Odstranjevanje natrijevega aluminata silicija je tipičen postopek kemične koagulacije-adsorpcije-obarjanja. Njegovo jedro izračuna ni preprosto stehiometrično razmerje, temveč inženirska metoda, ki temelji na eksperimentih, ki se opira na empirična razmerja in zahteva celovite prilagoditve.
I. Mehanizem za odstranjevanje silicija
Hidroliza: Natrijev aluminat (NaAlO₂ ali NaAl(OH)₄) hitro hidrolizira po dodatku vodi, pri čemer nastanejo koloidi amorfnega aluminijevega hidroksida (Al(OH)3) z veliko specifično površino in močno adsorpcijsko zmogljivostjo.
NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)3↓ + NaOH
Adsorpcija in koprecipitacija: Nastali pozitivno nabit Al(OH)₃ koloid nevtralizira naboj negativno nabitega aktivnega silicijevega dioksida v vodi (kot je HSiO₃⁻, SiO3²⁻, običajno predstavljen kot SiO₂). Z adsorpcijo in kompleksiranjem tvori netopne aluminosilikatne komplekse ali pa se pomete v kosmiče in ko-obori.
Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)3·(SiO₂)ₓ (shematski postopek, ne-standardna reakcijska formula)
Ta postopek določa, da razmerje porabe kemikalij (masno razmerje natrijevega aluminata in silicijevega dioksida) ni fiksna teoretična vrednost, temveč empirični razpon, na katerega vpliva več dejavnikov.
II. Določanje razmerja porabe kemikalij (vrednost R)
Celoten izračun se vrti okoli osnovnega empiričnega razmerja, R:
R=Odmerjanje natrijevega aluminata (mg/L NaAlO₂) / Količina silicija, ki ga je treba odstraniti (mg/L SiO₂)
1. Določanje osnovnih podatkov
Koncentracija silicija v surovi vodi [Si]₀: koncentracija SiO₂ vzorca vode pred obdelavo (mg/L).
Ciljna koncentracija silicija [Si]ₜ: Zahtevana koncentracija SiO₂ po obdelavi (mg/L).
Količina silicija za odstranitev Δ[Si]: Δ[Si]=[Si]₀ - [Si]ₜ (mg/L SiO₂).
2. Ključno empirično razmerje (R)
To je najbolj kritičen parameter v izračunu in ga je treba pridobiti eksperimentalno.
Študija primera odstranjevanja fluorida in silicija - Nanjing Danheng Technology Co., Ltd.
Tipično območje: Obsežna inženirska praksa kaže, da je vrednost R običajno med 8 in 20. To pomeni, da je treba za vsak 1 mg odstranjenega SiO₂ dodati 8 mg do 20 mg natrijevega aluminata.
Zakaj razpon? Ker na vrednost R pomembno vplivajo naslednji dejavniki in jo je treba določiti s preskusi v čaši:
Vrednost pH: Optimalno okno pH za odstranitev silicijevega dioksida je zelo ozko, običajno med 6,5 in 7,5 (šibko kislo do nevtralno). Če je pH prenizek (<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 bo raztopil v AlO₂⁻, kar bo povzročilo razpad koloidov. Optimalna pH točka se nekoliko razlikuje glede na kakovost vode.
Temperatura vode: povišana temperatura okrepi molekularno toplotno gibanje, pospeši hitrost reakcije in spodbuja boljšo tvorbo kosmičev, kar lahko ustrezno zniža vrednost R.
Soobstoječi ioni v vodi: trdota (Ca²⁺, Mg²⁺) spodbuja flokulacijo in lahko zniža vrednost R; medtem ko organska snov tekmuje s koloidi ali jih inkapsulira, kar lahko poveča vrednost R.
Začetna koncentracija silicijevega dioksida: višje začetne koncentracije lahko povzročijo večjo učinkovitost odstranjevanja na enoto reagenta (R vrednost se lahko nagiba k spodnji meji območja).
Reakcijski pogoji: Intenzivnost mešanja, čas flokulacije in čas usedanja neposredno vplivajo na učinek.
3. Izvedite teste v čaši, da določite optimalni R in optimalni pH
Vzemite vrsto vzorcev surove vode enake prostornine.
Prvi sklop testov (fiksen pH, spremenljivo odmerjanje): prilagodite pH vseh vzorcev vode na prednastavljeno vrednost (npr. 7,0) in dodajte raztopine natrijevega aluminata pri različnih gradientih (npr. odmerki, izračunani glede na R=5, 10, 15, 20 ...).
Drugi sklop testov (fiksni odmerek, spremenljiv pH): Izberite vmesni odmerek in prilagodite pH vzorcev vode različnim gradientom (npr. 6,0, 6,5, 7,0, 7,5, 8,0).
Izvedite standardizirano hitro mešanje (mešanje), počasno mešanje (flokulacija) in statično sedimentacijo na vseh vzorcih vode.
Vzemite supernatant in določite koncentracijo preostalega SiO₂.
Risanje krivulj: Narišite krivuljo »Odmerjanje - ostankov silicija«, da poiščete najmanjši odmerek, ki je potreben za dosego ciljnega [Si]ₜ. Narišite krivuljo "pH - ostankov silicija", da poiščete optimalno točko pH za odstranitev silicija.
Izračun vrednosti R: Na podlagi krivulje "Odmerjanje - ostanka silicija" poiščite odmerek C (mg/L NaAlO₂), ki ustreza doseganju cilja [Si]ₜ. Potem je R=C/Δ[Si].
4. Izračun dejanskega odmerka
Ko sta vrednost R in optimalna pH vrednost, primerna za trenutno kakovost vode, določeni s poskusi, postanejo izračuni za dnevno delovanje zelo preprosti:
Teoretični odmerek (mg/L)=R × Δ[Si]
Pri čemer je Δ[Si] izračunan na podlagi-časovno spremljane koncentracije silicija v surovi vodi in ciljne vrednosti.
III. Pomožni izračuni in operativne prilagoditve
Poraba alkalnosti in izračuni prilagoditve pH:
Hidroliza natrijevega aluminata proizvaja NaOH, pri čemer se porabi kislost (H⁺) v vodi. To pomeni, da je običajno potrebna dodatna kislina (kot je žveplova ali klorovodikova kislina) za stabilizacijo pH v optimalnem območju.
Količina OH⁻, ki nastane s hidrolizo ≈ (odmerek (mg/L NaAlO₂)/82) * 1000 (mmol/L)
Zahtevano količino kisline (na osnovi 98 % H₂SO₄) je mogoče oceniti kot: Odmerek kisline (mg/L) ≈ [potreben OH⁻ (mmol/L) × 49]/0,98/η
(Kjer je 49 molska masa H₂SO₄, 0,98 je čistost in η je koeficient učinkovitosti)
Opomba: To je groba ocena. Dejansko količino dodane kisline je treba nadzorovati s povratno informacijo spletnega pH-metra, frekvenco kislinske črpalke pa prilagoditi s krmiljenjem PID.
Izračun ostanka aluminija: Ne obori se ves dodan aluminij; nekaj ostane v vodi. Vsebnost aluminija v odplakah je treba spremljati, da zagotovimo, da ustreza standardom kakovosti vode (običajno<0.2 mg/L). Adding too much not only wastes the reagent, but can also lead to excessive aluminum levels.