דה-סיליקוניזציה של נתרן אלומינאט היא תהליך קרישה כימי טיפוסי-בספיחה משותפת. חישוב הליבה שלו אינו קשר סטוכיומטרי פשוט, אלא שיטה הנדסית המבוססת על ניסויים, הנשענת על יחסים אמפיריים ודורשת התאמות מקיפות.
I. מנגנון דה-סיליקוניזציה
הידרוליזה: נתרן אלומינט (NaAlO₂ או NaAl(OH)4) עובר הידרוליזה במהירות עם הוספה למים, יוצר קולואידים אמורפיים אלומיניום הידרוקסיד (Al(OH)₃) עם שטח פנים ספציפי גדול ויכולת ספיחה חזקה.
NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH
ספיחה ומשקעים: הקולואידים הטעונים חיובית Al(OH)₃ מנטרלים את המטען של סיליקון פעיל בעל מטען שלילי במים (כגון HSiO₃⁻, SiO₃²⁻, המיוצגים בדרך כלל כ-SiO₂), ובאמצעות ספיחה וקומפלקס יוצרים קומפלקסים בלתי מסיסים ל-aluminocseptw עבור אלומינוסיליקט. -משקעים משותפים.
Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)₃·(SiO₂)ₓ (תהליך המחשה, נוסחת תגובה לא-תקנית)
תהליך זה קובע כי יחס הצריכה הכימית (יחס המשקל של נתרן אלומינט לסיליקה) אינו ערך תיאורטי קבוע, אלא טווח אמפירי המושפע ממספר גורמים.
II. קביעת יחס צריכת כימיקלים (ערך R)
החישוב כולו סובב סביב יחס אמפירי ליבה R:
R=מינון נתרן אלומינאט (מ"ג/ליטר NaAlO₂) / כמות הסיליקה להסרה (מ"ג/ליטר SiO₂)
1. קביעת נתונים בסיסיים
ריכוז סיליקה במים גולמיים [Si]₀: ריכוז SiO₂ של דגימת המים לפני הטיפול (מ"ג/ליטר).
ריכוז סיליקה יעד [Si]ₜ: ריכוז SiO₂ נדרש לאחר הטיפול (מ"ג/ליטר).
כמות הסיליקון שיש להסיר Δ[Si]: Δ[Si]=[Si]₀ - [Si]ₜ (mg/L SiO₂).
2. יחס אמפירי קריטי (R)
זהו הפרמטר הקריטי ביותר לחישוב ויש להשיגו בניסוי.
טווח טיפוסי: תרגול הנדסי נרחב מראה שערך R הוא בדרך כלל בין 8 ל-20. כלומר, על כל 1 מ"ג של SiO₂ שהוסר, יש להוסיף 8 מ"ג עד 20 מ"ג נתרן אלומינט.
למה טווח? מכיוון שערך R מושפע באופן משמעותי מהגורמים הבאים ויש לקבוע אותו באמצעות בדיקות כוס:
ערך pH: חלון ה-pH האופטימלי להסרת סיליקון הוא צר מאוד, בדרך כלל בין 6.5 ל-7.5 (חומצי חלש עד ניטרלי). אם ה-pH נמוך מדי (<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 יתמוסס לתוך AlO₂⁻, והקולואידים יתפרקו. נקודת ה-pH האופטימלית משתנה מעט בהתאם לאיכות המים. טמפרטורת מים: טמפרטורה מוגברת מעצימה את התנועה התרמית המולקולרית, מאיצה את קצב התגובה, ומעודדת היווצרות פקקים טובה יותר, מה שעלול להפחית את ערך R.
יונים המתקיימים יחד במים: קשיות (Ca²⁺, Mg²⁺) מקדמת צקיפות ועשויה להוריד את ערך R; עם זאת, חומר אורגני מתחרה או עוטף קולואידים, מה שעלול להגדיל את ערך R.
ריכוז סיליקה ראשוני: ריכוזים ראשוניים גבוהים יותר עלולים לגרום ליעילות הסרה גבוהה יותר ליחידת מגיב (ערך R עשוי להטות לעבר הגבול התחתון של הטווח).
תנאי התגובה: עוצמת הערבוב, זמן הצפצופים וזמן ההתמקמות כולם משפיעים ישירות על ההשפעה.
3. ערכו בדיקות כוס לקביעת ה-R האופטימלי וה-pH האופטימלי. קח סדרה של דגימות מים גולמיים בנפח שווה.
סט ראשון של בדיקות (pH קבוע, מינון משתנה): התאם את ה-pH של כל דגימות המים לערך מוגדר מראש (למשל, 7.0), והוסף תמיסות נתרן אלומינאט בשיפועים שונים (למשל, מינונים מחושבים לפי R=5, 10, 15, 20...). מערך הניסויים השני (מינון קבוע, pH משתנה): נבחר מינון ביניים ספציפי, וה-pH של דגימות המים הותאם לשיפועים שונים (למשל, 6.0, 6.5, 7.0, 7.5, 8.0).
כל דגימות המים עברו ערבוב מהיר (ערבוב) סטנדרטי, ערבוב איטי (צפיפות) ושקע.
ריכוז ה- SiO₂ השיורי נמדד בסופרנטנט.
שרטוט עקומה: עקומת "המינון-סיליקון שאריות" שורטטה כדי למצוא את המינון המינימלי הנדרש להשגת היעד [Si]ₜ. עקומת "pH-residual silicon" שורטטה כדי למצוא את נקודת ה-pH האופטימלית להסרת סיליקון.
חישוב ערך R-: בהתבסס על עקומת "המינון-שיורי הסיליקון", נמצא המינון C (mg/L NaAlO₂) המתאים להשגת היעד [Si]ₜ. לכן, R=C/Δ[Si]. 4. חישוב מינון בפועל
ברגע שערך R וערך pH אופטימלי המתאים לאיכות המים הנוכחית נקבעים באמצעות ניסויים, חישובי הפעולה היומיומיים הופכים לפשוטים מאוד:
מינון תיאורטי (מ"ג/ליטר)=R × Δ[Si]
כאשר, Δ[Si] מחושב על סמך ריכוז הסיליקה המנוטר בזמן אמת במים הגולמיים וערך היעד.
III. חישובי עזר והתאמות תפעוליות
1. חישובי צריכת אלקליניות והתאמת pH:
הידרוליזה של נתרן אלומינאט מייצרת NaOH, וצורכת את החומציות (H⁺) במים. משמעות הדבר היא שבדרך כלל נדרשת חומצה נוספת (כגון חומצה גופרתית או חומצה הידרוכלורית) כדי לייצב את ה-pH בטווח האופטימלי.
כמות OH⁻ המופקת בהידרוליזה ≈ (מינון (מ"ג/ליטר NaAlO₂)/82) * 1000 (ממול/ליטר)
ניתן להעריך את כמות החומצה הדרושה להוספת (על בסיס 98% H₂SO₄) כ: תוספת חומצה (מ"ג/ליטר) ≈ [נדרש OH⁻ (ממול/ליטר) × 49]/0.98/η
(כאשר 49 הוא המסה המולרית של H₂SO₄, 0.98 הוא הטוהר, ו-η הוא מקדם היעילות)
הערה: זוהי הערכה גסה. יש לשלוט על כמות החומצה בפועל שנוספה על ידי משוב מקוון של מד pH ותדירות משאבת החומצה מותאמת על ידי בקרת PID.
חישוב שאריות אלומיניום: לא כל אלומיניום שנוספו נופלים; חלקם יישארו במים. יש לנטר את תכולת האלומיניום בשפכים כדי לוודא שהוא עומד בתקני איכות המים (בדרך כלל<0.2mg/L). Overdosing not only wastes reagents but also leads to excessive aluminum levels.