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Fine & Specialty Chemicals(정밀화학/스페셜티케미칼) 제조 원단위 및 프로세스(상,하)
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Ion exchange resin(이온교환수지)

Ion exchange resin(이온교환수지)

성상 : 이온교환수지는 미세한 3차원 망목 구조의 고분자기체에 이온교환기를 결합시킨 것이며, 고분자 기체에 고정시킨 고정이온과 반대부호의 용액 중에서 용출가능한 대립 이온에서 이루어진다. 교환기의 종류에 의해 양이온 교환수지와 음이온 교환수지로 대별되며 각각 불용성의 고분자산, 고분자염기라고 할 수 있다. 이온교환수지의 종류는 양이온교환수지에는 강산성 양이온교환수지, 약산성 양이온교환수지이 있고 음이온교환수지에는 강염기성 양이온교환수지 1형, 2형(4급암모늄), 약염기성 음이온교환수지(1~3급아민)이 있다. 또 기하학적 구조면에서 분류한다면 겔형과 폴라스형으로 나뉘어지며 겔형은 보통 스티렌-디비닐벤젠 공중을 기체로 한 것은 투명하고 균질인 고분자상에서 이루어지고 겔형이라 부르며 DVB의 함량을 변경시키면 3차원 matrix의 크기를 변경시킬 수 있다. 한편, 폴라스형은 특수한 공중합에 의해 겔형에서의 미클로포어외에 입자내에 물리적 세공(마크로포어)를 가지고 있다. 폴라스 형에서도 2종류가 있으며 DVB%가 높지 않은 것을 폴라스화로 한 수지이며 마크로포어는 적으나 팽윤상태에서는 마크로포어의 지름이 크고 수용액 처리에 적합한 것으로 이러한 종류를 포라스형이라 한다. 또 하나는 DVB%가 높은 것을 폴라스화 한 것이며 폴라스성이 우수하고 마크로포어의 지름이 작으며 수용액의 이온교환에서는 폴라스형에는 뒤떨어지나 기계적 강도는 강하고 흡착속도가 높고 또한 대분자 이온의 교환이나 수지 오염성이 강한 용액 및 무극성 용매중의 이온교환 등에 적합하므로 이러한 종류의 것을 하이폴라스 수지 또는 MR수지(Macroreticular Resin)라 한다. 최근에는 용도의 다양화에 따라 폴라스형의 비중이 높아지면서 수요가 전체의 60%를 차지하고 있다.
용도 : 수처리(경수연화, 순수제조), 시품정제(아미노산, 당액, 핵산정제 등), 폐수처리, 의약품제조, 항생물질 정제, 귀금속의 회수
원료 : 스티렌모노머(SM), 디비닐벤젠, 황산, 트리메틸아민, 디메틸아민
제법 : 이온교환수지의 대부분은 미세한 3차원 망목구조를 가진 고분자 기체에 이온교환기를 도입한 것이며 원료 모노머(스티렌)와 2관능 이상의 가교제(디비닐벤제 : DVB)의 공중합체에서 이루어지면서 DVB%를 가교도라고 부른다. 페놀과 포르말린을 축합시켜 제조하는 축합계 이온교환수지의 경우에는 구조가 복잡하며 가교도도 맹백하지 않는다. 현재는 이러한 계통은 거의 제조하지 않는다. 과산화 벤조일을 촉매로 해서 모노머가 불용의 매질(대부분은 물) 중에서 PVA와 같은 유기 현탁안정제 탄산칼슘과 같은 무기 현탁안정제를 사용해서 현탁중합에 의해 20~50메시 입상의 공중합체를 얻는다. 강산성 양이온 교환수지는 위에서 제조한 beads를 농황산, 클로로설폰산 등을 사용해서 설폰화시킨다. 약산성 양이온 교환수지는 -COOH기를 가진 것이 대부분이며 아크릴산 에스테르, 메타크릴산 에스테르, DVB의 공중합 폴리머의 가수분해에 의해 합성된다. 강염기성 음이온 교환수지 1형은 스티렌과 DVB의 공중합체 beads를 ACl3, SnCl4, ZnCl2와 같은 루이스산을 촉매로 해서 클로로메틸에테르로서 클로로메틸화한다. 이것을 트리메틸아민과 같은 3급아민에서 4급화시켜 제조한다. 2형은 공중합체 beads를 클로로메틸화시킨 후 디메틸에탄올아민에서 4급화시킨다. 약염기성 음이온 교환수지는 클로로메틸화시킨 beads를 1급아민, 2급아민의 아미노화한다. 또 DVB(메타)와 아크릴레이트의 공중합물을 아민에서 아마이드화한다. 이온교환기를 대신해서 킬레이트 생성기를 도입하고 보면 킬레이트 수지가 된다.


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[2021년 10월-373호]

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