طريقة حساب إزالة ألومينات الصوديوم من السيليكون في معالجة مياه الصرف الصحي

تعتبر عملية إزالة السيليكون من ألومينات الصوديوم عملية تخثر كيميائي نموذجية-وعملية امتزاز وترسيب مشترك. إن حسابها الأساسي ليس علاقة بسيطة من العناصر المتكافئة، بل هو أسلوب هندسي يعتمد على التجارب، ويعتمد على النسب التجريبية، ويتطلب تعديلات شاملة.

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

NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH
الامتزاز والترسيب المشترك: تعمل غرويات Al(OH)₃ موجبة الشحنة على تحييد شحنة السيليكون النشط سالب الشحنة في الماء (مثل HSiO₃⁻ وSiO₃²⁻، والتي يتم تمثيلها عادةً بـ SiO₂)، ومن خلال الامتزاز والتعقيد، تشكل مجمعات ألومينوسيليكات غير قابلة للذوبان أو تُجرف إلى كتل من أجل الترسيب المشترك.

Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)₃·(SiO₂)ₓ (عملية توضيحية، صيغة التفاعل غير - القياسية)
تحدد هذه العملية أن نسبة الاستهلاك الكيميائي (نسبة وزن ألومينات الصوديوم إلى السيليكا) ليست قيمة نظرية ثابتة، ولكنها نطاق تجريبي يتأثر بعوامل متعددة.

الحساب بأكمله يدور حول نسبة تجريبية أساسية R:

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

1. تحديد البيانات الأساسية

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

تركيز السيليكا 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 الحرجة (R)

هذه هي المعلمة الأكثر أهمية للحساب ويجب الحصول عليها تجريبياً.

النطاق النموذجي: تظهر الممارسات الهندسية واسعة النطاق أن قيمة R تتراوح عادة بين 8 و20. أي أنه مقابل كل 1 مجم من SiO₂ تمت إزالته، يجب 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 السيليكون ضيقة جدًا، وعادة ما تتراوح 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⁻، وسوف تتفكك 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، مما قد يؤدي إلى خفض قيمة R.

الأيونات الموجودة في الماء: الصلابة (Ca²⁺، Mg²⁺) تعزز التلبد وقد تقلل من قيمة R؛ ومع ذلك، فإن المادة العضوية تتنافس 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، وزمن الاستقرار كلها تؤثر بشكل مباشر على التأثير.

3. قم بإجراء اختبارات الدورق لتحديد R الأمثل ودرجة الحموضة المثلى. خذ سلسلة من عينات المياه الخام ذات الحجم المتساوي.

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 التجارب (جرعة ثابتة، درجة حموضة متغيرة): تم اختيار جرعة متوسطة محددة، وتم تعديل درجة حموضة عينات المياه إلى تدرجات مختلفة (على سبيل المثال، 6.0، 6.5، 7.0، 7.5، 8.0).

خضعت جميع عينات المياه للتحريك السريع (الخلط)، والتحريك البطيء (التلبد)، والترسيب.

تم قياس تركيز SiO₂ المتبقي في طاف.

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

حساب قيمة R-: بناءً على منحنى "الجرعة-السيليكون المتبقي"، تم العثور على الجرعة C (mg/L NaAlO₂) المقابلة لتحقيق الهدف [Si]ₜ. وبالتالي، 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 اليومية بسيطة للغاية:

الجرعة النظرية (ملجم / لتر)=R × Δ[Si]

حيث يتم حساب Δ[Si] استنادًا إلى تركيز السيليكا الذي يتم مراقبته في الوقت الحقيقي-في المياه الخام والقيمة المستهدفة.

1. استهلاك القلوية وحسابات تعديل 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 المراد إضافته (على أساس 98% H₂SO₄) على النحو التالي: إضافة 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 بواسطة التحكم PID.

حساب بقايا الألومنيوم: ليس كل رواسب الألومنيوم المضافة؛ سيبقى البعض في الماء. يجب مراقبة محتوى الألومنيوم في النفايات السائلة للتأكد من أنه يلبي معايير جودة المياه (عادة<0.2mg/L). Overdosing not only wastes reagents but also leads to excessive aluminum levels.