イオン交換

イオン交換とは、不溶性の固体中に存在するある種のイオンと、その固体を取り囲む溶液中に存在する同じ電荷を持つ別のイオンとの可逆的な交換です。イオン交換は、水の軟化や脱塩、化学物質の精製、物質の分離に使用されます。

イオン交換は、通常、固体高分子 イオン交換樹脂を使用して水溶液を精製するプロセスを指します。より正確には、この用語は、2つの電解質間でイオンが交換されるさまざまなプロセスを包含します。^[1]飲料水の浄化以外にも、この技術はさまざまな工業的および医学的に重要な化学物質の浄化と分離に広く適用されています。この用語は通常、合成（人工）樹脂の用途を指しますが、土壌など他の多くの材料も含まれる場合があります。

一般的なイオン交換器は、イオン交換樹脂（機能化された多孔質またはゲルポリマー）、ゼオライト、モンモリロナイト、粘土、土壌 腐植土です。イオン交換器は、正に帯電したイオン（陽イオン）を交換する陽イオン交換器、または負に帯電したイオン（陰イオン）を交換する陰イオン交換器です。陽イオンと陰イオンの両方を同時に交換できる両性交換器もあります。ただし、陽イオンと陰イオンの同時交換は、陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂の混合物を含む混床で、または溶液を数種類の異なるイオン交換材料に通して行われることがよくあります。

イオン交換体は、イオン交換体とイオンの両方の物理的特性と化学構造に応じて、特定のイオンまたはイオンのクラスに対して結合の好みを持つことができます。これは、イオンのサイズ、電荷、または構造によって異なります。イオン交換体に結合できるイオンの一般的な例は次のとおりです。

• H ⁺ (陽子) と OH ⁻ (水酸化物)。
• Na ⁺、K ⁺、Cl ⁻などの一価の単原子イオン。
• Ca ²⁺やMg ²⁺のような二重に帯電した単原子イオン（つまり二価イオン）。
• SOのような多原子無機イオン²⁻⁴
  _...およびPO^{3−4 3−4}
  _{4 ...}。
• 有機塩基。通常はアミン官能基−NR ₂ H ⁺を含む分子。
• 有機酸。多くの場合、−COO ⁻（カルボン酸）官能基を含む分子。
• イオン化できる生体分子：アミノ酸、ペプチド、タンパク質など。

吸収や吸着とともに、イオン交換は収着の一種です。

イオン交換は可逆的なプロセスであり、イオン交換器は、これらのイオンを過剰に洗浄することによって 再生したり、望ましいイオンを充填したりすることができます。

1. CM（カルボキシメチル基、弱陽イオン交換）
2. SP（スルホプロピル基、強陽イオン交換）

• DEAE-セファロース
• クワッド

イオン交換樹脂は、イオン交換反応を促進する物理的媒体です。樹脂は、架橋有機ポリマー（通常はポリスチレン マトリックス）と、イオン交換プロセスが発生する官能基で構成されています。

• 強酸性カチオン（SAC）樹脂：スルホン酸（SO ₃ ^-）官能基を持つポリスチレンマトリックスで構成されています。軟化または脱塩プロセスで使用されます。
• 弱酸性カチオン (WAC) 樹脂:アクリルポリマーとカルボン酸官能基で構成されています。アルカリ性に関連するカチオンを選択的に除去するために使用されます。

• 強塩基アニオン（SBA）樹脂：
  • タイプ 1 SBA 樹脂:弱酸に対する親和性が最も高く、水の脱塩プロセス中によく使用されます。
  • タイプ 3 SBA 樹脂:タイプ 1 よりも化学的安定性は低くなりますが、再生効率は向上します。
• 弱塩基アニオン (WBA) 樹脂:酸吸収剤として機能し、強酸を高い容量で吸着でき、苛性アルカリで容易に再生できます。

アルカリ土類金属およびアルカリ金属溶液から重金属を交換するために使用されます。

有機化合物の除去に使用されます。

イオン交換は、食品・飲料業界、湿式冶金、金属仕上げ、化学、石油化学、製薬技術、砂糖・甘味料製造、地下水・飲料水処理、原子力、軟化、工業用水処理、半導体、電力、その他多くの業界で広く使用されています。^[要出典]

典型的な応用例としては、電力工学、電子工学、原子力産業向けの高純度水の製造があります。すなわち、ポリマーまたは無機 不溶性イオン交換体は、軟水化、浄水、^{[2] [3]}水の浄化など に広く使用されています。

イオン交換は、洗濯用洗剤、石鹸、給湯器に利用するために軟水を生成するために家庭用フィルターで広く使用されている方法です。これは、2価陽イオン（ カルシウムCa ²⁺やマグネシウムMg ²⁺など）を溶解度の高い1価陽イオン（Na ⁺やH ^{+など）と交換することによって実現されます（}軟水化を参照）。家庭用水処理におけるイオン交換のもう1つの用途は、硝酸塩と天然有機物の除去です。家庭用濾過システムでは、イオン交換は逆浸透（RO）膜とともに、家庭での軟水化の代替手段の1つです。RO膜と比較して、イオン交換では、入水が硬水（ミネラル含有量が高い）の場合に繰り返し再生する必要があります。^[要出典]

工業用および分析用のイオン交換クロマトグラフィーも、言及すべきもう 1 つの分野です。イオン交換クロマトグラフィーは、化学分析やイオンの分離に広く使用されているクロマトグラフィー法です。たとえば、生化学では、タンパク質などの荷電分子を分離するために広く使用されています。重要な応用分野は、タンパク質 (アミノ酸) やDNA / RNAなどの生物学的に生成された物質の抽出と精製です。

イオン交換プロセスは、ウランをプルトニウムやトリウム、ネプツニウム、アメリシウムなどの他のアクチ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。このプロセスは、ランタン、セリウム、ネオジム、プラセオジム、ユーロピウム、イッテルビウムなどのランタノイドを互いに分離するためにも使用されます。ネオジムとプラセオジムの分離は特に困難で、以前はこれらはジジムという単一の元素であると考えられていましたが、これは2つの合金です。^{[引用が必要]}

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、どちらの系列も化学的および物理的特性が非常に似ています。1940 年代にフランク スペディングが開発した方法を使用したイオン交換プロセスは、かつてはそれらを大量に分離する唯一の実用的な方法でしたが、その後、大幅にスケールアップできる「溶媒抽出」技術が開発されました。

イオン交換の非常に重要な例は、プルトニウムウラン抽出プロセス（PUREX）であり、プルトニウム（主に²³⁹
使用済み燃料に含まれるプルトニウム ( Pu ) とウラン(この場合は再処理ウランと呼ばれる) は、アメリシウム、キュリウム、ネプツニウム(マイナーアクチニド) と原子炉から発生する 核分裂生成物から分離されます。こうして廃棄物を分別して処分することができます。次に、プルトニウムとウランは、新しい原子炉燃料 ( MOX燃料) や (プルトニウムベースの)核兵器などの原子力材料の製造に利用できます。歴史的には、ストロンチウム90やセシウム137などの一部の核分裂生成物も同様に分離され、産業や医療で使用される放射性核種として使用されました。

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、これも原子力産業にとって非常に重要です。物理的に、ジルコニウムは自由中性子に対して実質的に透明であり、原子炉の構築に使用されますが、ハフニウムは中性子の非常に強力な吸収体であり、原子炉の制御棒に使用されます。したがって、イオン交換は、核再処理と放射性廃棄物の処理に使用されます。

薄い膜状のイオン交換樹脂は、塩素アルカリプロセス、燃料電池、バナジウム酸化還元電池にも使用されます。

イオン交換は、イオン交換カラムでカルシウムイオンとマグネシウムイオンをナトリウムイオンと交換することで、水の硬度を取り除くのにも使用できます。液相（水性）イオン交換淡水化が実証されています。^{[5]この技術では}、電気泳動を使用して、塩水中の陰イオンと陽イオンをそれぞれ炭酸イオンとカルシウム陽イオンに交換します。次に、カルシウムイオンと炭酸イオンが反応して炭酸カルシウムを形成し、それが沈殿して真水が残ります。脱塩は常温常圧で行われ、膜や固体イオン交換体は必要ありません。この方法の理論的なエネルギー効率は、電気透析や逆浸透と同等です。

• 土壌科学において、陽イオン交換容量とは、土壌の正電荷イオンに対するイオン交換容量のことです。土壌は天然の弱陽イオン交換体とみなすことができます。
• 汚染修復および土質工学において、イオン交換容量は、汚染物質および荷電イオンを「捕捉」するために使用できるモンモリロナイトなどの膨張性粘土または膨張性粘土の膨張容量を決定します。
• 平面導波管の製造では、イオン交換を利用して屈折率の高い導波層を作成します。
• 脱アルカリ処理、ガラス表面からアルカリイオンを除去すること。
• KNO _{3溶融物を使用して}ソーダガラス表面のK ^{+ を}Na ^{+と交換することによって生成さ}れる化学的に強化されたガラス。

• 選択的除去:イオン交換樹脂は、水から特定のイオンを選択的に除去するように設計できます。
• 高効率:イオン交換プロセスは、対象イオンを高い効率で除去できます。
• 再生性:イオン交換樹脂は、再生溶液で洗い流すことで複数回再生できるため、寿命が延び、運用コストが削減されます。
• 汎用性:イオン交換はさまざまな水処理アプリケーションに適用できます。
• 一貫したパフォーマンス:イオン交換システムは、一貫した予測可能なパフォーマンスを提供し、長期にわたって信頼性の高い水処理を実現します。
• スケーラビリティ:イオン交換システムは、さまざまな処理能力や要件に合わせて簡単にスケールアップまたはスケールダウンできます。

• 除去の制限:対象イオンが複雑な混合物中に存在する場合、または低濃度で存在する場合は、追加の前処理または後処理が必要になることがあります。
• 再生要件:イオン交換樹脂の再生には化学薬品の使用が必要であり、濃縮された汚染物質を含む廃水が発生するため、適切な処理と廃棄措置が必要になる場合があります。
• 限られた容量:イオン交換樹脂はイオンを吸着する容量が限られており、飽和すると再生または交換する必要があり、高濃度または大量のストリームを処理する際の有効性が制限される可能性があります。
• 複雑さ:イオン交換システムは設計、操作、保守が複雑になる可能性があり、専門知識と専門技術が必要です。

ほとんどのイオン交換システムでは、循環的に動作する イオン交換樹脂のカラムを使用します。

濾過プロセス中、水は樹脂が枯渇したとみなされるまで樹脂カラムを流れます。これは、カラムから出る水に除去されるイオンの最大所望濃度以上が含まれている場合にのみ発生します。その後、樹脂は、蓄積された浮遊物質を除去するために樹脂床を逆洗し、除去されたイオンを置換イオンの濃縮溶液で樹脂から洗い流し、樹脂から洗浄溶液を洗い流すことによって再生されます。イオン交換媒体の再生中に逆洗、洗浄、および洗浄廃水が生成されると、廃水処理におけるイオン交換の有用性が制限されます。^[6]

軟水器は通常、10%の塩化ナトリウムを含む塩水で再生されます。^[7]軟水から除去された二価カチオンの可溶性塩化物塩とは別に、軟水器再生廃水には、イオン交換樹脂の平衡を逆転させるために必要な塩化ナトリウム再生フラッシング塩水の未使用の50～70%が含まれています。硫酸と水酸化ナトリウムによる脱イオン樹脂の再生は、約20～40%の効率です。中和された脱イオン装置再生廃水には、除去されたすべてのイオンに加えて、硫酸ナトリウムとしてそれらの2.5～5倍の濃度が含まれています。^[8]

• アルカリ陰イオン交換膜
• イオン
• イオンクロマトグラフィー
• イオン交換膜
• イオン交換樹脂
• 淡水化
• 逆浸透

• Betz Laboratories (1976)。工業用水処理ハンドブック(第 7 版)。Betz Laboratories。
• 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。
• 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。
• ケマー、フランク N. (1979)。『NALCO 水ハンドブック』、マグロウヒル。
• 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。
• SenGupta, Arup K. (2017). 環境プロセスにおけるイオン交換：基礎、応用、持続可能な技術。ホーボーケン、ニュージャージー州。ISBN 978-1-119-42125-2. OCLC  1001290476.{{cite book}}: CS1 メンテナンス: 場所が見つかりません 発行者 (リンク)
• Dr., I., & Luqman, M. (2012).イオン交換技術 I: 理論と材料. Springer Netherlands.
• Harland, CE (1994).イオン交換：理論と実践（第2版） . 王立化学協会.

ウィキメディア・コモンズには、イオン交換に関連するメディアがあります。

• ダートマス大学のイオン交換に関する図解入りでわかりやすい化学実験
• イオン交換プロセスを説明するアプレット
• 脱イオン化の簡単な説明
• イオン交換、BioMineWiki 2020-08-11 にWayback Machineでアーカイブ