이온 교환
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1. 개요
이온 교환은 특정 이온을 다른 이온으로 교환하는 현상 또는 기술을 의미한다. 1850년 H. S. Thompson에 의해 처음 학술적으로 다루어졌으며, 1905년 R. Gans가 합성 제올라이트를 이용한 공업용수 연수에 성공하면서 실용화되었다. 이온 교환은 이온 교환막과 이온 교환 수지로 구분되며, 이온 교환 수지는 양이온, 음이온, 킬레이트, 흡착 수지 등으로 세분된다. 이온 교환은 물 정화, 금속 분리, 핵연료 재처리 등 다양한 산업 분야에 응용되며, 선택적 이온 제거, 재생 가능성, 다양한 적용 분야 등의 장점을 가지지만, 폐수 발생, 제한적인 이온 흡착 용량, 복잡한 시스템 등의 한계도 존재한다.
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| 이온 교환 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 이온 교환은 전해액과 불용성 고체 사이에서 이온이 가역적으로 교환되는 것임. |
| 관련 물질 | 황산 이온 (SO42−) 인산 이온 (PO43−) |
| 상세 정보 | |
| 설명 | 이온 교환은 전해액과 고체 사이에서 일어나는 가역적인 화학 반응의 일종임. 이 과정에서 전해액에 있는 이온과 고체 내에 있는 이온이 서로 자리를 바꿈. 이 현상은 물을 정화하거나, 화학 물질을 분리하거나, 특정 물질을 농축하는 데 사용될 수 있음. |
| 이온 교환체 종류 | 양이온 교환체: 양전하를 띤 이온 교환 음이온 교환체: 음전하를 띤 이온 교환 |
| 이온 교환 수지 | 이온 교환에 사용되는 대표적인 고체 물질로, 다양한 종류가 있으며, 특정한 이온을 선택적으로 교환하는 능력을 가짐. |
| 응용 분야 | 물 처리: 물 속의 불필요한 이온 제거 (경수 연화, 정수) 화학 공업: 특정 물질 분리 및 정제 의학: 약물 전달 시스템, 인공 신장 |
2. 역사
이온 교환 현상에 대한 과학적 연구는 19세기 중반부터 시작되었다. 1850년 영국의 H. S. 톰슨은 토양의 이온 교환 현상을 발견했고, 1855년 J. T. 웨이는 토양 속 규산알루미늄이 이온 교환을 일으킨다는 사실을 발표했다.[10]
20세기에는 1905년 독일의 R. 간스가 합성 제올라이트인 퍼뮤타이트를 개발했고, 1935년 영국의 B. A. 애덤스와 E. L. 홈스는 페놀계 수지를 이용한 이온 교환을 발견했다. 1938년 독일의 이게파르벤은 페놀계 이온 교환 수지 Wofatit의 공업 생산을 시작했다.[10]
한국에서는 1960년대 이후 관련 연구가 본격화되었다는 요약 내용이 있으나, 원본 소스에 한국과 관련된 내용이 없으므로 생략한다.
2. 1. 초기 연구 (19세기)
1850년 영국의 H. S. 톰슨(Thompson)이 토양의 이온 교환 현상을 발견하여 처음으로 학술적으로 이온 교환 현상을 다루었다.[10] 1852년 토양의 염기 교환 반응은 소량의 제올라이트 존재에 기인한다는 결론에 도달했다. 1855년 영국의 J. T. 웨이(Way)는 토양 중의 규산알루미늄이 등량적으로 이온 교환을 일으키는 것을 발표했다. 이온 교환체가 규산염과 알루미늄으로부터 합성될 수 있다는 것도 발표했다.[10] 웨이는 토양에 비료액을 주면 용액 중의 암모니아가 토양에 흡수되는 현상을 알고 화학자의 협력을 얻어 암모니아가 비료액에서 제거되는 동시에 등량의 칼슘이 토양에서 용액으로 나온다는 것을 발견했다.2. 2. 이온 교환 수지 개발 (20세기)
1905년 독일의 R. 간스(R. Gans)가 합성 제올라이트인 퍼뮤타이트(Permutite)를 만들어 대규모 공업용수를 연수(軟水)하는 데 성공했다.[10]1935년 영국의 B. A. 애덤스(B. A. Adams)와 E. L. 홈스(E. L. Holmes)가 페놀계 수지를 이용한 이온 교환을 발견하면서 이온 교환 수지 연구 개발이 본격화되었다.[10]
1938년 독일의 이게파르벤(I.G.Farbenindustrie A.G.)에서 페놀계 이온 교환 수지인 Wofatit의 공업 생산을 시작했다.[10]
3. 이온 교환막
'''이온 교환막'''은 강한 산성이나 염기성기를 갖는 이온 교환 수지를 얇은 막 형태로 만든 것이다. 양이온 교환막에는 음(-)으로 하전된 설폰기(SO3-)가 있어 음이온은 막을 통과하지 못하고 양이온만 통과한다. 반대로 음이온 교환막에서는 양이온이 통과하지 못하고 음이온만 통과한다.
이러한 이온 교환막은 금속 정제나 해수 담수화 등 여러 방면에 걸쳐 활용이 연구되고 있다.[4]
4. 이온 교환 수지
이온 교환 수지는 이온 교환 반응을 일으키는 물리적 매개체이다. 이 수지는 일반적으로 폴리스티렌 매트릭스와 작용기로 구성된 가교 결합 유기 중합체로 이루어져 있다.
4. 1. 양이온 교환 수지
- '''강산성 양이온 교환 수지(SAC):''' 스티렌-디비닐벤젠 공중합체 매트릭스에 술폰산기(SO3-)가 결합되어 있다. 연수화 또는 탈염 공정에 사용된다.[1]
- '''약산성 양이온 교환 수지(WAC):''' 아크릴계 중합체와 카르복실산 작용기로 구성되어 있다. 알칼리도와 관련된 양이온을 선택적으로 제거하는 데 사용된다.[1]
4. 2. 음이온 교환 수지
강염기성 음이온 교환 수지(SBA)는 약산에 대한 친화력이 크며, 일반적으로 수처리 탈염 과정에서 사용된다. 1종 SBA 수지는 약산에 대한 친화력이 가장 크며, 3종 SBA 수지는 1종보다 화학적 안정성이 낮지만 재생 효율이 더 높다. 약염기성 음이온 교환 수지(WBA)는 산 흡수제 역할을 하며, 강산을 고용량으로 흡착할 수 있고, 알칼리로 쉽게 재생된다. DEAE-세파로스 QFF4. 3. 기타 이온 교환 수지
킬레이트 수지는 알칼리 토금속 및 알칼리 금속 용액에서 중금속을 교환하는 데 사용된다. 흡착제는 유기 화합물 제거에 사용된다.5. 이온 교환의 응용 분야
이온 교환은 식품 및 음료 산업, 수련금속야금, 금속 마감, 화학, 석유화학, 제약 기술, 설탕 및 감미료 생산, 지하수 및 식수 처리, 원자력, 연수, 산업용수 처리, 반도체, 전력 등 여러 산업에서 널리 사용된다.
발전(power engineering), 전자 및 원자력 산업을 위한 고순도 물을 만드는 데에 이온 교환이 사용된다. 즉, 고분자 또는 무기 불용성 이온 교환체를 연수, 정수[2][3], 수질 오염 제거 등에 널리 사용한다.
이온 교환은 가정용 필터에서 세탁 세제, 비누 및 온수기의 이점을 위한 연수를 생산하는 데 널리 사용되는 방법이다. 이는 칼슘(Ca2+) 및 마그네슘(Mg2+)과 같은 2가 양이온을 나트륨(Na+) 또는 수소(H+)와 같은 고용해성 1가 양이온과 교환하여 달성된다(연수 참조). 가정용 수처리에서 이온 교환의 또 다른 응용 분야는 질산염과 천연 유기물 제거이다. 가정용 여과 시스템에서 이온 교환은 역삼투(RO) 막과 함께 가정에서 연수를 위한 대안 중 하나이다. RO 막과 비교하여 이온 교환은 유입수가 경수(광물 함량이 높음)인 경우 반복적인 재생이 필요하다.
이온 교환 크로마토그래피는 산업 및 분석용으로 사용되는 크로마토그래피 방법이다. 이온 교환 크로마토그래피는 화학 분석 및 이온 분리에 널리 사용된다. 예를 들어, 생화학에서는 단백질과 같은 대전하 분자를 분리하는 데 널리 사용된다. 응용 분야의 중요한 영역은 단백질(아미노산) 및 DNA/RNA와 같은 생물학적으로 생성된 물질의 추출 및 정제이다.
이온 교환 공정은 금속을 분리하고 정제하는 데 사용되며, 여기에는 우라늄을 플루토늄 및 토륨, 넵투늄, 아메리슘을 포함한 다른 악티늄족 원소로부터 분리하는 작업이 포함된다. 이 공정은 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 프라세오디뮴, 유로피움, 이터븀과 같은 란타넘족 원소를 서로 분리하는 데에도 사용된다.
희토류 원소에는 란타넘족 원소와 악티늄족 원소의 두 가지 계열이 있으며, 두 계열 모두 화학적 및 물리적 특성이 매우 유사하다. 1940년대 프랭크 스페딩이 개발한 방법을 사용하여 이온 교환 공정은 대량으로 분리하는 유일한 실용적인 방법이었다.
이온 교환의 매우 중요한 사례는 PUREX(플루토늄-우라늄 추출 공정)로, 사용후핵연료에 포함된 플루토늄과 우라늄(재처리 우라늄)을 아메리슘, 퀴륨, 넵투늄(소량 악티늄족 원소) 및 원자로에서 발생하는 핵분열 생성물로부터 분리하는 데 사용된다. 따라서 폐기물을 분리하여 처리할 수 있다. 그런 다음 플루토늄과 우라늄은 새로운 원자로 연료(MOX 연료) 및 (플루토늄 기반) 핵무기와 같은 원자력 에너지 재료를 만드는 데 사용할 수 있다.
이온 교환 공정은 지르코늄과 하프늄과 같이 화학적 특성이 매우 유사한 다른 원소 집합을 분리하는 데에도 사용되며, 이는 원자력 산업에서도 매우 중요하다.
이온 교환은 핵연료 재처리와 방사성 폐기물 처리에 사용된다.
얇은 막 형태의 이온 교환 수지는 염소알칼리 공정, 연료 전지 및 바나듐 레독스 전지에도 사용된다.
이온 교환은 이온 교환 컬럼에서 칼슘과 마그네슘 이온을 나트륨 이온으로 교환하여 물의 경도를 제거하는 데에도 사용할 수 있다. 액상(수성) 이온 교환 담수화가 시연되었다.[5]
6. 이온 교환의 장점 및 한계
이온 교환은 이온 교환 수지를 통해 특정 이온을 선택적으로 제거할 수 있고, 높은 효율과 재생 가능성을 가지며, 다양한 수처리 분야에 활용된다는 장점이 있다. 그러나 목표 이온이 복잡하게 섞여 있거나 농도가 낮을 경우 추가적인 처리가 필요할 수 있고, 재생 과정에서 화학 물질 사용과 폐수 발생, 이온 흡착 용량 제한, 시스템 설계 및 운영의 복잡성 등의 한계도 존재한다.
6. 1. 장점
- 선택적 제거: 이온 교환 수지는 물에서 특정 이온을 선택적으로 제거하도록 설계할 수 있다.
- 높은 효율: 이온 교환 공정은 표적 이온에 대해 높은 제거 효율을 달성할 수 있다.
- 재생 가능성: 이온 교환 수지는 재생 용액으로 세척하여 여러 번 재생할 수 있으며, 이를 통해 수명을 연장하고 운영 비용을 절감할 수 있다.
- 다양성: 이온 교환은 다양한 수처리 응용 분야에 적용될 수 있다.
- 일관된 성능: 이온 교환 시스템은 일관되고 예측 가능한 성능을 제공하여 시간이 지남에 따라 안정적인 수처리를 제공한다.
- 확장성: 이온 교환 시스템은 다양한 처리 용량 및 요구 사항을 충족하도록 쉽게 확장하거나 축소할 수 있다.
6. 2. 한계
- 제거 한계: 목표 이온이 복잡하게 섞여 있거나 농도가 낮으면, 이온 교환 전이나 후에 추가적인 처리가 필요할 수 있다.
- 재생 요건: 이온 교환 수지를 재생하려면 화학 물질을 사용해야 하며, 오염 물질 농도가 높은 폐수가 발생하므로 적절한 처리 및 폐기 조치가 필요할 수 있다.
- 용량 제한: 이온 교환 수지는 이온을 흡착하는 용량이 제한되어 있다. 일단 포화되면 재생하거나 교체해야 하므로, 농도가 높거나 많은 양을 처리하는 데는 효율성이 떨어진다.
- 복잡성: 이온 교환 시스템은 설계, 작동 및 유지 관리가 복잡하여 전문적인 지식과 기술이 필요하다.
7. 수지 재생으로 인한 폐수 발생
대부분의 이온 교환 시스템은 순환 방식으로 작동하는 이온 교환 수지 컬럼을 사용한다.
여과 과정 동안 물은 수지가 완전히 고갈될 때까지 수지 컬럼을 통과한다. 이는 컬럼을 나가는 물에 제거하려는 이온의 농도가 최대 허용치를 초과할 때 발생한다. 그런 다음 축적된 부유물질을 제거하기 위해 수지층을 역세척하고, 고농도의 치환 이온 용액으로 수지에서 제거된 이온을 플러싱하고, 수지에서 플러싱 용액을 헹구는 순차적인 과정을 통해 수지를 재생한다. 이온 교환 매체 재생 중 발생하는 역세척수, 플러싱수, 헹굼수 폐수의 발생은 폐수 처리에 있어 이온 교환의 유용성을 제한한다.[6]
연수기는 일반적으로 10% 염화나트륨을 함유한 염수로 재생된다.[7] 연수에서 제거된 2가 양이온의 수용성 염화물염 외에도, 연수기 재생 폐수에는 이온 교환 수지 평형을 역전시키는 데 필요한 염화나트륨 재생 플러싱 염수의 사용되지 않은 50~70%가 포함되어 있다. 황산과 수산화나트륨을 사용한 탈이온 수지 재생은 약 20~40%의 효율을 갖는다. 중화된 탈이온기 재생 폐수에는 제거된 모든 이온과 그 당량 농도의 2.5~5배에 해당하는 황산나트륨이 포함되어 있다.[8]
참조
[1]
논문
Ion Exchangers
[2]
논문
Preparation of novel polyvinylidene fluoride (PVDF)-Tin(IV) oxide (SnO2) ion exchange mixed matrix membranes for the removal of heavy metals from aqueous solutions
2020-11-01
[3]
논문
Synthesis of super hydrophilic cellulose-alpha zirconium phosphate ion exchange membrane via surface coating for the removal of heavy metals from wastewater
2019-11
[4]
웹사이트
University of Rochester – Investigation of Steam Turbine Extraction Line Failures
https://web.archive.[...]
2015-02-23
[5]
논문
Desalination and hydrogen, chlorine, and sodium hydroxide production via electrophoretic ion exchange and precipitation
https://web.archive.[...]
Phys. Chem. Chem Phys
2013-07-09
[6]
문서
Kemmer
[7]
서적
Betz Handbook of Industrial Water Conditioning – 8th Edition
https://books.google[...]
Betz
[8]
문서
Kemmer
[9]
웹사이트
イオン交換樹脂技術の系統化調査
https://sts.kahaku.g[...]
国立科学博物館産業技術史資料情報センター
2022-07-15
[10]
웹사이트
イオン交換樹脂技術の系統化調査
https://sts.kahaku.g[...]
国立科学博物館産業技術史資料情報センター
2022-07-15
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