【第２回】　イオン交換樹脂で、なぜ純水ができる？ ～水中の陽イオンと陰イオンを取り除く仕組み～　（全１２回純水を科学する）

前回は、純水とはどのような水なのか、水道水や軟水との違い、さらに純水の水質を確認するためのTDSやECについて紹介しました。

では、水道水に含まれているさまざまなイオンを、どのように取り除けば純水をつくることができるのでしょうか。

その代表的な方法の一つが、イオン交換樹脂です。

イオン交換樹脂には、水中のNa⁺やCa²⁺などの陽イオンを交換するカチオン交換樹脂と、Cl⁻やHCO₃⁻などの陰イオンを交換するアニオン交換樹脂があります。

純水製造では、この2種類の樹脂を組み合わせ、水中の陽イオンをH⁺に、陰イオンをOH⁻に交換します。そして、$$H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$$

となることで、水中のイオン成分を取り除いていきます。

今回は、イオン交換樹脂とはどのようなものなのか、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂は何が違うのか、そしてなぜ2種類の樹脂を使うことで純水をつくることができるのかを、基本から見ていきます。

純水をつくるイオン交換樹脂とは？

純水をつくる方法には、RO膜や蒸留などさまざまな方法があります。その中でも、水中のイオン成分を取り除くために広く利用されているのがイオン交換樹脂です。

イオン交換樹脂は、一見すると直径1 mmにも満たない小さな粒ですが、その内部にはイオンを交換するための仕組みが備わっています。

では、この小さな樹脂の中で、どのようにして水中のイオンが取り除かれているのでしょうか。

イオン交換樹脂は小さな粒の中で何をしている？

イオン交換樹脂は、その名前の通り、水中のイオンと樹脂が持っているイオンを交換する材料です。

樹脂には、陽イオンや陰イオンを保持するための官能基と呼ばれる部分があります。水が樹脂の内部に入り込むと、水中のイオンと樹脂が保持しているイオンとの間で交換が起こります。

ここで重要なのは、イオン交換樹脂が単純な「ろ過」をしているわけではないということです。

一般的なフィルターのように、粒子の大きさによって不純物を物理的に捕まえているのではありません。

水中のイオンが樹脂内部へ移動する
→ 樹脂の官能基との間でイオン交換が起こる
→ 代わりに樹脂が持っていたイオンが水中へ移動する

という反応が起きています。

つまりイオン交換樹脂は、単にイオンを「捕まえる」のではなく、イオンとイオンを交換しているのです。

カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂

イオン交換樹脂は、大きくカチオン交換樹脂（陽イオン交換樹脂）とアニオン交換樹脂（陰イオン交換樹脂）に分けることができます。

純水製造では、H形のカチオン交換樹脂によって、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺などの陽イオンをH⁺と交換します。

一方、OH形のアニオン交換樹脂では、Cl⁻、HCO₃⁻、SO₄²⁻などの陰イオンをOH⁻と交換します。

例えば、NaClを含む水を考えてみると、

カチオン交換樹脂$$R-H + Na^+ \rightarrow R-Na + H^+$$

アニオン交換樹脂$$R-OH + Cl^- \rightarrow R-Cl + OH^-$$

というイオン交換が起こります。

そして、樹脂から水中へ放出されたH⁺とOH⁻は、$$H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$$

となります。

これが、イオン交換樹脂によって水中のイオン成分を取り除き、純水をつくる基本的な仕組みです。

軟水用樹脂と純水用樹脂は何が違う？

ここで、前回の連載「軟水を科学する」で取り上げた軟水との違いを、イオン交換反応からもう一度見てみましょう。

軟水化では、主にNa形のカチオン交換樹脂を使用します。水中のCa²⁺やMg²⁺などの硬度成分をNa⁺と交換することで、水を軟水化します。

樹脂にCa²⁺が保持され、その代わりにNa⁺が水中へ放出されます。

つまり軟水化では、硬度成分は取り除かれますが、別のイオンであるNa⁺が水中に残ります。

一方、純水製造では、H形カチオン交換樹脂とOH形アニオン交換樹脂を組み合わせます。

陽イオンをH⁺に、陰イオンをOH⁻に交換し、最終的に、$$\boxed{H^+ + OH^- \rightarrow H_2O}$$

水はごくわずかしか自己解離しないため、イオン交換によって水中に存在していた陽イオンと陰イオンが当量で交換され、最終的にその多くが電気的にほとんど解離していない水分子の状態になります。その結果、水中のイオン濃度が非常に低くなり、ECやTDSも大きく低下します。

つまり、イオンが単純に「消える」のではなく、イオン交換とH⁺・OH⁻から水が生成する反応によって、イオンとして存在する成分が非常に少ない水になると考えると分かりやすいでしょう。

したがって、軟水と純水の違いを簡単に表すと、

軟水化：硬度成分をNa⁺に「置き換える」
純水製造：陽イオンと陰イオンをそれぞれH⁺とOH⁻に交換し、最終的に水にする

という違いがあります。

この違いを理解すると、「軟水ではECやTDSが必ずしも大きく下がらないのに、純水製造ではECやTDSが非常に低くなるのはなぜか」も理解しやすくなります。

H⁺とOH⁻に交換すると、なぜ純水になる？

純水とは、極めて純度の高い水であり、水中のイオンや不純物がほとんど存在しない状態を指します。純水を得るための方法として、イオン交換樹脂が活用されることがよく知られています。ここでは、イオン交換樹脂がどのようにして水中のイオンを取り除き、純水を生成するのかを詳しく解説します。

カチオン交換樹脂では何が起きる？

カチオン交換樹脂は、陽イオンを交換する機能を持っています。例えば、H形カチオン交換樹脂では、Na⁺やCa²⁺といった陽イオンがH⁺と交換されます。この交換反応は次のように表されます。

R-H + Na⁺ 　⇆　R-Na + H⁺

ここで、Rは樹脂の成分を表しており、H⁺とNa⁺が交換されることにより、ナトリウムイオンなどの不純物が取り除かれます。H⁺が放出されることで、次に続くアニオン交換樹脂での反応が可能になります。

アニオン交換樹脂では何が起きる？

アニオン交換樹脂の役割は、陰イオンを交換することです。OH形アニオン交換樹脂では、Cl⁻、SO₄²⁻といった陰イオンがOH⁻と交換されます。この反応も次のように表されます。

R-OH + Cl^– 　 ⇆　R-Cl + OH^–

このようにH⁺とOH⁻が別々に放出され、最終的には水H₂Oが生成されます。この反応により、水中の陰イオンが取り除かれ、純水が形成されるのです。

NaClが水に変わるまでを追ってみよう

具体的な例として、NaCl（食塩）が水に変わる過程を見てみましょう。まず、Na⁺とCl⁻を含む水がカチオン交換樹脂に流れ込みます。ここで、次の反応が行われます。

1. Na⁺が樹脂と交換されることによりH⁺が放出される。

2. 次に、アニオン交換樹脂に流れると、Cl⁻がOH⁻と交換される。この場合、Na⁺ + Cl⁻を含む水は、

H⁺ + OH⁻ → H₂O　　

という反応で水に変わります。

この結果、イオンの極めて少ない水が得られ、純水となるわけです。この一連の流れにより、私たちは非常に高い純度の水を得ることができるのです。

実際の純水器では2種類の樹脂をどう使う？

ここまで、純水をつくるためには、H形のカチオン交換樹脂とOH形のアニオン交換樹脂の両方が必要であることを見てきました。

では、実際の純水装置では、この2種類の樹脂をどのように使っているのでしょうか。

大きく分けると、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を別々の塔に充填して順番に水を通す方法と、2種類の樹脂を一つの塔の中で混合して使用する方法があります。

どちらも基本となるイオン交換反応は同じですが、樹脂の配置や水との接触の仕方が異なるため、それぞれに特徴があります。

ここでは、実際の純水装置をイメージしながら、「二床式」と「混床式」では何が違うのかを見ていきましょう。

カチオン樹脂とアニオン樹脂を別々に使う方法

カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を別々の塔に充填して使用する方法は、純水製造に古くから用いられてきた基本的な方式の一つで、二床式（Two-Bed）などと呼ばれます。

一般的には、まずH形のカチオン交換樹脂を充填したカチオン塔に原水を通します。

ここでは、Na⁺、　Ca²⁺、Mg²⁺などの陽イオンが樹脂に取り込まれ、その代わりにH⁺が水中へ放出されます。

例えばNaClであれば、カチオン塔を通過した段階では、NaClとして存在していた成分は、考え方としてはHClのような酸の形になります。

ここで、なぜカチオン塔を先に配置するのでしょうか。

その理由を理解するうえで重要なのが、水中のHCO₃⁻（重炭酸イオン）です。カチオン交換によって放出されたH⁺とHCO₃⁻が反応すると、

H⁺ + HCO₃^–　 ⇆ 　H₂CO₃　 ⇆　 CO₂ + H₂O

となり、原水中のHCO₃⁻に由来する成分をCO₂の形にすることができます。

この性質を利用して、大型の純水設備では、

カチオン塔 → 脱炭酸塔 → アニオン塔

という構成が採用されることがあります。途中の脱炭酸塔でCO₂を水から除去することで、後段のアニオン交換樹脂にかかる負荷を減らすことができます。

その後、OH形のアニオン交換樹脂を充填したアニオン塔へ水を通します。Cl⁻やSO₄²⁻などの陰イオンが樹脂に取り込まれ、その代わりにOH⁻が水中へ放出されます。

そして、 H⁺ + OH^– 　→　 H₂O

となることで、水中のイオン濃度が大幅に低下し、純水が得られます。

つまり二床式では、

原水 → カチオン塔 →（脱炭酸塔）→ アニオン塔 → 純水

という順番で処理していきます。

この方式では、カチオン樹脂とアニオン樹脂をそれぞれ独立して管理・再生できるという特徴があります。

一方、さらに高い純度の水を得る方法として、2種類の樹脂を一つの塔の中に混ぜて使用する方法があります。

それが、次に紹介する「混床式（Mixed Bed）」です。

2種類の樹脂を混ぜた「混床樹脂」とは？

混床樹脂は、H形のカチオン交換樹脂とOH形のアニオン交換樹脂を、一つの樹脂層の中で混合したものです。この方式は「混床式（Mixed Bed）」と呼ばれ、高純度の純水をつくる方法として広く利用されています。

二床式では、カチオン交換とアニオン交換がそれぞれ別の塔で行われます。一方、混床式では、カチオン樹脂とアニオン樹脂の粒子が一つの層の中に細かく混在しています。

そのため、水が樹脂層を通過すると、

カチオン交換 → アニオン交換 → カチオン交換 → アニオン交換……

というように、陽イオンと陰イオンの交換が樹脂層の中で繰り返されます。

これは、非常に小さなカチオン塔とアニオン塔を何段も交互に直列につないだような状態と考えると分かりやすいでしょう。

その結果、水中に残ったわずかなイオンも次の樹脂と接触する機会が生まれ、二床式よりも高純度の水を得やすくなります。

混床樹脂では、カチオン樹脂とアニオン樹脂の混合比も重要です。両者は交換容量や性質が異なるため、単純に同じ体積ずつ混ぜればよいわけではありません。処理する水質や樹脂の交換容量などを考えて、陽イオンと陰イオンを処理できるバランスで組み合わせます。

また、家庭用や洗車用などの比較的小型の純水器でも、混床樹脂はよく利用されています。一つの容器の中で陽イオンと陰イオンの両方を処理できるため、比較的シンプルな構成で高純度の水を得られることも特徴の一つです。

ただし、混床樹脂を入れれば、どのような装置でも同じ純水が得られるわけではありません。

同じ樹脂、同じ樹脂量であっても、樹脂層の高さ、水の流れる速さ、樹脂層内の水の流れ方によって、実際の純水器としての性能は変わってきます。

同じ樹脂なら、どんな純水器でも同じ性能になる？

ここまで見てきたように、純水製造では、H形カチオン交換樹脂とOH形アニオン交換樹脂を組み合わせることで、水中のイオン成分を非常に低いレベルまで減らすことができます。

では、同じ種類のイオン交換樹脂を、同じ量だけ使えば、どの純水器でも同じ性能になるのでしょうか？

実際には、そうとは限りません。

純水器の性能は、使用する樹脂の種類や量だけでなく、樹脂層の高さ、水を流す速さ、樹脂と水が接触する時間、そして樹脂層の中を水がどのように流れるかによっても変わります。

例えば、水を非常に速く流せば、一定時間に多くの水を処理できます。しかし、条件によっては樹脂内部へのイオンの移動やイオン交換が十分に進まないまま、水が樹脂層を通過する可能性があります。

一方で、単純に水を遅く流せばよいというわけでもありません。必要な処理流量とのバランスを考えながら、樹脂量や装置の断面積などに応じた適切な流速を考える必要があります。

さらに重要なのが、樹脂層の高さと水の流れ方です。

同じ量の樹脂を使用していても、浅く広く充填した場合と、細長い容器に高く充填した場合では、水と樹脂が接触する状態は同じではありません。

また、樹脂層の一部分だけに水が集中して流れるチャネリング（偏流）が起これば、十分に使われていない樹脂が残っていても、処理水の水質が低下することがあります。

つまり、

「どの樹脂を使うか」だけでなく、
「その樹脂をどのように使うか」も重要

ということです。

純水器を考えるうえでは、

樹脂量・樹脂層高・線流速（LV）・接触時間・水の流れ

を、それぞれ別々ではなく、組み合わせて考える必要があります。

では、同じ種類、同じ量のイオン交換樹脂を使っても、本当に純水のつくり方に違いが出るのでしょうか。

次回は実際の実験も交えながら、

第3回　純水器は「樹脂量」だけで決まらない

をテーマに、同じ樹脂量でも純水器の性能が変わる理由を見ていきます。

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