アルミン酸ナトリウムの脱ケイ素は、典型的な化学凝固-吸着共沈プロセスです。その中心となる計算は単純な化学量論的関係ではなく、むしろ実験に基づいた工学的手法であり、経験的な比率に依存しており、包括的な調整が必要です。
I. 脱珪のメカニズム
加水分解: アルミン酸ナトリウム (NaAlO₂ または NaAl(OH)₄) は、水に添加すると急速に加水分解し、大きな比表面積と強力な吸着能力を備えた非晶質水酸化アルミニウム (Al(OH)₃) コロイドを生成します。
NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH
吸着と共沈: 正に帯電した Al(OH)₃ コロイドは、水中の負に帯電した活性ケイ素 (HSiO₃⁻、SiO₃²⁻、通常は SiO₂ と表される) の電荷を中和し、吸着と錯体形成を通じて不溶性のアルミノケイ酸塩錯体を形成するか、共沈のためフロックに押し込まれます。-
Al(OH)₃ + x HSiO₃⁻ → Al(OH)₃・(SiO₂)ₓ (プロセス例、非標準反応式)
このプロセスにより、化学物質の消費比（アルミン酸ナトリウムとシリカの重量比）が固定された理論値ではなく、複数の要因の影響を受ける経験的な範囲であることが決定されます。
II.薬品消費率（R値）の求め方
計算全体は、中心となる経験的比率 R を中心に展開します。
R=アルミン酸ナトリウムの投与量 (mg/L NaAlO₂) / 除去されるシリカの量 (mg/L SiO₂)
1.基礎データの決定
原水シリカ濃度[Si]₀：処理前の水試料のSiO₂濃度（mg/L）。
目標シリカ濃度 [Si]ₜ: 処理後の必要な SiO₂ 濃度 (mg/L)。
除去されるシリコンの量 Δ[Si]: Δ[Si]=[Si]₀ - [Si]ₜ (mg/L SiO₂)。
2. 臨界経験率 (R)
これは計算にとって最も重要なパラメータであり、実験的に取得する必要があります。
典型的な範囲: 広範な工学的実践により、R 値は通常 8 ～ 20 であることが示されています。つまり、SiO2 1 mg を除去するごとに、8 mg ～ 20 mg のアルミン酸ナトリウムを添加する必要があります。
なぜレンジなのか？ R 値は次の要因に大きく影響されるため、ビーカー テストを通じて決定する必要があります。
pH 値: シリコン除去に最適な pH 範囲は非常に狭く、通常は 6.5 ～ 7.5 (弱酸性から中性) の間です。 pHが低すぎると（<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 は AlO₂⁻ に溶解し、コロイドは崩壊します。最適なpH点は水質によって若干異なります。水温: 温度が上昇すると、分子の熱運動が強化され、反応速度が加速され、フロックの形成が促進され、R 値が低下する可能性があります。
水中に共存するイオン: 硬度 (Ca2⁺、Mg2⁺) により凝集が促進され、R 値が低下する可能性があります。ただし、有機物はコロイドと競合したりコロイドをカプセル化したりするため、R 値が増加する可能性があります。
シリカの初期濃度: 初期濃度が高いほど、試薬単位あたりの除去効率が高くなる可能性があります (R 値は範囲の下限に近づく傾向がある可能性があります)。
反応条件: 混合強度、凝集時間、沈降時間はすべて効果に直接影響します。
3. ビーカーテストを実施して、最適な R と最適な pH を決定します。同じ体積の一連の原水サンプルを採取します。
第 1 セットのテスト (pH 固定、投与量可変): すべての水サンプルの pH を事前設定値 (例: 7.0) に調整し、異なる勾配のアルミン酸ナトリウム溶液を添加します (例: R=5、10、15、20... に従って計算された投与量)。 2 番目の実験セット (固定投与量、可変 pH): 特定の中間投与量を選択し、水サンプルの pH を異なる勾配 (例: 6.0、6.5、7.0、7.5、8.0) に調整しました。
すべての水サンプルは、標準化された急速撹拌 (混合)、ゆっくりとした撹拌 (凝集)、および沈降を経ました。
上澄み中の残留ＳｉＯ２濃度を測定した。
曲線プロット: 目標 [Si]ₜ を達成するために必要な最小線量を見つけるために、「線量-残留シリコン」曲線がプロットされました。 「pH-残留シリコン」曲線をプロットして、シリコン除去の最適な pH 点を見つけました。
R-値の計算: 「線量-残留シリコン」曲線に基づいて、目標[Si]ₜの達成に対応する線量C (mg/L NaAlO₂)が見つかりました。したがって、R=C/Δ[Si]. 4. 実際の線量の計算
現在の水質に適したR値と最適なpH値を実験により決定すれば、日常の運転計算は非常に簡単になります。
理論用量 (mg/L)=R × Δ[Si]
ここで、Δ[Si]はリアルタイムで監視された原水中のシリカ濃度と目標値に基づいて計算されます。-
Ⅲ．補助計算と運用調整
1. アルカリ消費量と pH 調整の計算:
アルミン酸ナトリウムの加水分解により NaOH が生成され、水中の酸性度 (H⁺) が消費されます。これは、pH を最適範囲内に安定させるには通常、追加の酸 (硫酸や塩酸など) が必要であることを意味します。
加水分解によって生成されるOH⁻の量 ≈ (投与量(mg/L NaAlO₂)/82) * 1000 (mmol/L)
添加する必要な酸の量 (98% H2SO4 に基づく) は次のように推定できます: 酸添加 (mg/L) ≈ [必要な OH⁻ (mmol/L) × 49]/0.98/η
(49 は H2SO4 のモル質量、0.98 は純度、η は効率係数です)
注: これはおおよその見積もりです。実際に添加する酸の量は、オンライン pH メーターのフィードバックと、PID 制御によって調整される酸ポンプの周波数によって制御する必要があります。
アルミニウム残留物の計算: 添加されたアルミニウムがすべて沈殿するわけではありません。一部は水中に残ります。排水中のアルミニウム含有量は、水質基準（通常は<0.2mg/L). Overdosing not only wastes reagents but also leads to excessive aluminum levels.