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요약 각각 양전하와 음전하를 띤 입자들로 된 두 물질 사이에서 하나 이상의 이온 성분을 교환하며 일어나는 화학반응.
이러한 반응들은 산업과 연구실에서 정제, 농축, 이온 분리 등의 목적으로 널리 쓰인다. 이온 교환 반응 중에 이온 교환 수지라고 하는 불용성 물질 구조에 붙어 있거나 삽입되어 있는 이온들이 주변 용액 내의 이온들과 교환된다. 이 과정은 염기교환 또는 교환흡착이라고도 한다. 이온 교환 수지는 본래 불용성 산 또는 염기로, 그 염 역시 불용성이다. 이온 교환체는 양이온이나 음이온을 교환할 수 있으며, 이것을 각각 양이온 교환, 음이온 교환이라고 한다.
많은 천연·합성 물질이 이온 교환 성질을 가지고 있는데, 예를 들면 단백질, 합성수지, 셀룰로오스, 뼈, 살아 있는 세포, 규산염 광물, 흙 등이 있다. 연구와 상업적 용도로는 해록석, 녹사(綠砂) 등의 천연 제올라이트와 규산알루미늄, 소듐 같은 합성 제올라이트가 무기 이온 교환체로 쓰인다. 무기 이온 교환체는 헤테로다중산, 함수(含水) 산화물, 불용성 염으로 만든다.
인산지르코늄·인산탄·산화지르코늄·산화주석·인산몰리브데넘암모늄 같은 화합물과 이온 교환 성질이 있는 다른 많은 불용성 화합물이 이에 속한다. 무기 이온 교환체는 고온과 이온화 복사와 같은 특정 상태에서 유기 이온 교환체보다 안정하기 때문에 더욱 흥미롭다. 가장 중요한 유기 이온 교환 반응은 합성 수지를 이용하는 것이다.
합성 수지는 이온 교환 성질을 부여하거나 향상시키기 위해 화학적으로 변형된 플라스틱이다. 이온 교환체는 다양한 기하학적 모양, 형태, 내부구조를 가진다. 가장 중요한 형태 중 하나는 판이나 막으로, 이는 전기화학에 널리 쓰인다. 합성수지의 구조는 원하는 성질을 부여하거나 개선하기 위해 변형될 수 있다. 특정 이온이나 이온단을 선호하는 작용기와 결합되어 있는 킬레이트 수지가 이에 포함된다. 또 다른 형태의 이온 교환체는 이온 교환 물질이 스며든 종이로, 종이 크로마토그래피에 쓰인다.
이온 교환 수지의 특성
이온 교환 수지는 유기 중합체 그물이나 골격과 이온 교환 성질이 있는 작용기나 이온화된 원자단으로 구성되어 있다.
매우 효율적인 유기 그물 조직은 긴 스티렌 사슬을 다리결합시켜 3차원 그물형 구조로 만드는 데 도움을 주는 디비닐벤젠의 양을 변화시킨 상태에서 스티렌을 중합하여 만든다.
작용기는 계속 결합하여 폴리스티렌이 되며, 다른 이온 교환체의 경우에는 단위체의 일부가 되기도 한다. 이온 교환 수지는 매우 작은 구나 구슬 형태로 만들어진다. 물을 처리하는 데 가장 흔하게 쓰이는 입자의 지름은 0.297~0.84㎜로 몇몇 어려운 분리작업에는 보다 작은 입자가 사용된다. 전형적인 이온 교환 반응은 다음과 같다.
A＋＋B＋Res－ 
이 식에서 Res－는 수지나 다른 형태의 이온 교환체에 고정된 이온을 나타내며, A＋과 B＋은 1가 양이온(하나의 양전하를 가진 이온)이다. 특수한 수지는 특정 이온들에 대해 친화력이 큰 작용기를 포함하도록 합성된다. 다른 특수한 수지 중에는 산화-환원 반응을 하는 것도 있는데, 이온을 교환하는 대신에 이들 전자교환 중합체는 전자를 교환한다.
이온 교환 기술
이온 교환체는 회분법이나 컬럼(column) 법을 통해 용액과 접하게 된다.
회분법의 경우 수지를 단순히 용액과 섞어서 평형에 도달할 때까지 계속 또는 간헐적으로 저어주며, 그 시간은 교환되는 이온과 수지의 종류에 따라 수분 내지 며칠이 걸린다. 평형에 도달한 후에 여과하여 수지를 제거한다. 회분법은 산업공정에서는 자주 쓰이지 않지만 이온 교환 반응의 메커니즘에 관한 기초 연구를 목적으로 연구실에서 자주 쓰인다.
컬럼 법은 일반적으로 고정상 조작으로 컬럼을 수지로 채우고 충전용액을 흘린다. 중력이나 압력에 의해 용액이 흐르는 동안 수지는 다공성 지지체로 지지된다. 일반적으로 용액을 아래쪽으로 흘려주지만, 압력을 가하여 위로 밀어올리는 조작을 하기도 한다. 특히 재생하는 경우에 수지로부터 현탁입자를 제거하기 위해 이러한 조작을 한다.
고정층 순환은 다음과 같은 단계로 이루어져 있다. 첫째, 원하는 이온이나 원하지 않는 이온들이 미리 정해놓은 농도에 이를 때까지 용액으로 층을 포화시키고, 둘째, 남아 있는 이온들은 충전용액으로 제거 또는 용리하며, 셋째, 충전용액이 없는 층은 이 순환이 반복될 수 있도록 씻어준다. 순환될 때마다 층은 위로 흐르는 물로 역세척될 수 있다.
컬럼을 사용하면 완벽하게 분리할 수 있고 자동장치를 손쉽게 만들 수 있기 때문에 대부분의 이온 교환은 컬럼 법을 이용한다. 컬럼 법은 아주 많은 회분법을 연속적으로 사용하는 것과 같아 분별증류 과정과 매우 유사하다.
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