イオン交換樹脂

イオン交換樹脂またはイオン交換ポリマーは、イオン交換の媒体として機能する樹脂またはポリマーであり、イオネックスとも呼ばれます。^{[1]これは、通常、}有機ポリマー基質から製造された、通常は白色または黄色がかった小さな（半径0.25〜1.43 mm）マイクロビーズの形をした不溶性マトリックス（または支持構造）です。ビーズは通常多孔質であり（特定のサイズ分布がその特性に影響します）、その上と内部に大きな表面積を提供し、イオンの捕捉とそれに伴う他のイオンの放出が発生するため、このプロセスはイオン交換と呼ばれます。イオン交換樹脂には複数の種類があり、ターゲットがアニオンかカチオンかによって組成が異なります。ほとんどの市販の樹脂はポリスチレンスルホン酸でできており、^[2]続いてポリアクリレートでできています。^[3]

イオン交換樹脂は、さまざまな分離、精製、および除染プロセスで広く使用されています。最も一般的な例は、軟水化と浄水です。多くの場合、イオン交換樹脂は、天然または人工ゼオライトの使用に代わるより柔軟な代替手段として、このようなプロセスに導入されました。また、イオン交換樹脂は、バイオディーゼルのろ過プロセスでも非常に効果的です。

最も典型的なイオン交換樹脂は架橋 ポリスチレンをベースとしています。実際のイオン交換部位は重合後に導入されます。さらに、ポリスチレンの場合、架橋はスチレンと数パーセントのジビニルベンゼンの共重合によって導入されます。架橋により樹脂のイオン交換容量が減少し、イオン交換プロセスを完了するために必要な時間が長くなりますが、樹脂の堅牢性が向上します。粒子サイズも樹脂パラメータに影響します。粒子が小さいほど外表面積は大きくなりますが、カラムプロセスでのヘッド損失が大きくなります。 ^[4]

イオン交換樹脂はビーズ状のもののほかに膜状のものも製造されています。イオン交換樹脂を高度に架橋させたもので、イオンは通すが水は通さない性質を持つイオン交換膜は電気透析に使用されます。

イオン交換樹脂には主に4つの種類があり、官能基が異なります。

• 強酸性カチオン（SAC）は、典型的にはスルホン酸基を特徴とし、例えばポリスチレンスルホン酸ナトリウムまたはポリAMPSは、水の軟化および脱塩操作によく使用されます。
• 強塩基性アニオン（SBA）は、通常、第四級アミノ基（例えば、トリメチルアンモニウム基、例えば、ポリAPTAC）を特徴とし、シリカ、ウラン、硝酸塩の除去に適しています。
• 弱酸性カチオン（WAC）で、通常はカルボン酸基を特徴とします。脱アルカリ化部分や、塩分濃度の高い小川の軟化にも最適です。
• 弱塩基性アニオン（WBA）は、通常、ポリエチレンアミンなどの第一級、第二級、および/または第三級アミノ基を特徴とします。SiO2 および CO2 の除去が不要な脱塩に効果的です。酸の吸収にも効果的です。

キレート樹脂（イミノ二酢酸、チオ尿素ベースの樹脂など） などの特殊なイオン交換樹脂も知られています。

アニオン樹脂とカチオン樹脂は、イオン交換プロセスで使用される最も一般的な 2 つの樹脂です。アニオン樹脂は負に帯電したイオンを引き寄せ、カチオン樹脂は正に帯電したイオンを引き寄せます。

化学式: R-OH 塩基性

アニオン樹脂は強塩基性または弱塩基性のいずれかです。強塩基性アニオン樹脂は広い pH 範囲にわたって負電荷を維持しますが、弱塩基性アニオン樹脂はより高い pH レベルで中和されます。^[5]弱塩基性樹脂は脱プロトン化を起こすため、高 pH では電荷を維持できません。^[5]ただし、優れた機械的および化学的安定性を備えています。これと高いイオン交換率を組み合わせることで、弱塩基性アニオン樹脂は有機塩に適しています。

アニオン樹脂の場合、再生には通常、強塩基性溶液（水酸化ナトリウム水溶液など）による樹脂の処理が含まれます。再生中、再生化学物質が樹脂を通過し、閉じ込められたマイナスイオンが洗い流され、樹脂の交換容量が回復します。

化学式: R−H 酸性

陽イオン交換法は水の硬度を除去しますが、水に酸性を誘発します。この酸性の水を陰イオン交換プロセスに通すことで、次の水処理段階でさらに硬度が除去されます。^[6]

反応：

R−H + M ⁺ = R−M + H ⁺ .

アニオン樹脂と同様に、カチオン樹脂の再生には、塩酸水溶液などの強酸性溶液が使用されます。再生中、再生化学物質が樹脂を通過し、閉じ込められた陽イオンを洗い流し、樹脂の交換容量を回復します。

式: –NR ₄ ⁺ OH ⁻

これらは多くの場合、樹脂マトリックスの不可欠な部分として第四級アンモニウムカチオンを持つスチレン-ジビニル ベンゼン共重合体樹脂です。 ^[6]

反応：

–NR ₄ ⁺ OH ⁻ + HCl = –NR ₄ ⁺ Cl ⁻ + H ₂ O.

陰イオン交換クロマトグラフィーはこの原理を利用して、混合物または溶液から物質を抽出し、精製します。

イオン交換樹脂は、次のような特徴に基づいて説明されることが多い。^[7]

• 容量: 樹脂の単位質量あたりに交換/保存できるイオンの量を表します。通常は樹脂 1 グラムあたりのイオンのミリグラム数 (mg/g) で表されます。
• 膨潤: 樹脂は溶剤と接触すると膨潤します (体積が増加)。樹脂の膨潤挙動は、その化学組成、ポリマー構造、架橋によって影響を受けます。架橋度の高い樹脂は、架橋度の低い樹脂に比べて膨潤傾向が低くなる傾向があります。膨潤は通常、特定の溶剤にさらされたときの樹脂の体積または重量の増加率として表されます。
• 選択性: 特定のイオンを他のイオンよりも選択的に吸着または交換する樹脂の好みまたは能力を指します。これは、溶液から特定のイオンを分離または除去する際の樹脂の有効性を決定する基本的な特性です。
• 安定性: 樹脂の完全性は、ビーズの機械的および化学的弾力性の観点から説明できます。

樹脂粒子の細孔媒体は、製品の効率にとって最も重要なパラメータの1つです。これらの細孔は、そのサイズに応じて異なる機能を果たし、イオン交換プロセス全体を可能にする相間の質量移動を担う主な特徴です。細孔サイズには主に3つのタイプがあります。^[7]

• マイクロポア: スリット幅が 2 nm 未満で、通常はより大きな細孔の端に存在し、その主な特徴は壁電位が重なっていることです。つまり、その内部の粒子は固体壁に引き寄せられ、活性部位と接触します。
• メソポア: スリット幅が 2 ～ 50 nm のこれらの中サイズの細孔は、毛細管凝縮を抑制することが主な目的であり、通常はマイクロポアの前にあります。
• マクロポア：スリット幅が50nmを超える、最も大きなサイズのポアで、分子が粒子に入り、その後他の小さなチャネルを通じて再分配されるための主な経路となることが主な目的です。

この用途では、イオン交換樹脂を使用して、硬水中のマグネシウムイオンとカルシウムイオンをナトリウムイオンに置き換えます。樹脂が新しい場合、その活性部位にはナトリウムイオンが含まれています。マグネシウムイオンとカルシウムイオンを含む溶液 (ただしナトリウムイオンの濃度は低い) と接触すると、マグネシウムイオンとカルシウムイオンは溶液から樹脂の活性部位に優先的に移動し、溶液内でナトリウムイオンに置き換えられます。このプロセスは、溶液内のマグネシウムイオンとカルシウムイオンの濃度が開始時よりもはるかに低い状態で平衡に達します。

樹脂は、高濃度のナトリウムイオンを含む溶液（例えば、大量の食塩（NaCl）が溶解されている）で洗浄することで再充填できます。カルシウムイオンとマグネシウムイオンは樹脂から移動し、溶液のナトリウムイオンに置き換えられ、新しい平衡に達します。塩は、水を軟化させるために使用されるイオン交換樹脂を再充填するために使用されます。

この用途では、イオン交換樹脂を使用して、溶液から有毒イオン(銅など) や有害金属イオン (鉛やカドミウムなど) を除去し、それらをナトリウムやカリウムなどのより無害なイオンに置き換えます。このプロセスでは、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂を使用して、水から溶解したイオンを除去します。

イオン交換樹脂の中には、水から塩素や有機汚染物質を除去するものはほとんどありません。これは通常、樹脂に混ぜた活性炭フィルターを使用して行われます。MIEX (磁性イオン交換) 樹脂など、有機イオンを除去するイオン交換樹脂もあります。家庭用浄水樹脂は通常は再充填されず、使用できなくなったら廃棄されます。

最高純度の水は、電子工学、科学実験、超伝導体の製造、原子力産業などに必要です。このような水は、イオン交換プロセス、または膜法とイオン交換法の組み合わせを使用して生成されます。

イオン交換プロセスは、ウランをプルトニウムや他のアクチノイド（トリウムなど）から分離する、またランタン、ネオジム、イッテルビウム、サマリウム、ルテチウムを互いに、また他のランタノイドから分離するなど、金属を分離して精製するために使用されます。希土類金属には、ランタノイドとアクチノイドの 2 つの系列があります。各系列のメンバーは、化学的および物理的特性が非常に似ています。イオン交換は、長年、希土類金属を大量に分離する唯一の実用的な方法でした。このアプリケーションは、1940 年代にFrank Speddingによって開発されました。その後、最高純度の製品を除いて、溶媒抽出がイオン交換樹脂の使用にほとんど取って代わりました。

非常に重要な事例は、PUREXプロセス（プルトニウム・ウラン抽出プロセス）です。これは、原子炉の使用済み燃料生成物からプルトニウムとウランを分離し、廃棄物を処分するために使用されます。その後、プルトニウムとウランは、新しい原子炉燃料や核兵器などの原子力材料の製造に利用できます。

イオン交換ビーズは、原位置浸出ウラン採掘に不可欠な要素でもあります。原位置回収では、ボーリング孔からウラン含有水 ( U ₃ O ₈含有量が 0.05% まで低下) を抽出します。抽出されたウラン溶液は、樹脂ビーズで濾過されます。イオン交換プロセスにより、樹脂ビーズは溶液からウランを引き付けます。ウランを含んだ樹脂は処理工場に運ばれ、そこで U ₃ O ₈が樹脂ビーズから分離され、イエローケーキが生成されます。樹脂ビーズはイオン交換施設に戻され、再利用されます。

イオン交換プロセスは、ジルコニウムとハフニウムなど、他の非常に類似した化学元素のセットを分離するためにも使用されます。ちなみに、これらは原子力産業にとっても非常に重要です。ジルコニウムは自由中性子を実質的に透過するため、原子炉の建設に使用されますが、ハフニウムは中性子を非常に強く吸収するため、原子炉の制御棒に使用されます。

イオン交換樹脂は、エステル化や加水分解などの有機合成に使用されます。表面積が大きく不溶性であるため、気相反応や液相反応に適しています。例としては、塩基性（OH ⁻型）イオン交換樹脂を使用してアンモニウム塩を中和し^[8]、第四級アンモニウムハロゲン化物を水酸化物に変換することが挙げられます。^[9] 酸性（H ⁺型）イオン交換樹脂は、エーテル保護基の切断のための固体酸触媒として使用されています。 ^[10]および転位反応にも使用されています。^[11]

イオン交換樹脂は、オレンジジュースやクランベリージュースなどのフルーツジュースの製造に使用され、苦味成分を除去して風味を向上させるために使用されます。これにより、酸味が強い果物や味の悪い果物をジュース製造に使用できるようになります。

イオン交換樹脂は、さまざまな原料から砂糖を製造する際に使用されます。イオン交換樹脂は、ある種類の砂糖を別の種類の砂糖に変換したり、砂糖シロップを脱色して精製したりするために使用されます。

イオン交換樹脂は、医薬品の製造において、特定の反応を触媒するだけでなく、医薬品の有効成分を分離・精製するためにも使用されます。有効成分として使用されるイオン交換樹脂には、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム、コレスチポール、コレスチラミンの3 種類があります。ポリスチレンスルホン酸ナトリウムは強酸性イオン交換樹脂で、高カリウム血症の治療に使用されます。コレスチポールは弱塩基性イオン交換樹脂で、高コレステロール血症の治療に使用されます。コレスチラミンは強塩基性イオン交換樹脂で、これも高コレステロール血症の治療に使用されます。コレスチポールとコレスチラミンは胆汁酸封鎖剤として知られています。

イオン交換樹脂は、錠剤、カプセル、ガム、懸濁液などの医薬品製剤の賦形剤としても使用されます。これらの用途では、イオン交換樹脂は、味のマスキング、徐放、錠剤の崩壊、バイオアベイラビリティの向上、有効成分の化学的安定性の向上など、さまざまな機能を発揮します。

選択的ポリマーキレート剤は、ウィルソン病（銅の蓄積が起こる）^[12]や遺伝性ヘモクロマトーシス（鉄過剰症、鉄の蓄積が起こる）^{[13] [14] [15]}など、慢性的なイオン蓄積が起こるいくつかの病状の維持療法として提案されている。これらのポリマーまたは粒子は、全身的な生物学的利用能が無視できるかゼロであり、消化管でFe ²⁺およびFe ³⁺と安定した錯体を形成するように設計されており、これらのイオンの取り込みと長期蓄積を制限する。この方法の有効性は限られているが、小分子キレート剤（デフェラシロクス、デフェリプロン、またはデフェロキサミン）とは異なり、このようなアプローチは亜慢性研究ではわずかな副作用しか持たない可能性がある。^{[15]興味深いことに、Fe 2+}とFe ³⁺を同時にキレートすると治療効果が高まる。^[15]

陰イオン交換樹脂は乾燥すると容易にCO2を吸収し、湿気にさらされると再びCO2を放出します。_[ ^16]このことから、陰イオン交換樹脂は大気からの直接炭素回収^[17] 、または直接空気回収に最も有望な材料の1つとなっています。これは、水分スイングが他の吸着剤で使用されるよりエネルギー集約的な温度スイングや圧力スイングに取って代わるからです。 このプロセスを実証するプロトタイプは、負の炭素排出センターのクラウス・ラックナーによって開発されました。

• 高分子電解質
• 軟水化

• 「イオン交換化学と操作」。Remco Engineering。2014 年 2 月 20 日にオリジナルからアーカイブ。2014年 5 月 16 日に取得。
• フリードリヒ・G・ヘルフェリッヒ（1962年）。イオン交換。Courier Dover Publications。ISBN 978-0-486-68784-1。
• イオン交換体 (K. Dorfner 編)、Walter de Gruyter、ベルリン、1991 年。
• CE Harland、「イオン交換：理論と実践」、ケンブリッジ王立化学協会、1994年。
• イオン交換（D. Muraviev、V. Gorshkov、A. Warshawsky）、M. Dekker、ニューヨーク、2000年。
• AA Zagorodni、「イオン交換材料：特性と応用」、Elsevier、アムステルダム、2006 年。
• Alexandratos SD. イオン交換樹脂: 工業化学と工学化学研究の回顧録. 工業化学と工学化学研究, 2009.
• イオン交換樹脂とジメチルチアゾリジンプロモーターを含む触媒システム、Hasyagar UK、Mahalingam RJ、Kishan G、WO 2012。