L'élimination du silicium par aluminate de sodium est un processus typique de coagulation chimique-adsorption co-précipitation. Son cœur de calcul n'est pas une simple relation stœchiométrique, mais plutôt une méthode d'ingénierie basée sur des expériences, s'appuyant sur des ratios empiriques et nécessitant des ajustements complets.
I. Mécanisme d'élimination du silicium
Hydrolysis: Sodium aluminate (NaAlO₂ or NaAl(OH)₄) rapidly hydrolyzes upon addition to water, generating amorphous aluminum hydroxide (Al(OH)₃) colloids with a huge specific surface area and strong adsorption capacity.
NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH
Adsorption et coprécipitation : Le colloïde Al(OH)₃ chargé positivement formé neutralise la charge de silice active chargée négativement dans l'eau (telle que HSiO₃⁻, SiO₃²⁻, généralement représentée par SiO₂). Par adsorption et complexation, il forme des complexes d'aluminosilicates insolubles ou est entraîné dans le floc et co-précipite.
Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)₃·(SiO₂)ₓ (Processus schématique, formule de réaction non-standard)
Ce processus détermine que le rapport de consommation chimique (rapport pondéral entre l'aluminate de sodium et la silice) n'est pas une valeur théorique fixe, mais plutôt une plage empirique influencée par de multiples facteurs.
II. Détermination du taux de consommation de produits chimiques (valeur R)
L'ensemble du calcul tourne autour d'un rapport empirique de base, R :
R=Dosage d'aluminate de sodium (mg/L NaAlO₂) / Quantité de silicium à éliminer (mg/L SiO₂)
1. Détermination des données de base
Concentration de silicium dans l'eau brute [Si]₀ : concentration en SiO₂ de l'échantillon d'eau avant traitement (mg/L).
Concentration cible de silicium [Si]ₜ : La concentration de SiO₂ requise après le traitement (mg/L).
Quantité de silicium à éliminer Δ[Si] : Δ[Si]=[Si]₀ - [Si]ₜ (mg/L SiO₂).
2. Ratio empirique clé (R)
This is the most critical parameter in the calculation and must be obtained experimentally.
Étude de cas sur l'élimination du fluorure et du silicium - Nanjing Danheng Technology Co., Ltd.
Plage typique : de nombreuses pratiques d'ingénierie montrent que la valeur R est généralement comprise entre 8 et 20. Cela signifie que pour chaque mg de SiO₂ éliminé, 8 mg à 20 mg d'aluminate de sodium doivent être ajoutés.
Pourquoi une gamme ? Parce que la valeur R est affectée de manière significative par les facteurs suivants et doit être déterminée par des tests en bécher :
Valeur du pH : La fenêtre de pH optimale pour l'élimination de la silice est très étroite, généralement comprise entre 6,5 et 7,5 (faiblement acide à neutre). Si le pH est trop bas (<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 dissoudra dans AlO₂⁻, provoquant la dégradation des colloïdes. Le point de pH optimal varie légèrement en fonction de la qualité de l'eau.
Température de l'eau : l'augmentation de la température intensifie le mouvement thermique moléculaire, accélère la vitesse de réaction et favorise une meilleure formation de floculation, ce qui peut réduire de manière appropriée la valeur R.
Ions coexistants dans l'eau : La dureté (Ca²⁺, Mg²⁺) favorise la floculation et peut abaisser la valeur R ; tandis que la matière organique entre en compétition avec ou encapsule les colloïdes, augmentant potentiellement la valeur R.
Concentration initiale de silice : des concentrations initiales plus élevées peuvent entraîner une efficacité d'élimination plus élevée par unité de réactif (la valeur R peut tendre vers la limite inférieure de la plage).
Conditions de réaction : L’intensité du mélange, le temps de floculation et le temps de stabilisation affectent tous directement l’effet.
3. Effectuer des tests de bécher pour déterminer le R optimal et le pH optimal
Prélevez une série d’échantillons d’eau brute du même volume.
Première série de tests (pH fixe, dosage variable) : Ajustez le pH de tous les échantillons d'eau à une valeur prédéfinie (par exemple, 7,0) et ajoutez des solutions d'aluminate de sodium à différents gradients (par exemple, des dosages calculés selon R=5, 10, 15, 20...).
Deuxième série de tests (dosage fixe, pH variable) : sélectionnez un dosage intermédiaire et ajustez le pH des échantillons d'eau à différents gradients (par exemple, 6,0, 6,5, 7,0, 7,5, 8,0).
Effectuez une agitation rapide standardisée (mélange), une agitation lente (floculation) et une sédimentation statique sur tous les échantillons d'eau.
Prenez le surnageant et déterminez la concentration résiduelle de SiO₂.
Courbes de traçage : tracez la courbe « Dosage - silicium résiduel » pour trouver le dosage minimum requis pour atteindre l'objectif [Si]ₜ. Tracez la courbe « pH - silicium résiduel » pour trouver le point de pH optimal pour l'élimination du silicium.
Calcul de la valeur R : Sur la base de la courbe « Dosage - Silicium résiduel », trouvez le dosage C (mg/L NaAlO₂) correspondant à l'atteinte de l'objectif [Si]ₜ. Alors, R=C/Δ[Si].
4. Calcul de la dose réelle
Une fois que la valeur R et la valeur pH optimale adaptées à la qualité actuelle de l'eau sont déterminées par des expériences, les calculs pour le fonctionnement quotidien deviennent très simples :
Posologie théorique (mg/L)=R × Δ[Si]
Où Δ[Si] est calculé en fonction de la concentration de silicium dans l'eau brute- surveillée en temps réel et de la valeur cible.
III. Calculs auxiliaires et ajustements opérationnels
Calculs de consommation d’alcalinité et d’ajustement du pH :
L'hydrolyse de l'aluminate de sodium produit du NaOH, consommant l'acidité (H⁺) de l'eau. Cela signifie qu'un acide supplémentaire (tel que l'acide sulfurique ou l'acide chlorhydrique) est généralement nécessaire pour stabiliser le pH dans la plage optimale.
La quantité de OH⁻ produite par hydrolyse ≈ (dosage (mg/L NaAlO₂)/82) * 1000 (mmol/L)
La quantité d'acide requise (sur la base de 98 % de H₂SO₄) peut être estimée comme : Dosage d'acide (mg/L) ≈ [OH⁻ requis (mmol/L) × 49]/0,98/η
(Où 49 est la masse molaire de H₂SO₄, 0,98 est la pureté et η est le coefficient d'efficacité)
Remarque : Il s’agit d’une estimation approximative. La quantité réelle d'acide ajoutée doit être contrôlée par un pH-mètre en ligne et la fréquence de la pompe à acide ajustée via le contrôle PID.
Calcul des résidus d’aluminium : Tous les précipités d’aluminium ajoutés ne sont pas ; certains restent dans l’eau. La teneur en aluminium des effluents doit être surveillée pour s'assurer qu'ils répondent aux normes de qualité de l'eau (généralement<0.2 mg/L). Adding too much not only wastes the reagent, but can also lead to excessive aluminum levels.