电渗析除盐实验指导书

1、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

2、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

3、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Ct0,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i 1im=KCVn式（ 7-1 ）式中n流速系数（n=0.8

4、-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 i 1im、 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

5、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 与理论脱盐量所示。I/F的比值，故电流效率也就是脱盐效率。如式（7-2 ）q(Ci C2) n = 10001 /F100%式（7-2）式中q 个淡室（相当于一对膜）单位时间的实际脱盐量，L/SC、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

6、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 C ,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。&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

7、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

8、-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 0ADE1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

9、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”绘制电压一电流曲线，以便于比较和减少 测绘过程中的误差；（3）当存在极化

10、过渡区时，电压一电流曲线由 OA直线、AD曲线、 DE直线三部分组成，0A直线通过坐标原点；（4）作4-6个或更多流速的电压一电流曲线。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测疋 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（UPH值

11、水温CMPa进口电导率（卩 Q/cm）岀口(mol/L)电流（A）电流密度（MA/cm）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 1= 4o3,(mA/cm2)式(7-3)S式中I 电流，AS 隔板有效面积，cm103单位换算系数。(2) 求定极限电流密度i 1im极限电流密度ilim的数值，采用绘制电压一电流曲线方法求出。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。 点出膜对电流一电压对应点。 通过坐标原点及膜对电压较低的4-6个点作直线0A 通过膜对电压较高的4-6个点作直线DE延

12、长DE与0A使 二者相交于P点 将AD间各点连成平滑曲线，得拐点 A及D 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)电压一电导率曲线 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。 描出电压一电导率对应点，并联连成平滑曲线。根据电压一电流曲线上 C点所对应的膜电压 ,在电压一电导率 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丫 C点，该点即为所求得的淡 水电导率，并据此查电导率一含盐量关系曲线，求出丫C点对应的出口处

13、淡水总含盐量(mmol/L)(2)求定电流效率及除盐率电流效率根据表 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。除盐率除盐率是指去除的盐量与进水含盐量之比，即：C1 -C2除盐量二RO0%式中Ci、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 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。 在双对数坐标纸上绘点，以i 1im/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（i 1im/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i 1im二KCV的对数式：lg 虹 lg K n l