A dessiliconização com aluminato de sódio é um processo típico de coprecipitação por coagulação química-adsortiva. Seu cálculo central não é uma simples relação estequiométrica, mas sim um método de engenharia baseado em experimentos, baseado em proporções empíricas e que requer ajustes abrangentes.
I. Mecanismo de Dessiliconização
Hidrólise: O aluminato de sódio (NaAlO₂ ou NaAl(OH)₄) hidrolisa rapidamente após adição à água, gerando colóides de hidróxido de alumínio amorfo (Al(OH)₃) com uma grande área de superfície específica e forte capacidade de adsorção.
NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH
Adsorção e coprecipitação: Os colóides Al(OH)₃ carregados positivamente neutralizam a carga de silício ativo carregado negativamente na água (como HSiO₃⁻, SiO₃²⁻, geralmente representado como SiO₂) e, por meio de adsorção e complexação, formam complexos de aluminossilicato insolúveis ou são varridos para os flocos para co-precipitação.
Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)₃·(SiO₂)ₓ (Processo ilustrativo, fórmula de reação não-padrão)
Este processo determina que a relação de consumo de produtos químicos (relação em peso de aluminato de sódio para sílica) não é um valor teórico fixo, mas uma faixa empírica influenciada por múltiplos fatores.
II. Determinando a proporção de consumo de produtos químicos (valor R)
Todo o cálculo gira em torno de uma razão empírica central R:
R=Dosagem de aluminato de sódio (mg/L NaAlO₂) / Quantidade de sílica a ser removida (mg/L SiO₂)
1. Determinando Dados Básicos
Concentração de sílica na água bruta [Si]₀: concentração de SiO₂ da amostra de água antes do tratamento (mg/L).
Concentração alvo de sílica [Si]ₜ: Concentração necessária de SiO₂ após o tratamento (mg/L).
Quantidade de silício a ser removido Δ[Si]: Δ[Si]=[Si]₀ - [Si]ₜ (mg/L SiO₂).
2. Razão Empírica Crítica (R)
Este é o parâmetro mais crítico para cálculo e deve ser obtido experimentalmente.
Faixa típica: Extensas práticas de engenharia mostram que o valor R geralmente está entre 8 e 20. Ou seja, para cada 1 mg de SiO₂ removido, é necessário adicionar 8 mg a 20 mg de aluminato de sódio.
Por que um intervalo? Porque o valor R é significativamente afetado pelos seguintes fatores e deve ser determinado através de testes de copo:
Valor de pH: A janela de pH ideal para remoção de silício é muito estreita, geralmente entre 6,5 e 7,5 (fracamente ácido a neutro). Se o pH estiver muito baixo (<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 dissolverá em AlO₂⁻ e os colóides se desintegrarão. O ponto de pH ideal varia ligeiramente dependendo da qualidade da água. Temperatura da água: O aumento da temperatura intensifica o movimento térmico molecular, acelera a taxa de reação e promove melhor formação de flocos, reduzindo potencialmente o valor R.
Íons coexistentes na água: A dureza (Ca²⁺, Mg²⁺) promove floculação e pode diminuir o valor R; no entanto, a matéria orgânica compete ou encapsula os colóides, aumentando potencialmente o valor R.
Concentração inicial de sílica: Concentrações iniciais mais elevadas podem resultar numa maior eficiência de remoção por unidade de reagente (o valor R pode tender para o limite inferior do intervalo).
Condições de reação: A intensidade da mistura, o tempo de floculação e o tempo de sedimentação afetam diretamente o efeito.
3. Realize testes de béquer para determinar o R e o pH ideais. Pegue uma série de amostras de água bruta de igual volume.
Primeiro conjunto de testes (pH fixo, dosagem variável): Ajustar o pH de todas as amostras de água para um valor predefinido (por exemplo, 7,0), e adicionar soluções de aluminato de sódio de diferentes gradientes (por exemplo, dosagens calculadas de acordo com R=5, 10, 15, 20...). O segundo conjunto de experimentos (dosagem fixa, pH variável): Uma dosagem intermediária específica foi selecionada e o pH das amostras de água foi ajustado para diferentes gradientes (por exemplo, 6,0, 6,5, 7,0, 7,5, 8,0).
Todas as amostras de água foram submetidas a agitação rápida (mistura), agitação lenta (floculação) e sedimentação padronizadas.
A concentração residual de SiO2 foi medida no sobrenadante.
Plotagem de curva: uma curva de "dosagem-silício residual" foi traçada para encontrar a dosagem mínima necessária para atingir o [Si]ₜ alvo. Uma curva de "pH-silício residual" foi traçada para encontrar o ponto de pH ideal para remoção de silício.
Cálculo do valor-R: Com base na curva de "dosagem-silício residual", foi encontrada a dosagem C (mg/L NaAlO₂) correspondente ao alcance da meta [Si]ₜ. Portanto, R=C/Δ[Si]. 4. Cálculo da Dosagem Real
Uma vez determinados através de experiências o valor R e o valor de pH ideal adequado para a qualidade da água atual, os cálculos da operação diária tornam-se muito simples:
Dosagem Teórica (mg/L)=R × Δ[Si]
Onde, Δ[Si] é calculado com base na concentração-de sílica monitorada em tempo real na água bruta e no valor alvo.
III. Cálculos Auxiliares e Ajustes Operacionais
1. Cálculos de consumo de alcalinidade e ajuste de pH:
A hidrólise do aluminato de sódio produz NaOH, consumindo a acidez (H⁺) da água. Isto significa que normalmente é necessário ácido adicional (como ácido sulfúrico ou ácido clorídrico) para estabilizar o pH dentro da faixa ideal.
A quantidade de OH⁻ produzida por hidrólise ≈ (dosagem (mg/L NaAlO₂)/82) * 1000 (mmol/L)
A quantidade necessária de ácido a ser adicionado (com base em 98% de H₂SO₄) pode ser estimada como: Adição de ácido (mg/L) ≈ [OH⁻ necessário (mmol/L) × 49]/0,98/η
(Onde 49 é a massa molar de H₂SO₄, 0,98 é a pureza e η é o coeficiente de eficiência)
Nota: Esta é uma estimativa aproximada. A quantidade real de ácido adicionado deve ser controlada por um feedback on-line do medidor de pH e a frequência da bomba de ácido ajustada pelo controle PID.
Cálculo de resíduo de alumínio: Nem todo alumínio adicionado precipita; alguns permanecerão na água. O teor de alumínio no efluente precisa ser monitorado para garantir que atenda aos padrões de qualidade da água (geralmente<0.2mg/L). Overdosing not only wastes reagents but also leads to excessive aluminum levels.