Calculator voor silicaoplosbaarheid en afzettingsvorming
Verken de oplosbaarheid van amorfe silica wanneer water opwarmt, afkoelt of verder wordt geconcentreerd.
Uw watercondities
Verplaats een schuifregelaar of voer een waarde in.
5–95 °C · referentie voor vloeibaar water bij nagenoeg atmosferische omstandigheden.
Voer de som van de opgeloste monomere kiezelzuur- en silicaatsoorten in, uitgedrukt als SiO₂. Voer geen totale silica in die colloïden of deeltjes omvat. In verdund water rond kamertemperatuur is mg/L ongeveer gelijk aan mg/kg; hier wordt geen dichtheidsomrekening toegepast.
pH 4–10. De pH verandert nu de verzadigingscurve voor totale opgeloste silica via de berekende speciatie van H₄SiO₄ / H₃SiO₄⁻ / H₂SiO₄²⁻. Activiteitscorrecties en de minimaal benodigde ionen voor de ladingsbalans worden berekend; zie de modelbeperkingen hieronder.
Concentreringsscenario
1–10×. Gaat ervan uit dat zowel silica als NaCl volledig worden vastgehouden en dat de watermassa afneemt, vóór neerslagvorming. De pH blijft op de door u gekozen waarde. De effectieve NaCl-concentratie moet lager dan of gelijk blijven aan 5000 mg/kg. Dit is geen simulatie van een RO-membraan of verdamper.
0–5000 mg/kg water als daadwerkelijk NaCl, vóór de concentreringsstap. Standaard: nul. NaCl verandert de activiteitscoëfficiënten; het is geen vervanging voor TDS of een volledige wateranalyse. Andere opgeloste zouten zijn niet meegenomen.
Het zouteffect hangt af van de pH en de temperatuur.
Wat gebeurt er wanneer water opwarmt of afkoelt?
Berekende totale opgeloste silica bij verzadiging met amorfe silica, uitgedrukt als SiO₂ bij de gekozen pH. Het donkere punt geeft het door u geselecteerde water na de ideale concentreringsstap weer.
Blauw: totale opgeloste silica, gecorrigeerd voor pH en NaCl · Grijze stippellijn: referentie voor de neutrale soort in zuiver water · Donker punt: geselecteerd water.
25 °C · pH 7.0 · 1× concentrering
Onder de gemodelleerde verzadiging
Bij de standaardcondities ligt de concentratie opgeloste silica onder de voor activiteit gecorrigeerde verzadigingsconcentratie van het model.
GEMODELLEERDE TOTALE OPLOSBAARHEID
117.2 mg/kg als SiO₂
CONCENTRATIE IN HET SCENARIO
80.0 mg/kg als SiO₂
CONCENTRATIE / MODELGRENS
68%
Het percentage is een concentratieverhouding, geen op activiteit gebaseerde verzadigingsindex of toegestane bedrijfsgrens.
Hoe de pH de opgeloste silica verandert
Een hogere pH verschuift het evenwicht van neutraal kiezelzuur naar silicaationen. Bij verzadiging wordt H₄SiO₄ begrensd door de activiteitsreferentie voor de neutrale soort; de ionische soorten dragen bij aan de totale opgeloste silica. De onderstaande percentages worden berekend voor het door u geselecteerde water, inclusief het achtergrond-NaCl en de ionen voor de pH-balans. Activiteitscoëfficiënten hangen af van de ionsterkte, dus het geselecteerde water en de bijbehorende verzadigingstoestand worden afzonderlijk berekend.
| Monomere soorten | Berekende fractie | Silica in het geselecteerde water · mg/kg als SiO₂ |
|---|---|---|
| H₄SiO₄ · neutraal | 99.85% | 79.9 |
| H₃SiO₄⁻ · enkelvoudig geladen | 0.15% | 0.1 |
| H₂SiO₄²⁻ · dubbel geladen | <0.01% | 0.0 |
Berekende pK₁ ≈ 9.83 bij 25 °C. De activiteitscoëfficiënten worden iteratief berekend.
Het model omvat NaCl, opgeloste monomere silica, H⁺, OH⁻ en de minimaal benodigde hoeveelheid Na⁺ of Cl⁻ voor de ladingsbalans. Andere ionen zijn niet in dit model opgenomen.
Drie nuttige inzichten
Afkoeling verlaagt de referentieoplosbaarheid
De temperatuurcorrelatie neemt toe met de temperatuur. Een waterstroom die in warme toestand onder de referentiewaarde ligt, kan deze bij afkoeling overschrijden.
Een hogere pH verhoogt de schijnbare oplosbaarheid van silica
Het model berekent meer silicaationen bij een hogere pH, waardoor de totale opgeloste silica bij verzadiging met amorfe silica toeneemt. Een hogere oplosbaarheidswaarde neemt het risico op afzettingen van metaalsilicaten of andere afzettingen niet weg.
Het zouteffect hangt af van de pH
NaCl verandert de activiteiten van neutraal kiezelzuur en geladen silicaatsoorten op verschillende manieren. In dit model kan het de oplosbaarheid rond neutrale pH licht verlagen en bij hogere pH verhogen. Er bestaat geen universele regel dat ‘meer zout meer oplosbaarheid betekent’.
Opgelost, colloïdaal en totaal silica zijn verschillend
Deze pagina telt neutraal kiezelzuur en de twee gedissocieerde monomere vormen ervan bij elkaar op en vergelijkt dat totaal met een voorlopige evenwichtsbeoordeling voor amorf silica. Colloïdaal silica bestaat uit deeltjes, terwijl totaal silica zowel opgelost materiaal als deeltjes kan omvatten, afhankelijk van de analysemethode. Een laboratoriumresultaat met het label ‘reactief silica’ is methodeafhankelijk; controleer de rapportagebasis voordat u het invoert.
Silica gerapporteerd als Si moet worden vermenigvuldigd met ongeveer 2.139 om dezelfde hoeveelheid uit te drukken als SiO₂. De referentie is amorf silica, niet kwarts of een magnesiumsilicaatmineraal.
Waar is dit nuttig?
RO-concentraat en waterhergebruik
Gebruik een gemeten waarde voor opgelost silica om de effecten van temperatuur en ideale concentratie te onderzoeken. Voor een werkelijke RO-beoordeling zijn ook de pH van het concentraat, de zoutchemie, de silicadoorgang en de concentratie aan het membraanoppervlak nodig.
Verdamping en ZLD
Onderzoek het effect van het concentreren van een stroom. Verdampervloeistoffen met een hoog zoutgehalte vereisen geochemische modellering op basis van de volledige samenstelling; deze beperkte NaCl-beoordeling geeft pekels niet weer.
Koeling van geothermische stromen of processtromen
Laat zien waarom koeling ertoe kan leiden dat opgelost silica boven een oplosbaarheidsreferentie uitkomt. De daadwerkelijke neerslagvorming kan vertraagd optreden en moet voor het betreffende water worden beoordeeld.
De bovenstaande berekeningen dienen als voorlopige referentie en kunnen fouten of omissies bevatten. Er wordt geen garantie gegeven voor de nauwkeurigheid of volledigheid; de resultaten moeten onafhankelijk worden geverifieerd voordat ze worden gebruikt voor ontwerp, de keuze van een behandeling of bedrijfsbeslissingen. Dit hulpmiddel vervangt geen volledige geochemische modellering of pilotproeven in systemen met een hoge waterterugwinning of hoge temperatuur.
Methodologie en beperkingen
De vergelijkingen, concentratiebasis en aannames achter de voorlopige beoordeling voor amorf silica, inclusief de speciatie als functie van de pH, NaCl-activiteitscorrecties en de bestaande vergelijking met PHREEQC.
1. Invoer, eenheden en scenariobasis
| Invoer | Bereik in de interface | Betekenis in dit model |
|---|---|---|
| Temperatuur | 5–95 °C | Referentie voor vloeibaar water bij vrijwel atmosferische omstandigheden; geen drukcorrectie. |
| Opgelost silica | 0–1000 mg/kg water als SiO₂ | Som van opgeloste monomere kiezelzuur- en silicaatsoorten vóór het concentreren; exclusief deeltjes en colloïden. |
| Bedrijfs-pH | 4–10 | Wordt bij elke temperatuur onafhankelijk opgelegd, in plaats van voorspeld tijdens verwarming of concentratie. |
| Ideale concentratiefactor, F | 1–10× | Schaalt zowel opgelost silica als achtergrond-NaCl, met volledige retentie vóór neerslagvorming. |
| Achtergrond-NaCl | 0–5000 mg/kg water vóór het concentreren | Alleen daadwerkelijk NaCl; geen TDS en geen vervanging voor de andere ionen in een analyse. |
Concentraties zijn gebaseerd op kilogrammen water, niet op kilogrammen oplossing. De code rekent silica om naar molaliteit met 60084.3 mg/mol en NaCl met 58442.77 mg/mol. Er wordt geen dichtheidsconversie toegepast. In verdund water rond kamertemperatuur komt mg/L ongeveer overeen met mg/kg water; deze benadering mag niet automatisch worden toegepast op heet water of pekels.
Silica in het scenario = ingevoerd silica × F NaCl in het scenario = ingevoerd NaCl × F
De ingevoerde bedrijfs-pH blijft constant. Het scenario berekent geen werkelijke RO-waterterugwinning, verdampingstraject, zoutdoorgang of neerslagmassa. De bereiken in de interface zijn geen onafhankelijk gevalideerde nauwkeurigheidsgrenzen.
Vergelijkingen, activiteitsmodel en numerieke oplossing
1. Activiteitsreferentie voor neutrale soorten: Fournier–Rowe (1977): log₁₀ C₀ = 4.52 − 731/T, met T in kelvin en C₀ als SiO₂ in mg/kg water. De correlatie voor zuiver water wordt gebruikt als activiteitsreferentie voor neutrale soorten in verdunde oplossingen over het bereik van 5–95 °C. Er wordt geen drukcorrectie toegepast.
2. Dissociatieconstanten: H₄SiO₄ ⇌ H₃SiO₄⁻ + H⁺ (K₁), en H₄SiO₄ ⇌ H₂SiO₄²⁻ + 2H⁺ (β₂). β₂ is cumulatief, niet de tweede stapsgewijze constante. De analytische uitdrukkingen van PHREEQC gebruiken log K = A₁ + A₂T + A₃/T + A₄ log₁₀T + A₅/T². Coëfficiënten voor K₁: −302.3724, −0.050698, 15669.69, 108.18466, −1119669; voor β₂: −294.0184, −0.07265, 11204.49, 108.18466, −1119669; voor waterdissociatie: −283.971, −0.05069842, 13323, 102.24447, −1119669.
3. Activiteitscorrecties: voor silicaationen, log₁₀ γᵢ = −Azᵢ²[√I/(1 + √I) − 0,3I] (Davies). Voor neutraal H₄SiO₄, log₁₀ γ₀ = 0,1I, overeenkomstig de conventie voor neutrale soorten in de vastgelegde benchmarkdatabase. H⁺ en OH⁻ gebruiken uitgebreide Debye–Hückel-coëfficiënten met iongrootteparameters van 9.0 en 3.5 Å en b-dot gelijk aan nul. De temperatuurafhankelijke A en B worden geïnterpoleerd uit PHREEQC-waarden voor watereigenschappen met intervallen van 5 °C, over het bereik van 5–95 °C, bij atmosferische referentiedruk. NaCl draagt gelijke molaliteiten Na⁺ en Cl⁻ bij; de invoerwaarde wordt gedeeld door 58442.77 mg/mol. Deze conventies zijn databasespecifiek en zijn geen universele coëfficiënten voor zoutoplosbaarheid.
4. Evenwicht en sluitende ladingsbalans: R₁ = 10pH + log K₁; R₂ = 102pH + log β₂. Bij verzadiging geldt C = C₀(1/γ₀ + R₁/γ₁ + R₂/γ₂). De fracties zijn evenredig met 1/γ₀, R₁/γ₁ en R₂/γ₂. Voor de geselecteerde silicaconcentratie worden de chemische species opnieuw berekend bij de bijbehorende ionsterkte. H⁺ en OH⁻ worden berekend op basis van de opgelegde pH en de dissociatie van water. Het model voegt de minimale hoeveelheid Na⁺ of Cl⁻ toe die nodig is voor elektroneutraliteit, wat overeenkomt met een geïdealiseerde aanpassing met NaOH of HCl. De ionsterkte I = ½Σmᵢzᵢ² en de activiteitscoëfficiënten worden iteratief berekend. Dit is een vereenvoudigd NaCl–silicascenario met een sluitende ladingsbalans; het berekent geen praktische zuur- of loogdosering en evenmin een gemeten watersamenstelling.
5. Screeningsbereik: de berekeningen voor zowel het geselecteerde water als de voorspelde verzadigingstoestand ervan moeten convergeren en een gemodelleerde ionsterkte hebben van ≤0.10 mol/kg. De effectieve achtergrondconcentratie NaCl na concentratie moet ≤5000 mg/kg water zijn. Anders wordt de verzadigingsvergelijking niet weergegeven; de blauwe curve is beperkt tot omstandigheden binnen het toepassingsbereik. Resultaten voor de chemische species worden niet weergegeven wanneer het geselecteerde water buiten het toepassingsbereik valt. Dit zijn operationele screeningsgrenzen, geen onafhankelijk gevalideerde nauwkeurigheidsgrenzen. Andere zouten kunnen niet eenvoudig worden weergegeven door hun TDS als NaCl in te voeren.
6. Vereenvoudigingen: de wateractiviteit wordt ingesteld op 1, zonder zoutspecifiek osmotisch model. De afgeronde constante term van de referentierelatie voor de neutrale species verschilt enigszins van de faseconstante in de vastgelegde PHREEQC-versie; dit en het buiten beschouwing laten van de wateractiviteit verklaren een groot deel van het resterende verschil in de benchmark. De bedrijfs-pH wordt bij elke temperatuur onafhankelijk opgelegd. De concentratiefactor schaalt zowel silica als NaCl, uitgaande van volledige retentie en een afgenomen watermassa, vóór neerslagvorming. Natuurlijke alkaliniteit, andere ionen, complexen, metaalsilicaatfasen, gepolymeriseerde silica, colloïden, kinetiek, de werking van antiscalants, de concentratie aan het membraanoppervlak en het toelaatbare waterterugwinningspercentage worden niet voorspeld. De oplosbaarheid geeft niet aan hoe lang het duurt voordat vervuiling optreedt.
Deze calculator schat de verzadiging met amorfe silica in een beperkt NaCl–silicascenario. Overeenstemming met PHREEQC onder dezelfde aannames valideert geen ontwerp voor werkelijk water. Toets de resultaten waar van toepassing aan de volledige waterchemie en experimentele gegevens.
Interpretatie van resultaten en weergaveregels
Concentratieverhouding (%) = 100 × silica in het scenario / gemodelleerde verzadigingsconcentratie
De verhouding wordt afgerond op een geheel percentage, terwijl de statuslabels de niet-afgeronde waarde gebruiken: onder 85% is de status ‘Onder de gemodelleerde verzadiging’; 85–100% is de status ‘Nadert de gemodelleerde verzadiging’; boven 100% is de status ‘Boven de gemodelleerde verzadiging’. De drempel van 85% is een keuze voor een waarschuwing in de interface, geen chemisch vastgestelde veiligheidsmarge. De verhouding is geen algemene, op activiteiten gebaseerde verzadigingsindex voor mineralen en geen toegestane bedrijfsgrens.
De blauwe curve geeft de berekende verzadiging bij elke temperatuur weer voor de geselecteerde pH en effectieve NaCl-concentratie. De speciatie van het geselecteerde water wordt afzonderlijk berekend bij de ingevoerde silicaconcentratie. De grijze stippellijn is de temperatuurreferentie voor de neutrale species in zuiver water, niet de volledige speciatiecurve zonder NaCl. Ook bij een achtergrondconcentratie NaCl van nul kunnen ionen voor de pH-balans en silicaationen bijdragen aan de ionsterkte.
De iteratieve berekening van de ionsterkte staat maximaal 160 iteraties toe, past demping met een halve stap toe en accepteert convergentie wanneer de verandering kleiner is dan 10⁻¹² + 10⁻⁹ × max(vorige I, bijgewerkte I). De berekening stopt voortijdig als de bijgewerkte ionsterkte niet eindig is of hoger is dan 2 mol/kg. Deze numerieke stopvoorwaarde verschilt van de strengere screeningsgrens voor rapportage van 0.10 mol/kg.
Punten die niet door het model worden ondersteund, worden weggelaten uit de blauwe curve. De verhouding en de markering van het geselecteerde water worden alleen weergegeven als zowel het geselecteerde water als de verzadigingstoestand ervan worden ondersteund. De fracties van de chemische species worden niet weergegeven als het geselecteerde water zelf niet wordt ondersteund. ‘Buiten het toepassingsbereik van het model’ mag niet worden opgevat als een laag risico op afzettingen.
Reproduceerbaar standaardvoorbeeld
Bij het resetten worden de volgende waarden ingesteld: 25 °C, pH 7.0, opgeloste silica 80 mg/kg water als SiO₂, concentratiefactor 1× en een achtergrondconcentratie NaCl van nul. De gemodelleerde totale verzadigingsconcentratie bedraagt ongeveer 117.2 mg/kg als SiO₂; de weergegeven concentratieverhouding is 68%, met de status ‘Onder de gemodelleerde verzadiging’. In het geselecteerde water is de silica voornamelijk aanwezig als neutraal H₄SiO₄. Een achtergrondconcentratie NaCl van nul sluit de ionen die nodig zijn voor de pH- en ladingsbalans van het model niet uit.
Benchmarkvergelijking en validatiebeperkingen
Hoe verhoudt dit zich tot PHREEQC?
In een benchmark met synthetisch water werden 396 combinaties van temperatuur, pH en NaCl vergeleken met de PHREEQC-rekenkern en de vastgelegde versie van de database phreeqc.dat die wordt meegeleverd met IPhreeqcPy 2024.0.0. Beide modellen gebruikten amorfe silica, SiO₂(a), bij een vaste bedrijfs-pH. PHREEQC nam HCl of NaOH mee om de pH constant te houden en paste zijn berekening van de wateractiviteit toe; deze pagina gebruikt de minimale hoeveelheid ionen voor de ladingsbalans en neemt aan dat de wateractiviteit gelijk is aan 1.
| Omstandigheden | NaCl · mg/kg water | Dit model · mg/kg als SiO₂ | PHREEQC · mg/kg als SiO₂ |
|---|---|---|---|
25 °C · pH 7 | 0 | 117.2 | 116.8 |
25 °C · pH 7 | 5000 | 114.9 | 113.9 |
25 °C · pH 9 | 0 | 134.6 | 134.2 |
25 °C · pH 9 | 5000 | 136.6 | 135.4 |
80 °C · pH 9.5 | 5000 | 966.5 | 957.2 |
95 °C · pH 10 | 5000 | 3961.5 · niet weergegeven | 3907.0 |
Het rekenraster bestreek 5–95 °C, pH 4–10 en 0–5000 mg/kg NaCl, waaronder 18 gevallen bij tussentemperaturen. Van de onderzochte gevallen voldeden er 391 aan de screeningsgrens van dit model voor de ionsterkte bij verzadiging; het grootste relatieve verschil met PHREEQC bedroeg 0.98%. Vijf gevallen overschreden de screeningsgrens en hun verzadigingsvergelijking wordt niet weergegeven. Deze verschillen voor de onderzochte gevallen zijn geen gegarandeerde nauwkeurigheidsgrenzen. De twee berekeningen gebruiken dezelfde evenwichtsconstanten en aannames voor het activiteitsmodel; dit is dus een vergelijking van implementaties, geen onafhankelijke experimentele validatie.
Werkelijk proceswater kan calcium, magnesium, aluminium, ijzer en andere bestanddelen bevatten die hier ontbreken. Gebruik voor het ontwerp een volledige wateranalyse, een geschikte database en een geschikt activiteitsmodel; noch deze vergelijking noch de NaCl-regelaar bepaalt een veilig waterterugwinningspercentage of een vervuilingssnelheid.
Bronnen en modeldocumentatie
Bronnen: USGS PHREEQC-database · Evenwichtsconstanten · PHREEQC · Temperatuuruitdrukkingen en activiteitsmodellen · Fournier & Rowe · Oplosbaarheid van amorfe silica · DuPont FilmTec · Preventie van silica-afzettingen
Methodologiedocumentatie v1.0 · opgesteld op 24 oktober 2026. Documenteert de bestaande rekenmodule en de gerapporteerde benchmark daarvan; dit tabblad wijzigt geen numerieke functies of coëfficiënten.