이온 교환 반응이 정수 처리 및 반도체 세정 공정에 활용되는 주요 원리는?
이온 교환 공정은 불순물을 제거하기 위한 핵심적인 기술로 평가 받고 있습니다. 이온 교환 반응이 정수 및 반도체 세정에서 작용되는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요.
이온 교환 반응은 용액 속의 불순물 이온을 고체 상태의 이온 교환 수지 내부의 이온과 교환하여 제거하는 화학적 정화 과정인데요, 질문하신 것처럼 이 기술은 정수 처리, 반도체 세정 공정, 제약 및 식품 산업 등에서 고순도 물을 확보하기 위해 필수적으로 사용됩니다.
우선 이온 교환 수지는 일반적으로 고분자 매트릭스에 음전하 혹은 양전하를 가진 작용기가 결합되어 있는 구조로, 이 작용기가 전하를 유지하기 위해 교환 가능한 반대 전하의 이온을 가지고 있는데, 용액 속의 이온과 전하적 평형을 이루기 위해 서로 이온 교환 반응이 일어납니다.
정수 처리에서는 주로 연수화, 즉 경도 제거와 탈염에 이온 교환 반응이 사용되는데요 경도 제거란 물 속의 Ca²⁺, Mg²⁺ 이온은 석회질의 원인이 되므로 이를 Na⁺형 양이온 교환 수지가 흡착하여 Ca²⁺, Mg²⁺를 제거합니다. 또한 양이온 교환 수지와 음이온 교환 수지를 연속적으로 배치하면, 모든 이온이 제거되어 H⁺와 OH⁻만 남게 되고, 이들이 결합하여 순수한 H₂O가 됩니다.
반도체 제조는 나노 단위의 오염도가 성능에 큰 영향을 주기 때문에, 사용되는 물은 불순물 농도가 1억분의 1 이하의 ppb 수준으로 관리되며 이때 이온 교환 반응은 금속 이온, 염류 제거에 사용됩니다. 즉 반도체 공정에서 금속 이온인 Cu²⁺, Fe³⁺ 등은 회로 오염을 유발하므로, 이온 교환 수지를 통해 완전히 제거합니다. 감사합니다.