电渗析除盐试验指导书.doc

试验七 电渗析除盐试验

一、试验目标和要求
1、了解、熟悉电渗析设备结构、组装及试验方法；
2、掌握在不一样进水浓度或流速下，电渗析极限电流密度测定方法；
3、求定电流效率及除盐率。
二、试验原理
电渗析是一个膜分离技术，已广泛地用于工业放心液回收及水处理领域（比如除盐或浓缩等）。
电渗析膜由高分子合成材料制成，在外加直流电场作用下，对溶液中阴阳离子含有选择透过性，使溶液中阴阳离子在由阴膜及阳膜交借排列隔室产生迁移作用，从而使溶质和溶剂分离。
离子选择透过是膜关键特征，可用道南平衡理论给予解释。应用道南平衡理论于离子交换膜，可把离子交换膜和溶液界面看成是半透膜，电渗析法用于处理含盐量不大水时，膜选择透过性较高。通常认为电渗析法适适用于含量在3500mg/L以下苦咸水淡化。
在电渗析器中，一对阴阳膜和一对隔板交错排列，组成最基础脱盐单元，称为膜对。电极（包含共电极）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。
电渗析器组装方法常见“级”和“段”来表示。一对电极之间膜堆称为一级，一次隔板步骤称为一段。一台电渗析器组装方法可分为一级一段、多级一段、一级多段和多级多段。一级一段是电渗析器基础组装方法。
电渗析器运行中，经过电流大小，和电渗析器大小相关。所以为便于比较，采取电流密度这一指标，而不采取电流绝对值。电流密度即单位除盐面积上所经过电流，其单位为：mA/cm2.
若逐步增大电流强度（密度）i，则淡水隔室膜表面离子浓度 C′必将逐步降低。当i达成某一数值时C′→0，此时I值称为极限电流。假如再稍稍提升I值，则因为离子来不及扩散，而在膜界面处引发水分子大量电离，成为H+和OH-。它们分别透过阳膜和阴膜传输电流，造成淡水室中水分子大量电离，这种膜界面现象称为极化现象，此时电流密度称为极限电流密度，以i1im表示。
极限电流密度和流速、浓度之间关系如式（7-1）所表示。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—淡水隔板流水道中水流速度，cm/s；
C—浓室中水平均浓度，me/L，实施应用中采取对数平均浓度；
K—水力特征系数
其中n值大小受格网型式影响。
极限电流密度及系数n、K值确实定，通常采取电压、电流法，该法是在原水水质、设备、流量等条件不变情况下，给电渗析器加上不一样电压U，得出对应电流密度，作图求出这一流量下极限电流密度。然后改变溶液浓度或流速，在不一样溶液浓度或流速下，测定电渗析器对应极限电流密度。将经过试验所得到若干组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征系数K值及流速指数n值,K值也可经过作图求出。
所谓电渗析器电流效率，系指实际打出物质量和应析出物质量比值。即单位时间实际脱盐量q（C1-C2）/1000和理论脱盐量I/F比值，故电流效率也就是脱盐效率。如式（7-2）所表示。
η= 式（7-2）
式中 q—一个淡室（相当于一对膜）单位时间实际脱盐量，L/S
C1、C2—分别表示进出水含盐量，mmol/L
I—电流强度，A；
F—法拉第常数，F=96500C/mol
三、试验设备、仪器
1、电渗析器：采取阳膜开始阴膜结束组装方法，用直流电源。离子交换膜（包含阴膜及阳膜）采取异相膜，隔板材料为聚氯乙稀，电极材料为经石腊浸渍处理后石墨（或其它）。
2、进水水质：
（1）要求总含盐量和离子组成稳定；
（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
试验装置图7-2所表示，采取人工配水，水泵循环，浓水淡水均用同一水箱，以降低设备容积及用水量，对试验结果无影响。
四、试验步骤
1、开启水泵，缓慢开启进水阀门1及2，逐步使其达成最大流量，排除管道和电渗析器中空气。注意浓水系统和淡水系统原水进水阀门1、2 应同时开关。
2、在进水浓度稳定条件下，调整流量控制阀门1、2，使浓水、淡水流速均保持在50-100mm/s范围内（通常不应大于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，通常高0.01-0.02MPa。稳定5分钟后统计淡水、浓水、极水流量、压力。
3、测定原水电导率（或称电阻率）、水温、总含盐量，必需时测PH值。
4、接通电源，调整作用于电渗析膜上操作电压至一稳定值（比如0.3V/对）读电流表指示数。然后逐次提升操作电压。
在图4-2中，曲线OAD段，每次电压以0.1-0.2V/正确数值递增（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，方便连成曲线；在DE段，每次以电压0.2-0.3V/正确数值逐次递增，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，使电阻不停增加，电流不停下降，造成测试误差增大之故。
5、边测试边绘制电压一电流关系曲线图，方便立即发觉问题，改变流量（流速）反复上述试验步骤；
6、每台装置应测4-6个不一样流速数值，方便于求K和n。在进水压力小于0.3MPa条件下，应包含20、15、10及15cm/s这多个流速；
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、测试前检验电渗析器组装及进、出水管路，要求组装平整、正确，支撑良好，仪表齐全，并检验整流器、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，并应确保膜湿润；
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，方便于比较和降低测绘过程中误差；
（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直线经过坐标原点；
（4）作4-6个或更多流速电压—电流曲线。
4、试验中每次升高电压后间隔时间，应等于水流在电渗析器内停留时间3-5倍，以利电流及出水水质稳定；
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1.5倍。测完每个流速后停电断水。
表7-1为极限电流测试统计表
六、试验结果整理分析
1、求极限电流密度：
极限电流测试统计
隔板类型 编号
极段数目： 日期：
统计
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
依据测得电流数值及测量所得隔板有效面积S，以下列公式求I
电流密度I=,(mA/cm2) 式（7-3）
式中 I—电流，A
S—隔板有效面积，cm2
103—单位换算系数。
（2）求定极限电流密度i1im
极限电流密度i1im数值，采取绘制电压—电流曲线方法求出。以测得膜对电压为纵坐标，对应电流密度为横坐标，在直角坐标纸上作图。
① 点出膜对电流—电压对应点。
② 经过坐标原点及膜对电压较低4-6个点作直线OA
③ 经过膜对电压较高4-6个点作直线DE，延长DE和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D
⑤ 过P点作水线和曲线相交得B点，过P点作垂线和曲线相交得C点，C点即为标准极化点，C点所对应电流即为极限电流。
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。
依据电压—电流曲线上C点所对应膜电压UC，在电压—电导率关系曲线上确定UC对应点，由UC作横坐标轴平行线和曲线相交于
C′点,然后由C′点作垂线和横坐标交于γC点，该点即为所求得淡水电导率，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
依据表7-1极限电流测试统计上相关数据，利用式（7-2）求定电流效率，并以%表示。
上述有电流效率计算全部是针对一对膜（或一个淡室）而言，这是因为膜对数只和电压相关而和电流无关。即膜对增加，电流保持不变。
②除盐率
除盐率是指去除盐量和进水含盐量之比，即：
除盐量=
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确实定通常均采取图解法，或解方程法，当要求有较高精度时，可采取数理统计中线性回归分析，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次试验数据，试验次数不宜太少。
②在双对数坐标纸上绘点，以i1im/c为纵坐标，以v为横坐标；如在一般坐标纸上绘点时，则横坐标为lgV，纵坐标1g(i1im/c),以各实测数据所绘点，能够近似地连成直线。
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i1im、C、v分为两组，各求出平均值，分别代入公式i1im=KCvn对数式：

解方程组可求得K及n值。
上述C为淡室中对数平均含盐量，单位为（mmol/L），求法见《给水工程》。
[思索题]
1、试对作图法和解方程法所求K值进行分析比较。
2、利用含盐量和水电导率计算图，以水电导率换算含盐量，其正确性怎样？
3、电渗析法除盐和离子交换法除盐各有何优点？适用性怎样？

K、n系数计算表
表7-2
序号
试验号
i1im
(mA/cm2)
v
(cm/s)
C
(mmol/L)

Lg(i1im/c)
lgv
1

2

3

4

5

6