이온 교환 수지

[ ion exchange resin ]

이온을 교환할 수 있는 전하를 띤 작용기를 지니고 있는 물에 녹지 않는 고분자 또는 합성수지를 말한다. 수지 내에 포함된 양이온(또는 음이온)의 전하를 지닌 작용기는 용액 내에서 반대 전하를 지닌 이온이나 이온성 화합물을 상호작용으로 잡아 당기게 되며, 다양한 형태의 합성 고분자들이 지지체로 사용되고 있다. 일반적으로 가장 많이 사용되는 이온 교환 수지의 지지체는 스타이렌-다이바이닐벤젠 공중합체이다. 음이온(또는 산성) 작용기를 지니는 고분자는 수소 이온이나 금속 이온과 같은 양이온들을 교환할 수 있으므로 양이온 교환 수지라고 하며, 암모늄 이온과 같은 양이온 작용기를 지니고 있는 고분자는 수산화 이온이나 할로젠 이온과 같은 음이온들을 교환할 수 있으므로 음이온 교환 수지라고 한다. 이온 교환 수지는 물질의 분리, 정제 및 오염 제거 공정에 널리 사용된다. 가장 일반적으로 사용되는 용도는 물의 연수와 정수 과정이며, 최근에는 바이오 디젤 여과 공정과 단백질 정제 및 분석 과정에서 매우 효과적으로 활용되고 있다.

이온 교환 수지 입자()

이온 교환체의 이온 교환 능력은 1935년 영국의 아담(B. A. Adams)과 홈즈(E. L. Holmes)에 의해서 처음 발견되었는데, 다가의 페놀 또는 페놀 설폰산과 포름알데하이드를 축합하여 만든 수지에서는 양이온 교환 능력을, m-페닐렌다이아민과 포름알데하이드를 축합한 수지에서는 음이온 교환 능력을 확인하게 되었고, 이 이후로 다양한 이온 교환 수지 형태로 발전하게 된다.
1944년 미국의 다델리오(G.F. D'Alelio)는 거대한 네트워크 형태의 분자에 화학적 처리를 통해 이온 작용기를 도입한 스타이렌-다이바이닐벤젠 중합체의 특허를 취득하게 되면서, 현재 가장 많이 사용되는 이온 교환 수지의 지지체가 된다.
스타인(Stein)과 무어(Moore) 교수는 이온 교환 수지를 이용한 크로마토그래피 방법으로 생화학 발전에 큰 공헌을 하여 1972년 노벨 화학상을 받았다. 이들은 설폰산으로 유도화된 폴리스타이렌-다이바이닐벤젠 수지를 사용하는 양이온 교환 방법으로 20가지 아미노산을 분리하여, 리보핵산 가수 분해효소의 아미노산 배열을 가장 먼저 결정하게 되었다.²⁾ 이들이 개발한 자동화된 아미노산 분석기(amino acid analyzer)는 이후 수십 년 동안 아미노산 분석에 널리 사용되었다.

스타이렌 다아바이닐벤젠 공중합체 구조 ()

종류³⁾

가장 일반적인 이온 교환 수지는 가교 결합을 지니고 있는 스타이렌-다이바이닐닐벤젠 공중합체를 기본 지지체로 하며, 이온 교환 작용기를 이 지지체에 공유 결합으로 붙이는 것이다. 이때 다이바이닐벤젠의 함량이 증가할수록 가교결합(cross-linking) 정도는 증가하게 되며, 이로 인하여 수지는 더 견고해지고 이온 교환 용량도 증가하게 되나, 평형에 도달하는 시간이 증가하는 경향이 있다. 그 외에 사용되는 지지체는 폴리스타이렌(polystyrene), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 셀룰로스, 세파셀(Sephacel), 덱스트란, 아가로스, 토요펄(Toyopearl) 등이 있다. 이온 교환 수지의 입자 크기도 영향을 미치는데, 작은 입자일수록 전체 입자 표면적이 증가하여 효율이 증가될 수 있으나, 컬럼 형태로 충전하여 사용할 경우에는 장기간 사용시에 컬럼 앞부분에서 빠져나가는 손실로 인하여 효율이 감소될 수 있다. 이온 교환 수지는 입자 형태 뿐만아니라 막 형태로도 제작되고 있으며, 이러한 이온 교환 막은 가교 결합의 밀도를 높혀서 이온만 통과하게 하는 전기 투석에 사용되고 있다. 이온 교환 능력이 있는 이온 교환 수지의 작용기는 다음과 같이 기능적으로 구분할 수 있다.

표 1. 이온 교환 수지의 종류
형태		구조	제품명	용량(meq/mL)^a
양이온 교환 수지	강산성	Aryl-SO₃^- H⁺	Dowex 50W-X4 Dowex 50W-X8, Amberlite IR-120 Dowex 50W-X12, Amberlite IR-122	1.1 1.7~19 2.1
양이온 교환 수지	약산성	R-CO₂^- Na⁺	Duolite C-144, Bio-Rex70 Amberlite IRC-86	2.4~4.5
음이온 교환 수지	강염기성	Type 1 : Aryl-CH₂N⁺(CH₃)₃ Cl^-	Dowex 1-X4 Dowex 1-X8, Amberlite IRA-400	1.0 1.2~1.4
	강염기성	Type 2: Aryl-CH₂N⁺(CH₃)₂(CH₂)₂OH Cl^-	Dowex 2-X8, Amberlite IRA-410	1.2~1.4
	약염기성	R-NH⁺R₂ Cl^-	Dowex 4-X8, Amberlite IRA-68	1.6

^a 젖은 수지 1mL당 이온 교환 자리의 밀리당량

양이온 교환 수지 중에서 강산성 수지는 주로 설폰산기(-SO₃^-)를 지니고 있으며 강산 용액에서도 이온화된 상태를 유지하지만, 약산성 수지는 카복실기(-CO₂^-)를 지니고 있어서 약 pH 4 이하에서는 양이온 교환 능력을 잃어버리게 된다. 음이온 교환 수지 중 강염기성 수지는 사차 암모늄기(-NR₃⁺)를 지니고 있어서 모든 pH 영역에서 양이온을 띠고 있지만, 약염기성 수지는 삼차 암모늄기(-NHR₂⁺)를 지니고 있어서 pH 11 이상의 조건에서는 양성자가 떨어져나가서 음이온 교환 능력을 상실하게 된다.

수지 제품명 중에서 뒤에 '-X숫자' 형태로 표기되는 경우, 이 숫자의 의미는 다이바이닐벤젠의 함량(%)을 나타내며, 이 값이 클수록 가교결합이 증가된다는 것을 의미한다.

일반적으로 이온 교환 수지는 전하가 클수록, 수화 반지름(hydrodynamic radius)이 클수록, 그리고 편극성(polarizability)이 큰 이온일수록 더 큰 친화도를 나타내게 된다. 양이온과 음이온에 대한 친화도 순서는 다음과 같다.

• 양이온에 대한 친화도

@@NAMATH_INLINE@@ Hg^{2+} < Li+ < H+ < Na+ < K+ \approx NH^{4+} < Cd^{2+} < Cs+ < Ag+ < Mn^{2+} < Mg^{2+} < Zn^{2+}@@NAMATH_INLINE@@ @@NAMATH_INLINE@@ < Cu^{2+} < Ni^{2+} < Co^{2+} < Ca^{2+} < Sr^{2+} < Pb^{2+} < Al^{3+} < Fe^{3+} @@NAMATH_INLINE@@

• 음이온에 대한 친화도

@@NAMATH_INLINE@@ OH- \approx F- < HCO3- < Cl- < Br- < NO3- < HSO4- < PO4^{3-} < CrO4^{2-} < SO4^{2-} @@NAMATH_INLINE@@

용도⁴⁾

불순물 이온 및 이온성 물질 제거

센물(경수)를 단물(연수)화 시키는 과정에 사용된다. 즉 칼슘이나 마그네슘 이온이 다량 함유된 센물로부터 이들 이온들을 이온 교환 수지로 치환(제거)하여 공업 용수 등에 적합한 연수로 변환한다.
물 정제: 인체에 해로운 이온들을 제거할 목적으로 정수기 등에 사용되며, 반도체 산업 및 화학 실험 등에 필요한 초순수를 제조하기 위해서 이온 교환 수지가 사용된다.

중요 이온(성분)의 분리/추출

산업적으로 중요한 원소인 란탄계열이나 희토류 금속 등을 분리/추출하는데 사용된다.
핵폐기물로부터 방사성 물질인 플루토늄, 우라늄 등을 분리/제거/회수 하는데 사용된다.

촉매 작용

다양한 유기 화학 반응(에스터화, 가수분해, 알돌 응축반응 등등)의 촉매로 산성 이온 교환 수지 등이 사용된다.

식품 분야에서 정제

주스에서 쓴맛을 내는 성분 등을 제거하여 맛을 향상시키기 위하여 주스 정제 과정에 사용된다.
설탕 생산 과정에서 사탕무나 사탕수수 등에 포함한 염류, 단백질, 산류들을 정제 및 탈색을 하기 위해 사용한다.

제약 산업에서 활용

제약 산업에서 약리 활성 성분을 분리/정제하기 위해 사용된다.
의약 성분이 체내에서 서서히 방출되게 하는 운반체로 사용된다.
혈중 콜레스테롤 수치를 낮추도록 담즙의 재흡수를 막기 위하여 강염기성 이온 교환 수지가 사용된다.

이온 및 이온성 물질의 분리를 위한 이온 크로마토그래피의 고정 지지체

단백질의 분리 정제 및 가수분해된 아미노산 분류

참고문헌

1.
2. 1) S. Moore, W.H. Stein, 'Chromatography of Amino Acids on Starch Columns. Separation of Phenylalanine, Leucine, Isoleucine, Methionine, Tyrosine, and Valine, J.Biol.Chem., 1948, 176, 337-365. 2) S. Moore, W.H. Stein, 'Photometric Ninhydrin Method for Use in the Chromatography of Amino Acids, J.Biol.Chem., 1948, 176, 367-388.
3. D.C. Harris, 분석화학 제9판, 강용철, 김강진, 김영일, 문명희, 여인형, 이동수, 이승호, 정두수, 정혁 번역, 자유아카데미, 2017, p786-787.
4.

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