Penyingkiran silikon natrium aluminat ialah proses pemendakan-penyerapan bersama-kimia biasa. Teras pengiraannya bukanlah hubungan stoikiometri yang mudah, sebaliknya kaedah kejuruteraan berdasarkan eksperimen, bergantung pada nisbah empirikal, dan memerlukan pelarasan menyeluruh.
I. Mekanisme Penyingkiran Silikon
Hidrolisis: Natrium aluminat (NaAlO₂ atau NaAl(OH)₄) dengan cepat terhidrolisis apabila ditambah kepada air, menghasilkan koloid aluminium hidroksida (Al(OH)₃) amorfus dengan luas permukaan khusus yang besar dan kapasiti penjerapan yang kuat.
NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH
Penjerapan dan kopresipitasi: Koloid Al(OH)₃ bercas positif yang terbentuk meneutralkan cas silika aktif bercas negatif dalam air (seperti HSiO₃⁻, SiO₃²⁻, biasanya diwakili sebagai SiO₂). Melalui penjerapan dan pekompleksan, ia membentuk kompleks aluminosilikat tidak larut atau disapu ke dalam flok dan{1}}mendakan bersama.
Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)₃·(SiO₂)ₓ (Proses skematik, bukan-formula tindak balas standard)
Proses ini menentukan bahawa nisbah penggunaan kimia (nisbah berat natrium aluminat kepada silika) bukanlah nilai teori tetap, sebaliknya julat empirikal yang dipengaruhi oleh pelbagai faktor.
II. Menentukan Nisbah Penggunaan Bahan Kimia (Nilai R)
Keseluruhan pengiraan berkisar pada nisbah empirikal teras, R:
R=Dos natrium aluminat (mg/L NaAlO₂) / Jumlah silikon yang perlu dikeluarkan (mg/L SiO₂)
1. Menentukan Data Asas
Kepekatan silikon air mentah [Si]₀: Kepekatan SiO₂ sampel air sebelum rawatan (mg/L).
Kepekatan silikon sasaran [Si]ₜ: Kepekatan SiO₂ yang diperlukan selepas rawatan (mg/L).
Jumlah silikon yang perlu dikeluarkan Δ[Si]: Δ[Si]=[Si]₀ - [Si]ₜ (mg/L SiO₂).
2. Nisbah Empirikal Utama (R)
Ini adalah parameter paling kritikal dalam pengiraan dan mesti diperoleh secara eksperimen.
Kajian Kes Penyingkiran Fluorida dan Silikon - Nanjing Danheng Technology Co., Ltd.
Julat biasa: Amalan kejuruteraan yang meluas menunjukkan bahawa nilai R biasanya antara 8 dan 20. Ini bermakna bagi setiap 1 mg SiO₂ yang dikeluarkan, 8 mg hingga 20 mg natrium aluminat perlu ditambah.
Mengapa julat? Kerana nilai R dipengaruhi dengan ketara oleh faktor-faktor berikut dan mesti ditentukan melalui ujian bikar:
Nilai pH: Tetingkap pH optimum untuk penyingkiran silika adalah sangat sempit, biasanya antara 6.5 dan 7.5 (berasid lemah kepada neutral). Jika pH terlalu rendah (<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 akan larut menjadi AlO₂⁻, menyebabkan koloid terurai. Titik pH optimum berbeza sedikit bergantung pada kualiti air.
Suhu air: Peningkatan suhu mempergiatkan gerakan terma molekul, mempercepatkan kadar tindak balas, dan menggalakkan pembentukan flok yang lebih baik, yang boleh menurunkan nilai R dengan sewajarnya.
Ion yang wujud bersama dalam air: Kekerasan (Ca²⁺, Mg²⁺) menggalakkan pemberbukuan dan boleh menurunkan nilai R; manakala bahan organik bersaing dengan atau membungkus koloid, berpotensi meningkatkan nilai R.
Kepekatan silika awal: Kepekatan awal yang lebih tinggi boleh menghasilkan kecekapan penyingkiran yang lebih tinggi bagi setiap unit reagen (nilai R mungkin cenderung ke arah had bawah julat).
Keadaan tindak balas: Keamatan pencampuran, masa pemberbukuan dan masa mengendap semuanya secara langsung mempengaruhi kesan.
3. Menjalankan ujian bikar untuk menentukan R optimum dan pH optimum
Ambil satu siri sampel air mentah dengan isipadu yang sama.
Set ujian pertama (pH tetap, dos berubah): Laraskan pH semua sampel air kepada nilai pratetap (cth, 7.0), dan tambah larutan natrium aluminat pada kecerunan yang berbeza (cth, dos yang dikira mengikut R=5, 10, 15, 20...).
Set ujian kedua (dos tetap, pH berubah): Pilih dos perantaraan dan laraskan pH sampel air kepada kecerunan yang berbeza (cth, 6.0, 6.5, 7.0, 7.5, 8.0).
Lakukan pengacauan pantas (pencampuran), kacau perlahan (flokulasi) dan pemendapan statik yang standard pada semua sampel air.
Ambil supernatan dan tentukan baki kepekatan SiO₂.
Merencanakan Keluk: Lakarkan keluk "Dos - Sisa Silikon" untuk mencari dos minimum yang diperlukan untuk mencapai sasaran [Si]ₜ. Lakarkan lengkung "pH - Sisa Silikon" untuk mencari titik pH optimum untuk penyingkiran silikon.
Mengira Nilai R: Berdasarkan keluk "Dos - Sisa Silikon", cari dos C (mg/L NaAlO₂) yang sepadan dengan mencapai sasaran [Si]ₜ. Kemudian, R=C/Δ[Si].
4. Pengiraan Dos Sebenar
Setelah nilai R dan nilai pH optimum yang sesuai untuk kualiti air semasa ditentukan melalui eksperimen, pengiraan untuk operasi harian menjadi sangat mudah:
Dos Teoritikal (mg/L)=R × Δ[Si]
Di mana, Δ[Si] dikira berdasarkan-masa sebenar kepekatan silikon air mentah yang dipantau dan nilai sasaran.
III. Pengiraan Tambahan dan Pelarasan Operasi
Penggunaan Kealkalian dan Pengiraan Pelarasan pH:
Hidrolisis natrium aluminat menghasilkan NaOH, memakan keasidan (H⁺) dalam air. Ini bermakna asid tambahan (seperti asid sulfurik atau asid hidroklorik) biasanya diperlukan untuk menstabilkan pH dalam julat optimum.
Jumlah OH⁻ yang dihasilkan oleh hidrolisis ≈ (dos (mg/L NaAlO₂)/82) * 1000 (mmol/L)
Jumlah asid yang diperlukan (berdasarkan 98% H₂SO₄) boleh dianggarkan sebagai: Dos asid (mg/L) ≈ [diperlukan OH⁻ (mmol/L) × 49]/0.98/η
(Di mana 49 ialah jisim molar H₂SO₄, 0.98 ialah ketulenan, dan η ialah pekali kecekapan)
Nota: Ini adalah anggaran kasar. Jumlah sebenar asid ditambah mesti dikawal oleh maklum balas meter pH dalam talian dan kekerapan pam asid dilaraskan melalui kawalan PID.
Pengiraan sisa aluminium: Tidak semua mendakan aluminium tambahan; ada yang kekal di dalam air. Kandungan aluminium dalam efluen perlu dipantau untuk memastikan ia memenuhi piawaian kualiti air (biasanya<0.2 mg/L). Adding too much not only wastes the reagent, but can also lead to excessive aluminum levels.
