Desiliconizarea cu aluminat de sodiu este un proces chimic tipic de coagulare{0}}coprecipitare prin adsorbție. Calculul său de bază nu este o simplă relație stoichiometrică, ci mai degrabă o metodă de inginerie bazată pe experimente, bazându-se pe rapoarte empirice și care necesită ajustări cuprinzătoare.
I. Mecanismul de desiliconizare
Hidroliza: Aluminatul de sodiu (NaAlO₂ sau NaAl(OH)₄) se hidrolizează rapid la adăugarea în apă, generând coloizi de hidroxid de aluminiu amorf (Al(OH)₃) cu o suprafață specifică mare și capacitate de adsorbție puternică.
NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH
Adsorbție și coprecipitare: Coloizii Al(OH)₃ încărcați pozitiv neutralizează încărcătura siliciului activ încărcat negativ din apă (cum ar fi HSiO₃⁻, SiO₃²⁻, de obicei reprezentat ca SiO₂), și prin adsorbție și complexare formează complexe de aluminosilicat insolubile pentru co{0}precipitare sau co{0}precipitare.
Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)₃·(SiO₂)ₓ (Proces ilustrativ, formulă de reacție non-standard)
Acest proces determină că raportul de consum chimic (raportul în greutate dintre aluminatul de sodiu și silice) nu este o valoare teoretică fixă, ci un interval empiric influențat de factori multipli.
II. Determinarea raportului consumului de substanțe chimice (valoarea R)
Întregul calcul se învârte în jurul unui raport empiric de bază R:
R=Doza de aluminat de sodiu (mg/L NaAlO₂) / Cantitatea de silice care trebuie îndepărtată (mg/L SiO₂)
1. Determinarea datelor de bază
Concentrația de silice în apă brută [Si]₀: concentrația de SiO₂ a probei de apă înainte de tratare (mg/L).
Concentrația țintă de silice [Si]ₜ: Concentrația necesară de SiO₂ după tratament (mg/L).
Cantitatea de siliciu de îndepărtat Δ[Si]: Δ[Si]=[Si]₀ - [Si]ₜ (mg/L SiO₂).
2. Raportul empiric critic (R)
Acesta este cel mai critic parametru pentru calcul și trebuie obținut experimental.
Interval tipic: Practica inginerească extinsă arată că valoarea R este de obicei între 8 și 20. Adică, pentru fiecare 1 mg de SiO₂ îndepărtat, trebuie adăugate 8 mg până la 20 mg de aluminat de sodiu.
De ce o gamă? Deoarece valoarea R este afectată semnificativ de următorii factori și trebuie determinată prin teste în pahar:
Valoarea pH: Fereastra optimă de pH pentru îndepărtarea siliciului este foarte îngustă, de obicei între 6,5 și 7,5 (slab acid până la neutru). Dacă pH-ul este prea scăzut (<6.0), Al(OH)₃ colloids will dissolve into Al³⁺, losing their adsorption capacity; if the pH is too high (>8.0),
Al(OH)₃ se va dizolva în AlO₂⁻, iar coloizii se vor dezintegra. Punctul optim de pH variază ușor în funcție de calitatea apei. Temperatura apei: Creșterea temperaturii intensifică mișcarea termică moleculară, accelerează viteza de reacție și promovează o mai bună formare a flocului, scăzând potențial valoarea R.
Ioni coexistenți în apă: Duritatea (Ca²⁺, Mg²⁺) favorizează flocularea și poate scădea valoarea R; cu toate acestea, materia organică concurează sau încapsulează coloizii, potențial crescând valoarea R.
Concentrația inițială de silice: Concentrațiile inițiale mai mari pot avea ca rezultat o eficiență de îndepărtare mai mare per unitate de reactiv (valoarea R poate tinde către limita inferioară a intervalului).
Condiții de reacție: Intensitatea amestecării, timpul de floculare și timpul de decantare afectează în mod direct efectul.
3. Efectuați teste în pahar pentru a determina R optim și pH optim. Luați o serie de mostre de apă brută de volum egal.
Primul set de teste (pH fix, dozare variabilă): Ajustați pH-ul tuturor probelor de apă la o valoare prestabilită (de exemplu, 7,0) și adăugați soluții de aluminat de sodiu cu diferite gradienți (de exemplu, doze calculate conform R=5, 10, 15, 20...). Al doilea set de experimente (doză fixă, pH variabil): a fost selectată o doză intermediară specifică, iar pH-ul probelor de apă a fost ajustat la diferiți gradienți (de exemplu, 6,0, 6,5, 7,0, 7,5, 8,0).
Toate probele de apă au fost supuse amestecării rapide standardizate (amestecare), agitare lentă (floculare) și decantare.
Concentrația reziduală de SiO2 a fost măsurată în supernatant.
Graficul curbei: a fost trasată o curbă de „doză-siliciu rezidual” pentru a găsi doza minimă necesară pentru a atinge ținta [Si]ₜ. A fost trasată o curbă „pH-siliciu rezidual” pentru a găsi punctul optim de pH pentru îndepărtarea siliciului.
Calculul valorii R-: pe baza curbei „dozaj-siliciu rezidual”, a fost găsită doza C (mg/L NaAlO₂) corespunzătoare atingerii țintei [Si]ₜ. Prin urmare, R=C/Δ[Si]. 4. Calcularea dozei reale
Odată ce valoarea R și valoarea optimă a pH-ului potrivite pentru calitatea actuală a apei sunt determinate prin experimente, calculele de funcționare zilnică devin foarte simple:
Dozare teoretică (mg/L)=R × Δ[Si]
Unde, Δ[Si] este calculat pe baza concentrației de silice monitorizată-în timp real în apa brută și a valorii țintă.
III. Calcule auxiliare și ajustări operaționale
1. Consumul de alcalinitate și calculele de ajustare a pH-ului:
Hidroliza aluminatului de sodiu produce NaOH, consumând aciditatea (H⁺) din apă. Aceasta înseamnă că acid suplimentar (cum ar fi acidul sulfuric sau acidul clorhidric) este de obicei necesar pentru a stabiliza pH-ul în intervalul optim.
Cantitatea de OH⁻ produsă prin hidroliză ≈ (doză (mg/L NaAlO₂)/82) * 1000 (mmol/L)
Cantitatea necesară de acid care trebuie adăugată (pe baza 98% H₂SO₄) poate fi estimată ca: Adăugarea de acid (mg/L) ≈ [necesar OH⁻ (mmol/L) × 49]/0,98/η
(Unde 49 este masa molară a H₂SO₄, 0,98 este puritatea și η este coeficientul de eficiență)
Notă: Aceasta este o estimare aproximativă. Cantitatea reală de acid adăugată trebuie controlată de feedback-ul unui pH-metru online, iar frecvența pompei de acid trebuie ajustată prin controlul PID.
Calculul reziduurilor de aluminiu: Nu toate precipitatele de aluminiu adăugate; unii vor rămâne în apă. Conținutul de aluminiu din efluent trebuie monitorizat pentru a se asigura că respectă standardele de calitate a apei (de obicei<0.2mg/L). Overdosing not only wastes reagents but also leads to excessive aluminum levels.
