イオン交換樹脂

イオン交換樹脂：水の浄化から化学物質精製まで幅広く活躍する物質

イオン交換樹脂は、合成樹脂の一種であり、その分子構造の中にイオン交換基と呼ばれる、電離する構造を有しています。このイオン交換基のおかげで、水などの溶媒中のイオンと選択的に交換反応を起こすことができます。その性質から、様々な分野で活躍しており、私たちの生活に密着した重要な物質です。

イオン交換樹脂の構造

イオン交換樹脂は、通常直径1ミリメートル程度の小さな粒状で供給・使用されますが、繊維状や液状、膜状のものも存在します。特に膜状のものはイオン交換膜と呼ばれ、用途が異なります。

樹脂の母体は、高分子が網目構造をとっており、水やイオンが浸透しやすい構造をしています。そのため、活性炭のような吸着剤と同様に、比表面積が非常に大きくなっています。一般的なイオン交換樹脂では、スチレンとジビニルベンゼンの共重合体が母体として使用されており、スチレンの長い分子鎖がジビニルベンゼンによって架橋され、立体的な網目構造を形成しています。この網目構造によって、小さなビーズ状の樹脂でも、内部に広大な表面積を持つことができるのです。

イオン交換基の種類と性質

イオン交換樹脂は、分子内に存在するイオン交換基の種類によって、大きく陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂に分類されます。さらに、それぞれのイオン交換基の解離性によって、強酸性、弱酸性、強塩基性、弱塩基性といった種類に分類されます。


イオン交換樹脂の選択性は、通常、価数が大きく重いイオンほど高くなります。つまり、そのようなイオンほど交換されやすくなります。そのため、水素イオンと水酸化物イオンで再生したイオン交換樹脂は、水中から様々なイオンを除去する能力を持つことになります。ただし、フッ素イオンのように、選択性が低いイオンも存在します。

イオン交換樹脂の再生

イオン交換樹脂は、一定量のイオン交換を行うと交換能力が低下しますが、元の交換イオンを含む水溶液に浸漬することで、交換能力を回復させることができます。この工程を再生といいます。

イオン交換樹脂の歴史

イオン交換樹脂の研究の歴史は古く、1845年には土壌粒子によるイオン交換作用が発見されました。その後、1930年代から合成イオン交換体の研究が活発化し、1935年にはフェノール類などを用いたイオン交換樹脂が開発されました。現在主流となっているスチレン系樹脂は、1944年に開発されました。日本においても、三菱化学などが早期からイオン交換樹脂の製造研究に取り組んでおり、1946年にはダイヤイオンシリーズの生産を開始しました。

イオン交換樹脂の用途

イオン交換樹脂は、溶液中のイオンを分離・精製する用途に広く利用されています。主な用途として、中性塩の分解・脱塩、特定イオンの回収・除去などが挙げられ、化学工業、水処理など様々な分野で活躍しています。具体的な例として、以下のようなものがあります。

硬水の軟化: 硬水中のカルシウムイオンやマグネシウムイオンを、ナトリウムイオンなどに交換することで軟水化します。
純水・超純水の製造: 水中のイオンを水素イオンと水酸化物イオンに交換し、中和させて純水を得ます。近年はイオン交換膜との組み合わせにより、再生が不要な装置も開発されています。
海水淡水化: 初期の海水淡水化プラントでは、脱塩にイオン交換樹脂が利用されました。
有機酸の除去: 食品や医薬品などの精製工程で、不要な有機酸を除去するために用いられます。
金属イオンの分離・回収: 貴金属やレアアースなどの回収にも利用されます。
燃料電池: 高分子固体電解質として使用されます。
* 医薬品: 体内のイオンバランス調整などに用いられる医薬品にも利用されています。

このように、イオン交換樹脂は、私たちの生活に欠かせない物質であり、今後もその重要性はますます高まると考えられます。

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