개념 한 쪽
수질환경기사 이온교환 — 선택성과 수지 용량
이온교환수지가 용존 이온을 잡는 원리와 연수화 반응, 양이온 선택성의 순서, 교환용량으로 필요한 수지 부피를 구하는 방법을 익힌다.
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뜻
이온교환은 용존 이온성 물질을 수지의 이온과 맞바꾸어 제거하는 공정이다. 연수화, 중금속 제거, 암모늄 제거에 주로 쓰며, 인 제거는 화학적 침전이나 생물학적 공정의 몫이라 이온교환의 주용도와 거리가 있다.
무기수은은 산화분해로 없애기 어렵다. 황화물 침전, 활성탄 흡착, 이온교환 같은 물리화학적 방법으로 처리한다.
나트륨형 양이온 교환수지의 연수화 반응은 Ca2+ + 2Na-Ex ⇄ Ca-Ex2 + 2Na+이다. 수지가 칼슘을 잡고 나트륨을 내놓는 정반응이 연수화이고, 역반응이 재생이다. 마그네슘도 같은 방식으로 제거된다.
양이온 교환 선택성은 전하량이 클수록, 수화 반지름이 작을수록 높다. 알칼리 토금속은 Ba > Sr > Ca 순이고, 납은 수화 반지름이 작아 선택성이 높다.
필요한 수지의 양은 제거할 이온의 총당량을 수지의 단위 교환용량으로 나누어 구한다. 수은 50mg/L를 함유한 폐수 10m³를 처리하는 경우를 보자. 수은 총량은 500,000mg이고, Hg2+의 원자가가 2이므로 당량은 200/2 = 100mg/meq이다. 총당량은 500,000 / 100 = 5,000meq가 된다. 교환용량이 수지 1mL당 2.5meq이면 필요한 수지는 5,000 / 2.5 = 2,000mL, 즉 2L이다.
암모늄은 CaCO3 당량으로 환산해 계산한다. NH4+ 18g이 CaCO3 50g에 해당하므로 총량에 50/18을 곱한다. NH4+ 36mg/L를 함유한 폐수 1,000m³이면 총량이 36kg이고 CaCO3 당량으로 100kg이므로, 교환용량이 100g CaCO3/m³인 수지에서는 1,000m³가 필요하다. 같은 이온 12mg/L, 물 3,500m³이면 총량 42kg, CaCO3 당량 116.7kg이므로 교환용량 100kg CaCO3/m³에서 1.17m³가 필요하다.
질소를 물리화학적으로 제거하는 공법에는 탈기법, 이온교환법, 브레이크포인트 염소제거법이 있다. 금속염 첨가법은 인 제거 공법이므로 질소 제거와 구분한다.
예제
선지 판단은 이온교환의 적용 대상, 연수화 반응의 방향, 양이온 선택성의 순서, 수지 용량 계산의 당량 환산에서 갈린다. 인 제거를 이온교환의 주용도로 적거나, 무기수은을 산화분해로 처리한다고 적은 선지가 틀린다. 연수화와 재생의 반응 방향을 바꾸거나, 선택성 순서를 Ca > Sr > Ba로 적은 선지도 어긋난다. 수은을 당량으로 바꾸지 않고 질량 그대로 나누거나, CaCO3 환산 계수 50/18을 빠뜨린 선지도 성립하지 않는다.
자주 묻는 물음
- 이온교환은 어떤 물질을 제거하는 데 쓰나요?
- 용존 이온성 물질을 제거합니다. 연수화, 중금속 제거, 암모늄 제거가 주용도입니다. 인 제거는 화학적 침전이나 생물학적 공정의 몫이라 이온교환의 주용도와 거리가 있습니다. 무기수은은 산화분해가 어려워 황화물 침전, 활성탄 흡착, 이온교환으로 처리합니다.
- 양이온 교환 선택성은 어떤 순서인가요?
- 전하량이 클수록, 수화 반지름이 작을수록 선택성이 높습니다. 알칼리 토금속은 Ba > Sr > Ca 순이고, 납은 수화 반지름이 작아 선택성이 높습니다.
- 필요한 이온교환수지의 양은 어떻게 구하나요?
- 제거할 이온의 총당량을 수지의 단위 교환용량으로 나눕니다. 수은 50mg/L, 폐수 10m³이면 총량 500,000mg을 Hg2+ 당량 100mg/meq로 나누어 5,000meq가 되고, 2.5meq/mL 수지에서는 2L가 필요합니다. 암모늄은 50/18을 곱해 CaCO3 당량으로 바꾼 뒤 교환용량으로 나눕니다.
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