2.7 电渗析除盐实验
2.7.1 实验目的
（1）了解电渗析实验装置的构造及工作原理。
（2）熟悉电渗析配套设备，学习电渗析实验装置的操作方法。
（3）掌握电渗析法除盐技术，求脱盐率。
2.7.2 实验原理
在电场作用下进行渗析时，溶液中的带电的溶质粒子（如离子）通过膜而迁移的现象称为电渗析。利用电渗析进行提纯和分离物质的技术称为电渗析法。
电渗析器除盐的基本原理，是利用离子交换膜的选择透过性。阳离子交换膜只允许阳离子通过，阻挡阴离子通过；阴离子交换膜只允许阴离子通过，阻挡阳离子通过。在外加直流电场的作用下，水中离子作定向迁移，使一路水中大部分离子迁移到另一路离子水中去，从而达到含盐水淡化的目的。
在电渗析器内，阴极和阳极之间，将阳膜与阴膜交替排列，并用特制的隔板将阳膜与阴膜隔开，隔板内有水流的通道。进入淡室的含盐水，在两端电极接通直流电源后，即开始电渗析的过程，水中阳离子不断透过阳膜向阴极方向迁移，阴离子不断透过阴膜向阳极方向迁移，水中离子含量不断减少，含盐水逐渐变成淡化水。而进入浓室的含盐水由于阳离子在向阴极方向迁移中不能透过阴膜，阴离子在向阳极方向迁移中不能透过阳膜，含盐水却因不断增加由邻近淡室迁移透过的离子而变成浓盐水。这样电渗析器中，组成了淡水和浓水两个系统。与此同时，在电极和溶液的界面上，通过氧化、还原反应，发生电子与离子之间的转换，即电极反应。以食盐水为例，阴极发生还原反应有氢气产生；阳极发生氧化反应有氧气或氯气产生。
所以，在阴极不断排出氢气，阴极室溶液呈碱性，在阳极不断有氧气或氯气放出，阳极室溶液呈碱性。当水中有Ca2+、Mg2+、
等离子时，会生成CaCO3和Mg（OH）2水垢，依附在阴极上。
电渗析器的大小决定运行电流的大小，采用电流密度作为比较指标，电流密度是单位除盐面积上所通过的电流，其单位为mA/cm2。
随着增大电流i，则淡水隔室内膜表面的离子浓度C′逐渐降低。当i增大到使C′→0，此时的电流密度i值称为极限电流，也称为极限电流密度，以ilim表示。若再稍稍提高i值，会在膜界面处引起水分子的离解，成为H+和OH-，该离子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离解，这种现象称为极化现象。
水流速、离子浓度和极限电流密度之间的关系见式（2-18）。
式中 v——淡水隔板流水道中的水流速度，cm/s；
C——淡室中水的平均浓度，实际应用中采用对数平均浓度，mmol/L；
K——水力特性系数；
n——流速系数（n=0.8～1.0）。
在电渗析过程中，电能的消耗主要用来克服电流通过溶液、膜时所受到的阻力以及进行电极反应。
2.7.3 设备、仪器与用具
电渗析除盐实验所用到的设备、仪器与用具如下。
（1）电渗析器实验装置，见图2-6。
（2）变压器、整流器。
（3）50mL、100mL滴定管。
（4）1000mL烧杯；1000mL量筒。
（5）电导率仪。
（6）万用表。
（7）水压表。
该实验装置采用人工配水，机械循环。为减少设备容积及用水量，浓水、淡水共用一个水箱。电渗析除盐系统对进水水质要求严格：包括总含盐量与离子组成、浊度、活性氯、总铁、锰、水温及水中气泡等不能超过规定限量。
2.7.4 操作步骤和方法
电渗析除盐实验的操作步骤和方法如下。
（1）熟悉实验装置，掌握装置中所有设备的作用、管路的连接关系，了解其工作原理。
图2-6 电渗析实验装置示意图
1—极水池；2—水泵；3—阀门；4—流量计；5—压力表；6—极水循环；7—出水贮水池；8—电渗析器；9—淡水室出水；10—浓水室出水；11—进淡水室；12—进浓水室；13—循环水箱
（2）测定原水的电导率、pH值、水温、总含盐量。
（3）启动水泵，开启进水阀门，排除管道和电渗析器中的空气。
（4）调节进水阀门的开启度在1/2。
（5）接通电源，逐次提高电压，读出电流表指示数。绘制电压～电流关系曲线图，如图2-7所示。
（6）每隔5min，测定两个出口水样的电导率，连续运行20min，记录整个过程中的电流大小。
（7）调节进水阀门的开启度到最大处，重复操作（5）。
（8）测定进出水含盐量（先测定电导率，由含盐量～电导率对应关系曲线求出含盐量）。除盐效率按式（2-21）求得。
将上述所有实验数据记入表2-23中。
表2-23 电渗析除盐实验数据表
2.7.5 实验结果整理
电渗析除盐实验的实验结果整理步骤如下。
1.绘制电压～电流曲线，如图2-7所示。
具体绘制步骤如下：
图2-7 电压～电流关系曲线
（1）画出膜对电流—电压对应点。
（2）过坐标原点和膜对电压较低的4～6个点作出直线OA。
（3）通过膜对电压较高的4～6个点作处直线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点作水平线与曲线相交得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.绘制电压～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，并连成平滑曲线，如图2-8所示。
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）。
图2-8 电压～电导率关系曲线
3.求电流密度i
平均电流密度
式中 b——流水道宽度，cm；
L——流水道长度，cm；
I——通入电流，A。
4.求电流效率
电渗析器的电流效率η，是指实际析出物质的量与应析出物质的量的比值，如式（2-20）所示。
式中 q——淡室（相当于一对膜）的出水量，L/s；
C1、C2——进、出水含盐量，mmol/L；
I——电流强度，A；
F——法拉第常数，F=96500C/mol。
5.除盐效率
除盐效率是指去除的盐量与进水含盐量之比。即：
6.确定式（2-18）中常数K与n
（1）将实测整理后的数据填入表2-24。
表2-24 K、n系数计算表
（2）根据实测数据，在双对数坐标纸上，以ilim/C为纵坐标，以v为横坐标绘点，可以近似地连成直线，如图2-9所示。
K值为直线在纵坐标上的截距确定。n值为其直线斜率。
图2-9 流速v～ilim/C关系曲线（对数坐标）
2.7.6 思考题
（1）电渗析实验中正负电极对调的作用?
（2）对比电渗析法除盐与离子交换法除盐的优缺点。