵무기 제조에 사용될 수 있다.
• 현장 용출 우라늄 채광: 우라늄 채광 방식 중 하나인 현장 용출법(In-situ Leaching)에서도 이온 교환 수지가 핵심적인 역할을 한다. 시추공을 통해 우라늄을 함유한 용액(약 0.05%의 U₃O₈)을 지상으로 추출한 뒤, 이 용액을 이온 교환 수지 비드가 채워진 설비에 통과시킨다. 이 과정에서 수지 비드가 용액 속의 우라늄 이온을 선택적으로 흡착한다. 우라늄이 농축된 수지는 처리 공장으로 옮겨져 우라늄을 분리하고 정제하여 옐로케이크(U₃O₈) 형태로 생산한다. 사용된 수지 비드는 다시 이온 교환 시설로 보내져 재사용된다.
• 지르코늄과 하프늄 분리: 화학적으로 매우 유사한 성질을 가진 지르코늄(Zr)과 하프늄(Hf)을 분리하는 데에도 이온 교환 공정이 사용된다. 이 두 원소의 분리는 핵 산업에서 특히 중요한데, 지르코늄은 중성자를 거의 흡수하지 않아 원자로 구조재로 사용되는 반면, 하프늄은 중성자를 매우 잘 흡수하여 원자로의 출력을 제어하는 제어봉 재료로 사용되기 때문이다.
• 기타 금속 회수: 귀금속이나 희토류와 같은 유가 금속을 회수하는 데에도 이온 교환 수지, 특히 특정 금속 이온과 강하게 결합하는 킬레이트 수지 등이 활용된다.
• 우라늄 화학 농축: 우라늄의 화학 농축 공정에도 이온 교환 기술이 사용된다.

8. 3. 촉매

8. 4. 식품 산업

• 농축 과즙에 포함된 유기산을 제거하여 신맛을 줄인다.
• 조(粗)정제된 설탕이나 물엿 등에 색을 유발하는 유기산을 제거하여 탈색시킨다.
• 알코올이나 식용유, 약용 유지류에 섞인 불순물을 제거하고 정제한다.

8. 5. 의약품

• 폴리스티렌 설폰산 나트륨: 강산성 이온 교환 수지로, 고칼륨혈증(혈액 내 칼륨 농도가 비정상적으로 높은 상태) 치료에 쓰인다.
• 콜레스티폴: 약염기성 이온 교환 수지로, 고콜레스테롤혈증(혈액 내 콜레스테롤 수치가 높은 상태) 치료에 사용된다.
• 콜레스티라민: 강염기성 이온 교환 수지로, 콜레스티폴과 마찬가지로 고콜레스테롤혈증 치료에 사용된다.

• 약의 쓴맛이나 불쾌한 맛을 가리는 맛 가림(taste masking)
• 약효 성분이 천천히 방출되도록 하는 서방 방출(sustained release)
• 정제가 잘 부서지도록 돕는 정제 붕해(tablet disintegration)
• 약물이 체내에 흡수되는 비율인 생체 이용률 증가
• 유효 성분의 화학적 안정성 개선

8. 6. 기타

참조

_[1] 논문 Experimental study on the adsorption of excess heparin with anion exchange resin fiber https://pubmed.ncbi.[...] 1989-12-01
_[2] 서적 Ion Exchangers Wiley-VCH, Weinheim
_[3] 웹사이트 Ion Exchange (IX) {{!}}Water Solutions https://www.dupont.c[...] 2023-05-21
_[4] 간행물 Definitions of Terms Relating to Reactions of Polymers and to Functional Polymeric Materials (IUPAC Recommendations 2003) http://media.iupac.o[...]
_[5] 문서 Wikibooks:Proteomics/Protein Separations - Chromatography/Ion exchange#Anion Exchangers
_[6] 서적 Water treatment in remote and rural areas: A conceptual screening protocol for appropriate POU/POE technologies http://www.sciencedi[...] Elsevier 2020-10-27
_[7] 논문 Chemical engineers' handbook 1950-09
_[8] 논문 ε-Aminocaproic Acid
_[9] 논문 Alkenes Via Hofmann Elimination: Use of Ion-exchange Resin for Preparation of Quaternary Ammonium Hydroxides: Diphenylmethyl Vinyl Ether
_[10] 논문 Methyl 4-Hydroxy-2-butynoate
_[11] 논문 1,3-Dichloroacetone as a Cyclopropanone Equivalent: 5-oxaspiro[3.4]octan-1-one
_[12] 논문 Chelating polymeric beads as potential therapeutics for Wilson's disease
_[13] 논문 Hydroxamic Acid-Containing Hydrogels for Nonabsorbed Iron Chelation Therapy: Synthesis, Characterization, and Biological Evaluation
_[14] 논문 Nonabsorbable Iron Binding Polymers Prevent Dietary Iron Absorption for the Treatment of Iron Overload
_[15] 논문 Chelating Polymers for Hereditary Hemochromatosis Treatment
_[16] 논문 A Moisture Swing Sorbent for Direct Air Capture of Carbon Dioxide: Thermodynamic and Kinetic analysis 2013-01-01
_[17] 논문 CO2 Absorption over Ion Exchange Resins: The Effect of Amine Functional Groups and Microporous Structures American Chemical Society (ACS) 2020-08-27
_[18] 간행물 Definitions of Terms Relating to Reactions of Polymers and to Functional Polymeric Materials (IUPAC Recommendations 2003) http://media.iupac.o[...]