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イオン交換樹脂

日常生活や工場用水として必要な水道水は非常に透明できれいにろ過処理が施されています。しかし、この清澄な水の中にはナトリウム、カルシウムや塩素などのイオンや、表面電荷がマイナスを示すコロイダルシリカが含まれています。
カルシウムイオン、マグネシウムイオン、ナトリウムイオン等のように正電荷を帯びたイオンを陽イオン(カチオン)と呼び、硫酸イオン、塩素イオン、重炭酸イオン等のように負電荷を帯びたイオンを陰イオン(アニオン)と呼んでいます。
イオンとして地下水に含まれているものは、ろ過砂やアンスラサイトのような物理ろ過では除去することができません。しかし、イオン交換樹脂はこれらイオンを交換することによって、これらの成分を除去ができるろ過材です。

陽イオン交換樹脂

イオン交換樹脂とは、イオン交換現象を示すイオン交換体です。母体合成樹脂に結合させる基(官能基)によってイオン交換するものが異なり、酸性水酸基、カルボキシル基などの酸性基を持ち、陽イオンを交換できるものを陽イオン交換樹脂(またはカチオン交換樹脂)、逆にアミノ基やイミノ基のような塩基性基を持ち、陰イオンを交換できるものを陰イオン交換樹脂(またはアニオン交換樹脂)と呼んでいます。
イオン交換樹脂のイオン交換のメカニズムは、その名の通り、イオン交換樹脂の官能基に結合しているイオンと原水中のイオンの交換です。
例えば、軟水機で使用されるカチオン交換樹脂の場合、下図のように樹脂に結合しているナトリウムイオンと原水中のカルシウムイオンやマグネシウムイオンが交換することによって原水中の硬度を除去することが可能です。処理水の使用用途によっては、水素イオンを結合させたカチオン樹脂を使用することもあります。またアニオン交換樹脂の場合、官能基に結合する塩素イオンや水酸基イオンなどの陰イオンを除去したいアニオンと交換することになります。

しかし、上図のようにイオン交換を続けていくと、樹脂に結合しているナトリウムイオンが他のイオンに交換されるため、次第にイオン交換ができなくなります。イオン交換樹脂が持っている最大のイオン交換量を総交換容量(Total Capacity)と呼んでおり、これを超えると原水の除去対象となっているイオンと交換することができなくなります。

このような場合、大量のナトリウムイオン等を接触させることによりもう一度カルシウムイオンを初期のナトリウムイオン等に交換することが可能です。一般的には安価で扱いやすい食塩水で洗い流すことで捕捉しているカルシウムイオンを吐き出させることになります。これをイオン交換樹脂の「再生」と呼びます。

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