JP4383692B2 - イオン交換体のイオン選択性判別方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン交換樹脂、イオン交換膜などのイオン交換体のイオン選択性判別方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体、電力、環境等の様々な分野で水処理システムが使用されている。これらの水処理システムで使用されているイオン交換樹脂、イオン交換膜などのイオン交換体は、様々な無機イオン、有機イオンを吸着する。この場合、上記イオン交換体のイオン選択性（吸着イオン選択性）は、イオン交換体の交換基の種類や、イオンの種類により大きく異なる。このイオン選択性は、目的とするイオンを吸着したり、溶出させたりする際に非常に重要な因子となる。
【０００３】
従来、イオン交換体のイオン選択性は、イオン交換体の選択係数を測定することで判別してきた。上記選択係数は、目的とするイオンを含む溶液にイオン交換体を浸漬し、浸漬前後における溶液中のイオン濃度差から求める。通常、異なったイオン濃度の溶液を段階的に調製し、各溶液について浸漬前後におけるイオン濃度差を求める必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、イオン交換体の選択係数は、イオン及び交換基の種類により数１０倍〜数１００倍の範囲に及ぶため、目的とするイオンの選択係数のおよその値が分からない場合や、イオン交換体を新規に作製した場合には、非常に多くの異なった濃度の浸漬溶液を調製する必要が生じる。また、測定対象がイオン性有機物の場合には、浸漬溶液中のイオンの定量方法が問題になり、新たな定量方法を開発しなければならないこともある。
【０００５】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたもので、従来のようにイオン交換体を浸漬する溶液の調製や、上記溶液中のイオン濃度の測定を行うことなく、イオン交換体のイオン選択性を簡便に判別することができる方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
イオン交換体の交換基は、例えばスルホン酸基や第四アンモニウム塩基のように親水性が高い。このようなイオン交換基の周囲には水分子が強く水和している。このようなイオン交換体を室温から冷却すると、イオン交換体の内部の大部分の水は０℃から−４０℃前後までの間に凍結するが、一部の水はそれ以下の温度に冷却しても凍結しない。この凍結しない水を不凍水と呼ぶ。本発明者は、イオン交換体の内部の不凍水量と、イオン交換体のイオン選択性との関係を調べた結果、両者には相関があることを見出した。
【０００７】
本発明は、上述した知見に基づいてなされたもので、複数種のイオンをイオンごとにそれぞれイオン交換体に吸着させ、各イオンを吸着させた各イオン交換体の内部の不凍水量をそれぞれ測定し、あるイオンを吸着させたイオン交換体の不凍水量が多いほど、前記イオン交換体のそのイオンに対するイオン選択性が弱いと判定することを特徴とするイオン交換体のイオン選択性判別方法を提供する。
【０００８】
本発明において、吸着とは、イオン交換体のイオン交換基にイオンが吸着することを言い、イオン交換体のイオン選択性とは、イオンのイオン交換体への吸着のしやすさのことを言う。また、本発明においては、イオン交換体の内部の不凍水とは、−７５℃でも凍結しない水のことを言うものとする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明において、イオン交換体の内部の不凍水量の測定手段に限定はないが、熱分析法を用いることが好ましく、特に示差走査熱量測定（ＤＳＣ）が好ましい。
【００１１】
また、本発明において、選択性を判別したい複数種のイオンをイオンごとにそれぞれイオン交換体に吸着させる場合、イオン交換体には選択性を判別したいイオンをそれぞれ当量吸着させることが好ましい。
【００１３】
イオン交換体の内部の不凍水量を測定し、イオン交換体のイオン選択性を判別する手順の一例として、例えば下記手順を挙げることができる。
▲１▼イオン交換体にイオンを吸着させる。イオンをイオン交換体に吸着させる方法としては、例えば該イオンを含む溶液をイオン交換体に通水する方法、イオン交換体を該イオンを含む溶液中に浸漬する方法等が挙げられる。
▲２▼各イオンを吸着させた各イオン交換体を適当な含水量に調整する。イオン交換体の含水量を調整する方法としては、例えば水中に浸漬したイオン交換体を取り出し、素早く周囲の水をキムワイプなどで拭き取る方法、水中に浸漬したイオン交換体を取り出し、そのまま適当な時間風乾する方法、調湿機等を用いて、適当な湿度の雰囲気下にイオン交換体を放置する方法等が挙げられる。なお、上記▲１▼の作業において、イオンを含む溶液をイオン交換体に通水する方法や、イオン交換体をイオンを含む溶液中に浸漬する方法を用いた場合は、新たにイオン交換体を純水等に含浸させる必要はなく、そのままキムワイプなどで拭き取るか、適当な時間風乾すればよい。
▲３▼各イオン交換体の内部の凍結水量をそれぞれＤＳＣによって測定する。
▲４▼各イオン交換体を乾燥させる。乾燥させる方法としては、イオン交換体を一定時間加熱する方法、減圧乾燥する方法が好ましい。
▲５▼▲２▼の水を含浸させたイオン交換体の重量から、▲４▼の乾燥させたイオン交換体の重量を引くことにより、▲２▼におけるイオン交換体の内部の含水量を求める。
▲６▼▲５▼で求めたイオン交換体の内部の含水量から、▲３▼で測定したイオン交換体の内部の凍結水量を引くことにより、イオン交換体の内部の不凍水量を求める。
▲７▼あるイオンを吸着させたイオン交換体の不凍水量が多いほど、イオン交換体のそのイオンに対するイオン選択性が弱いと判定する。
【００１４】
【実施例】
イオン交換樹脂のイオン選択性の判別を行った。試料としては、強酸性陽イオン交換樹脂であるアンバーライト（登録商標、以下同じ）２００ＣＰに、Ｈ⁺、Ｎａ⁺、Ｋ⁺、Ｃａ²⁺、Ｍｇ²⁺、Ｂａ²⁺、ベンジルトリメチルアンモニウムイオン（ＢＴＭＡ⁺）をそれぞれ当量吸着させた樹脂を調製した。また、強塩基性陰イオン交換樹脂であるアンバーライトＩＲＡ９００ＣＰおよびアンバーライトＩＲＡ４００Ｔに、ＯＨ^-、Ｃｌ^-、Ｂｒ^-、Ｉ^-をそれぞれ当量吸着させた樹脂を調製した。
【００１５】
次に、各イオンを吸着させた各イオン交換樹脂の含水量を調整した後、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）により、各イオン交換樹脂の内部の凍結水量をそれぞれ測定し、それからそれぞれの不凍水量を算出した。示差走査熱量装置としては、セイコーインスツルメンツ（株）製のＤＳＣ６２００を用いた。また、試料容器としては簡易密封容器を使用し、試料量５〜１０ｍｇ、昇温速度３℃／ｍｉｎの条件で測定を行った。
【００１６】
測定結果の一例として、強塩基性陰イオン交換樹脂（アンバーライトＩＲＡ９００ＣＰ）にＯＨ^-を当量吸着させた樹脂のＤＳＣ曲線を図１に示す。冷却曲線では−２０℃近傍に樹脂内部に存在する水の結晶化による発熱ピークが検出され、融解曲線では−３０〜０℃に融解による吸熱ピークが検出されている。水の結晶化及び融解エンタルピーを３３３．４Ｊ／ｇとして、ピーク面積から凍結した水の量を求めた。
【００１７】
その後、各樹脂を乾燥させた。具体的には、アンバーライトＩＲＡ９００ＣＰおよびアンバーライトＩＲＡ４００Ｔは８５℃で２時間、アンバーライト２００ＣＰは１０５℃で２時間乾燥させた。そして、前記水を含浸させた後の樹脂重量から乾燥後の樹脂重量を引くことにより、樹脂内部の含水量（樹脂に含浸させた水の量）を算出した。さらに、この樹脂内部の含水量からＤＳＣで求めた凍結水量を引くことにより、樹脂内部の不凍水量（単位：乾燥樹脂１ｍｇ当たりの水の量（ｍｇ））を算出した。結果を表１に示す。
【００１８】
【表１】

【００１９】
表１からわかるように、強酸性陽イオン交換樹脂（アンバーライト２００ＣＰ）に各イオンをそれぞれ吸着させた場合、不凍水量は、１価イオンではＨ⁺吸着樹脂＞Ｎａ⁺吸着樹脂＞Ｋ⁺吸着樹脂＞ＢＴＭＡ⁺吸着樹脂の順になり、２価イオンではＭｇ²⁺吸着樹脂＞Ｃａ²⁺吸着樹脂＞Ｂａ²⁺吸着樹脂の順になる。一方、上記強酸性陽イオン交換樹脂のイオン選択性は既知であり、１価イオンではＨ⁺＜Ｎａ⁺＜Ｋ⁺＜ＢＴＭＡ⁺の順、２価イオンではＭｇ²⁺＞Ｃａ²⁺＞Ｂａ²⁺の順である。
【００２０】
また、強塩基性陰イオン交換樹脂（アンバーライトＩＲＡ９００ＣＰ）に各イオンをそれぞれ吸着させた場合、不凍水量は、ＯＨ^-吸着樹脂＞Ｃｌ^-吸着樹脂＞Ｂｒ^-吸着樹脂＞Ｉ^-吸着樹脂の順になる。一方、上記強塩基性陰イオン交換樹脂のイオン選択性は既知であり、ＯＨ^-＜Ｃｌ^-＜Ｂｒ^-＜Ｉ^-の順である。
【００２１】
また、同様に強塩基性陰イオン交換樹脂（アンバーライトＩＲＡ４００Ｔ）に各イオンをそれぞれ吸着させた場合、不凍水量は、ＯＨ^-吸着樹脂＞Ｃｌ^-吸着樹脂＞Ｂｒ^-吸着樹脂＞Ｉ^-吸着樹脂の順になる。一方、上記強塩基性陰イオン交換樹脂のイオン選択性は既知であり、ＯＨ^-＜Ｃｌ^-＜Ｂｒ^-＜Ｉ^-の順である。
【００２２】
したがって、本実施例により、イオン交換体の内部の不凍水量と、イオン交換体のイオン選択性とは逆の相関を有し、あるイオンを吸着させたイオン交換体の不凍水量が多いほど、イオン交換体のそのイオンに対するイオン選択性が弱いと判定できることが確認された。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、イオン交換体のイオン選択性を簡便に判別することができる。また、本発明には下記の利点がある。
（ａ）本発明によれば、イオン交換体にイオンを吸着させ、ＤＳＣ等を用いてイオン交換体の内部の不凍水量を測定するだけで、イオン交換体のイオン選択性を判別することができる。したがって、従来のようにイオン交換体を浸漬する溶液を調製したり、上記溶液中のイオン濃度の測定を行ったりする面倒がない。
（ｂ）本発明では、測定に使用するイオン交換体は少量でよい。具体的には、従来法では測定に数１０ｇ〜数１００ｇのイオン交換体が必要であったのに対し、本発明では数ｍｇ〜１０ｍｇでよい。
（ｃ）本発明では、測定対象がイオン性有機物であっても、新たな定量方法を開発することなく、イオン選択性を簡便に判別することができる。
（ｄ）本発明では、選択係数の絶対値まで求める必要なく、選択係数の相対比較により簡便にイオン選択性の順番を決めることができる。
（ｅ）本発明は、定量方法が煩雑なイオン性有機物に対するイオン交換体のイオン選択性を判別する場合、および新規に作製したイオン交換体のイオン選択性を判別する場合に特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】強塩基性陰イオン交換樹脂にＯＨ^-を当量吸着させた樹脂のＤＳＣ曲線を示すグラフである。

Claims (2)

1. 複数種のイオンをイオンごとにそれぞれイオン交換体に吸着させ、各イオンを吸着させた各イオン交換体の内部の不凍水量をそれぞれ測定し、あるイオンを吸着させたイオン交換体の不凍水量が多いほど、前記イオン交換体のそのイオンに対するイオン選択性が弱いと判定することを特徴とするイオン交換体のイオン選択性判別方法。
2. イオン交換体がイオン交換樹脂またはイオン交換膜であることを特徴とする請求項１に記載のイオン交換体のイオン選択性判別方法。

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