イオン交換樹脂は、巨大な炭化水素骨格を持つ複雑な有機分子です。イオン交換樹脂には、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂の2種類があります。酸性基を含むイオン交換樹脂は陽イオン交換樹脂（R-COOH、R-So3Hなど）と呼ばれます。塩基性基を含むイオン交換樹脂は陰イオン交換樹脂（例：R-NH3OH）と呼ばれます。
イオン交換樹脂法
イオン交換樹脂法では、硬水に含まれる陽イオンと陰イオンを完全に除去できる樹脂を使用します。使用される樹脂は、一般に、イオン交換特性の原因となるいくつかの官能基を持つ、架橋された不溶性の有機ポリマーです。
硬水と軟水
石鹸の泡立ちが十分であれば、水は軟水です。石鹸で泡立つ前に不溶性のスカムを形成する場合、水は硬い.
石鹸の化学式はC17H35COONaです。カルシウムとマグネシウムのイオンは、水の硬度と硬水のスカムの形成に関与しています。ナトリウム (Na) のイオンは、溶解した形で水に残ります。
スカム形成の化学反応は以下のようになります:
2(C17H35COONa) =(C17H35COO)2Ca + (C17H35COO)2Mg
天然水の硬度は、一般的にカルシウムとマグネシウムの重炭酸塩[Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2]、塩化物[CaCl2、MgCl2]、硫酸塩[CaSo4、MgSo4]の存在によって引き起こされますが、実際には石鹸でスカムを形成する可溶性塩は、硬度を引き起こします.
重炭酸塩[Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2]、塩化物[CaCl2、MgCl2]、および硫酸塩[CaSo4、MgSo4]は水の硬度の原因ではなく、カルシウムとマグネシウム (Ca2+ と Mg2+) は水の硬度の原因です。
一時的な硬さは、消石灰 Ca(OH)2 の添加を含むクラーク法によって除去することもできます。
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 =2CaCo3 + 2H2O
水の硬度には次の 2 種類があります:
a) 一時的な硬さ:これは、カルシウムとマグネシウムの炭酸水素塩によるものです。水の一時的な硬さは、重炭酸塩が容易に分解し、不溶性の炭酸塩が沈殿するため、沸騰したお湯で簡単に取り除くことができます。
Ca(HCO3)2(熱) =CaCo3 + H2O +CO2
Mg(HCO3)2 (熱) =MgCo3 + H2O +CO2
b) 永久硬度:Ca2+ および Mg2+ の塩化物および硫酸塩による水の硬度は、永久硬度と呼ばれます。煮沸処理では、このタイプの水の硬さを取り除くことはできません。永久硬度を除去するために、いくつかの適切な化学物質が使用されます。これらの物質は軟水化剤と呼ばれます。重要な軟水器のいくつかは次のとおりです。
(i) 洗濯ソーダ
(ii) カルゴン/ヘキサメタリン酸ナトリウム (NaPo3)6
(iii) 順列法
(iv) イオン交換樹脂
水の硬さを取り除くイオン交換樹脂法
イオン交換樹脂技術により、硬さの原因となる陽イオンと陰イオンの両方を除去できます。このプロセスには 2 つのチャンバーが含まれます。
<オール>R-COOH + Ca2+ =(R-COO)2Ca + 2H+
R-COOH + Mg2+ =(R-COO)2Mg + 2H+
<オール> b) 陰イオン交換樹脂:これらは ROH- と呼ばれます。この樹脂には、アミン R-NH3+OH- から誘導される塩基性基を持つ巨大な有機分子が含まれています。陰イオン交換樹脂には、水酸化物や塩酸塩などの官能基があり、硬水中で陰イオンを他の陰イオンと交換できます。例:スチレン ジビニルベンゼンまたはアミン ホルムアルデヒド コポリマーR-NH3+OH- + Cl- =R-NH3Cl + OH-
R-NH3+OH- + So42- =(R-NH3)2So4 + OH-
注:陽イオン交換樹脂から得られる H+ イオンは、陰イオン交換樹脂の OH- イオンと反応します。したがって、中和プロセスが行われます。
H+ + OH- =H2O (中性)
イオン交換樹脂の再充電:
陽イオン交換体と陰イオン交換体が使い果たされたら、再生を行う必要があります。消耗した陽イオン交換樹脂は、希塩酸と反応させて再生します。
(R-COO)2Ca + 2HCl =2 R-COOH + CaCl2
使い果たされた陰イオン交換樹脂は、希 NaOH との反応によって再生されます。
(R-NH3)2So4 + 2 NaOH =2 R-NH3OH + Na2So4
混床脱イオン装置
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含む単一のカラムが使用されます。硬水が混床脱イオン装置を通過すると、陰イオン交換体と陽イオン交換体と交互に何度も接触します。そのため、より効率的な軟水化が行われ、軟化水の残留硬度はわずか0～1ppmです。レジンが使い果たされたら、ベッドを逆洗します。密度が低いため、陰イオン交換体は陽イオン交換体の上に上層を形成します。陰イオン交換体は NaOH 溶液で再生され、陽イオン交換体は硫酸溶液で再生されます。
結論
この記事では、イオン交換樹脂法、陽イオン交換樹脂や陰イオン交換樹脂などのイオン交換樹脂の種類、イオン交換樹脂法を使用した水の硬度の除去、イオン交換樹脂の再充電、およびその他の関連する概念について説明しました.
