Silic là một trong những nguyên tố phổ biến nhất có trong nước tự nhiên.Nồng độ silic cao có thể khiến các sinh vật dưới nước bị ảnh hưởng, halogen silic rất độc và ăn mòn, silic tetraclorua là chất gây kích ứng da và mắt và có thể gây ra các vấn đề về hô hấp. Loại bỏ silic là điều cần thiết trong nồi hơi và tháp giải nhiệt.  Bài viết giúp bạn tìm hiểu tại sao phải loại bỏ silic trong nước, các phương pháp xử lý loại bỏ silic trong nước và phương pháp loại bỏ silic bằng nhựa trao đổi ion.

Các hợp chất silic trong nước và tác động tới sức khỏe và môi trường

Trong nước , silic tồn tại dưới dạng nhiều hợp chất trong đó có các hợp chất silic phản ứng với nước, chẳng hạn như silicon tetrafluoride và silicon tetrachloride. Độ hòa tan của các hợp chất silic khác nhau đối với từng loại, silica carbibe không hòa tan trong nước.

Silic cũng có thể tồn tại dưới dạng silic keo hoặc dạng polyme. Chúng có chuỗi dài và không có dạng ion do đó các hạt không ion này không thể loại bỏ cằng công nghệ trao đổi ion.

Tác động của silic tới sức khỏe và môi trường

Silic là một nguyên tố thiết yếu của quá trình phát triển của thực vật. Cây tre chứa silic trong thân và lá của chúng. Ngoài ra silic có trong yêu cầu về chế độ ăn uống của nhiều sinh vật chẳng hạn như gà. Các chất bổ sung silic được sử dụng như một phương pháp điều trị y tế cho con người để tăng cường xương (tránh loãng xương). Ngoài ra các mô và da chứa một lượng silic đáng kể trong cơ thể con người.

Silic thường được xác định là vô hại khi có trong nước. Tuy nhiên nồng độ silic cao bất thường trong nước có thể khiến các sinh vật dưới nước bị ảnh hưởng. Các halogen silic rất độc và ăn mòn. Silic tetraclorua là chất gây kích ứng da và mắt và có thể gây ra các vấn đề về hô hấp.

Tại sao phải xử lý loại bỏ silic trong nước

Cần phải xử lý loại bỏ silic trong nước  để bảo vệ hệ thống nồi hơi và tháp giải nhiệt khỏi bị ăn mòn do silic ngưng tụ trên các bộ phận của nồi hơi và tháp giải nhiệt.  Nồng độ silic cao trong nước là một vấn đề đối với hệ thống lò hơi và tháp giải nhiệt. Lò hơi áp suất cao sẽ có hơi silic do độ bay hơi đủ lớn trong hệ thống. Ở áp suất giảm của tuabin, hơi silic lắng đọng trên các cánh tua bin và làm giảm hiệu suất của tuabin. Cả silica dạng keo và silic phản ứng đều gây ra sự cố phân hủy  silic phản ứng và sẽ bốc hơi ở áp suất và nhiệt độ cao. Nồng độ silic cao cũng là một vấn đề đối với bộ trao đổi nhiệt trong hệ thống tháp giải nhiệt. Silic có thể ở dạng monomer khi PH>10 có khả năng hòa tan cao. Dạng monomer có thể ngưng tụ khi độ PH giảm và được chuyển thành phức chất silicat bằng cách chia sẻ OH^–.

Các phương pháp xử lý loại bỏ silic trong nước

Phương pháp xử lý loại bỏ silic trong nước bao gồm đông tụ và keo tụ, màng thẩm thấu ngược RO và trao đổi ion. Trong đó trao đổi ion là phương pháp tốt nhất để loại bỏ không hoàn toàn silic hòa tan.

Quá trình đông tụ và keo tụ loại bỏ silic dạng keo nhưng nó loại bỏ một phần tổng lượng silic trong nước thô.  Phương pháp kết tủa là phương pháp hiệu quả về mặt chi phí để loại bỏ một phần tổng lượng silic. Nhưng có nhiều nhược điểm như kết tủa silic tốn thời gian, lộn xộn và khó thực hiện. Silic không kết tủa dưới dạng SiO₂. Silic có thể chứa ion hóa trị 2 và hiếm khi có thể chứa các ion hóa trị 3. Canxi silicat không hòa tan, ở nhiệt độ cao chúng hình thành nhanh chóng. Các hợp chất nhôm có thể được sử dụng để kết tủa silic nhưng hợp chất thông thường là muối magie.

Màng thẩm thấu ngược RO: Có thể giúp giảm nồng độ silic hòa tan nhưng không hoàn toàn. Nó loại bỏ nhiều dạng silic không hòa tan trong nước. Trong hệ thống lọc RO, các polymer mới đang loại bỏ silic. Màng siêu lọc có thể loại bỏ nhưng nó liên quan đến quá trình ion hóa silic vì silic hòa hoàn toàn trong các giá trị PH cao hơn. Vì vậy khi thiết kế hệ thống lọc RO cần quan tâm nhiều hơn đến nồng độ silic trong dung dịch nước muối và độ hòa tan của silic

Trao đổi ion: Là phương pháp tốt nhất để loại bỏ không hoàn toàn silic hòa tan.

Các phương pháp loại bỏ silica trong nước

Phương pháp loại bỏ silic trong nước bằng nhựa trao đổi ion

Trao đổi ion được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước do hiệu quả cao, chi phí vận hành thấp, bảo trì dễ dàng, thân thiện với người dùng và chi phí ban đầu thấp. Nhựa đóng vai trò chủ đạo trong hệ thống trao đổi ion và chức năng tổng thể của hệ thống phụ thuộc vào hoạt động của lớp nhựa. Có thể chia nhựa trao đổi ion thành 4 loai theo nhóm chức năng được gắn trên hạt polymer, đó là cation axit mạnh (SAC), cation axit yếu (WAC), anion bazo mạnh (SBA) và anion bazo yếu  (WBA).

Nhựa trao đổi anion bazo mạnh được sử dụng để loại bỏ silic trong nước. Nhựa anion bazo mạnh chuyển đổi tất cả các muối thành bazo có liên quan. Nhựa anion bazo mạnh bao các nhóm amoni bậc  4 và được chia thành 2 loại: loại 1 và loại 2. Nhựa anion bazo mạnh trong với ion trao đổi OH^– ưu tiên cao hơn đối với sunfat và clorua so với silic nhưng silic vẫn được ưu tiên hơn so với ion hydroxit. Nhựa anion bazo mạnh loại bỏ hiệu quả silic phản ứng và giảm nồng độ silic xuống ppb.

Nhựa anion bazo mạnh được tái sinh bằng dung dịch NaOH. Các thông số thiết yếu của nước thải là mức silic và độ dẫn điện của nước thải. Tái sinh bằng NaOH có thể tạo ra các anion và là nguyên nhân gây ra rò rỉ silic nhỏ. Khả năng rò rỉ phụ thuộc vào liều lượng chất tái sinh và tính chất hóa học của nước đã qua xử lý. Silic có thể được loại bỏ khỏi lớp nhựa bằng natri hydroxit đun nóng đến nhiệt độ do nhà sản xuất quy định.

Đối với silic dạng keo không thể loại bỏ bằng nhựa trao đổi ion do không có hạt tích điện trong silic dạng keo. Do đó phương pháp tốt nhất để loại bỏ silic dạng keo là lọc bằng màng lọc.

Trao đổi ion dạng tách đôi

Hệ thống trao đổi ion có thể rất hiệu quả trong việc chiết xuất silica. Với sự sắp xếp đúng đắn của nhựa, thực sự có thể loại bỏ hoàn toàn silica khỏi nước. Đây là lý do tại sao các hệ thống này được sử dụng để xử lý nước cung cấp cho nồi hơi áp suất cao. Để tối ưu hóa chi phí vận hành của loại hệ thống này, nồng độ silica trong nước không được vượt quá 10 ppm.

Nguyên lý “giường riêng” bao gồm hai cột nhựa được lắp nối tiếp. Đối với quá trình loại bỏ silic, cột đầu tiên chứa nhựa cation phải được tái sinh bằng dung dịch axit. Quá trình silic đi qua cột cation làm thay đổi thành phần của nó và “chuyển đổi” thành axit silicic. Sau khi quá trình chuyển đổi này hoàn tất, axit silicic đi qua cột nhựa anion, cho phép loại bỏ axit. Giữa hai cột nhựa, thường có một cột khử cacbon để cho phép chiết xuất carbon dioxide ở dạng nước. Bước này rất quan trọng vì nhựa anion có thể bị bám bẩn bởi CO2 trước khi có thể loại bỏ axit silicic từ nước.

Các vấn đề có thể phát sinh do nồng độ silic quá cao trong nước cần xử lý bằng bộ trao đổi ion về cơ bản bao gồm sự bám bẩn của nhựa. Nói cách khác, nếu nồng độ silic quá cao so với kích thước của thiết bị, sự tích tụ có thể xảy ra và ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Để khắc phục điều này, quá trình tái sinh nhựa phải luôn được thực hiện đúng cách và có thể lắp đặt các cảm biến trên hệ thống.