La rimozione del silicio alluminato di sodio è un tipico processo chimico di coagulazione-adsorbimento co-precipitazione. Il nucleo del calcolo non è una semplice relazione stechiometrica, ma piuttosto un metodo ingegneristico basato su esperimenti, che si basa su rapporti empirici e richiede aggiustamenti globali.
I. Meccanismo di rimozione del silicio
Idrolisi: l'alluminato di sodio (NaAlO₂ o NaAl(OH)₄) si idrolizza rapidamente dopo l'aggiunta di acqua, generando colloidi di idrossido di alluminio amorfo (Al(OH)₃) con un'enorme area superficiale specifica e una forte capacità di adsorbimento.
NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH
Adsorbimento e coprecipitazione: il colloide Al(OH)₃ carico positivamente formato neutralizza la carica della silice attiva carica negativamente nell'acqua (come HSiO₃⁻, SiO₃²⁻, solitamente rappresentata come SiO₂). Attraverso l'adsorbimento e la complessazione, forma complessi di alluminosilicato insolubili oppure viene trascinato nel fiocco e co-precipita.
Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)₃·(SiO₂)ₓ (Processo schematico, formula di reazione non-standard)
Questo processo determina che il rapporto di consumo chimico (rapporto in peso tra alluminato di sodio e silice) non è un valore teorico fisso, ma piuttosto un intervallo empirico influenzato da molteplici fattori.
II. Determinazione del rapporto di consumo chimico (valore R)
L’intero calcolo ruota attorno a un rapporto empirico fondamentale, R:
R=Dosaggio di alluminato di sodio (mg/L NaAlO₂) / Quantità di silicio da rimuovere (mg/L SiO₂)
1. Determinazione dei dati di base
Concentrazione di silicio nell'acqua grezza [Si]₀: la concentrazione di SiO₂ del campione di acqua prima del trattamento (mg/L).
Concentrazione target di silicio [Si]ₜ: la concentrazione di SiO₂ richiesta dopo il trattamento (mg/L).
Quantità di silicio da rimuovere Δ[Si]: Δ[Si]=[Si]₀ - [Si]ₜ (mg/L SiO₂).
2. Rapporto empirico chiave (R)
Questo è il parametro più critico nel calcolo e deve essere ottenuto sperimentalmente.
Case study sulla rimozione di fluoro e silicio - Nanjing Danheng Technology Co., Ltd.
Intervallo tipico: un'ampia pratica ingegneristica mostra che il valore R è tipicamente compreso tra 8 e 20. Ciò significa che per ogni mg di SiO₂ rimosso, è necessario aggiungere da 8 mg a 20 mg di alluminato di sodio.
Perché una gamma? Poiché il valore R è influenzato in modo significativo dai seguenti fattori e deve essere determinato mediante prove in beaker:
Valore pH: la finestra di pH ottimale per la rimozione della silice è molto ristretta, tipicamente compresa tra 6,5 e 7,5 (da debolmente acido a neutro). Se il pH è troppo basso (<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 si dissolverà in AlO₂⁻, provocando la decomposizione dei colloidi. Il punto pH ottimale varia leggermente a seconda della qualità dell'acqua.
Temperatura dell'acqua: l'aumento della temperatura intensifica il movimento termico molecolare, accelera la velocità di reazione e promuove una migliore formazione dei fiocchi, che può abbassare adeguatamente il valore R.
Ioni coesistenti nell'acqua: la durezza (Ca²⁺, Mg²⁺) favorisce la flocculazione e può abbassare il valore R; mentre la materia organica compete o incapsula i colloidi, aumentando potenzialmente il valore R.
Concentrazione iniziale di silice: concentrazioni iniziali più elevate possono comportare una maggiore efficienza di rimozione per unità di reagente (il valore R può tendere verso il limite inferiore dell'intervallo).
Condizioni di reazione: l'intensità della miscelazione, il tempo di flocculazione e il tempo di sedimentazione influiscono tutti direttamente sull'effetto.
3. Condurre test in bicchiere per determinare l'R e il pH ottimali
Prelevare una serie di campioni di acqua grezza dello stesso volume.
Prima serie di test (pH fisso, dosaggio variabile): regolare il pH di tutti i campioni di acqua su un valore preimpostato (ad es. 7,0) e aggiungere soluzioni di alluminato di sodio a gradienti diversi (ad es. dosaggi calcolati secondo R=5, 10, 15, 20...).
Seconda serie di test (dosaggio fisso, pH variabile): selezionare un dosaggio intermedio e regolare il pH dei campioni d'acqua su gradienti diversi (ad esempio, 6,0, 6,5, 7,0, 7,5, 8,0).
Eseguire l'agitazione rapida standardizzata (miscelazione), l'agitazione lenta (flocculazione) e la sedimentazione statica su tutti i campioni di acqua.
Prendere il surnatante e determinare la concentrazione residua di SiO₂.
Tracciamento delle curve: traccia la curva "Dosaggio - Silicio residuo" per trovare il dosaggio minimo richiesto per raggiungere l'obiettivo [Si]ₜ. Traccia la curva "pH - Silicio residuo" per trovare il punto di pH ottimale per la rimozione del silicio.
Calcolo del valore R: in base alla curva "Dosaggio - Silicio residuo", trovare il dosaggio C (mg/L NaAlO₂) corrispondente al raggiungimento dell'obiettivo [Si]ₜ. Quindi, R=C/Δ[Si].
4. Calcolo del dosaggio effettivo
Una volta determinati attraverso esperimenti il valore R e il valore pH ottimale adatti alla qualità dell'acqua attuale, i calcoli per il funzionamento quotidiano diventano molto semplici:
Dosaggio teorico (mg/L)=R × Δ[Si]
Dove, Δ[Si] viene calcolato in base alla concentrazione di silicio nell'acqua grezza monitorata in tempo reale-e al valore target.
III. Calcoli ausiliari e aggiustamenti operativi
Calcoli del consumo di alcalinità e della regolazione del pH:
L'idrolisi dell'alluminato di sodio produce NaOH, consumando l'acidità (H⁺) nell'acqua. Ciò significa che di solito è necessario un acido aggiuntivo (come acido solforico o acido cloridrico) per stabilizzare il pH entro l'intervallo ottimale.
La quantità di OH⁻ prodotta mediante idrolisi ≈ (dosaggio (mg/L NaAlO₂)/82) * 1000 (mmol/L)
La quantità di acido richiesta (basata sul 98% di H₂SO₄) può essere stimata come: Dosaggio di acido (mg/L) ≈ [OH⁻ richiesto (mmol/L) × 49]/0,98/η
(Dove 49 è la massa molare di H₂SO₄, 0,98 è la purezza e η è il coefficiente di efficienza)
Nota: questa è una stima approssimativa. La quantità effettiva di acido aggiunto deve essere controllata tramite feedback del pHmetro online e la frequenza della pompa dell'acido deve essere regolata tramite il controllo PID.
Calcolo dei residui di alluminio: non tutto l'alluminio aggiunto precipita; alcuni rimangono nell'acqua. Il contenuto di alluminio negli effluenti deve essere monitorato per garantire che soddisfi gli standard di qualità dell'acqua (solitamente<0.2 mg/L). Adding too much not only wastes the reagent, but can also lead to excessive aluminum levels.