Usuwanie glinianu sodu i krzemu to typowy proces-adsorpcji i współ-wytrącania chemicznego. Jego rdzeniem obliczeniowym nie jest prosta zależność stechiometryczna, ale raczej metoda inżynieryjna oparta na eksperymentach, opierająca się na współczynnikach empirycznych i wymagająca kompleksowych dostosowań.
I. Mechanizm usuwania krzemu
Hydroliza: Glinian sodu (NaAlO₂ lub NaAl(OH)₄) szybko hydrolizuje po dodaniu do wody, tworząc amorficzne koloidy wodorotlenku glinu (Al(OH)₃) o ogromnej powierzchni właściwej i dużej zdolności adsorpcyjnej.
NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH
Adsorpcja i współstrącanie: Utworzony dodatnio naładowany koloid Al(OH)₃ neutralizuje ładunek ujemnie naładowanej aktywnej krzemionki w wodzie (takiej jak HSiO₃⁻, SiO₃²⁻, zwykle przedstawianej jako SiO₂). Poprzez adsorpcję i kompleksowanie tworzy nierozpuszczalne kompleksy glinokrzemianowe lub jest wciągany do kłaczków i współ-wytrąca się.
Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)₃·(SiO₂)ₓ (Schemat procesu, nie-standardowy wzór reakcji)
Proces ten określa, że stosunek zużycia substancji chemicznych (stosunek wagowy glinianu sodu do krzemionki) nie jest stałą wartością teoretyczną, ale raczej zakresem empirycznym, na który wpływa wiele czynników.
II. Określanie współczynnika zużycia substancji chemicznych (wartość R)
Całe obliczenie opiera się na podstawowym współczynniku empirycznym R:
R=Dawka glinianu sodu (mg/L NaAlO₂) / Ilość krzemu do usunięcia (mg/L SiO₂)
1. Wyznaczanie danych podstawowych
Stężenie krzemu w wodzie surowej [Si]₀: Stężenie SiO₂ w próbce wody przed obróbką (mg/L).
Docelowe stężenie krzemu [Si]ₜ: Wymagane stężenie SiO₂ po obróbce (mg/L).
Ilość krzemu do usunięcia Δ[Si]: Δ[Si]=[Si]₀ - [Si]ₜ (mg/L SiO₂).
2. Kluczowy współczynnik empiryczny (R)
Jest to najbardziej krytyczny parametr w obliczeniach i należy go uzyskać eksperymentalnie.
Studium przypadku usuwania fluoru i krzemu - Nanjing Danheng Technology Co., Ltd.
Typowy zakres: Szeroka praktyka inżynierska pokazuje, że wartość R wynosi zazwyczaj od 8 do 20. Oznacza to, że na każdy 1 mg usuniętego SiO₂ należy dodać od 8 mg do 20 mg glinianu sodu.
Dlaczego zakres? Ponieważ na wartość R znacząco wpływają następujące czynniki i należy ją określić za pomocą testów zlewkowych:
Wartość pH: Optymalne okno pH do usuwania krzemionki jest bardzo wąskie, zazwyczaj pomiędzy 6,5 a 7,5 (od słabo kwaśnego do obojętnego). Jeśli pH jest zbyt niskie (np.<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 rozpuści się w AlO₂⁻, powodując rozkład koloidów. Optymalny punkt pH różni się nieznacznie w zależności od jakości wody.
Temperatura wody: Podwyższona temperatura intensyfikuje ruch termiczny molekuł, przyspiesza szybkość reakcji i sprzyja lepszemu tworzeniu się kłaczków, co może odpowiednio obniżyć wartość R.
Współistniejące jony w wodzie: Twardość (Ca²⁺, Mg²⁺) sprzyja flokulacji i może obniżyć wartość R; podczas gdy materia organiczna konkuruje z koloidami lub otacza je, potencjalnie zwiększając wartość R.
Początkowe stężenie krzemionki: Wyższe początkowe stężenia mogą skutkować wyższą skutecznością usuwania na jednostkę odczynnika (wartość R może zmierzać w stronę dolnej granicy zakresu).
Warunki reakcji: Intensywność mieszania, czas flokulacji i czas osiadania – wszystko to ma bezpośredni wpływ na efekt.
3. Przeprowadzić testy zlewkowe w celu określenia optymalnego R i optymalnego pH
Pobrać serię próbek wody surowej o tej samej objętości.
Pierwsza seria testów (stałe pH, zmienne dozowanie): Dostosuj pH wszystkich próbek wody do zadanej wartości (np. 7,0) i dodaj roztwory glinianu sodu o różnym gradiencie (np. dawki obliczone według R=5, 10, 15, 20...).
Drugi zestaw testów (stała dawka, zmienne pH): Wybierz dawkę pośrednią i dostosuj pH próbek wody do różnych gradientów (np. 6,0, 6,5, 7,0, 7,5, 8,0).
Wykonaj standardowe szybkie mieszanie (mieszanie), powolne mieszanie (flokulacja) i sedymentację statyczną na wszystkich próbkach wody.
Pobrać supernatant i oznaczyć resztkowe stężenie SiO₂.
Wykreślanie krzywych: Narysuj krzywą „Dawka - pozostałości krzemu”, aby znaleźć minimalną dawkę wymaganą do osiągnięcia docelowej wartości [Si]ₜ. Narysuj krzywą „pH - pozostałości krzemu”, aby znaleźć optymalny punkt pH do usunięcia krzemu.
Obliczanie wartości R: Na podstawie krzywej „Dawka - pozostałości krzemu” znajdź dawkę C (mg/L NaAlO₂) odpowiadającą osiągnięciu docelowej wartości [Si]ₜ. Następnie R=C/Δ[Si].
4. Obliczenie rzeczywistej dawki
Po doświadczalnym określeniu wartości R i optymalnej wartości pH odpowiedniej dla aktualnej jakości wody, obliczenia dotyczące codziennej pracy stają się bardzo proste:
Dawka teoretyczna (mg/L)=R × Δ[Si]
Gdzie Δ[Si] jest obliczane na podstawie-monitorowanego w czasie rzeczywistym stężenia krzemu w wodzie surowej i wartości docelowej.
III. Obliczenia pomocnicze i dostosowania operacyjne
Obliczenia zużycia zasadowości i regulacji pH:
Hydroliza glinianu sodu wytwarza NaOH, pochłaniając kwasowość (H⁺) wody. Oznacza to, że do ustabilizowania pH w optymalnym zakresie zwykle wymagany jest dodatkowy kwas (taki jak kwas siarkowy lub kwas solny).
Ilość OH⁻ wytworzonego w wyniku hydrolizy ≈ (dawka (mg/L NaAlO₂)/82) * 1000 (mmol/L)
Wymaganą ilość kwasu (w oparciu o 98% H₂SO₄) można oszacować jako: Dawka kwasu (mg/L) ≈ [wymagane OH⁻ (mmol/L) × 49]/0,98/η
(Gdzie 49 to masa molowa H₂SO₄, 0,98 to czystość, a η to współczynnik wydajności)
Uwaga: jest to przybliżony szacunek. Rzeczywista ilość dodanego kwasu musi być kontrolowana za pomocą sprzężenia zwrotnego pH-metru online, a częstotliwość pompy kwasu regulowana za pomocą sterowania PID.
Obliczanie pozostałości glinu: Nie wszystkie dodane osady glinu; część pozostaje w wodzie. Należy monitorować zawartość aluminium w ściekach, aby upewnić się, że spełniają one normy jakości wody (zwykle<0.2 mg/L). Adding too much not only wastes the reagent, but can also lead to excessive aluminum levels.
