طريقة حساب إزالة السيليكون بألومينات الصوديوم في معالجة مياه الصرف الصحي

تعتبر إزالة سيليكون ألومينات الصوديوم عملية تخثر كيميائية نموذجية-امتزاز مشترك-عملية ترسيب. جوهر حساباتها ليس علاقة بسيطة من العناصر المتكافئة، بل هي طريقة هندسية تعتمد على التجارب، وتعتمد على النسب التجريبية، وتتطلب تعديلات شاملة.

التحلل المائي: تتحلل ألومينات الصوديوم (NaAlO₂ أو NaAl(OH)₄) بسرعة عند إضافتها إلى الماء، مما ينتج عنه غرويات هيدروكسيد الألومنيوم غير المتبلور (Al(OH)₃) بمساحة سطحية كبيرة محددة وقدرة امتصاص قوية.

NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH

الامتزاز والترسيب المشترك: تعمل المادة الغروانية Al(OH)₃ المشحونة بشكل إيجابي على تحييد شحنة السيليكا النشطة سالبة الشحنة في الماء (مثل HSiO₃⁻، SiO₃²⁻، والتي يتم تمثيلها عادةً بـ SiO₂). من خلال الامتزاز والتعقيد، فإنه يشكل مجمعات ألومينوسيليكات غير قابلة للذوبان أو ينجرف إلى الكتلة والرواسب المشتركة-.

Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)₃·(SiO₂)ₓ (عملية تخطيطية، صيغة التفاعل غير - القياسية)

تحدد هذه العملية أن نسبة الاستهلاك الكيميائي (نسبة وزن ألومينات الصوديوم إلى السيليكا) ليست قيمة نظرية ثابتة، بل نطاق تجريبي يتأثر بعوامل متعددة.

الحساب بأكمله يدور حول نسبة تجريبية أساسية، R:

R=جرعة ألومينات الصوديوم (مجم/لتر NaAlO₂) / كمية السيليكون المراد إزالتها (مجم/لتر SiO₂)

1. تحديد البيانات الأساسية

تركيز السيليكون في الماء الخام [Si]₀: تركيز SiO₂ لعينة الماء قبل المعالجة (مجم/لتر).

تركيز السيليكون المستهدف [Si]ₜ: تركيز SiO₂ المطلوب بعد العلاج (مجم/لتر).

كمية السيليكون المراد إزالتها Δ[Si]: Δ[Si]=[Si]₀ - [Si]ₜ (mg/L SiO₂).

2. النسبة التجريبية الرئيسية (R)

هذه هي المعلمة الأكثر أهمية في الحساب ويجب الحصول عليها تجريبياً.

دراسة حالة إزالة الفلورايد والسيليكون - Nanjing Danheng Technology Co., Ltd.

النطاق النموذجي: تظهر الممارسات الهندسية واسعة النطاق أن قيمة R تتراوح عادةً بين 8 و20. وهذا يعني أنه لكل 1 مجم من SiO₂ تمت إزالته، يلزم إضافة 8 مجم إلى 20 مجم من ألومينات الصوديوم.

لماذا النطاق؟ لأن قيمة R تتأثر بشكل كبير بالعوامل التالية ويجب تحديدها من خلال اختبارات الدورق:

قيمة الرقم الهيدروجيني: نافذة الرقم الهيدروجيني الأمثل لإزالة السيليكا ضيقة جدًا، عادةً ما بين 6.5 و7.5 (حمضية ضعيفة إلى محايدة). إذا كان الرقم الهيدروجيني منخفضًا جدًا (<6.0), Al(OH)₃ colloids will dissolve into Al³⁺, losing their adsorption capacity; if the pH is too high (>8.0),

سوف يذوب Al(OH)₃ في AlO₂⁻، مما يتسبب في تحلل الغرويات. تختلف نقطة الرقم الهيدروجيني المثالية قليلاً اعتمادًا على جودة المياه.

درجة حرارة الماء: تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى تكثيف الحركة الحرارية الجزيئية، وتسريع معدل التفاعل، وتعزيز تكوين الكتلة بشكل أفضل، والذي يمكن أن يخفض قيمة R بشكل مناسب.

الأيونات الموجودة في الماء: الصلابة (Ca²⁺، Mg²⁺) تعزز التلبد وقد تقلل من قيمة R؛ بينما تتنافس المواد العضوية مع الغرويات أو تغلفها، مما قد يؤدي إلى زيادة قيمة R.

تركيز السيليكا الأولي: قد تؤدي التركيزات الأولية الأعلى إلى كفاءة إزالة أعلى لكل وحدة كاشف (قد تميل قيمة R نحو الحد الأدنى للنطاق).

ظروف التفاعل: كثافة الخلط، وزمن التلبد، ووقت الاستقرار كلها تؤثر بشكل مباشر على التأثير.

3. قم بإجراء اختبارات الدورق لتحديد R الأمثل ودرجة الحموضة المثلى

خذ سلسلة من عينات المياه الخام بنفس الحجم.

المجموعة الأولى من الاختبارات (درجة الحموضة الثابتة، الجرعة المتغيرة): ضبط درجة الحموضة لجميع عينات المياه إلى قيمة محددة مسبقًا (على سبيل المثال، 7.0)، وإضافة محاليل ألومينات الصوديوم بتدرجات مختلفة (على سبيل المثال، الجرعات المحسوبة وفقًا لـ R=5، 10، 15، 20...).

المجموعة الثانية من الاختبارات (جرعة ثابتة، درجة حموضة متغيرة): حدد جرعة متوسطة واضبط درجة حموضة عينات المياه على تدرجات مختلفة (على سبيل المثال، 6.0، 6.5، 7.0، 7.5، 8.0).

إجراء التحريك السريع الموحد (الخلط)، والتحريك البطيء (التلبد)، والترسيب الثابت على جميع عينات المياه.

خذ المادة طافية وحدد تركيز SiO₂ المتبقي.

رسم المنحنيات: ارسم منحنى "الجرعة - من السيليكون المتبقي" للعثور على الحد الأدنى من الجرعة المطلوبة لتحقيق الهدف [Si]ₜ. ارسم منحنى "الرقم الهيدروجيني - السيليكون المتبقي" للعثور على نقطة الرقم الهيدروجيني الأمثل لإزالة السيليكون.

حساب قيمة R: استنادًا إلى منحنى "الجرعة - من السيليكون المتبقي"، ابحث عن الجرعة C (mg/L NaAlO₂) المقابلة لتحقيق الهدف [Si]ₜ. ثم R=C/Δ[Si].

4. حساب الجرعة الفعلية

بمجرد تحديد قيمة R وقيمة الرقم الهيدروجيني الأمثل المناسبة لجودة المياه الحالية من خلال التجارب، تصبح حسابات التشغيل اليومي بسيطة للغاية:

الجرعة النظرية (ملجم / لتر)=R × Δ[Si]

حيث يتم حساب Δ[Si] استنادًا إلى تركيز السيليكون في الماء الخام الذي يتم مراقبته في الوقت الفعلي والقيمة المستهدفة.

حسابات استهلاك القلوية وتعديل الرقم الهيدروجيني:

ينتج التحلل المائي لألومينات الصوديوم NaOH، ويستهلك الحموضة (H⁺) الموجودة في الماء. وهذا يعني أن حمضًا إضافيًا (مثل حمض الكبريتيك أو حمض الهيدروكلوريك) مطلوب عادةً لتثبيت الرقم الهيدروجيني ضمن النطاق الأمثل.

كمية OH⁻ الناتجة عن التحلل المائي ≈ (الجرعة (ملجم/لتر NaAlO₂)/82) * 1000 (مليمول/لتر)

يمكن تقدير الكمية المطلوبة من الحمض (استنادًا إلى 98% H₂SO₄) على النحو التالي: جرعة الحمض (ملجم/لتر) ≈ [مطلوب OH⁻ (مليمول/لتر) × 49]/0.98/η

(حيث 49 هي الكتلة المولية لـ H₂SO₄، 0.98 هو النقاء، و η هو معامل الكفاءة)

ملحوظة: هذا تقدير تقريبي. يجب التحكم في الكمية الفعلية للحمض المضاف من خلال ردود فعل مقياس الأس الهيدروجيني عبر الإنترنت وضبط تردد مضخة الحمض عبر التحكم PID.

حساب بقايا الألومنيوم: ليس كل رواسب الألومنيوم المضافة؛ يبقى البعض في الماء. يجب مراقبة محتوى الألومنيوم في النفايات السائلة للتأكد من أنه يلبي معايير جودة المياه (عادة<0.2 mg/L). Adding too much not only wastes the reagent, but can also lead to excessive aluminum levels.