La eliminación de silicio y aluminato de sodio es un proceso típico de coagulación química-adsorción co-precipitación. Su núcleo de cálculo no es una simple relación estequiométrica, sino más bien un método de ingeniería basado en experimentos, que se basa en proporciones empíricas y que requiere ajustes integrales.
I. Mecanismo de eliminación de silicio
Hidrólisis: el aluminato de sodio (NaAlO₂ o NaAl(OH)₄) se hidroliza rápidamente al agregarlo al agua, generando coloides de hidróxido de aluminio amorfo (Al(OH)₃) con una enorme superficie específica y una fuerte capacidad de adsorción.
NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH
Adsorción y coprecipitación: el coloide Al(OH)₃ cargado positivamente formado neutraliza la carga de sílice activa cargada negativamente en el agua (como HSiO₃⁻, SiO₃²⁻, generalmente representado como SiO₂). Mediante adsorción y complejación, forma complejos de aluminosilicato insolubles o es arrastrado hacia el flóculo y co-precipita.
Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)₃·(SiO₂)ₓ (Proceso esquemático, fórmula de reacción no-estándar)
Este proceso determina que la relación de consumo de productos químicos (relación en peso de aluminato de sodio a sílice) no es un valor teórico fijo, sino más bien un rango empírico influenciado por múltiples factores.
II. Determinación del índice de consumo de productos químicos (valor R)
Todo el cálculo gira en torno a una relación empírica básica, R:
R=Dosis de aluminato de sodio (mg/L NaAlO₂) / Cantidad de silicio a eliminar (mg/L SiO₂)
1. Determinación de los datos básicos
Concentración de silicio en agua cruda [Si]₀: la concentración de SiO₂ de la muestra de agua antes del tratamiento (mg/L).
Concentración objetivo de silicio [Si]ₜ: La concentración de SiO₂ requerida después del tratamiento (mg/L).
Cantidad de silicio a eliminar Δ[Si]: Δ[Si]=[Si]₀ - [Si]ₜ (mg/L SiO₂).
2. Ratio empírico clave (R)
Este es el parámetro más crítico en el cálculo y debe obtenerse experimentalmente.
Estudio de caso de eliminación de fluoruro y silicio - Nanjing Danheng Technology Co., Ltd.
Rango típico: una amplia práctica de ingeniería muestra que el valor R suele estar entre 8 y 20. Esto significa que por cada 1 mg de SiO₂ eliminado, es necesario agregar de 8 mg a 20 mg de aluminato de sodio.
¿Por qué una gama? Porque el valor R se ve afectado significativamente por los siguientes factores y debe determinarse mediante pruebas de vaso de precipitado:
Valor de pH: la ventana de pH óptima para la eliminación de sílice es muy estrecha, normalmente entre 6,5 y 7,5 (débilmente ácida a neutra). Si el pH es demasiado bajo (<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 se disolverá en AlO₂⁻, lo que provocará la descomposición de los coloides. El punto de pH óptimo varía ligeramente según la calidad del agua.
Temperatura del agua: el aumento de la temperatura intensifica el movimiento térmico molecular, acelera la velocidad de reacción y promueve una mejor formación de flóculos, lo que puede reducir adecuadamente el valor R.
Iones coexistentes en el agua: la dureza (Ca²⁺, Mg²⁺) promueve la floculación y puede reducir el valor R; mientras que la materia orgánica compite con los coloides o los encapsula, aumentando potencialmente el valor R.
Concentración inicial de sílice: concentraciones iniciales más altas pueden dar como resultado una mayor eficiencia de eliminación por unidad de reactivo (el valor R puede tender hacia el límite inferior del rango).
Condiciones de reacción: la intensidad de la mezcla, el tiempo de floculación y el tiempo de sedimentación afectan directamente el efecto.
3. Realice pruebas de vasos de precipitados para determinar la R óptima y el pH óptimo.
Tome una serie de muestras de agua cruda del mismo volumen.
Primera serie de pruebas (pH fijo, dosis variable): ajuste el pH de todas las muestras de agua a un valor preestablecido (p. ej., 7,0) y agregue soluciones de aluminato de sodio en diferentes gradientes (p. ej., dosis calculadas según R=5, 10, 15, 20...).
Segundo conjunto de pruebas (dosis fija, pH variable): seleccione una dosis intermedia y ajuste el pH de las muestras de agua a diferentes gradientes (p. ej., 6,0, 6,5, 7,0, 7,5, 8,0).
Realice una agitación rápida (mezcla) estandarizada, una agitación lenta (floculación) y una sedimentación estática en todas las muestras de agua.
Tomar el sobrenadante y determinar la concentración de SiO₂ residual.
Trazado de curvas: Trazar la curva de "Dosis - Silicio Residual" para encontrar la dosis mínima requerida para alcanzar el [Si]ₜ objetivo. Trazar la curva "pH - Silicio Residual" para encontrar el punto de pH óptimo para la eliminación del silicio.
Cálculo del valor R: basándose en la curva "Dosis - Silicio residual", encuentre la dosis C (mg/L NaAlO₂) correspondiente a alcanzar el [Si]ₜ objetivo. Entonces, R=C/Δ[Si].
4. Cálculo de la dosis real
Una vez que se determinan mediante experimentos el valor R y el valor de pH óptimo adecuado para la calidad actual del agua, los cálculos para el funcionamiento diario se vuelven muy simples:
Dosis teórica (mg/L)=R × Δ[Si]
Donde, Δ[Si] se calcula en función de la concentración de silicio del agua cruda monitoreada en tiempo real-y el valor objetivo.
III. Cálculos Auxiliares y Ajustes Operacionales
Cálculos de consumo de alcalinidad y ajuste de pH:
La hidrólisis del aluminato de sodio produce NaOH, consumiendo la acidez (H⁺) del agua. Esto significa que normalmente se requiere ácido adicional (como ácido sulfúrico o ácido clorhídrico) para estabilizar el pH dentro del rango óptimo.
La cantidad de OH⁻ producida por hidrólisis ≈ (dosis (mg/L NaAlO₂)/82) * 1000 (mmol/L)
La cantidad requerida de ácido (basada en H₂SO₄ al 98%) se puede estimar como: Dosis de ácido (mg/L) ≈ [OH⁻ requerido (mmol/L) × 49]/0,98/η
(Donde 49 es la masa molar de H₂SO₄, 0,98 es la pureza y η es el coeficiente de eficiencia)
Nota: Esta es una estimación aproximada. La cantidad real de ácido agregado debe controlarse mediante la retroalimentación de un medidor de pH en línea y la frecuencia de la bomba de ácido debe ajustarse mediante el control PID.
Cálculo del residuo de aluminio: No todo el aluminio añadido precipita; algunos restos en el agua. Es necesario monitorear el contenido de aluminio en el efluente para garantizar que cumpla con los estándares de calidad del agua (generalmente<0.2 mg/L). Adding too much not only wastes the reagent, but can also lead to excessive aluminum levels.
