Khử silic bằng natri aluminat là một quá trình đồng kết tủa hấp phụ-đông tụ hóa học điển hình. Tính toán cốt lõi của nó không phải là mối quan hệ cân bằng hóa học đơn giản mà là một phương pháp kỹ thuật dựa trên thực nghiệm, dựa vào tỷ lệ thực nghiệm và yêu cầu điều chỉnh toàn diện.
I. Cơ chế khử silic
Thủy phân: Natri aluminate (NaAlO₂ hoặc NaAl(OH)₄) thủy phân nhanh chóng khi thêm vào nước, tạo ra keo nhôm hydroxit vô định hình (Al(OH)₃) có diện tích bề mặt riêng lớn và khả năng hấp phụ mạnh.
NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH
Hấp phụ và đồng kết tủa: Các chất keo Al(OH)₃ tích điện dương trung hòa điện tích của silicon hoạt tính tích điện âm trong nước (chẳng hạn như HSiO₃⁻, SiO₃²⁻, thường được biểu thị là SiO₂) và thông qua sự hấp phụ và tạo phức, tạo thành các phức aluminosilicate không hòa tan hoặc được cuốn vào các khối để đồng kết tủa.
Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)₃·(SiO₂)ₓ (Quy trình minh họa, công thức phản ứng phi{1}}chuẩn)
Quá trình này xác định rằng tỷ lệ tiêu thụ hóa chất (tỷ lệ trọng lượng của natri aluminate so với silica) không phải là một giá trị lý thuyết cố định mà là một phạm vi thực nghiệm bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố.
II. Xác định tỷ lệ tiêu thụ hóa chất (giá trị R)
Toàn bộ tính toán xoay quanh tỷ lệ thực nghiệm cốt lõi R:
R=Liều lượng natri aluminate (mg/L NaAlO₂) / Lượng silica cần loại bỏ (mg/L SiO₂)
1. Xác định dữ liệu cơ bản
Nồng độ silica trong nước thô [Si]₀: Nồng độ SiO₂ của mẫu nước trước khi xử lý (mg/L).
Nồng độ silica mục tiêu [Si]ₜ: Nồng độ SiO₂ cần thiết sau khi xử lý (mg/L).
Lượng silicon cần loại bỏ Δ[Si]: Δ[Si]=[Si]₀ - [Si]ₜ (mg/L SiO₂).
2. Tỷ lệ thực nghiệm quan trọng (R)
Đây là thông số quan trọng nhất để tính toán và phải thu được bằng thực nghiệm.
Phạm vi điển hình: Thực tiễn kỹ thuật mở rộng cho thấy giá trị R thường nằm trong khoảng từ 8 đến 20. Nghĩa là, cứ mỗi 1 mg SiO₂ bị loại bỏ thì cần thêm 8 mg đến 20 mg natri aluminat.
Tại sao một phạm vi? Bởi vì giá trị R bị ảnh hưởng đáng kể bởi các yếu tố sau và phải được xác định thông qua thử nghiệm cốc:
Giá trị pH: Khoảng pH tối ưu để loại bỏ silicon rất hẹp, thường nằm trong khoảng từ 6,5 đến 7,5 (có tính axit yếu đến trung tính). Nếu độ pH quá thấp (<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 sẽ hòa tan thành AlO₂⁻ và chất keo sẽ tan rã. Điểm pH tối ưu thay đổi một chút tùy thuộc vào chất lượng nước. Nhiệt độ nước: Nhiệt độ tăng sẽ tăng cường chuyển động nhiệt phân tử, tăng tốc độ phản ứng và thúc đẩy sự hình thành bông cặn tốt hơn, có khả năng làm giảm giá trị R.
Các ion cùng tồn tại trong nước: Độ cứng (Ca2⁺, Mg2⁺) thúc đẩy quá trình keo tụ và có thể làm giảm giá trị R; tuy nhiên, chất hữu cơ cạnh tranh hoặc bao bọc chất keo, có khả năng làm tăng giá trị R.
Nồng độ silica ban đầu: Nồng độ ban đầu cao hơn có thể mang lại hiệu quả loại bỏ cao hơn trên mỗi đơn vị thuốc thử (giá trị R có thể có xu hướng về giới hạn dưới của phạm vi).
Điều kiện phản ứng: Cường độ trộn, thời gian keo tụ và thời gian lắng đều ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả.
3. Tiến hành kiểm tra cốc để xác định R và pH tối ưu. Lấy một loạt mẫu nước thô có thể tích bằng nhau.
Nhóm thử nghiệm đầu tiên (pH cố định, liều lượng thay đổi): Điều chỉnh độ pH của tất cả các mẫu nước về giá trị đặt trước (ví dụ: 7,0) và thêm dung dịch natri aluminat có độ dốc khác nhau (ví dụ: liều lượng được tính theo R=5, 10, 15, 20...). Nhóm thí nghiệm thứ hai (liều lượng cố định, độ pH thay đổi): Một liều lượng trung gian cụ thể đã được chọn và độ pH của các mẫu nước được điều chỉnh theo các độ dốc khác nhau (ví dụ: 6,0, 6,5, 7,0, 7,5, 8,0).
Tất cả các mẫu nước đều được khuấy nhanh (trộn), khuấy chậm (kết bông) và lắng theo tiêu chuẩn.
Nồng độ SiO₂ còn lại được đo ở phần nổi phía trên.
Vẽ đồ thị đường cong: Đường cong "liều lượng{0}}silicon dư" được vẽ để tìm ra liều lượng tối thiểu cần thiết để đạt được mục tiêu [Si]ₜ. Đường cong "độ pH-silicon dư" được vẽ để tìm điểm pH tối ưu để loại bỏ silicon.
Tính toán giá trị R{0}}: Dựa trên đường cong "liều lượng-silicon dư", liều lượng C (mg/L NaAlO₂) tương ứng để đạt được mục tiêu [Si]ₜ đã được tìm thấy. Do đó, R=C/Δ[Si]. 4. Tính toán liều lượng thực tế
Khi giá trị R và giá trị pH tối ưu phù hợp với chất lượng nước hiện tại được xác định thông qua các thí nghiệm, việc tính toán vận hành hàng ngày trở nên rất đơn giản:
Liều lượng lý thuyết (mg/L)=R × Δ[Si]
Trong đó, Δ[Si] được tính toán dựa trên-nồng độ silic được theo dõi theo thời gian thực trong nước thô và giá trị mục tiêu.
III. Tính toán phụ trợ và điều chỉnh vận hành
1. Tính toán mức tiêu thụ độ kiềm và điều chỉnh pH:
Quá trình thủy phân natri aluminat tạo ra NaOH, tiêu tốn độ axit (H⁺) trong nước. Điều này có nghĩa là axit bổ sung (như axit sulfuric hoặc axit clohydric) thường được yêu cầu để ổn định độ pH trong phạm vi tối ưu.
Lượng OH⁻ sinh ra khi thủy phân ≈ (liều lượng (mg/L NaAlO₂)/82) * 1000 (mmol/L)
Lượng axit cần thêm vào (dựa trên 98% H₂SO₄) có thể được ước tính như sau: Lượng axit bổ sung (mg/L) ≈ [OH⁻ cần thiết (mmol/L) × 49]/0,98/η
(Trong đó 49 là khối lượng mol của H₂SO₄, 0,98 là độ tinh khiết và η là hệ số hiệu suất)
Lưu ý: Đây là ước tính sơ bộ. Lượng axit thực tế được thêm vào phải được kiểm soát bằng phản hồi của máy đo pH trực tuyến và tần số bơm axit được điều chỉnh bằng điều khiển PID.
Tính cặn nhôm: Không phải tất cả kết tủa nhôm được thêm vào; một số sẽ vẫn còn trong nước. Hàm lượng nhôm trong nước thải cần phải được theo dõi để đảm bảo đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng nước (thường là<0.2mg/L). Overdosing not only wastes reagents but also leads to excessive aluminum levels.