株式会社工業通信「化学装置」2022 年 10 月号

P47-59「イオン交換樹脂による分離と適用事例」

室町ケミカル株式会社
化学品事業部 化学品 1 部
出水丈志

一本記事

イオン交換樹脂による分離と適用事例
出水 丈志＊）る H イオンが存在しており，水中に存在する Na イ

1．はじめにオンとイオン交換反応を行うことができる。プラス

イオン交換樹脂は，水溶液中に溶存するイオン状に帯電しているトリメチルアミノ基を有する陰イオの物質を，自身の持つイオンと交換することができ

ン交換樹脂（アニオン交換樹脂）にはマイナスに帯る，粒子状の合成有機化合物である。

電している OH イオンが存在しており，水中に存在この特性を利用して，工業用水中に溶存している

している Cl イオンとイオン交換反応を行うことが食塩などのイオン状の物質を除去することで，純水できる。これがイオン交換樹脂によるイオン交換反を製造することができる。この他にも，ボイラー用

応の化学的原理であり，化学反応式は以下のように水の製造や火力・原子力発電プラントの水処理，半記すことができる。

導体産業用の超純水の製造，食品や医薬品の分離・

A＋＋R−B＋ ⇆ B＋＋R−A＋精製，貴金属の回収や有害金属の除去，各種排水の（R−はイオン交換樹脂を示す）

処理などさまざまな分野で使用されている物質であ

ここで一例として，地下水を浄化して純水を作る

る。

式
（1）

ことを考える。地下水中には，プラスの電気を持つ

本稿では，イオン交換樹脂に関して，分離の原理

ナトリウムイオンやカリウムイオン等と，マイナスや特性，用途などを紹介するとともに，最近の当社の電気を持つ塩化物イオンや硝酸イオン，硫酸イオの技術動向・製品類について紹介する。

ン等が存在している。ここに，プラスのイオンを吸着可能で，水素イオンを有しているカチオン交換樹

2．イオン交換樹脂による分離の原理

脂と，マイナスのイオンを吸着可能で，水酸イオン

イオン交換樹脂は，水中に存在するイオンを吸着を有しているアニオン交換樹脂を投入すると，図 2する能力を有する物質である。電解質が水に溶けるに示すように水中のイオンを吸着して不純物の少なと＋イオンと−イオンに解離するが，＋イオンか−い「純水」ができ上がる。

イオンのどちらかを高分子に化学的に固定したのがイオン交換樹脂である。高分子に結合したイオンの部分を固定イオンと呼ぶと，固定イオ

陽イオン交換樹脂

陰イオン交換樹脂

ンと反対の電荷のイオンと電気的に中和して存水中の陽イオン成分と自身の持つ陽イオン成分を交換

水中の陰イオン成分と自身の持つ陰イオン成分を交換在し，このイオンは他のイオンと交換することができる。これがイオン交換現象である（図 1）。
具体的には，マイナスに帯電しているスルホCa

ン酸基を固定イオンとして有する陽イオン交換樹脂（カチオン交換樹脂）にはプラスに帯電す＊）

IZUMI Takeshi：室町ケミカル株式会社

本店ビル 5 階TEL：03 3525 4792
FAX：03 3526 4807
E–mail：tizumi@muro-chem.co.jp
2022 年 10 月号

2＋

H＋

化学品事業

部 化学品 1 部 担当部長
〒101 0062 東京都千代田区神田駿河台 3 4 龍名館

Na＋

K＋

H＋

SO42−

NO3−

OH−

図1

OH−
陰イオン
交換樹脂

陽イオン
交換樹脂
H＋

Cl−

H＋

OH−

OH−

イオン交換樹脂によるイオン交換反応の概念図47する。例えば，コポリマーを濃硫酸中で加熱すると，不純物を含む水
K＋
H

Na＋

Ca2＋
＋

NO3−

SO42−

H＋

OH−

陽イオン
交換樹脂

Ca2＋

また，クロロメチル化とアミノ化という二段階の反応でトリメチルアミノ基（ N（CH3）3）が結合して陰イオン交換樹脂（通称，アニオン交換樹脂）を製造OH−することができる。カチオン交換樹脂とアニオン交
換樹脂の母体構造は，共通して架橋ポリスチレンをSO42− OH−

H＋用いることが多く，付与している官能基の構造が異

Cl−

OH−

なるのみである。

OH−

Na＋

K＋

H＋

NO

H＋

純水
OH

（通称，カチオン交換樹脂）を製造することができる。

−

陰イオン
交換樹脂

H＋
イオン交換反応

H＋

H2O

OH

OH−

H＋

スルホン酸基（ SO3）が結合して陽イオン交換樹脂

Cl−

−

H＋

−
3

加えて，イオン交換樹脂の種類としてキレート樹OH−

脂がある。配位子に窒素，酸素，イオン，リンのよ
H＋

OH−

H＋ OH

−

うな電子供与元素が複数含まれていると金属イオン

H＋ OH−

を強く結合して錯体を形成する。この特性を利用し，

図 2 イオン交換樹脂で純水ができる仕組み

金属イオンと錯形成をすることが可能な官能基をイ
オン交換樹脂として導入したものであり，特定の金このイオン交換反応は純水を製造することにとど属イオンに対して特異な選択性を有していることか

まらず，水中だけでなく溶媒などの液相系でのイオ

ら，有用金属の回収などの特殊用途に用いられる。

ン交換反応や，気体中に存在するイオンとの気相系

一例として，カチオン交換樹脂の化学的構造を図 3でのイオン交換反応など，広く行われるものである。

に示す。

3．各種イオン交換樹脂の性能と特徴

3 2．イオン交換樹脂の構造
イオン交換樹脂は水を吸収して膨潤し，樹脂相内

3 1．イオン交換樹脂の一般的特性
イオン交換樹脂は，主にスチレンとジビニルベンに細孔ができる。この細孔をミクロポアと呼び，水ゼン（DVB） を重合した共重合体が用いられる。

中に存在するイオンはこの細孔中を拡散してイオン

DVB はポリスチレンを橋架けするためのもので，物交換が行われる。架橋剤である DVB を多く使用す理・化学的に安定となる。こうしてできたコポリマー

ると架橋が多く膨潤しにくいミクロポアの小さい樹（架橋ポリスチレン）は疎水性であるが，これに交脂ができ，DVB が少ないとミクロポアの大きい樹脂換基を導入すると，親水性になり水を吸収して膨潤ができる。DVB の使用割合を架橋度と呼び，一般に

CH

CH2

CH

CH2

DVBのユニット
CH

CH

CH2

CH

DVB

開橋

CH

CH

CH2

スチレン

48

CH2

CH

CH2

CH

CH

SO3−H＋

CH2

CH2

CH2

CH2

CH

CH2

CH

CH2

CH

CH2

CH

CH2

CH

CH

CH2

CH

CH2

CH

CH2

CH

CH2

CH

CH2

CH

CH2

開橋

スチレンのユニット

図3

陽イオン交換樹脂（カチオン交換樹脂）の化学的構造

SO3−H＋

化学装置

写真 1 イオン交換樹脂の外観（左：ガウス分布，右：均一粒径）

CH CH2CH CH2

表 1 カチオン交換樹脂の分類

CH CH2

イオン交換樹脂

構造

交換基

CH CH2SO3−H＋Na＋

SO3−H＋CH CH2Na＋

SO3−H＋CH CH2

強酸性カチオン
交換樹脂

スルホン酸基Na＋

SO3−H＋CH3

図4

SO3−H＋

SO3−H＋

Na＋

Na＋カチオン交換樹脂のイオン交換原理

弱酸性カチオン
交換樹脂

カルボン酸基（メタクリル系）

CH2

C
COO−H＋

カルボン酸基（アクリル系）

CH2

CH
COO−H＋

ゲル型樹脂で DVB％が 8％のものを標準架橋度樹脂，
これより少ないものを低架橋度樹脂，これより多い（写真左）と，ほぼ粒径が揃っている均一粒径分布

ものを高架橋度樹脂と呼ぶ。水処理には架橋度 8％のイオン交換樹脂（写真右）がある。これらはそのもしくは 10％のものを主に使用する。

用途により使い分けしているが，均一粒径分布のイ

均質なゲル状に重合して製造したイオン交換樹脂
をゲル型樹脂と呼び，これに物理的多孔性（マクロオン交換樹脂の方が，反応性や再生性など有利な特性を有していることが多い。

ポア）を賦与して製造した樹脂をポーラス型樹脂と呼ぶ。マクロポアは樹脂粒の表面積を大きくしてイ

3 3．カチオン交換樹脂（陽イオン交換樹脂）

オン交換の速度を速くするのに役立つと言われていカチオン交換樹脂は，内部にマイナスの電荷の固る。また，架橋剤の量を加減すると，多孔性や種々定イオンを有し，それを電気的に中和するプラスのの特性を調節することができる。

電荷のイオンが存在している。このプラスイオンは

例えばイオンを吸着可能な量を表す交換容量は，他のイオンと交換することが可能であることから，架橋度が高いイオン交換樹脂や，ポーラス性の低い

水中に存在する＋イオンを吸着する目的で広く使用

イオン交換樹脂の方が大きい。一方，イオンの吸着されている。図 4 にカチオン交換樹脂の構造とイオしやすさを表す反応速度は交換容量とは逆に，架橋ン交換原理を示す。

度が低い樹脂やポーラス性の高いイオン交換樹脂のカチオン交換樹脂は大別すると 2 種類あり，官能方が有利である。したがって，どのような特性を主基としてスルホン酸基を有する強酸性カチオン交換として考えるかによって，使用するイオン交換樹脂

樹脂と，カルボン酸基を有する弱酸性カチオン交換

は 異 な る。 ま た， イ オ ン 交 換 樹 脂 は 直 径 0.3〜

樹脂がある。表 1 に種類とその構造を示す。

1.2mm 程度の球形物質で，写真 1 に示すように粒径

強酸性カチオン交換樹脂は幅広い pH 領域で使用

分布が広い範囲であるガウス分布のイオン交換樹脂

でき，どのような＋イオンでも吸着可能であること

2022 年 10 月号

49

Al3＋Ca2＋Na＋イオン

CH

CH

CH2

CH2N
（CH3）3+OH−
Al3＋

Cl−

CH

CH CH2CH2

CH2N（CH3）3+OH−

CH2N（CH3）3+OH−

Cl−

Cl−

CH2

Ca2＋
CH2N
（CH3）3+OH−

Na＋

Cl−
H＋

図 6 アニオン交換樹脂のイオン交換原理
図 5 イオン交換
反応例

Zn2＋＞Mg2＋＞K＋＞NH4＋＞Na＋＞H＋
例えば H 型カチオン交換樹脂に Al3＋，Ca2＋，Na＋から，純水の製造から排水中の金属回収など，汎用

イオンを含む水を通水すると，図 5 のように，樹脂性が高く使用される。

層の上部に最も吸着しやすい Al3＋の吸着帯が存在し，この強酸性カチオン交換樹脂は，ポリスチレンの次に Ca2＋，その下層に Na＋の吸着帯が存在し，下部部分を R で表すと R SO3H で表すことができ，スルにはイオン交換にあずからない H 型の樹脂が存在す

ホン酸基は強酸基であるため水中では pH に関係な

ることとなる。この特性を利用して，水中に存在す

く次のように解離する。

るイオンが吸着されることになる。

R SO3H⇆R SO3 （固定されたイオン）−

一方，イオン交換反応は可逆性があることから，

式（2）

この特性を活用して「再生」操作が行われる。これ可動できるイオンが他の＋イオンと交換するのがは，カチオン交換樹脂のイオン交換反応が進行した

イオン交換反応であり，被交換電解質が塩基性か弱時点で，高濃度の薬品を大量に通水することにより，酸塩の場合は次のようにイオン交換する。この反応

吸着しているイオン種を元の状態に戻す操作である。

は中和反応であるため，反応しやすくバッチ式でも一般水処理で使用される場合には，H イオンが吸着交換することができる。

したカチオン交換樹脂に Na イオンや Ca イオンなど＋H （可動できるイオン）＋

R SO3H＋NaOH→

R SO3Na＋H2O式（3）や硫酸などの鉱酸を流すことにより，吸着している
イオンを H イオンに戻すことが可能となり，再度，

2R SO3H＋Ca（HCO3）→
2（R SO3）2Ca＋2H2CO3が負荷する。ここに，高濃度の H イオンを含む塩酸式（4）使用できることとなる。

被交換電解質が中性塩の場合は交換反応によって弱酸性カチオン交換樹脂も基本的なイオン交換反鉱酸ができ，これが逆反応を起こすため，交換平衡

応の原理は強酸性カチオン交換樹脂と同様であるが，が成立する。バッチ式でこの交換を行うと交換平衡

以下のような特徴がある。

が成立し，交換反応を完成することはできない。

•

単位体積当たりの交換容量が大きい。

R SO3H＋NaCl ⇆ R SO3Na＋HCl•

再生による交換容量の回復がしやすい。

式（5）

•

酸性領域では使用できない。

⇆ （R SO3）2Ca＋2HCl•

イオンの選択性が小さい。

2R SO3H＋CaCl2式（6）これらの特性を生かしたうえで，弱酸性カチオン

イオン交換樹脂はイオンの種類によって交換性に

交換樹脂は地下水や水道水中の硬度成分（カルシウ

しやすさ・し難さがある。一般に，強酸性カチオン

ム，マグネシウム）の除去など，限定された用途で交換樹脂のイオンの選択性は電荷が高いイオンほど使用されている。

交換捕捉しやすく，また水和イオンの小さいもの（原子番号の大きいもの）ほど交換しやすい傾向が3 4．アニオン交換樹脂ある。この傾向は次の順序になる。

アニオン交換樹脂（陰イオン交換樹脂）は，内部

強酸性カチオン交換樹脂：Al3＋＞Ca2＋＞Cu2＋＞
50にプラスの電荷の固定イオンを有し，それを電気的
化学装置

被交換電解質が中性塩の場合は交換反応によ

表 2 アニオン交換樹脂の分類
イオン
交換樹脂

共塩基性
アニオン
交換樹脂

交換基
4 級アミン
トリメチルアンモニウム
基（Ⅰ型）

CH CH24 級アミン
ジメチルエタノール
アンモニウム基（Ⅱ型）

CH CH2め，交換平衡が成立する。バッチ式でこの交換を行うと交換平衡が成立し，交換反応を完成することはできない。

CH2N（CH3）3+OH−

R NOH＋NaCl ⇆R NCl＋NaOH
式（10）

強塩基性アニオン交換樹脂にはトリメチルア

CH2CH2OH
CH2N（CH ） OH+
3 2−ンモニウム基 R N＋（CH3）
3OH を持つⅠ型と，−

ジ メ チ ルエタノールアンモニウム基 R N＋
（CH3）

CH CH23 級アミン（ポリアミン）
弱塩基性
アニオン
交換樹脂

ってアルカリができ，これが逆反応を起こすた構造

CH2CH2OH−を持つⅡ型と呼ばれる 2 種類がある。

2−+
CH2NH（CH2
2−CH2−NH）OH

3 級アミン（ジメチルアミン）

どちらも強塩基性であるが，Ⅱ型は塩基性がやや低く弱酸イオンに対する交換性が劣る一方，

CH CH2

再生しやすい特性があり，用途により使い分け+−
CH2N（CH3）
2 OH

ている。
カチオン交換樹脂と同様，アニオン交換樹脂

CH CH2もイオンの種類によって交換性にしやすさ・し1 級アミン
+
3−

CH2NH OH

難さがある。
強塩基性アニオン樹脂：に中和するマイナスの電荷のイオンが存在している。

SO42−＞I−＞NO3−＞Br−＞Cl−＞OH−

このマイナスイオンは他のイオンと交換することが

例えば OH 型アニオン交換樹脂に SO42−，Cl−イオ

可能であることから，水中に存在する−イオンを吸ンを含む水を通水すると，樹脂層の上部に最も吸着着する目的で広く使用されている。図 6 にアニオン

しやすい SO42−の吸着帯が存在し，次に Cl−の吸着交換樹脂の構造とイオン交換原理を示す。

帯が存在し，下部にはイオン交換にあずからない

アニオン交換樹脂は大別すると 2 種類あり，官能OH 型の樹脂が存在することとなる。この特性を利基として 4 級アミンを有する強塩基性アニオン交換

用して，水中に存在するイオンが吸着されることと樹脂と，1〜3 級アミンを有する弱塩基性アニオン交なる。また，水処理において鉱酸の吸着であれば強換樹脂がある。表 2 にその種類と構造を示す。

塩基性，弱塩基性アニオン交換樹脂で可能であるが，強塩基性アニオン交換樹脂は幅広い pH 領域で使除去対象として含まれるケイ酸（シリカ）の除去に用でき，どのような−イオンでも吸着可能であるこは強塩基性アニオン交換樹脂でのみ可能である。

とから，汎用性が高く使用される。

アニオン交換樹脂でもイオン交換反応は可逆性がこの強塩基性アニオン交換樹脂は，ポリスチレン

あることから，この特性を活用して「再生」操作がの部分を R，4 級アンモニウム基を N で表すと R NOH行われる。これは，アニオン交換樹脂のイオン交換で表すことができ，4 級アンモニウム基は強塩基で反応が進行した時点で，高濃度の薬品を大量に通水あるため水中では pH に関係なく次のように解離すすることにより，吸着しているイオン種を元の状態る。

に戻す操作である。一般水処理で使用される場合に
R NOH

⇆

R N （固定されたイオン）＋

は，OH イオンが吸着したアニオン交換樹脂に Cl イ式（7）オンなどが負荷する。ここに，高濃度の OH イオン

可動できるイオンが他の−イオンと交換するのがを含む水酸化ナトリウムなどのアルカリ溶液を流す

イオン交換反応であり，被交換電解質が強酸性か弱ことにより，吸着しているイオンを OH イオンに戻酸塩の場合は次のようにイオン交換する。この反応

すことが可能となり，再度，使用できることとなる。

は中和反応であるため，反応し易くバッチ式でも交

弱塩基性アニオン交換樹脂も基本的なイオン交換＋OH （可動できるイオン）−

反応の原理は強塩基性アニオン交換樹脂と同様であ換することができる。
R NOH＋HCl → R NCl＋H2O
R NOH＋NH4Cl

→

式（8）

R NCl＋NH4OH
式（9）2022 年 10 月号

るが，以下のような特徴がある。
・単位体積当たりの交換容量が大きい。
・再生による交換容量の回復がしやすい。
51

・アルカリ性領域では使用できない。
・イオンの選択性が小さい。

CH

CH2

理や有機酸の除去など，限定された用途

O

C

CH2
ONa
n+
ONa ＋MCH2N

で使用されている。加えて，電子対を有と錯形成をするため，弱塩基性アニオン

CH2O

これらの特性を生かしたうえで，水処する窒素原子を官能基に含んでおり金属

CH

CH2

CH2

CH2N

C

Mn+
CH2

O

図7

C

O−
＋
O− ＋2NaCO

イミノジ酢酸型キレート樹脂の構造と金属イオンとの反応例

きる。

交換樹脂を金属回収用にキレート樹脂として活用す

・塩水精製やめっき液の精製，有害重金属（水銀，る場合がある。

銅，亜鉛，カドミウム等）の除去に使用されている。

3 5．キレート樹脂

・金や白金，パラジウムなどの貴金属や有価金属

カチオン交換樹脂やアニオン交換樹脂の他に，金の回収に使用されている。

属イオンとキレートを形成する官能基を導入したキキレートを形成する官能基としては，N, S, O, P 等

レート樹脂がある。図 7 にキレート樹脂の構造とイの電子供与元素を 2 個以上含まれているもので，N O

オン交換原理の一例を示す。
キレート樹脂は特定の金属イオンと非常に強く結系，S N 系，N N 系，O O 系，P N 系などがある。

合して錯体を形成するため，特に環境分野において代表的なキレート樹脂としては，イミノジ酢酸基を広く利用されている。特に，排水基準に定められて有するキレート樹脂など以下の様な種類がある。表

いるカドミウム，鉛，銅，亜鉛などを含有する重金

3 にキレート樹脂の種類と構造の例を示す。
キレート樹脂は，特定の金属イオンに対する選択

属排水の処理にキレート樹脂が用いられており，そ性がカチオン樹脂やアニオン樹脂と比較して非常にの特徴は以下の通りである。
・金属イオンに対して選択吸着性があり，特定の大きいことから，例えば飽和塩化ナトリウム水溶液

金属イオンを選択的に除去・回収することがでや高濃度の酸性溶液のような水溶液中においても，重金属（銅，水銀，

表3
交換基

構造
CH CH2イミノジ
酢酸

CH2COONa

CH2N

鉛，等）やアルカリ

キレート樹脂の分類

CH2COONa

交換基

土類金属（カルシウ

構造ム，マグネシウム，ス ト ロ ン チ ウ ム，

CH CH2

イソチオウ
ロニウム（チオ尿素）

CH2NHC

NH等）と錯体を形成しSHて 吸 着 し，pH が 変
動しなければ再放出

CH CH2することもほとんど

CH2

CH CH2ポリアミン＋−
CH2NH（CHn OH
2
2−CH2−NH）

ビスビコリ
ルアミン

CH2NH
CH2

N
H
H
N

ない。
キレート樹脂の種
類により金属イオンに対する選択性が異R

1 級アミン
＋
3

−

セミチオカ
ルバミン酸

HO
HO

CH2NH OH

OH

ート樹脂を選定する必要がある。一例を以下に示す。
イ ミ ノ ジ 酢 酸：

CH CH2
CH2NCH（CH）
2
4CH2OHCH3

る金属種によりキレ
C S

CH2NH
R

52

なるため，対象とな

CH2NH

CH CH2

メチル
グルカミン

OH

OH

アミノリン酸（フォスホン
基）CH CH2

H g 2＋＞C u 2＋＞P b 2＋
＞Ni2＋＞Zn2＋＞Cd2＋

CH2NHCH2PO3＞Co 2＋＞Fe 2＋＞Be 2＋＞Mn 2＋＞Ca2＋＞Mg2＋
化学装置

原水

回収する金属イオン種により最適な薬

原水

樹脂塔

品の種類や濃度を設定する必要がある。

4．イオン交換樹脂による分離の
適用事例

樹脂塔
脱炭酸塔
純水

純水

混床式

2B3T式

純水を製造するために，水中に含まれる成分の除去に重要な役割を果たして

表 4 純水装置で使用するイオン交換樹脂の種類と目的
置

特工場や発電所，研究所などさまざまなところで純水が使用されているが，

図 8 純水装置の構成例

装4 1．純水装置，超純水装置

いる一つが，イオン交換樹脂である。

徴

カチオン樹脂塔

強酸性カチオン樹脂が充填され，ナトリウムやカルシウム，マグ
ネシウムなどの＋イオンを除去。鉄さびも吸着。

脱炭酸塔

水中に溶存する炭酸を除去。

アニオン樹脂塔

塩化物イオンやシリカなどの−イオンを除去。アニオン樹脂が充填されている。

純水を作る「純水装置」は次のような装置で構成されている。工業用水や水道水を，フィルタを通して懸濁物質を除去した後，イオン交換樹脂を充填した脱塩塔を通すことで水中の不純物を除去し，「純水」を製造している。一アニオン樹脂塔

強塩基性Ⅰ型

幅広い範囲の pH で，−イオンを幅広く吸着。シリカも吸着可能。

強塩基性Ⅱ型

Ⅰ型よりやや吸着性が劣るが，再生しやすい。シリカもある程度，
吸着可能。

弱塩基性

pH 酸性領域で−イオンを吸着可能。吸着性は劣るが再生しやすい。有機物の吸着も可能。

ン樹脂とアニオン樹脂を個別に充填しカチオン樹脂とアニオン樹脂を混合状態で使用することで，純度の高い純水を製造可能。コンパクトな装置構成。

を作るものである。また，
「混床式」

混床塔

活性炭
ろ過

逆浸透膜
（RO膜）

電気再生式
脱イオン装置塩素，SS分有機物

イオン，有機物
微粒子

イオン類

原水

＞Sr ≫Na ，K＋＋

イソチオウロニウム：水銀，金，白金，パラジウ
ムなどの貴金属に高い選択性

混床式純水装置が用いられる。
「2B3T 式」は 2 つの脱塩塔にカチオて，脱炭酸塔を併せて通すことで純水と呼ばれる 1 つの塔にカチオン樹脂とアニオン樹脂を混合したものを用いる

純水

場合がある。その他，純水装置の脱塩塔の構成にはさまざまあり，その用途や必要な水質，コストなどを判断して選定している。
また使用するイオン交換樹脂も，用

図 9 最新の純水装置の構成例
2＋

般的には図 8 に示すような 2B3T 式や途により最適なものを選定して使用している。使用するイオン交換樹脂の目的を整理して
表 4 に示す。
イオン交換樹脂は純水を製造するために便利なもメチルグルカミン：ホウ酸に対して高い選択性のではあるが，定期的に薬品による再生操作を行う

一般的に，アルカリ金属が大量に存在する水溶液必要がある。この再生をしている間は純水を作るこ

中からアルカリ土類金属を選択的に捕捉したい場合とができなくなると共に，塩酸や苛性ソーダなどのにはイミノジ酢酸型やアミノリン酸型が適しており，薬品を用いるため安全上の問題がある。

アルカリ金属やアルカリ土類金属が多量に存在する

そこで近年では，薬品による再生を不要とした中から重金属イオンを捕捉する場合にはポリアミン「RO＋EDI」による純水製造装置が用いられる場合

型が選択肢となる。また，カチオン交換樹脂と比較がある。これは活性炭などでろ過された水を RO 膜

してキレート樹脂はイオン交換反応速度が遅いため，と呼ばれるフィルタに通水することでイオンと微粒樹脂を多孔質とする工夫がなされている。

子を除去した後，イオン交換樹脂とイオン交換膜をキレート樹脂に吸着した金属イオンはカチオン樹

組合せ，電気の力でイオンを除去する「EDI：電気脂と同様，塩酸や硫酸などの強酸で溶離し回収し再再生式連続純水装置」を用いてイオンをさらに除去利用することができるが，使用するキレート樹脂とすることで純水を製造する装置である。薬品を使用

2022 年 10 月号

53する必要がないことから，近年では広く使用されている純水製造装置である。純水装置の構成
例を図 9 に示す。

前処理システム
原水

一次純水システム

活性炭
凝集ろ過

逆浸透膜
（RO膜）

電気再生式
脱イオン装置

紫外線
殺菌

イオン類

菌類

純水

これにより不純物がほとんど無い純水を製造することができ

塩素，SS分 イオン，有機物
有機物
微粒子

るが，さらに純度の高い超純水を用いる場合がある。特に超純サブシステム

水を必要としているのが電子工業用水である。半導体や液晶部
品では，極めて微量の不純物が

紫外線
酸化

イオン
交換装置

限外濾過膜
（UF膜）

有機物分解

イオン，
有機物

微粒子

純水

製品の品質に影響するため，純度の非常に高い純水を用いて部品洗浄を実施している。この超純水の製造には，複数の処理設

図 10

超純水

超純水製造システムの構成例

備を組み合わせたシステムが用いられている。電子上の存在量が稀であるか，技術的・経済的な理由で工業に用いられている超純水製造システムの構成例

抽出困難な金属のうち，安定供給の確保が政策的にを図 10 に示す。

重要（経済産業省）」で，産業に利用されるケース

まず工業用水などの原水を活性炭や凝集ろ過などが多い希少な非鉄金属を指し，電池で使用されていの前処理設備で残留塩素や懸濁物，有機物などを除るリチウムや，航空機やロケットの材料として用い

去した後，RO 膜と EDI：電気再生式連続純水装置をられている軽量で強いチタン，ステンレスの材料と用いてイオンをさらに除去することで純水を製造し，して鉄に添加されているクロムやニッケル，電球の紫外線で菌類を死滅させ純水を製造する。この純水

フィラメントに使われているタングステンなどがこを，さらにサブシステムと呼ばれる装置にて，紫外こに含まれる。

線酸化で有機物を分解し，イオン交換樹脂でイオン

周期律表で三族元素であるスカンジウム，イット類を除去して，最後に限外濾過膜で微粒子を除去しリウム，ランタンからルテチウムまでの 17 元素はて「超純水」を製造し，電子材料のウエハーなどを一般的にレアアースと呼ばれていて，強力な永久磁洗浄する。このサブシステムで使用するイオン交換

石に欠かせない「ネオジム」や「ジスプロシウム」，

樹脂は，高純度の水質を得るために金属や有機物な強力な固体レーザーやカラーテレビの蛍光体に使用

どの不純物量の非常に少ない純度の高いものや，紫される「イットリウム」，研磨剤の「セリウム」，光

外線酸化反応で発生するオゾンなどの酸化促進物質

磁気ディスクに用いられる「テルビウム」などが挙に対する化学的耐久性の高いイオン交換樹脂を使用げられる。

する必要がある。

これら金属資源の製造には様々な方法があるが，イオン交換樹脂やキレート樹脂が広く用いられてい4 2．資源回収，重金属除去る。

周期律表を見ると，100 種類を超える数の元素が金属の多くは水中では＋イオンの状態で存在するある。大別すると，「金属元素」と「非金属元素」がため，カチオン交換樹脂で吸着・回収が可能である。

あり，鉄やアルミニウム，銅，亜鉛，スズ，鉛は地

また，金やクロムのように−イオンと錯体を形成し球上の存在量が多くベースメタルと呼ばれている。

てマイナスの錯イオンとして存在する場合にはアニ

一方，その他の金属元素の呼称として，「貴金属」

オン交換樹脂で吸着・回収が可能である。また，特「レアメタル」「レアアース」という分類がある。

定の金属のみを選択的に回収したい場合には，キレ

貴金属は化合物をつくりにくく希少性のある金属

ート樹脂が用いられる。キレート樹脂には種々の官と定義されていて，金（Au），銀（Ag），白金（Pt），

能基を有するものがあり，溶離剤を選択・工夫する

パラジウム（Pd），ロジウム（Rh），イリジウム（Ir），

ことで，特定の金属のみを回収することができる場

ルテニウム（Ru），オスミウム（Os）等が該当する。

合がある。

またレアメタルには明確な定義はないが，「地球54

さまざまな金属が工業的に活用されている一方，
化学装置

表5

表6

環境省が定める排水基準の一部（2022 年 7 月 19 日現在）
物質の種類

許容限度

キレート樹脂の種類と使用例

交換基

選択性

イミノジ酢酸重金属全般。Cu，Hg，Pb，Ni，Zn，Cd，など広く対象。

ポリアミン

水銀や貴金属を対象。

グルカミン

ホウ酸選択性。

アミドキシム

銅や貴金属の回収。

ホスホン酸

遷移金属の回収，除去。

チオ尿素

水銀や貴金属の回収，除去。

2mg Zn/l

アミノリン酸カルシウムや原子量の小さい金属の回収，除去。

溶解性鉄含有量10mg Fe/l

ビスピコリルアミン

銅やニッケル，コバルトなどの回収，除去。

溶解性マンガン含有量10mg Mn/l

セミチオカルバミン酸

水銀を選択的に吸着。

クロム含有量2mg Cr/l

チオール

銀，銅，鉛，カドミウム等の回収，除去。

カドミウムおよびその化合物

0.03mg Cd/l

鉛およびその化合物

0.1mg Pb/l

六価クロム化合物

0.5mg Cr（VI）/l

砒素およびその化合物

0.1mg As/l

水銀およびアルキル水銀その他の水銀化合物

0.005mg Hg/l

アルキル水銀化合物

検出されないこと

銅含有量

3mg Cu/l

亜鉛含有量

まざまな項目で許容限度値が定めら
原料

溶解

不純物
除去

ろ過
図 11

濃縮

乾燥

製品

れている。
工場排水などに存在する有用金属
や有害金属を回収する方法の一つと砂糖の製造工程の一例

して，イオン交換樹脂やキレート樹OHOO

脂を用いる場合がある。

OH

特に，ナトリウムイオンなどの物

O

O
H

HO

OH

O

HO

OH
OH

OH
HO

O

O

酸味：クエン酸の構造

O

HO

OH

質が大量に存在する水から，極微量の金属を回収する場合に用いられるのがキレート樹脂になる。キレート
樹脂は，付与している官能基の種類

OHOにより選択的に吸着する金属の種類

苦味：ナリンギンの構造も異なるため，最適なキレート樹脂を選定する必要がある。キレート樹

図 12 柑橘類ジュース中の成分の一例

脂と選択的に吸着する金属の例を表人間にとって有害な物質があり，さまざまな規制が6 に示す。

かけられている。有害物質として健康項目で規制されている重金属は，カドミウム，鉛，クロム，ヒ素，

4 3．食品，薬品精製

水銀化合物およびセレンなどである。また，生活環

イオン交換樹脂は食品の製造や薬品・医薬品の製境項目で規制されている重金属には，亜鉛，銅，溶造でも使用されている。

解性鉄，溶解性マンガン，クロムなどがあり，ニッ

その中でも，非常に多くの量のイオン交換樹脂がケル，アンチモン，モリブデン，全マンガンなどは用いられているのが「砂糖」の製造である。砂糖の要監視項目に指定されている。これらの重金属は工製造工程の概要を図 11 に示す。

業的に有用な金属でもあるため，一般的な工場排水に含まれている可能性がある。

サトウキビやてん菜を裁断して水に浸して糖液を抽出し，ろ過や不純物除去の工程を経て無色透明な

そこで，環境基準および排出基準（項目によって糖液を作り，これを加熱濃縮してきれいな砂糖の結も異なるが，概ね環境基準の 10 倍）が定められてい晶を作り，乾燥させることで真っ白な製品の砂糖がる。環境省が定める一般排水基準の一部を表 5 に示でき上がる。この不純物除去の工程では活性炭などす。有害物質やその他の物質として，この他にもさの材料が用いられているが，イオン交換樹脂も不純

2022 年 10 月号

55

際に必要な中和処理が不要となるほか，回収し物の除去に大きな役割を果たしている。
砂糖の原料である糖液中には，糖以外のさまざま

たイオン交換樹脂の再利用が可能となるため，な不純物が含まれていて，不純物であるカルシウム

運転コスト低減が可能。また，強酸性の液体をや有機酸などを除去する脱塩や，活性炭で除去しき用いる必要がないことから，装置構成材料コストの低減が可能。

れない有機物をアニオン交換樹脂で除去している。
食品業界でイオン交換樹脂が使用されている用途のもう一つが，柑橘類のジュースやアルコール類な
どの液体の精製である。柑橘類の果汁には，図 12 にイオン交換樹脂が触媒として用いられている主な例は以下の通り。
①

ビスフェノール A（BPA）の製造：エポキシ

示すようなナリンギンやリモニンといった苦味成分

樹脂の原料となるビスフェノール A は，フェノと，クエン酸や L アスコルビン酸（ビタミン C）とールとアセトンの縮合反応で合成され，その際いった酸味成分が多く含まれていて，これらが柑橘の固体酸触媒として強酸性陽イオン交換樹脂が類ジュースの味を決めている。

用いられている。

これら苦味成分や酸味成分は，構造からわかるよ② メチル tert ブチルエーテル（MTBE）やエチ

うにアニオン樹脂にて吸着可能な物質であり，アニル tert ブチルエーテル（ETBE）の製造：添加オン樹脂に通液することでこれらの苦味成分や酸味剤として使用される MTBE や ETBE の製造用の成分を調整して，甘い柑橘類ジュースを製品として

固体酸触媒として，強酸性陽イオン交換樹脂がいる。

用いられている。

また，アルコール類の精製においてもイオン交換

その他，オレフィンの水和やエステル化，アルキ樹脂が使用されている。ワインや焼酎類には不純物

ル化，水素添加反応の固体酸触媒として，強酸性陽としての有機酸や，硬度成分も含まれている。さらイオン交換樹脂が用いられている。

に，焼酎には悪酔いの原因となるアルデヒドが含まれている。これらの成分を調整するために，イオン交換樹脂が用いられている。

触媒として化学反応に用いられるため，以下のような特性が求められる。
① 高化学的安定性：高温条件や耐薬品性，耐さらに，医薬品の分野においても，医薬品に含ま有機物性など，高い化学的安定性。

れる不純物や硬度成分の除去を目的としてイオン交② 高反応性：反応性の高い多孔質のポーラス

換樹脂が利用されている。加えて，医薬品を製造すタイプのイオン交換樹脂。

る際に精製するさまざまな副生成物の中から必要な③ 低溶出性：化学製品の純度を確保するため，薬品のみを抽出する役割も，イオン交換樹脂が果た

イオン交換樹脂からの溶出物の低減。

している。
4 4．触媒用樹脂
現在，石油などを原料としてさまざまな化学製品が製造されているが，その工程において触媒として酸やアルカリが用いられている。
イオン交換樹脂は不溶性の固体で酸性基若しくは5．最近のイオン交換樹脂における技術的動向
イオン交換樹脂は，長年にわたり様々な用途で使用されているが，その要求基準は年々高いものとなっている。
そのようなさまざまな要求を踏まえ，当社にて近年開発・上市している製品を紹介する。

塩基性基を有しているため，これを硫酸などの液体
触媒の代わりに固体の触媒として用いられる場合が

5 1．高純度イオン交換樹脂（HG シリーズ）ある。

イオン交換樹脂は内部に移動可能なイオンを持っイオン交換樹脂を用いることのメリットは，以下の通りである。
①

分離が容易：イオン交換樹脂は固体であるため，反応後の分離回収が容易。

②

③
56

ているため，H 型カチオン交換樹脂と OH 型アニオ
ン交換樹脂を混合したイオン交換樹脂層に水を通水することで，カチオン交換樹脂が＋イオンであるナ
トリウムイオンなどを吸着して H＋イオンを放出し，連続反応が可能：イオン交換樹脂を反応塔にアニオン交換樹脂が−イオンである塩化物イオンな充填して原料を通すことで連続反応が可能となどを吸着して OH−イオンを放出する。この H＋イオ

り，反応プロセスの合理化が可能。

ンと OH− イオンが結合して水になり，結果としてコスト低減が可能：硫酸などの液体を用いる

純水を得ることができる。このイオン交換反応は可
化学装置

表 7 HG シリーズの製品規格（保証値）
HG シリーズ
項

混床イオン交換樹脂

目

XSM N411 HG

カチオン交換樹脂

アニオン交換樹脂

カチオン交換樹脂

アニオン交換樹脂

XSC 1415 HG

XSA 2415 HG

総交換容量〔eq/l R〕

2.1 以上1.2 以上2.1 以上1.2 以上

平均粒径〔mm〕

0.55〜0.65

0.59〜0.69

0.55〜0.65

0.59〜0.69

均一係数

1.1 以下

1.1 以下

1.1 以下

1.1 以下ΔTOC〔ppb〕

30 以下

50 以下

30 以下

比抵抗〔MΩ・cm〕

18.0 以上

10 以上

10 以上

H形

OH 形

市販時イオン形

H形

OH 形

表 8 HG シリーズの製品情報（参考値）

表9

カチオン交換樹脂

アニオン交換樹脂

XSC 1415 HG

XSA 2415 HG

水分含有率（％）

45 50

Al

項

目

PGME を用いた金属処理
試験結果例

分析項目

原液

処理液

55 65

Al

154

0.5

10 未満

30 未満

Ca

146

0.2

30 未満

10 未満

Co

118

＜0.1

10 未満

10 未満

Cr

124

2.5

30 未満

30 未満

Cu

129

＜0.1

Fe

103

0.6

K

150

＜0.1

Li

157

＜0.1

Mg

156

0.2

新品のイオン交換樹脂には，極微量だが製造時に

Na

281

＜0.1

由来する金属不純物が含まれており，再生や洗浄な

Ni

119

＜0.1

どの操作により不純物を低減しているが，ゼロには

Zn

118

＜0.1

樹脂中の
Ca，Na
金属含有量
〔mg/l 樹脂〕 Cd，Co，Cr，Cu，K，Li，Mg，Ni，Pb，Ti，Zn
Fe

逆反応で両方の反応が可能であり，この特性を利用して再生が行われ再利用可能な状態となる。しかしこの特性が，処理水質を低下させる原因となる場合がある。

できない。すると，この残留する金属が水中に放出

単位：μg/l〔ppb〕

される事象が発生する場合があり，特に超純水や高純度の薬品を製造するには，この不純物が影響する

有効であり，有機溶剤：PGME を用いた高純度化評

場合がある。

価結果を表 9 に示す。

そこで，当社では高純度の純水や薬品類の製造・精製に有効な，高純度樹脂『Muromac®HG シリーズ』

5 2．高架橋度ゲル型カチオン樹脂（UL シリーズ）を販売している。このイオン交換樹脂は，新品イオ

イオン交換樹脂は長期間にわたり使用し続けるとン交換樹脂中に含まれる金属不純物や，残留する有徐々に劣化し，特にカチオン交換樹脂は，吸着・捕機物を大幅に低減したものである。純水や薬品，有捉した金属イオンが触媒として働いて酸化劣化を引機溶剤，プロセス液の製造・精製に適応しており，

き起こすと言われている。この酸化反応は，図 13 のカチオン交換樹脂，アニオン交換樹脂，およびこれ

ように起こると言われている。

ら混合品のラインアップがある。標準的な物性の規このような反応が起きると，カチオン交換樹脂の格値と，純水系で使用時の立ち上がり水質，金属含性能が劣化して微量の有機物が溶出することになる

有量などは表 7，8 の通りである。

ため，処理水質の低下事象を引き起こすとともに，また，クエン酸などの有機酸類やメタノールなどのアルコール類，PGME などの有機溶剤に対しても2022 年 10 月号

イオン交換樹脂を全量交換する要因となる。
これを解決するために開発されたのが「高架橋度57

①ラジカルの付与 ②酸素原子の付与 ③加水分解
H
C

C

H
C

C

SO3H

C

SO3H

・
C

O･

H
C

C

SO3H

C

C

SO3H

H
C

OH
C

C

SO3H

SO3H

C

H
･C

O

SO3H

C

SO3H

自働酸化：反応が繰り返される（Auto Oxidation）
図 13

カチオン交換樹脂の酸化反応（Reactive Polymers, 13（1990）より抜粋）

ゲル型低溶出カチオン交換樹脂：UL シリーズ」

8000である。このカチオン交換樹脂は，従来のもの

50000以上
PSS溶出量〔mg/l〕

より架橋度を高めることで以下のような性能を有する。
① 架橋度が高いため，耐酸化性に優れ化学的に非常に安定。
② 耐酸化性に優れるため，有機物溶出に起因する水質低下を起こしにくい特性を有5000 50000

6000

1000 5000
4000

1000以下

2000

している。

0

③ 高分子量の有機物の溶出が少ないため，
アニオン樹脂汚染を起こしにくく，アニ

8％架橋度

図 14

オン樹脂の性能低下に起因する水質低下

容量が大きく採水量増加が期待できる。

市販イオン形⑤ 耐久性に優れるため，強度が高く長期間の使用に耐え得る。
⑥ 上記の観点で，水質低下抑止と樹脂寿命

製品規格

延長，採水容量増加，を期待できる。
カチオン交換樹脂から溶出する有機物である
ポリスチレンスルホン酸（PSS）の溶出挙動を評価した結果を図 14 に示す。高架橋度低溶出
カチオン交換樹脂である 16 ％品は，脱塩装置で使用されている汎用的な架橋度 8 ％および 10

UL シリーズ樹脂の一般特性

項目④ 標準的なカチオン樹脂と比較して，交換

化学的・
物理的
性質

％品より有機物の溶出が少ないことが分かる。

16％架橋度

カチオン交換樹脂からの有機物溶出試験結果
表 10を起こしにくい特性を有している。

10％架橋度

標準グレード

高グレード

Na

H

総交換容量〔eq/l R〕

≧2.5

≧2.4

水分含有率〔％〕

28 34

36 43

粒度範囲 0.315 1.25〔mm〕 ≧95 （ガウス品） ― （均一品）
平均粒径〔mm〕―

0.50 0.60

均一係数

≦1.4

≦1.2

真球率〔％〕≧95≧95

見掛密度〔g/ml〕

850 950770 870

耐用温度〔℃〕

≦130

≦120

実用 pH 域〔―〕

0 14

0 14

これらの観点で，「高架橋度低溶出カチオン
交換樹脂：UL シリーズ」を適用することにより，水想定される。もちろん，一般の純水装置で使用して質を良好に保ちつつ樹脂寿命の延長が期待できるとも，水質の高純度維持や長寿命化に有効である。

言える。この高架橋度カチオン樹脂の物性例を表 10①

火力発電所や原子力発電所の復水脱塩装置，純水製造装置に示す。粒径分布がガウス分布である標準グレードと，均一粒径分布である高グレードの 2 種類がある。

②

ボイラー給水用純水（補給水）製造装置

高架橋度カチオン樹脂は，以下のような適用先が③

半導体製造装置など，超純水製造装置の最終

58

化学装置

写真 2

ムロマック®ミニカラム

写真 4 ムロマック®
ガラスカラム写真 5 ムロマック®ガラス
カラム使用例

写真 3 に示すように，ポンプを用いた長時間の連続ポンプ

通水による評価も可能である。

試料

写真 4，5 に示すムロマック®ガラスカラムは，ガラス製で耐薬品性に優れ，鮮明にイオン交換反応を可視化することができる。イオン交換樹脂の初期検討後，多量の処理液を必要とする通液試験において，

写真 3 ムロマック ミニカラム使用例®

樹脂量を多くして使用することでより正確なデータを取ることが可能である。液枯れしにくい枝管付きタイプや，ライフ試験など樹脂層高を上げて試験を段ポリッシャ
④ 系統にオゾンや過酸化水素，紫外線照射設備を使用している純水装置⑤ 酸化性物質を含む液体からの金属除去装置など行う場合は細長タイプのロングガラスカラム，専用の分液ロートも販売している。

6．まとめ
イオン交換樹脂は，自身の持つイオンと外部のイ

5 3．ムロマック ミニカラム，ガラスカラム

オンを交換可能であるという特性を利用して，純水

イオン交換樹脂を導入するに際して，被処理液をの製造から製品の精製，有価金属や有害金属の回収，用いた通水試験を行う場合がある。当社では，その触媒など，さまざな用途で使用されていて，産業を評価試験を行う上で必要となるカラムを製造・販売

下支えしている重要な工業製品である。

®

当社では，種々のイオン交換樹脂を販売するととしている。
ムロマック ミニカラムは樹脂容量が少ないため，®

もに，液体清澄化などさまざまな課題を解決するソ樹脂のスクリーニングなどの初期検討に使用し，初リューションビジネスを展開している。産業界発展期検討後，樹脂量が多いムロマック®ガラスカラムの一助となれば幸いである。

を用いて通液試験を行い，より正確なデータを取ることができる。
写真 2 に示すムロマック®ミニカラムは，カラムと液溜槽がポリプロピレンにより一体成形されていて，丈夫で耐薬品性に優れている。小さなカラムながら濾層が効率良く試料中の物質を吸着できるように設計されており，リークやテーリングの少ない精【製品情報】
当社 HP の URL
https://www.muro chem.co.jp/【イオン交換樹脂に関する情報】
イオン交換樹脂総合情報センターHP の URL
https://ionexchange info.com/

度の高いクロマトグラフィーが可能である。また，

2022 年 10 月号

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