电渗析除盐实验指导书.docx
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电渗析除盐实验指导书
电渗析除盐实验指导书
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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=
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/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、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=
(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OA
③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D
⑤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=
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:
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)
Lg(i1im/c)
lgv
1
2
3
4
5
6