개념 한 쪽
이온교환은 수중 이온을 고분자 수지와 교환하여 제거하거나 회수하는 공정이다. 선택성은 이온의 전하량과 수화 반지름에 의해 결정되며, 수지의 재생과 계산은 공정 설계 핵심 요소이다.
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출제기준 단원 「이온교환」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 음이온 선택성 배열 | 1 | 음이온 수지에서 전하와 수화반지름에 따른 우선순위를 가리는 능력 평가 |
| 수지 재생 과정 식별 | 1 | 음이온 수지 재생제와 재생 형태를 구별하는 내용 확인 |
| 양이온 제거 우선순위 판단 | 1 | 혼합 이온 중에서 수지에 의해 먼저 제거되는 이온을 식별하는 능력 평가 |
이온교환 수지는 수용액 중의 양이온 또는 음이온을 수지 표면에 결합한 교환 이온과 치환하여 제거하는 물질이다. 선택성은 전하량이 클수록 높아지고 수화 반지름이 작을수록 높아지는 경향을 보이므로 다가 이온이 단일가 이온보다 일반적으로 우선하여 흡착된다.
음이온 교환수지의 일반적 선택성 순서는 전하와 수화 반지름 원칙에 따라 배열하며, 강염기성 음이온수지의 경우 SO4²⁻가 높은 선택성을 가지며 I⁻, NO3⁻ 등이 뒤를 잇는 순서를 보일 수 있다. 구체적 순서는 수지 특성에 따라 달라질 수 있으나 '다가 이온 우선, 수화반지름 작을수록 유리'라는 원리를 적용하여 판단한다.
양이온 교환수지에서는 2가 이온이 1가 이온보다 수지에 더 강하게 결합하여 먼저 제거되며, 동일 가수에서는 이온 반지름이 큰 이온이 더 강한 친화력을 나타낸다. 예로 Ca²⁺는 Mg²⁺보다 먼저 제거되는 경향을 보인다.
수지의 포화 시점에는 재생이 필요하며, 음이온 수지는 보통 강염기(예: NaOH)로 처리하여 OH형으로 복원하고, 양이온 수지는 강산(예: HCl)으로 재생하는 대응 관계를 기억해야 한다. 재생 과정에서는 농축된 재생액이 생기므로 회수나 처리 방안을 고려해야 한다.
이온교환 공정은 원수의 전처리와 수지 오염 관리가 중요하다. 유기물 부착이나 부유물질 존재는 수지 성능을 저하시키므로 여과와 같은 전처리를 수행하고, 경쟁 이온의 존재는 표적 이온의 제거 효율을 떨어뜨리므로 수질 조성을 고려하여 운전한다.
암모늄이온 27 mg/L가 포함된 폐수 4000 m³을 처리할 경우 필요한 수지 용적을 계산하는 절차를 보인다. 총 질량은 27 mg/L × 4,000,000 L = 108,000,000 mg = 108,000 g이다. NH4+의 분자량은 18 g/mol이므로 당량수도 18 g/eq이므로 총 당량은 108,000 g ÷ 18 g/eq = 6,000 eq가 된다. 수지의 교환능력이 CaCO3 환산으로 100,000그램-당량(m³당 기준)이라면, CaCO3의 당량수 50 g/eq를 적용하면 100,000 ÷ 50 = 2,000 eq/m³가 된다. 따라서 필요한 수지 용적은 6,000 ÷ 2,000 = 3 m³가 된다.
선택성 판단 예시는 음이온 수지의 경우 SO4²⁻가 I⁻보다, I⁻가 NO3⁻보다 우선하는 식으로 전하와 수화 반지름 원칙을 적용하여 순서를 정한다는 점을 확인한다.
다음중 보통 음이온교환수지에 대해서 가장 일반적인 음이온의 선택성 순서가 바르게 나열된 것은?
정답 ① · 문항은 보통 음이온교환수지의 일반적인 음이온 선택성 순서를 묻고 있다. 선택성은 이온의 전하(절대값)가 클수록 유리하고 같은 전하에서는 수화 반지름이 작을수록 우선되므로 다가음이온(SO42-)이 단가 음이온보다 우선한다.
음이온교환수지의 선택성은 이온의 전하량이 크고 수화 반지름이 작을수록 강하다.
다음 중 음이온 교환수지의 재생과정을 나타낸 것으로 가장 알맞는 것은?
정답 ④ · 음이온 교환수지는 보통 염기형(OH형)으로 사용되어 음이온을 교환합니다. 수지가 포화되면 재생해야 하는데, 이때 강염기인 NaOH를 사용하여 수지 내의 음이온(예: CrO4)을 빼내고 다시 OH형으로 전환시킵니다.
음이온 교환수지는 포화 후 강염기(NaOH)로 재생하여 수지 내 음이온을 제거하고 수산화형(OH형)으로 복원한다.
다음 보기와 같은 물질들이 폐수내에 혼합되어 있을 경우 양이온 교환 수지로 처리시 일반적으로 제일 먼저 제거되는 것은?
정답 ① · 문제는 혼합 이온을 양이온 교환수지로 처리할 때 먼저 제거되는 이온을 묻고 있다. 양이온 교환 수지의 선택성은 이온 전하량과 수화 반경 등에 의해 결정되므로 이론적으로 전하가 큰 이온(예: 2가)이 1가 이온보다 수지에 대한 친화력이 크다.
양이온 교환 수지는 전하 밀도가 높을수록 친화력이 강하므로, 2가 이온인 Ca++가 1가 이온보다 먼저 제거된다.
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