日本大百科全書(ニッポニカ) 「イオン交換樹脂」の意味・わかりやすい解説
イオン交換樹脂
いおんこうかんじゅし
ion exchange resin
イオン交換作用を示す物質（イオン交換体）の一種。水に不溶性の合成樹脂で、陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂、両性イオン交換樹脂などがある。
［垣内 弘］
歴史
イオン交換現象は古くから知られていたが、化学的には19世紀の初めにイギリスの土壌学者トムソンH. S. ThomsonとウェイJ. Wayが明らかにした。ある種の土壌において、カルシウムイオンとアンモニウムイオンの間で陽イオン交換がおこることをみいだし、このときの交換は当量関係があり、あるイオンは他のイオンより容易に交換するという選択性を発見した。初めは粘土物質が交換剤として用いられてきたが、1935年にアダムスB. A. AdamsとホームズF. L. Holmesらが、多価フェノールとホルムアルデヒドとを縮合させた樹脂が塩類水溶液と陽イオンを交換し、さらにアニリンやメタフェニレンジアミンとホルムアルデヒドの縮合物の樹脂粒子が硫酸基を吸着する陰イオン交換性をみいだし、その後ドイツのIG(イーゲー)社によって系統的な研究と工業的なイオン交換樹脂の製造が始まった。また同じころにアメリカのレジナス社（現、ダウ・テュポン社）でも研究が行われ、1941年にイオン交換樹脂としてアンバーライトAmberliteの商品名で市販された。日本でもこのころから京都大学の小田良平（1906―1992）、三菱(みつびし)化成（現、三菱ケミカル）などがイオン交換樹脂の研究を開始した。第二次世界大戦中、アメリカ、ドイツなどで、イオン交換樹脂による水処理、人絹工場廃水からの銅の回収、キニーネの抽出精製、希土類元素の分離抽出など用途が急速に広がっていった。日本ではイオン交換樹脂を用いる海水の淡水化などが進んだ。戦後、スチレン系の強酸性陽イオン交換樹脂がローム・ハース社より発売されてスチレン系イオン交換樹脂の時代が始まり、核分裂生成物の分離、高純度純水の製造、各種の比較的高価な物質、たとえばアミノ酸や抗生物質の精製が工業的規模で行われ、またカンショ糖液の脱色、テンサイからソフトシュガーの直接製造、海水濃縮による食塩の製造などと多方面に工業的に応用されている。またイオン交換樹脂の利用技術として、膜状にしたイオン交換膜が開発されて幅広く用いられている。
［垣内 弘］
構造
三次元の立体的な構造をもった高分子化合物（母体という）にイオン交換機能をもった交換基が共有結合で安定に結合し、その交換基が樹脂表面になるべく一様に分布していることが必要である。高分子母体は現在はスチレンとジビニルベンゼン（DVB）の共重合体で、DVBはスチレンの線状重合体に適当に架橋させるために用いる。
［垣内 弘］
種類
母体に導入される交換基の種類によって強酸性陽イオン交換樹脂（カチオン交換樹脂ともいう）、弱酸性陽イオン交換樹脂、強塩基性陰イオン交換樹脂（アニオン交換樹脂ともいう）、弱塩基性陰イオン交換樹脂がある。そのほか特殊なものとして、特定の金属とキレート結合のできる官能基を有するキレート樹脂や、両性のイオン交換樹脂などがある。母体であるスチレンとDVB共重合体の構造は、透明でほぼ均質なゲル形（ヘテロポーラス形ともいう）と、物理的に大きな孔径をもったマクロポーラス形とに大別でき、各種交換基とを組み合わせて多数の種類の商品が市販されている。
［垣内 弘］
性質
色は白、黄、橙(だいだい)、褐色、黒色など各種あり、一般に水を吸収した状態で市販されている。その粒子の大きさは大部分20～40メッシュ（粒子直径0.4～0.6ミリメートル）の不定形粒状または球状であり、前者は塊状または粒状のイオン交換樹脂を粉砕してつくったものである。含水状態での比重は1.2～1.4程度である。
［垣内 弘］
製法
母体の高分子物質としては、以前は多価フェノール類とホルムアルデヒドの縮重合物が用いられていたが、1960年ごろからはすでに述べたようにスチレンとDVBの架橋共重合体が用いられている。これに種々の官能基を導入していくが、架橋度の調節はDVBの量で行う。一般にDVB含有量6～16％程度であり、標準架橋はDVB含有量8％付近のものである。
陽イオン交換樹脂は交換基として酸性基を、陰イオン交換樹脂は交換基として塩基性基を導入したものであり、弱酸性基と弱塩基性基の両者をもったものが両性イオン交換樹脂である。
導入されるイオン交換基としてよく用いられるものは次のものである。
(1)強酸性基 スルホン酸基 -SO3H
(2)弱酸性基 カルボキシ基（カルボキシル基） -COOH、フェノール性ヒドロキシ基 -OH
(3)強塩基性基 第四アンモニウム塩基 -NH3⊕OH⊖
(4)弱塩基性基 第一、第二、第三アミン（-NH2、-NHR、-NR2）
などがある。
［垣内 弘］
用途
イオン交換がおもな用途である。陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂の作用を以下に示す。式中のRは母体。
●陽イオン交換樹脂
式(1)中和反応
R-SO3⊖H⊕＋Na⊕OH⊖
⇄R-SO3⊖Na⊕＋H2O
式(2)中性塩分解反応
R-SO3⊖H⊕＋Na⊕Cl⊖
⇄R-SO3⊖Na⊕＋H⊕Cl⊖
式(3)複分解反応
R-SO3⊖NA⊕＋K⊕Cl⊖
⇄R-SO3⊖K⊕＋Na⊕Cl⊖
●陰イオン交換樹脂
式(4)中和反応
R-NH3⊕OH⊖＋H⊕Cl⊖
⇄R-NH3⊕Cl⊖＋H2O
式(5)中性塩分解反応
R-NH3⊕OH⊖＋Na⊕Cl⊖
⇄R-NH3⊕Cl⊖＋Na⊕OH⊖
式(6)複分解反応
R-NH3⊕Cl⊖＋Na⊕Bi⊖
⇄R-NH3⊕Bi⊖＋Na⊕Cl⊖
これらの式からイオン交換反応は平衡反応であることが理解できるであろう。
［垣内 弘］
純水の製造と用水処理
現在、蒸留水の製造はイオン交換法によっている。それぞれのイオン交換樹脂の粒状のものをカラム（ガラスや金属製の筒。管柱）に充填(じゅうてん)しておき上部から食塩水NaClを流下させると、式(2)の反応で粒状の陽イオン交換樹脂にナトリウムイオンが固定される。流出水中には塩酸HClが残る。次に陰イオン交換樹脂を充填したカラムに流下させると、式(4)の反応で塩素アニオンが固定され、流出した水は純水になる。この逆の反応が海水からの食塩の製造であるが、現在ではより能率的なイオン交換膜を用いて行われている。
用水処理とはエレクトロニクスや電力用の水処理である。天然水中ではカルシウム、マグネシウムなどの陽イオンや、炭酸水素イオンや硫酸イオンなどのほかにシリカやコロイド状有機酸が陰イオンとして考えられ、陰イオン交換樹脂で吸着または交換される。
［垣内 弘］
その他の用途
イオン交換樹脂は、イオン交換を主とする用途と、固体触媒としての使用法がある。前者はすでに述べた純水の製造のほかに硬水の軟化、ホルマリン中のギ酸の除去、各種イオンの分離抽出（希土類元素、超ウラン元素など）、ビタミン、アルカロイド、アミノ酸などの抽出精製、めっき廃液中からの重金属イオンやシアンイオンの回収などがある。触媒としての利用は、カチオン交換樹脂またはアニオン交換樹脂が、酸または塩基触媒反応の固体触媒となる。反応後の触媒の回収は濾過(ろか)ですむから反応生成物の精製が容易になる。
［垣内 弘］
『小田良平・清水博著『イオン交換樹脂』（1950・学術図書出版社）』▽『本田雅健他編『イオン交換樹脂』（1955・広川書店）』▽『山辺武郎・妹尾学著『イオン交換樹脂膜』（1964・技報堂）』▽『北条舒正編『機能性高分子シリーズ キレート樹脂・イオン交換樹脂』（1976・講談社）』▽『『テクニカルレポート イオン交換樹脂・膜の最新応用技術』（1982・シーエムシー出版）』▽『高分子学会編『入門 高分子材料――高度機能をめざす新しい材料展開』（1986・共立出版）』▽『中村泰治・中谷一泰著『生化学の理論――ポイントと解説』第2版（1993・三共出版）』▽『西山隆造・安楽豊満著『はじめての化学実験』（2000・オーム社）』
