Penyahsilikonisasi natrium aluminat ialah proses penyusutan-penggumpalan kimia biasa. Pengiraan terasnya bukanlah hubungan stoikiometri yang mudah, sebaliknya kaedah kejuruteraan berdasarkan eksperimen, bergantung pada nisbah empirikal, dan memerlukan pelarasan menyeluruh.
I. Mekanisme Penyahsilikonisasi
Hidrolisis: Natrium aluminat (NaAlO₂ atau NaAl(OH)₄) 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 Penyerapan: Koloid Al(OH)₃ bercas positif meneutralkan cas silikon aktif bercas negatif di dalam air (seperti HSiO₃⁻, SiO₃²⁻, biasanya diwakili sebagai SiO₂), dan melalui penjerapan dan pengkompleksan, membentuk kompleks aluminosilikat tidak larut atau aluminosilikat. bersama-kerpasan.
Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)₃·(SiO₂)ₓ (Proses ilustrasi, bukan-formula tindak balas piawai)
Proses ini menentukan bahawa nisbah penggunaan kimia (nisbah berat natrium aluminat kepada silika) bukanlah nilai teori tetap, tetapi 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 silika yang perlu dikeluarkan (mg/L SiO₂)
1. Menentukan Data Asas
Kepekatan silika air mentah [Si]₀: Kepekatan SiO₂ sampel air sebelum rawatan (mg/L).
Kepekatan silika 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 Kritikal (R)
Ini adalah parameter yang paling kritikal untuk pengiraan dan mesti diperoleh secara eksperimen.
Julat biasa: Amalan kejuruteraan yang meluas menunjukkan bahawa nilai R biasanya antara 8 dan 20. Iaitu, untuk 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: Tingkap pH optimum untuk penyingkiran silikon 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⁻, dan koloid akan hancur. 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 berpotensi menurunkan nilai R.
Ion yang wujud bersama dalam air: Kekerasan (Ca²⁺, Mg²⁺) menggalakkan pemberbukuan dan boleh menurunkan nilai R; bagaimanapun, 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 dengan kecerunan yang berbeza (cth, dos yang dikira mengikut R=5, 10, 15, 20...). Set eksperimen kedua (dos tetap, pH berubah): Dos perantaraan tertentu telah dipilih, dan pH sampel air dilaraskan kepada kecerunan yang berbeza (cth, 6.0, 6.5, 7.0, 7.5, 8.0).
Semua sampel air menjalani kacau pantas (pencampuran), kacau perlahan (flokulasi) dan mendap piawai.
Kepekatan SiO₂ sisa diukur dalam supernatan.
Memplot lengkung: Lengkung "doss-sisa silikon" telah diplot untuk mencari dos minimum yang diperlukan untuk mencapai sasaran [Si]ₜ. Lengkung "pH-sisa silikon" telah diplot untuk mencari titik pH optimum untuk penyingkiran silikon.
Pengiraan nilai R-: Berdasarkan lengkung "doss-sisa silikon", dos C (mg/L NaAlO₂) sepadan dengan mencapai sasaran [Si]ₜ ditemui. Oleh itu, 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 operasi harian menjadi sangat mudah:
Dos Teoritikal (mg/L)=R × Δ[Si]
Di mana, Δ[Si] dikira berdasarkan-masa sebenar kepekatan silika yang dipantau dalam air mentah dan nilai sasaran.
III. Pengiraan Tambahan dan Pelarasan Operasi
1. 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 untuk ditambah (berdasarkan 98% H₂SO₄) boleh dianggarkan sebagai: Penambahan 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 diselaraskan oleh kawalan PID.
Pengiraan sisa aluminium: Tidak semua mendakan aluminium tambahan; sesetengahnya akan kekal di dalam air. Kandungan aluminium dalam efluen perlu dipantau untuk memastikan ia memenuhi piawaian kualiti air (biasanya<0.2mg/L). Overdosing not only wastes reagents but also leads to excessive aluminum levels.