Berechnungsmethode zur Siliziumentfernung mit Natriumaluminat in der Abwasserbehandlung

Die Entfernung von Natriumaluminat-Silizium ist ein typischer chemischer Koagulations--Adsorptions-Ko--Fällungsprozess. Sein Berechnungskern ist kein einfaches stöchiometrisches Verhältnis, sondern eine ingenieurwissenschaftliche Methode, die auf Experimenten basiert, auf empirischen Verhältnissen beruht und umfassende Anpassungen erfordert.

Hydrolyse: Natriumaluminat (NaAlO₂ oder NaAl(OH)₄) hydrolysiert bei Zugabe zu Wasser schnell und erzeugt amorphe Aluminiumhydroxidkolloide (Al(OH)₃) mit einer großen spezifischen Oberfläche und einer starken Adsorptionskapazität.

NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH

Adsorption und Kopräzipitation: Das gebildete positiv geladene Al(OH)₃-Kolloid neutralisiert die Ladung negativ geladener aktiver Kieselsäure in Wasser (wie HSiO₃⁻, SiO₃²⁻, üblicherweise dargestellt als SiO₂). Durch Adsorption und Komplexierung bildet es unlösliche Alumosilikatkomplexe oder wird in die Flocken geschwemmt und fällt dort zusammen aus.

Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)₃·(SiO₂)ₓ (schematischer Prozess, nicht-Standard-Reaktionsformel)

Dieser Prozess bestimmt, dass das Chemikalienverbrauchsverhältnis (Gewichtsverhältnis von Natriumaluminat zu Siliciumdioxid) kein fester theoretischer Wert ist, sondern vielmehr ein empirischer Bereich, der von mehreren Faktoren beeinflusst wird.

Die gesamte Berechnung dreht sich um ein zentrales empirisches Verhältnis, R:

R=Natriumaluminat-Dosierung (mg/L NaAlO₂) / Menge an zu entfernendem Silizium (mg/L SiO₂)

1. Ermittlung der Basisdaten

Rohwasser-Siliziumkonzentration [Si]₀: Die SiO₂-Konzentration der Wasserprobe vor der Behandlung (mg/L).

Ziel-Siliziumkonzentration [Si]ₜ: Die erforderliche SiO₂-Konzentration nach der Behandlung (mg/L).

Zu entfernende Siliziummenge Δ[Si]: Δ[Si]=[Si]₀ - [Si]ₜ (mg/L SiO₂).

2. Wichtiges empirisches Verhältnis (R)

Dies ist der kritischste Parameter bei der Berechnung und muss experimentell ermittelt werden.

Fallstudie zur Entfernung von Fluorid und Silizium - Nanjing Danheng Technology Co., Ltd.

Typischer Bereich: Umfangreiche technische Praxis zeigt, dass der R-Wert typischerweise zwischen 8 und 20 liegt. Das bedeutet, dass für jedes 1 mg entfernte SiO₂ 8 mg bis 20 mg Natriumaluminat hinzugefügt werden müssen.

Warum ein Sortiment? Denn der R-Wert wird maßgeblich von folgenden Faktoren beeinflusst und muss durch Becherversuche ermittelt werden:

pH-Wert: Das optimale pH-Fenster für die Kieselsäureentfernung ist sehr eng, typischerweise zwischen 6,5 und 7,5 (schwach sauer bis neutral). Wenn der pH-Wert zu niedrig ist (<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 löst sich in AlO₂⁻ auf, wodurch die Kolloide zerfallen. Der optimale pH-Wert variiert leicht je nach Wasserqualität.

Wassertemperatur: Eine erhöhte Temperatur intensiviert die thermische Bewegung der Moleküle, beschleunigt die Reaktionsgeschwindigkeit und fördert eine bessere Flockenbildung, wodurch der R-Wert entsprechend gesenkt werden kann.

Koexistierende Ionen im Wasser: Härte (Ca²⁺, Mg²⁺) fördert die Ausflockung und kann den R-Wert senken; während organisches Material mit Kolloiden konkurriert oder diese einkapselt, was möglicherweise den R-Wert erhöht.

Anfängliche Kieselsäurekonzentration: Höhere Anfangskonzentrationen können zu einer höheren Entfernungseffizienz pro Reagenzeinheit führen (der R-Wert tendiert möglicherweise zur unteren Grenze des Bereichs).

Reaktionsbedingungen: Mischintensität, Flockungszeit und Absetzzeit wirken sich alle direkt auf die Wirkung aus.

3. Führen Sie Becherglastests durch, um das optimale R und den optimalen pH-Wert zu bestimmen

Nehmen Sie eine Reihe von Rohwasserproben mit demselben Volumen.

Erster Testsatz (fester pH-Wert, variable Dosierung): Stellen Sie den pH-Wert aller Wasserproben auf einen voreingestellten Wert ein (z. B. 7,0) und geben Sie Natriumaluminatlösungen in unterschiedlichen Gradienten hinzu (z. B. Dosierungen berechnet nach R=5, 10, 15, 20...).

Zweiter Testsatz (feste Dosierung, variabler pH-Wert): Wählen Sie eine mittlere Dosierung und stellen Sie den pH-Wert der Wasserproben auf unterschiedliche Gradienten ein (z. B. 6,0, 6,5, 7,0, 7,5, 8,0).

Führen Sie bei allen Wasserproben standardisiertes schnelles Rühren (Mischen), langsames Rühren (Flockung) und statische Sedimentation durch.

Nehmen Sie den Überstand und bestimmen Sie die verbleibende SiO₂-Konzentration.

Zeichnen von Kurven: Zeichnen Sie die Kurve „Dosierung - Restsilizium“ auf, um die Mindestdosis zu ermitteln, die zum Erreichen des Ziels [Si]ₜ erforderlich ist. Zeichnen Sie die Kurve „pH - Restsilicium“ auf, um den optimalen pH-Wert für die Siliciumentfernung zu finden.

Berechnen des R-Werts: Ermitteln Sie anhand der Kurve „Dosierung - Restsilizium“ die Dosierung C (mg/L NaAlO₂), die dem Erreichen des Ziels [Si]ₜ entspricht. Dann ist R=C/Δ[Si].

4. Berechnung der tatsächlichen Dosierung

Sobald durch Versuche der R-Wert und der optimale pH-Wert passend zur aktuellen Wasserqualität ermittelt wurden, werden die Berechnungen für den täglichen Betrieb ganz einfach:

Theoretische Dosierung (mg/L)=R × Δ[Si]

Dabei wird Δ[Si] basierend auf der in Echtzeit überwachten Rohwasser-Siliziumkonzentration und dem Zielwert berechnet.

Berechnungen zum Alkalinitätsverbrauch und zur pH-Anpassung:

Durch die Hydrolyse von Natriumaluminat entsteht NaOH, wodurch der Säuregehalt (H⁺) im Wasser verbraucht wird. Dies bedeutet, dass in der Regel zusätzliche Säure (z. B. Schwefelsäure oder Salzsäure) erforderlich ist, um den pH-Wert im optimalen Bereich zu stabilisieren.

Die durch Hydrolyse erzeugte OH⁻-Menge ≈ (Dosierung (mg/L NaAlO₂)/82) * 1000 (mmol/L)

Die erforderliche Säuremenge (basierend auf 98 % H₂SO₄) kann wie folgt geschätzt werden: Säuredosis (mg/L) ≈ [erforderliche OH⁻ (mmol/L) × 49]/0,98/η

(Wobei 49 die Molmasse von H₂SO₄ ist, 0,98 die Reinheit und η der Effizienzkoeffizient ist)

Hinweis: Dies ist eine grobe Schätzung. Die tatsächlich zugesetzte Säuremenge muss über ein Online-pH-Meter-Feedback gesteuert und die Säurepumpenfrequenz über eine PID-Steuerung angepasst werden.

Berechnung der Aluminiumrückstände: Nicht das gesamte zugesetzte Aluminium fällt aus; einige bleiben im Wasser. Der Aluminiumgehalt im Abwasser muss überwacht werden, um sicherzustellen, dass es den Wasserqualitätsstandards entspricht (normalerweise).<0.2 mg/L). Adding too much not only wastes the reagent, but can also lead to excessive aluminum levels.