イオン交換とは？イオン交換樹脂の吸着と再生について

イオン交換やイオン交換樹脂再生の原理について解説します。

解説

純水の製造では水中のカルシウムやナトリウム、塩化物などの塩類成分を取り除く必要があります。これらの成分は、水中に溶けてプラスやマイナスに帯電しています。この帯電した物質をイオンとよび、カルシウムイオン（Ca²⁺）、ナトリウムイオン（Na⁺）、塩化物イオン（Cl^–）などといいます。

これら水中のイオンを取り除くときに利用されるのが、イオン交換体です。自らが持つイオンを水中に出して、代わりに水中に存在する他のイオンと交換する性質を持っています。このイオン交換体を不溶性・多孔性の合成樹脂でつくったものをイオン交換樹脂といいます。

イオン交換の原理

イオン交換樹脂は、直径約0.5mm程度の球状であり、ちょうど魚の卵（例：たらこ、数の子）のような外観をしています。色は褐色、黄色、白色、黒色など様々で、やや透明なものから不透明なものまであります。イオン交換樹脂には、陽イオン（プラスイオン）を交換する陽イオン交換樹脂（カチオン交換樹脂）と、陰イオン（マイナスイオン）を交換する陰イオン交換樹脂（アニオン交換樹脂）があります。これらの二種類の樹脂を単独で利用したり、混合して利用（ミックス樹脂と呼ぶ）したりします。

イオン交換樹脂を使用して、塩水（NaCl）を純水に処理する手順を模式図で示します。カチオン交換樹脂ではNa⁺を取りこんでH⁺を排出します。アニオン交換樹脂ではCl^－を取り込んでOH^－を排出します。これらの放出されたH⁺とOH^－は結合して水（純水）になるため、イオンは残りません。

■イオン交換のイメージ

イオン交換樹脂の再生

イオン交換樹脂の吸着量には限度があり、これを超えてしまうと不純物を吸着できなくなります。これを破過といいます。放置しておくと処理水に不純物が漏れてしまうため、交換樹脂を再生（初期状態に戻す）させる必要があります。

アニオン交換樹脂の再生では、大量の水酸化ナトリウムをイオン交換樹脂が入っているステンレス製容器やFRP製容器に注入します。水酸化ナトリウムが解離し大量の水酸化物イオンを生成します。水酸化物イオンはアニオン交換樹脂に吸着している塩化物イオンを分離させて初期状態に戻すことができます。再生後は容器内のナトリウムイオン、塩化物イオンを純水で洗い流します。

■イオン交換処理（アニオン交換樹脂の再生）

イオン交換樹脂利用の注意事項

（1）水道水の処理を行う場合

水道水中の残留塩素がイオン交換樹脂を劣化させてしまうため、イオン交換樹脂の前に活性炭（カーボンフィルター等）を設置し残留塩素を除去します。活性炭の寿命は0.5～2年で、定期的な交換が必要です。

（2）懸濁物質が多い場合

イオン交換樹脂処理水の水質が低下します。井戸水などを処理するときは前処理フィルターを取り付ける必要があります。

（3）管理上の注意点

イオン交換樹脂の製品寿命は水質や処理水量などの条件によって異なり、再生するほど性能は低下します。破過する前の再生や、製品寿命が尽きる前に樹脂を交換するといった措置がないと、安定した純水の製造が難しくなります。管理に手間をかけられない場合は、以下の対策をご検討ください。

１）イオン交換の安定運転サポートサービスを利用する

純水メンテお任せで、安心・省力化実現、コストメリット獲得 – 相談事例

２）管理が楽なROタイプの装置にする

高度な純水で歩留まりを上げたい – 相談事例

３）管理をプロの水処理会社に任せる純水供給サービスを利用する

純水装置の更新にあたり、今よりも管理を楽にしたい – 相談事例

イオン交換樹脂を用いた純水装置の例

前項で説明したイオン交換樹脂を用いて実際どのような装置があるのか、クリタが提供している製品をご紹介します。

■再生式 ：イオン交換樹脂の再生を行い、繰り返し使える装置です。比較的、水量が多い場合に使用します。

■非再生式 ：イオン交換樹脂の再生は行わず、装置を交換して使用します。水量が多いと交換頻度が多くなるため、RO膜を前段に設置して使用します。

再生式

装置の詳細はこちらからどうぞ

非再生式

装置の詳細はこちらからどうぞ

イオン交換樹脂は純水をつくる以外に、特定の成分を除去することにも利用されています。

＜用途例＞ ・井戸水中の硬度成分除去 ・自然水中の硝酸除去 ・特定重金属の除去

解説者

栗田工業株式会社

小川晋平