La désiliconisation de l'aluminate de sodium est un processus typique de coprécipitation par coagulation chimique-adsorption. Son calcul de base 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 de désiliconisation
Hydrolyse : l'aluminate de sodium (NaAlO₂ ou NaAl(OH)₄) s'hydrolyse rapidement lors de son addition à l'eau, générant des colloïdes d'hydroxyde d'aluminium amorphe (Al(OH)₃) avec une grande surface spécifique et une forte capacité d'adsorption.
NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH
Adsorption et coprécipitation : les colloïdes Al(OH)₃ chargés positivement neutralisent la charge de silicium actif chargé négativement dans l'eau (comme HSiO₃⁻, SiO₃²⁻, généralement représenté par SiO₂) et, par adsorption et complexation, forment des complexes d'aluminosilicate insolubles ou sont balayés dans les flocs pour la co-précipitation.
Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)₃·(SiO₂)ₓ (Procédé illustratif, 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 une plage empirique influencée par plusieurs facteurs.
II. Détermination du taux de consommation de produits chimiques (valeur R)
L'ensemble du calcul s'articule autour d'un rapport empirique de base R :
R=Dosage d'aluminate de sodium (mg/L NaAlO₂) / Quantité de silice à éliminer (mg/L SiO₂)
1. Détermination des données de base
Concentration de silice dans l'eau brute [Si]₀ : concentration en SiO₂ de l'échantillon d'eau avant traitement (mg/L).
Concentration cible de silice [Si]ₜ : 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 critique (R)
C'est le paramètre le plus critique pour le calcul et doit être obtenu expérimentalement.
Plage typique : de nombreuses pratiques d'ingénierie montrent que la valeur R est généralement comprise entre 8 et 20. Autrement dit, 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 du silicium 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⁻ et les colloïdes se désintégreront. 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, abaissant potentiellement la valeur R.
Ions coexistants dans l'eau : La dureté (Ca²⁺, Mg²⁺) favorise la floculation et peut abaisser la valeur R ; cependant, la matière organique entre en compétition avec les colloïdes ou les encapsule, 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. Effectuez des tests dans le bécher pour déterminer le R et le pH optimaux. Prélevez une série d’échantillons d’eau brute de volume égal.
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 de différents gradients (par exemple, des dosages calculés selon R=5, 10, 15, 20...). Deuxième série d'expériences (dosage fixe, pH variable) : un dosage intermédiaire spécifique a été sélectionné et le pH des échantillons d'eau a été ajusté à différents gradients (par exemple, 6,0, 6,5, 7,0, 7,5, 8,0).
Tous les échantillons d’eau ont été soumis à une agitation rapide standardisée (mélange), une agitation lente (floculation) et une décantation.
La concentration résiduelle en SiO₂ a été mesurée dans le surnageant.
Traçage de courbe : une courbe de « dosage -silicium résiduel » a été tracée pour trouver le dosage minimum requis pour atteindre l'objectif [Si]ₜ. Une courbe "pH-silicium résiduel" a été tracée 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", le dosage C (mg/L NaAlO₂) correspondant à l'atteinte de l'objectif [Si]ₜ a été trouvé. Par conséquent, R=C/Δ[Si]. 4. Calcul de la dose réelle
Une fois que la valeur R et la valeur pH optimale adaptée à la qualité actuelle de l’eau sont déterminées par des expériences, les calculs de fonctionnement quotidiens deviennent très simples :
Posologie théorique (mg/L)=R × Δ[Si]
Où Δ[Si] est calculé en fonction de la concentration de silice surveillée en temps réel-dans l'eau brute et de la valeur cible.
III. Calculs auxiliaires et ajustements opérationnels
1. 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 d'OH⁻ produite par hydrolyse ≈ (dosage (mg/L NaAlO₂)/82) * 1000 (mmol/L)
La quantité d'acide requise à ajouter (sur la base de 98 % de H₂SO₄) peut être estimée comme : Ajout 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 par le contrôle PID.
Calcul des résidus d’aluminium : Tous les précipités d’aluminium ajoutés ne sont pas ; certains resteront 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<0.2mg/L). Overdosing not only wastes reagents but also leads to excessive aluminum levels.