电渗析除盐实验指导书

实验七电渗析除盐实验一、实验的目的和要求1、了解、熟悉电渗析设备的构造、组装及实验方法；2、掌握在不同进水浓度或流速下，电渗析极限电流密度的测定方法；3、求定电流效率及除盐率。二、实验原理电渗析是一种膜分离技术，已广泛地用于工业放心液回收及水处理领域（例如除盐或浓缩等）。电渗析膜由高分子合成材料制成，在外加直流电场的作用下，对溶液中的阴阳离子具有选择透过性，使溶液中的阴阳离子在由阴膜及阳膜交借排列的隔室产生迁移作用，从而使溶质与溶剂分离。离子选择透过是膜的主要特性，可用道南平衡理论予以解释。应用道南平衡理论于离子交换膜，可把离子交换膜与溶液的界面看成是半透膜，电渗析法用于处理含盐量不大的水时，膜的选择透过性较高。一般认为电渗析法适用于含量在3500mg/L以下的苦咸水淡化。在电渗析器中，一对阴阳膜和一对隔板交错排列，组成最基本的脱盐单元，称为膜对。电极（包括共电极）之间由若干组膜对堆叠在一起，称为膜堆。电渗析器由一至数组膜堆组成。电渗析器的组装方法常用“级”和“段”来表示。一对电极之间的膜堆称为一级，一次隔板流程称为一段。一台电渗析器的组装方式可分为一级一段、多级一段、一级多段和多级多段。一级一段是电渗析器的基本组装方式。电渗析器运行中，通过电流的大小，与电渗析器的大小有关。因此为便于比较，采用电流密度这一指标，而不采用电流的绝对值。电流密度即单位除盐面积上所通过的电流，其单位为：mA/cm2.若逐渐增大电流强度（密度）i，则淡水隔室膜表面的离子浓度C′必将逐渐降低。当i达到某一数值时C′→0，此时的I值称为极限电流。如果再稍稍提高I值，则由于离子来不及扩散，而在膜界面处引起水分子的大量电离，成为H+和OH-。它们分别透过阳膜和阴膜传递电流，导致淡水室中水分子的大量电离，这种膜界面现象称为极化现象，此时的电流密度称为极限电流密度，以i1im表示。极限电流密度与流速、浓度之间的关系如式（7-1）所示。此式也称之为威尔逊公式i1im=KCVn式（7-1）式中n—流速系数（n=0.8-1.0）v—淡水隔板流水道中的水流速度，cm/s；C—浓室中水的平均浓度，me/L，实行应用中采用对数平均浓度；K—水力特性系数其中n值的大小受格网型式的影响。极限电流密度及系数n、K值的确定，通常采用电压、电流法，该法是在原水水质、设备、流量等条件不变的情况下，给电渗析器加上不同的电压U，得出相应的电流密度，作图求出这一流量下的极限电流密度。然后改变溶液浓度或流速，在不同的溶液浓度或流速下，测定电渗析器的相应极限电流密度。将通过实验所得到的若干组i1im、C、V值，代入威尔逊公式中。等号两边同时取对数，解此对数方程就可得到水力特性系数K值及流速指数n值,K值也可通过作图求出。所谓电渗析器的电流效率，系指实际打出物质的量与应析出物质的量的比值。即单位时间实际脱盐量q（C1-C2）/1000与理论脱盐量I/F的比值，故电流效率也就是脱盐效率。如式（7-2）所示。η=%100/1000)(21FICCq式（7-2）式中q—一个淡室（相当于一对膜）单位时间的实际脱盐量，L/SC1、C2—分别表示进出水含盐量，mmol/LI—电流强度，A；F—法拉第常数，F=96500C/mol三、实验设备、仪器1、电渗析器：采用阳膜开始阴膜结束的组装方式，用直流电源。离子交换膜（包括阴膜及阳膜）采用异相膜，隔板材料为聚氯乙稀，电极材料为经石腊浸渍处理后的石墨（或其它）。2、进水水质：（1）要求总含盐量与离子组成稳定；（2）浊度1-3mg/L;（3）活性氯（0.2mg/L）;（4）总铁（0.3mg/L）（5）锰（0.1mg/L）（6）水温5-40℃,要稳定（7）水中无气泡。3、变压器、整流器各1台4、转子流量计：0.5m3/h，3只5、水压表：0.5MPa，3只6、滴定管：50ml、100ml各1只烧杯：100ml，5只量筒：1000ml,1只7、电导仪：1只，附万用表。8、秒表：1只实验装置如图7-2所示，采用人工配水，水泵循环，浓水淡水均用同一水箱，以减少设备容积及用水量，对实验结果无影响。四、实验步骤1、启动水泵，缓慢开启进水阀门1及2，逐渐使其达到最大流量，排除管道和电渗析器中的空气。注意浓水系统和淡水系统的原水进水阀门1、2应同时开关。2、在进水浓度稳定的条件下，调节流量控制阀门1、2，使浓水、淡水流速均保持在50-100mm/s的范围内（一般不应大于100mm/s），并保持进口压力稳定，以淡水压力稍高于浓水压力为宜，一般高0.01-0.02MPa。稳定5分钟后记录淡水、浓水、极水的流量、压力。3、测定原水的电导率（或称电阻率）、水温、总含盐量，必要时测PH值。4、接通电源，调节作用于电渗析膜上的操作电压至一稳定值（例如0.3V/对）读电流表指示数。然后逐次提高操作电压。在图4-2中，曲线OAD段，每次电压以0.1-0.2V/对的数值递增（依隔板厚薄、流速大小决定，流速小板又薄时取低值），每段取4-6个点，以便连成曲线；在DE段，每次以电压0.2-0.3V/对的数值逐次递增，同上取4-6个点，连成一条直线，整个OADE连成一条圆骨曲线。之所以取DE段电压高于OAD段，是因为极化沉淀，使电阻不断增加，电流不断下降，导致测试误差增大之故。5、边测试边绘制电压一电流关系曲线图，以便及时发现问题，改变流量（流速）重复上述实验步骤；6、每台装置应测4-6个不同流速的数值，以便于求K和n。在进水压力不大于0.3MPa的条件下，应包括20、15、10及15cm/s这几个流速；7、测定进水及出水含盐量，其步骤是先用电导仪测定电导率，然后由含盐量—电导率对应关系曲线求出含盐量，按式（7-2）求出脱盐效率。五、注意事项1、测试前检查电渗析器的组装及进、出水管路，要求组装平整、正确，支撑良好，仪表齐全，并检查整流器、变压器、电路系统，仪表组装是否正确。2、注意电渗析器开始运行时要先通水后通电，停止运行时要先断电后断水，并应保证膜的湿润；3、测定极限电流密度时应注意：（1）直接测定膜堆电压，以排除极室对极限电流测定的影响，便于计算膜对电压；（2）以平均“膜对电压”绘制电压—电流曲线，以便于比较和减少测绘过程中的误差；（3）当存在极化过渡区时，电压—电流曲线由OA直线、AD曲线、DE直线三部分组成，OA直线通过坐标原点；（4）作4-6个或更多流速的电压—电流曲线。4、实验中每次升高电压后的间隔时间，应等于水流在电渗析器内停留时间的3-5倍，以利电流及出水水质的稳定；5、注意每测定一个流速得到一条曲线后，要倒换电极极性，使电流反向运行，以消除极化影响，反向运行时间为测试时间的1.5倍。测完每个流速后停电断水。表7-1为极限电流测试记录表六、实验成果整理分析1、求极限电流密度：极限电流测试记录隔板类型编号极段数目：日期：记录表7-1测定时间进口流量(流速)（L/S）（cm/s）进口压力淡水室含盐量电流电压（U）PH值水温℃MPa进口电导率（μQ/cm）出口(mol/L)电流（A）电流密度（MA/cm2）总膜堆膜对淡水浓水淡浓极淡浓极（1）求电流密度i根据测得的电流数值及测量所得的隔板有效面积S，以下列公式求I电流密度I=310SI,(mA/cm2)式（7-3）式中I—电流，AS—隔板有效面积，cm2103—单位换算系数。（2）求定极限电流密度i1im极限电流密度i1im的数值，采用绘制电压—电流曲线方法求出。以测得的膜对电压为纵坐标，相应的电流密度为横坐标，在直角坐标纸上作图。①点出膜对电流—电压对应点。②通过坐标原点及膜对电压较低的4-6个点作直线OA③通过膜对电压较高的4-6个点作直线DE，延长DE与OA，使二者相交于P点④将AD间各点连成平滑曲线，得拐点A及D⑤过P点作水线与曲线相交得B点，过P点作垂线与曲线相交得C点，C点即为标准极化点，C点所对应的电流即为极限电流。2、求定电流效率及除盐率（1）电压—电导率曲线①以出口处淡水的电导率为横坐标，膜对电压为纵坐标，在直角坐标纸上作图。②描出电压—电导率对应点，并联连成平滑曲线。根据电压—电流曲线上C点所对应的膜电压UC，在电压—电导率关系曲线上确定UC对应点，由UC作横坐标轴的平行线与曲线相交于C′点,然后由C′点作垂线与横坐标交于γC点，该点即为所求得的淡水电导率，并据此查电导率—含盐量关系曲线，求出γC点对应的出口处淡水总含盐量（mmol/L）。（2）求定电流效率及除盐率①电流效率根据表7-1极限电流测试记录上的有关数据，利用式（7-2）求定电流效率，并以%表示。上述有电流效率的计算都是针对一对膜（或一个淡室）而言，这是因为膜的对数只与电压有关而与电流无关。即膜对增加，电流保持不变。②除盐率除盐率是指去除的盐量与进水含盐量之比，即：除盐量=%100-121×CCC式中C1、C2—分别为进出水含盐量，mmol/L，前已求得。3、常数K及流速指数n的确定一般均采用图解法，或解方程法，当要求有较高的精度时，可采用数理统计中的线性回归分析，以求定K、n值。（1）图解法①将实测整理后数据填入表7-2，即k、n系数计算表中。表中序号指应列入4-6次的实验数据，实验次数不宜太少。②在双对数坐标纸上绘点，以i1im/c为纵坐标，以v为横坐标；如在普通坐标纸上绘点时，则横坐标为lgV，纵坐标1g(i1im/c),以各实测数据所绘点，可以近似地连成直线。K值可由直线在纵坐标上截距确定。K值求出后代入极限电流密度公式，求得n值。N值即为其直线斜率。（2）解方程法把已知的i1im、C、v分为两组，各求出平均值，分别代入公式i1im=KCvn的对数式：vnKciimlglglg1解方程组可求得K及n值。上述C为淡室中的对数平均含盐量，单位为（mmol/L），求法见《给水工程》。[思考题]1、试对作图法与解方程法所求K值进行分析比较。2、利用含盐量与水的电导率计算图，以水的电导率换算含盐量，其准确性如何？3、电渗析法除盐与离子交换法除盐各有何优点？适用性如何？K、n系数计算表表7-2序号实验号i1im(mA/cm2)v(cm/s)C(mmol/L)Ciim1Lg(i1im/c)lgv123456