第一章  实验装置说明

第一节 系统概述

一、概述

电渗析（简称ED）是一种利用电能的膜分离技术，是水处理的基础实验之一，被广泛地用于科研、教学、生产之中，通过实验不仅可以帮助学生了解电渗析器的组装、构造，还可以加强学生对电渗析器工作原理及流程的理解。

二、装置特点

1. 框架为不锈钢材质，结构紧凑，外形美观，操作方便；

2. 电渗析器外壳采用有机玻璃制作，方便观察；

3. 采用一体式设计，紧凑美观，方便搬移；

4. 组装方式灵活，电极可以倒换，以消除极化影响，防止结垢；

5. 增设有浓水部分循环系统，可提高水的回收率和减少耗电量等。

第二节 实验装置介绍

一、对象组成

由动力系统、水箱、两级两段电渗析器、电渗析器有机玻璃外箱体、潜水泵、循环水泵、水压表、浓水循环有机玻璃水箱以及不锈钢框架等组成。

1. 水箱：储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=70cm×50cm×65cm。

2.两级两段电渗析器：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（包括阴膜和阳膜）采用异相膜，膜板材料为聚氯乙烯，电极材料为经石蜡浸渍处理过的石墨（或其他）。尺寸为：长×宽×高=24cm×25cm×53cm。

3. 电渗析器有机玻璃外箱体：采用透明有机玻璃制成，尺寸为：长×宽×高=40cm×50cm×63cm。

4.潜水泵：电源：220V、50HZ；最大扬程8m；额定功率：250W；电流：1.5A。

5. 循环水泵：电源：220V、50HZ；额定扬程 8m，输入功率：90W。

6. 浓水循环有机玻璃水箱：采用透明有机玻璃制成，尺寸为：长×宽×高=25cm×40cm×45cm。

7. 水压表：采用耐震水压表，测量范围：0~0.25MPa

二、控制系统

由对象控制箱、整流器、流量计、漏电保护器及旋钮开关等组成。

第二章  实验内容

第一节电渗析除盐实验

一、实验目的

（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）求电流效率及除盐率。

二、实验原理

电渗析膜由高分子合成材料制成，对溶液中的阴、阳离子具有选择过滤性，使溶液中的阴、阳离子在由阴膜及阳膜交错排列的隔室中产生迁移作用，从而使溶质与溶剂分离。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盐量在5000mg/L以下的苦咸水淡化。电渗析器运行中，除盐面积上所通过的电流，称为电流密度，其单位为mA/cm²。若逐渐增大电流密度i，淡水隔室阳膜表面的离子浓度C′→0,此时的i值称为极限电流密度，以i_lim表示；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解离，称为H⁺和OH^-。它们分别透过阳膜和阴膜传递电流，导致淡水室中分子的大量解离，这种膜界面现象称为极化现象。

极限电流密度与流速、浓度之间的关系如式（1-1）所示，此式也称为威尔逊公式。

                               i_lim=KCvⁿ                                                       (1-1)

式中 n——流速系数（n=0.8~1.0），其值的大小受格网形式的影响；

     V——淡水隔板流水道中的水流密度（cm/s）；

     C——浓水室中水的平均浓度，实际应用中采用对数平均浓度（me/L）；

     K——水力特性系数。

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_lim，C，v值，代入威尔逊公式中。等号两边同时取对数，解此对数方程就可以得到水力特性系数K值及流速系数n值；K值也可通过作图求出。

所谓电渗析器的电流效率，是指实际析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：

η=[q(C₁-C₂)/(1000I/F)]×100%                       （1-2）

式中 q——一个淡水室（相当于一对膜）单位时间的实际脱盐量（L/s）；

     C₁，C₂——进、出水含盐量（me/L）；

     I——电流强度（A）；

     F——法拉第常数，F=96.5C/（me/L），其中C为电量（单位库仑）。

三、实验设备与原理

（1）THENDF-1型 电渗析反应实验装置一套，见图1-1。

（2）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（包括阴膜和阳膜）采用异相膜，膜板材料为聚氯乙烯，电极材料为经石蜡浸渍处理过的石墨（或其他）。

（3）进水水质

① 要求总含氧量与离子组成稳定

② 浊度1~3mg/L

③ 活性氯<0.2mg/L

④ 总铁<0.3mg/L

⑤ 总锰<0.1mg/L

⑥ 水温5~40℃，要稳定

⑦ 水中无气泡

（4）设备及仪器

① 整流器一台

② 转子流量计（0.1m³/h，3只）

③ 水压表（3只）

④ 滴定管（50mL、100mL各1只）

⑤ 烧杯（100mL，5只）

⑥ 量筒（1000mL，1只）

⑦ 电导仪（1只，附万用表）

⑧ 秒表（1只）

实验采用人工配水。

 

图1-1 电渗析反应实验装置示意图

1.电源控制箱（包括整流器） 2.不锈钢框架 3.浓水循环水箱 4.浓水循环水箱支架 5.电渗析器及其有机玻璃外壳水箱 6.浓水压力表及流量计（倒极后为淡水压力表及流量计） 7.淡水压力表及流量计（倒极后为浓水压力表及流量计） 8.极水压力表及流量计 9.压力表及流量计支架 10.不锈钢水箱（包括原水箱和出水箱） 11.潜水泵 12.浓水进水阀（倒极后为淡水进水阀） 13.淡水进水阀（倒极后为浓水进水阀）14.极水进水阀 15.浓水循环进水阀 16.浓水出水阀 17.淡水出水阀 18.浓水循环泵 19.浓水循环水箱出水阀 20.电渗析器有机玻璃外壳水箱放水阀

四、实验步骤

1. 启动水泵，同时缓慢开启浓水系统和淡水系统的进水阀门，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应同时开、关。

2. 在进水浓度稳定的条件下，调节进水阀门流量，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），并保持淡水进口压力高于浓水进口压力0.01~0.02MPa范围内的某一稳定值。稳定5min后，记录淡水、浓水、极水的流量。

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。

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1-2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0ADE连成一条圆滑曲线。之所以取DE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。

 

图1-2 电压—电流曲线

5. 边测试边绘制电压—电流关系图（见图1-2），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20cm/s，11cm/s及5cm/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（1-2）求出脱盐效率。

五、注意事项

（1）测试前检查电渗析的组成及进、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（见图1-2），以便于比较和减小测绘过程中的误差；

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5倍。测试每个流速后停电断水。

表1-1为极限电流测试记录表。

六、实验结果整理

1. 极限电流密度

（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，i由（1-3）求解。

                              电流密度i=1000I/s                          （1-3）

式中 I——电流（A）；

     s——隔板有限面积（cm²）；

     1000——单位换算系数。

表1-1 极限电流测试记录

隔板类型             编号            极段数目            日期            记录          

（2）求定极限电流密度i_lim

极限电流密度i_lim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，在直线坐标纸上作图。

① 点出膜对电压—电流对应点。

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，如图1-1所示。

④ 将AD间各点连成平滑曲线，得拐点A及D。

⑤ 过P点作水平线与曲线相交于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 以出口处的淡水电导率为横坐标，膜对电压为纵坐标，在普通坐标纸上作图。

② 描出电压—电导率对应点，并连成平滑曲线，如图1-2所示。根据电压—电流曲线上C点所对应的膜电压U_c，在电压—电导率关系曲线上确定U_c对应点，由U_c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r_c点，该点即为所求得的淡水电导率，并据此查含电导率—含盐量关系曲线，求出r_c点对应的出口处淡水含盐量（me/L）。

（2）求定电流效率及除盐率

① 电流效率

根据表1-1极限电流测试记录上的有关数据，利用式（1-2）求定电流效率，并以%表示。

上述有关电流效率的计算都是针对一对膜（或一个淡水室）而言，这是因为膜的对数只与电压有关，而与电流无关（即膜对增加而电流保持不变）。

 

图1-2 电压—电导率关系曲线

② 除盐率

除盐率是指去除的盐量与进水含盐量之比，即：

                    除盐率=                                   （1-4）

式中 C₁，C₂——进、出水含盐量（me/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 将实测整理后的数据填入表中，即K，n系数计算表1-2中。表中序号应列出4~6次实验数据，实验次数不宜太少。

② 在双对数坐标纸上绘点，以i_lim/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，纵坐标为lg（i_lim/C），以各实测数据绘点，可以近似连成直线，如图1-3，图1-4所示。

 

图4-3 流速V与i_lim/C关系曲线                     图4-4 流速V与i_lim/C关系曲线

      （对数坐标）                                    （普通坐标）

K值可由直线在纵坐标上的截距确定。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i_lim，C，V分为两组，各求出平均值，分别代入公式i_lim=KCVⁿ的对数式，解方程组可求得K及n；其中，C为淡水室中的对数平均含盐量，单位为me/L。

表1-2  K、n系数计算表

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. 电渗析除盐与离子交换法除盐各有何优点？适应性如何？

附：电渗析器操作规程

1、开机通水步骤和注意事项

打开总进水阀和浓、淡、极水进水阀，浓、淡水排放阀，然后启动水泵，调节浓、淡、极水进水阀，使浓、淡、极水进水压力平衡上升，直至浓、淡、极水进水流量达到需要的刻度。在电渗析的运行过程中，应始终保持浓、淡、极水进水压力平衡，但极水压力可以略低0.01~0.02MPa。

2、通电

电渗析器的各流量、压力达到平衡后方可通电。通电后及时查看各流量有何变化，压力是否平衡，再逐步升高电压至额定工作电压，然后从取样口检测淡水水质，等待水质合格后，先打开淡水出水阀，后关闭淡水排放阀。电渗析器即正常运行。

3、倒换电极

电渗析器连续工作2~4小时要倒换电极一次。在倒换时，先打开淡水排放阀，同时关闭淡水出水阀。将两路水同时排放。再把电压降为零，然后换相，再通电升高电压，等电流稳定后检测淡水水质，达到要求后打开淡水（原浓水管）出水阀，关闭排放阀，继续运行。在此过程中，只停电，不停水，调换电极后，浓淡水管路已互换。

4、停机

停机时，先打开淡水排放阀，同时关闭淡水出水阀。将两路水同时排放。再把电压降为零，关闭整流器电源。然后打开回流阀，关闭浓淡水排放阀，停泵，关回流阀，防止水泵进气。

5、整流器

按整流器后盖接线端子分别接入AC220V电源及直流输出（正极接电渗析器端电极，负极接电渗析器共电极）。开启电源开关，慢调节电压旋钮（顺时针电压上升，逆时针电压下降）。当需要换相时先将电压调为零再旋转换相开关，关机时将电压调为零再关机。注意整流器严禁超电流运行否则将烧坏保险丝及整流元件。

 

第二篇：《酸碱盐》实验报告

《酸碱盐》实验报告

班别            姓名             学号              

﹡温馨提醒：每组同学请自带一小包生石灰，自带想测其pH的物质（请用小瓶或袋子装好）

        

《酸碱盐》实验报告

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﹡温馨提醒：每组同学请自带一小包生石灰，自带想测其pH的物质（请用小瓶或袋子装好）