Desiliconisatie van natriumaluminaat is een typisch chemisch coagulatie--adsorptie-coprecipitatieproces. De kernberekening ervan is geen eenvoudige stoichiometrische relatie, maar eerder een technische methode die gebaseerd is op experimenten, zich baseert op empirische verhoudingen en uitgebreide aanpassingen vereist.
I. Desiliconisatiemechanisme
Hydrolyse: Natriumaluminaat (NaAlO₂ of NaAl(OH)₄) hydrolyseert snel na toevoeging aan water, waardoor amorfe aluminiumhydroxide (Al(OH)₃) colloïden ontstaan met een groot specifiek oppervlak en een sterk adsorptievermogen.
NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH
Adsorptie en coprecipitatie: De positief geladen Al(OH)₃-colloïden neutraliseren de lading van negatief geladen actief silicium in het water (zoals HSiO₃⁻, SiO₃²⁻, meestal weergegeven als SiO₂), en vormen door adsorptie en complexering onoplosbare aluminosilicaatcomplexen of worden in de vlokken meegevoerd voor co-precipitatie.
Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)₃·(SiO₂)ₓ (illustratief proces, niet-standaard reactieformule)
Dit proces bepaalt dat de verhouding van het chemische verbruik (gewichtsverhouding van natriumaluminaat tot silica) geen vaste theoretische waarde is, maar een empirisch bereik dat wordt beïnvloed door meerdere factoren.
II. Bepaling van de chemische verbruiksratio (R-waarde)
De hele berekening draait om een empirische kernverhouding R:
R=Dosering natriumaluminaat (mg/l NaAlO₂) / hoeveelheid te verwijderen silica (mg/l SiO₂)
1. Basisgegevens bepalen
Concentratie ruw water silica [Si]₀: SiO₂-concentratie van het watermonster vóór behandeling (mg/L).
Doelconcentratie silica [Si]ₜ: Vereiste SiO₂-concentratie na behandeling (mg/l).
Hoeveelheid te verwijderen silicium Δ[Si]: Δ[Si]=[Si]₀ - [Si]ₜ (mg/L SiO₂).
2. Kritische empirische ratio (R)
Dit is de meest kritische parameter voor berekeningen en moet experimenteel worden verkregen.
Typisch bereik: Uit uitgebreide technische praktijk blijkt dat de R-waarde doorgaans tussen 8 en 20 ligt. Dat wil zeggen dat voor elke 1 mg verwijderde SiO₂ 8 mg tot 20 mg natriumaluminaat moet worden toegevoegd.
Waarom een bereik? Omdat de R-waarde aanzienlijk wordt beïnvloed door de volgende factoren en moet worden bepaald door middel van bekerproeven:
pH-waarde: Het optimale pH-venster voor het verwijderen van silicium is erg smal, meestal tussen 6,5 en 7,5 (zwak zuur tot neutraal). Als de pH te laag is (<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 lost op in AlO₂⁻ en de colloïden vallen uiteen. Het optimale pH-punt varieert enigszins, afhankelijk van de waterkwaliteit. Watertemperatuur: Een verhoogde temperatuur intensiveert de moleculaire thermische beweging, versnelt de reactiesnelheid en bevordert een betere vlokvorming, waardoor mogelijk de R-waarde wordt verlaagd.
Naast elkaar bestaande ionen in water: hardheid (Ca²⁺, Mg²⁺) bevordert de uitvlokking en kan de R-waarde verlagen; organisch materiaal concurreert echter met colloïden of kapselt het in, waardoor de R-waarde mogelijk toeneemt.
Initiële silicaconcentratie: Hogere initiële concentraties kunnen resulteren in een hogere verwijderingsefficiëntie per eenheid reagens (de R-waarde kan neigen naar de ondergrens van het bereik).
Reactieomstandigheden: Mengintensiteit, uitvloktijd en bezinkingstijd hebben allemaal een directe invloed op het effect.
3. Voer bekertests uit om de optimale R en optimale pH te bepalen. Neem een reeks ruwwatermonsters van hetzelfde volume.
Eerste reeks tests (vaste pH, variabele dosering): Pas de pH van alle watermonsters aan op een vooraf ingestelde waarde (bijv. 7,0) en voeg natriumaluminaatoplossingen met verschillende gradiënten toe (bijv. doseringen berekend volgens R=5, 10, 15, 20...). De tweede reeks experimenten (vaste dosering, variabele pH): Er werd een specifieke tussendosering geselecteerd en de pH van de watermonsters werd aangepast aan verschillende gradiënten (bijv. 6,0, 6,5, 7,0, 7,5, 8,0).
Alle watermonsters ondergingen gestandaardiseerd snel roeren (mengen), langzaam roeren (flocculatie) en bezinken.
In het supernatant werd de resterende SiO2-concentratie gemeten.
Curve uitzetten: Er werd een curve voor de dosering-resterend silicium uitgezet om de minimale dosering te vinden die nodig is om de doelstelling [Si]ₜ te bereiken. Er werd een "pH-resterend silicium"-curve uitgezet om het optimale pH-punt voor de verwijdering van silicium te vinden.
Berekening van de R--waarde: op basis van de curve 'dosering-resterend silicium' werd de dosering C (mg/L NaAlO₂) gevonden die overeenkomt met het bereiken van de doelstelling [Si]ₜ. Daarom R=C/Δ[Si]. 4. Berekening van de werkelijke dosering
Zodra de R-waarde en de optimale pH-waarde die geschikt is voor de huidige waterkwaliteit experimenteel zijn bepaald, worden de dagelijkse bedrijfsberekeningen heel eenvoudig:
Theoretische dosering (mg/l)=R × Δ[Si]
Waarbij Δ[Si] wordt berekend op basis van de real-gemonitorde silicaconcentratie in het ruwe water en de doelwaarde.
III. Hulpberekeningen en operationele aanpassingen
1. Berekeningen van het alkaliteitsverbruik en de pH-aanpassing:
Natriumaluminaathydrolyse produceert NaOH, waarbij de zuurgraad (H⁺) in het water wordt verbruikt. Dit betekent dat er meestal extra zuur (zoals zwavelzuur of zoutzuur) nodig is om de pH binnen het optimale bereik te stabiliseren.
De hoeveelheid OH⁻ geproduceerd door hydrolyse ≈ (dosering (mg/L NaAlO₂)/82) * 1000 (mmol/L)
De benodigde hoeveelheid toe te voegen zuur (gebaseerd op 98% H₂SO₄) kan worden geschat als: Zuurtoevoeging (mg/L) ≈ [vereiste OH⁻ (mmol/L) × 49]/0,98/η
(Waarbij 49 de molaire massa van H₂SO₄ is, 0,98 de zuiverheid en η de efficiëntiecoëfficiënt)
Let op: Dit is een ruwe schatting. De werkelijke hoeveelheid toegevoegd zuur moet worden gecontroleerd door een online pH-meterfeedback en de zuurpompfrequentie moet worden aangepast door PID-regeling.
Berekening aluminiumresidu: Niet alle toegevoegde aluminium slaat neer; sommige zullen in het water blijven. Het aluminiumgehalte in het effluent moet worden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat het voldoet aan de waterkwaliteitsnormen (meestal).<0.2mg/L). Overdosing not only wastes reagents but also leads to excessive aluminum levels.