Rechner für Siliciumdioxid-Löslichkeit und Belagbildung
Untersuchen Sie die Löslichkeit von amorphem Siliciumdioxid beim Erwärmen, Abkühlen oder Aufkonzentrieren von Wasser.
Bedingungen Ihres Wassers
Bewegen Sie einen Schieberegler oder geben Sie einen Wert ein.
5–95 °C · Referenz für flüssiges Wasser bei annähernd atmosphärischen Bedingungen.
Geben Sie die Summe der gelösten monomeren Kieselsäure- und Silicatspezies an, angegeben als SiO₂. Geben Sie nicht den Gesamtsiliciumdioxidgehalt ein, wenn dieser Kolloide oder Partikel umfasst. In verdünnten wässrigen Lösungen nahe Raumtemperatur entspricht mg/L näherungsweise mg/kg; hier erfolgt keine Dichteumrechnung.
pH 4–10. Der pH-Wert verändert nun die Sättigungskurve für das gesamte gelöste Siliciumdioxid über die berechnete Speziesverteilung H₄SiO₄ / H₃SiO₄⁻ / H₂SiO₄²⁻. Aktivitätskorrekturen und die für den Ladungsausgleich mindestens erforderlichen Ionenmengen werden berechnet; siehe die Modellgrenzen unten.
Aufkonzentrierungsszenario
1–10×. Es wird angenommen, dass sowohl Siliciumdioxid als auch NaCl vollständig zurückgehalten werden und die Wassermasse vor einer Ausfällung abnimmt. Der pH-Wert bleibt auf dem von Ihnen gewählten Wert. Die effektive NaCl-Konzentration darf höchstens 5000 mg/kg betragen. Dies ist keine Simulation einer RO-Membran oder eines Verdampfers.
0–5000 mg/kg Wasser als tatsächliches NaCl, vor dem Aufkonzentrierungsschritt. Standardwert: null. NaCl verändert die Aktivitätskoeffizienten; es ist kein Ersatz für TDS oder eine vollständige Wasseranalyse. Andere gelöste Salze werden nicht berücksichtigt.
Der Salzeffekt hängt vom pH-Wert und von der Temperatur ab.
Was geschieht beim Erwärmen oder Abkühlen von Wasser?
Berechneter Gesamtgehalt an gelöstem Siliciumdioxid bei Sättigung mit amorphem Siliciumdioxid, angegeben als SiO₂ beim gewählten pH-Wert. Der dunkle Punkt stellt das von Ihnen gewählte Wasser nach dem idealen Aufkonzentrierungsschritt dar.
Blau: pH- und NaCl-korrigierter Gesamtgehalt an gelöstem Siliciumdioxid · Grau gestrichelt: Referenz für die ungeladene Spezies in reinem Wasser · Dunkler Punkt: gewähltes Wasser.
25 °C · pH 7.0 · 1× Aufkonzentrierung
Unterhalb der modellierten Sättigung
Unter den Standardbedingungen liegt der Gehalt an gelöstem Siliciumdioxid unter der aktivitätskorrigierten Sättigungskonzentration des Modells.
MODELLIERTE GESAMTLÖSLICHKEIT
117.2 mg/kg, angegeben als SiO₂
KONZENTRATION IM SZENARIO
80.0 mg/kg, angegeben als SiO₂
KONZENTRATION / MODELLGRENZE
68%
Der Prozentwert ist ein Konzentrationsverhältnis, kein aktivitätsbasierter Sättigungsindex und kein zulässiger Betriebsgrenzwert.
Wie der pH-Wert das gelöste Siliciumdioxid verändert
Ein höherer pH-Wert verschiebt das Gleichgewicht von ungeladener Kieselsäure hin zu Silicationen. Bei Sättigung legt die Aktivitätsreferenz für die ungeladene Spezies H₄SiO₄ fest; die ionischen Spezies tragen zusätzlich zum Gesamtgehalt an gelöstem Siliciumdioxid bei. Die nachstehenden Prozentwerte werden für das von Ihnen gewählte Wasser berechnet, einschließlich der NaCl-Hintergrundkonzentration und der Ionen zur pH-Einstellung. Die Aktivitätskoeffizienten hängen von der Ionenstärke ab, daher werden das gewählte Wasser und sein Sättigungszustand getrennt berechnet.
| Monomere Spezies | Berechneter Anteil | Siliciumdioxid im gewählten Wasser · mg/kg, angegeben als SiO₂ |
|---|---|---|
| H₄SiO₄ · ungeladen | 99.85% | 79.9 |
| H₃SiO₄⁻ · einfach geladen | 0.15% | 0.1 |
| H₂SiO₄²⁻ · zweifach geladen | <0.01% | 0.0 |
Berechneter pK₁ ≈ 9.83 bei 25 °C. Die Aktivitätskoeffizienten werden iterativ bestimmt.
Das Modell umfasst NaCl, gelöstes monomeres Siliciumdioxid, H⁺, OH⁻ sowie die für den Ladungsausgleich mindestens erforderlichen Mengen an Na⁺ oder Cl⁻. Andere Ionen werden in diesem Modell nicht berücksichtigt.
Drei nützliche Erkenntnisse
Abkühlung senkt die Referenzlöslichkeit
Der Wert der Temperaturkorrelation steigt mit der Temperatur. Ein Wasserstrom, dessen Konzentration im warmen Zustand unter dem Referenzwert liegt, kann diesen beim Abkühlen überschreiten.
Ein höherer pH-Wert erhöht die scheinbare Siliciumdioxid-Löslichkeit
Das Modell berechnet bei höherem pH-Wert mehr Silicationen, sodass der Gesamtgehalt an gelöstem Siliciumdioxid bei Sättigung mit amorphem Siliciumdioxid zunimmt. Ein höherer Löslichkeitswert beseitigt nicht die Risiken einer Belagbildung durch Metallsilicate oder andere Stoffe.
Der Salzeffekt hängt vom pH-Wert ab
NaCl verändert die Aktivitäten neutraler Kieselsäure und geladener Silicatspezies auf unterschiedliche Weise. In diesem Modell kann es die Löslichkeit bei annähernd neutralem pH-Wert leicht senken und bei höheren pH-Werten erhöhen. Eine allgemeingültige Regel „mehr Salz bedeutet höhere Löslichkeit“ gibt es nicht.
Gelöstes, kolloidales und gesamtes Siliciumdioxid sind nicht dasselbe
Diese Seite summiert neutrale Kieselsäure und ihre beiden dissoziierten monomeren Formen und vergleicht diese Summe mit einer Gleichgewichtsabschätzung für amorphes Siliciumdioxid. Kolloidales Siliciumdioxid besteht aus Partikeln, während der Gesamtgehalt an Siliciumdioxid je nach Analysenmethode gelöste und partikuläre Anteile umfassen kann. Ein als „reaktives Siliciumdioxid“ bezeichnetes Laborergebnis ist methodenabhängig; prüfen Sie vor der Eingabe, auf welcher Basis es angegeben ist.
Der Siliciumdioxidgehalt, angegeben als Si, muss mit etwa 2.139 multipliziert werden, um dieselbe Menge als SiO₂ auszudrücken. Als Referenz dient amorphes Siliciumdioxid, nicht Quarz oder ein Magnesiumsilicatmineral.
Wo ist dies nützlich?
Umkehrosmosekonzentrat und Wasserwiederverwendung
Verwenden Sie einen gemessenen Gehalt an gelöstem Siliciumdioxid, um die Auswirkungen der Temperatur und einer idealen Aufkonzentrierung zu untersuchen. Für eine reale Bewertung der Umkehrosmose sind außerdem der pH-Wert des Konzentrats, die Salzchemie, der Siliciumdioxiddurchgang und die Konzentration an der Membranoberfläche erforderlich.
Eindampfung und ZLD
Untersuchen Sie die Auswirkungen der Aufkonzentrierung eines Stoffstroms. Verdampferlösungen mit hohem Salzgehalt erfordern eine geochemische Modellierung unter Berücksichtigung der vollständigen Zusammensetzung; diese begrenzte NaCl-Abschätzung bildet keine Solen ab.
Abkühlung geothermischer Ströme oder Prozessströme
Veranschaulichen Sie, warum durch Abkühlung der Gehalt an gelöstem Siliciumdioxid über einen Löslichkeitsreferenzwert steigen kann. Die tatsächliche Ausfällung kann verzögert eintreten und muss für das jeweilige Wasser bewertet werden.
Die obigen Berechnungen dienen der vorläufigen Orientierung und können Fehler oder Auslassungen enthalten. Für Richtigkeit oder Vollständigkeit wird keine Gewähr übernommen; die Ergebnisse sollten vor ihrer Verwendung für die Auslegung, die Auswahl von Aufbereitungsverfahren oder betriebliche Entscheidungen unabhängig überprüft werden. Dieses Werkzeug ersetzt keine vollständige geochemische Modellierung oder Pilotversuche bei Systemen mit hoher Wasserausbeute oder hohen Temperaturen.
Methodik und Grenzen
Die Gleichungen, die Konzentrationsbezugsbasis und die Annahmen hinter der Abschätzung für amorphes Siliciumdioxid, einschließlich der pH-abhängigen Speziation, der NaCl-Aktivitätskorrekturen und des vorhandenen PHREEQC-Vergleichs.
1. Eingaben, Einheiten und Szenariogrundlage
| Eingabe | Wertebereich der Benutzeroberfläche | Bedeutung in diesem Modell |
|---|---|---|
| Temperatur | 5–95 °C | Referenz für flüssiges Wasser unter annähernd atmosphärischen Bedingungen; keine Druckkorrektur. |
| Gelöstes Siliciumdioxid | 0–1000 mg/kg Wasser als SiO₂ | Summe der gelösten monomeren Kieselsäure- und Silicatspezies vor der Aufkonzentrierung; Partikel und Kolloide sind ausgeschlossen. |
| Betriebs-pH-Wert | 4–10 | Wird bei jeder Temperatur unabhängig vorgegeben und nicht während der Erwärmung oder Aufkonzentrierung vorhergesagt. |
| Idealer Aufkonzentrierungsfaktor, F | 1–10× | Skaliert sowohl gelöstes Siliciumdioxid als auch Hintergrund-NaCl unter Annahme eines vollständigen Rückhalts vor der Ausfällung. |
| Hintergrund-NaCl | 0–5000 mg/kg Wasser vor der Aufkonzentrierung | Nur tatsächlich vorhandenes NaCl; weder TDS noch ein Ersatz für die anderen Ionen einer Analyse. |
Die Konzentrationen beziehen sich auf Kilogramm Wasser, nicht auf Kilogramm Lösung. Der Code rechnet Siliciumdioxid in Molalität um und verwendet dafür 60084.3 mg/mol; für NaCl verwendet er 58442.77 mg/mol. Eine Dichteumrechnung wird nicht vorgenommen. In verdünnten wässrigen Lösungen nahe Raumtemperatur entspricht mg/L näherungsweise mg/kg Wasser; diese Näherung sollte nicht ohne Weiteres auf heißes Wasser oder Solen übertragen werden.
Siliciumdioxid im Szenario = eingegebener Siliciumdioxidgehalt × F NaCl im Szenario = eingegebener NaCl-Gehalt × F
Der eingegebene Betriebs-pH-Wert bleibt konstant. Das Szenario berechnet weder eine reale Umkehrosmoseausbeute noch einen Verdampfungsverlauf, einen Salzdurchgang oder eine ausgefällte Masse. Die Wertebereiche der Benutzeroberfläche sind keine unabhängig validierten Genauigkeitsgrenzen.
Gleichungen, Aktivitätsmodell und numerische Lösung
1. Aktivitätsreferenz für neutrale Spezies: Fournier–Rowe (1977): log₁₀ C₀ = 4.52 − 731/T, wobei T in Kelvin und C₀ als SiO₂ in mg/kg Wasser angegeben werden. Die Reinwasserkorrelation wird als Aktivitätsreferenz für neutrale Spezies in verdünnter Lösung im Bereich von 5–95 °C verwendet. Eine Druckkorrektur wird nicht vorgenommen.
2. Dissoziationskonstanten: H₄SiO₄ ⇌ H₃SiO₄⁻ + H⁺ (K₁) und H₄SiO₄ ⇌ H₂SiO₄²⁻ + 2H⁺ (β₂). β₂ ist die kumulative Konstante, nicht die Konstante der zweiten Dissoziationsstufe. Die analytischen Ausdrücke in PHREEQC verwenden log K = A₁ + A₂T + A₃/T + A₄ log₁₀T + A₅/T². Koeffizienten für K₁: −302.3724, −0.050698, 15669.69, 108.18466, −1119669; für β₂: −294.0184, −0.07265, 11204.49, 108.18466, −1119669; für die Dissoziation von Wasser: −283.971, −0.05069842, 13323, 102.24447, −1119669.
3. Aktivitätskorrekturen: Für Silicationen gilt log₁₀ γᵢ = −Azᵢ²[√I/(1 + √I) − 0,3I] (Davies). Für neutrales H₄SiO₄ gilt log₁₀ γ₀ = 0,1I, entsprechend der Konvention für neutrale Spezies in der für den Vergleich festgelegten Datenbankversion. H⁺ und OH⁻ verwenden erweiterte Debye–Hückel-Koeffizienten mit Ionengrößenparametern von 9.0 und 3.5 Å und einem b-dot-Wert von null. Die temperaturabhängigen Parameter A und B werden aus PHREEQC-Werten für die Wassereigenschaften interpoliert, die in Abständen von 5 °C im Bereich von 5–95 °C bei atmosphärischem Referenzdruck vorliegen. NaCl trägt gleiche Molalitäten von Na⁺ und Cl⁻ bei; sein Eingabewert wird durch 58442.77 mg/mol dividiert. Diese Konventionen sind datenbankspezifisch und keine allgemeingültigen Salzlöslichkeitskoeffizienten.
4. Gleichgewicht und Ladungsausgleich: R₁ = 10pH + log K₁; R₂ = 102pH + log β₂. Bei Sättigung gilt C = C₀(1/γ₀ + R₁/γ₁ + R₂/γ₂). Die Anteile sind proportional zu 1/γ₀, R₁/γ₁ und R₂/γ₂. Für die gewählte Siliciumdioxidkonzentration werden die Spezies bei der zugehörigen Ionenstärke neu berechnet. H⁺ und OH⁻ werden aus dem vorgegebenen pH-Wert und der Dissoziation des Wassers berechnet. Das Modell fügt die für die Elektroneutralität erforderliche Mindestmenge an Na⁺ oder Cl⁻ hinzu, entsprechend einer idealisierten Einstellung mit NaOH oder HCl. Die Ionenstärke I = ½Σmᵢzᵢ² und die Aktivitätskoeffizienten werden iterativ bestimmt. Dies ist ein vereinfachtes, ladungsbilanziertes NaCl–Siliciumdioxid-Szenario; es berechnet weder eine praktische Säure- oder Natronlaugendosierung noch eine gemessene Wasserzusammensetzung.
5. Bereich der Vorprüfung: Die Berechnungen sowohl für das gewählte Wasser als auch für seinen vorhergesagten Sättigungszustand müssen konvergieren und eine modellierte Ionenstärke ≤0.10 mol/kg ergeben. Die effektive NaCl-Hintergrundkonzentration nach der Aufkonzentrierung muss ≤5000 mg/kg Wasser betragen. Andernfalls wird der Sättigungsvergleich nicht angezeigt; die blaue Kurve ist auf Bedingungen innerhalb des Gültigkeitsbereichs begrenzt. Ergebnisse zu den Spezies werden nicht angezeigt, wenn das gewählte Wasser außerhalb des Gültigkeitsbereichs liegt. Dies sind operative Grenzwerte für die Vorprüfung, keine unabhängig validierten Genauigkeitsgrenzen. Andere Salze lassen sich nicht einfach dadurch abbilden, dass ihr TDS-Wert als NaCl eingegeben wird.
6. Vereinfachungen: Die Wasseraktivität wird auf 1 gesetzt, ohne salzspezifisches osmotisches Modell. Der gerundete Achsenabschnitt der Referenz für die neutrale Spezies weicht geringfügig von der Phasenkonstante in der festgelegten PHREEQC-Version ab; dies und die nicht berücksichtigte Wasseraktivität erklären einen Großteil der verbleibenden Abweichung im Referenzvergleich. Der Betriebs-pH-Wert wird für jede Temperatur unabhängig vorgegeben. Der Konzentrationsfaktor skaliert sowohl Siliciumdioxid als auch NaCl unter der Annahme eines vollständigen Rückhalts und einer verringerten Wassermasse vor einer Ausfällung. Natürliche Alkalinität, andere Ionen, Komplexe, Metallsilicatphasen, polymerisiertes Siliciumdioxid, Kolloide, Kinetik, die Wirksamkeit von Antiscalants, die Konzentration an der Membranoberfläche und die zulässige Ausbeute werden nicht vorhergesagt. Aus der Löslichkeit lässt sich nicht ablesen, wann Fouling eintritt.
Dieser Rechner schätzt die Sättigung an amorphem Siliciumdioxid in einem begrenzten NaCl–Siliciumdioxid-Szenario ab. Eine Übereinstimmung mit PHREEQC unter denselben Annahmen validiert keine Auslegung für reales Wasser. Überprüfen Sie die Ergebnisse anhand der vollständigen Wasserchemie und gegebenenfalls anhand experimenteller Daten.
Interpretation der Ergebnisse und Anzeigeregeln
Konzentrationsverhältnis (%) = 100 × Siliciumdioxid im Szenario / modellierte Sättigungskonzentration
Das Verhältnis wird auf ganze Prozent gerundet, während die Statusbezeichnungen den ungerundeten Wert verwenden: Werte unter 85% entsprechen „Unterhalb der modellierten Sättigung“; 85–100% entsprechen „Annäherung an die modellierte Sättigung“; Werte über 100% entsprechen „Oberhalb der modellierten Sättigung“. Der Schwellenwert von 85% ist eine für die Benutzeroberfläche gewählte Warnschwelle, kein chemisch begründeter Sicherheitsabstand. Das Verhältnis ist weder ein allgemeiner aktivitätsbasierter Mineralsättigungsindex noch ein zulässiger Betriebsgrenzwert.
Die blaue Kurve berechnet die Sättigung bei jeder Temperatur für den gewählten pH-Wert und die effektive NaCl-Konzentration. Die Speziation des gewählten Wassers wird separat bei der eingegebenen Siliciumdioxidkonzentration berechnet. Die grau gestrichelte Kurve ist die Temperaturreferenz für die neutrale Spezies in reinem Wasser, nicht die vollständige Speziationskurve ohne NaCl. Auch bei einer NaCl-Hintergrundkonzentration von null können Ionen zum pH-Ausgleich und Silicationen zur Ionenstärke beitragen.
Die iterative Berechnung der Ionenstärke lässt bis zu 160 Iterationen zu, verwendet eine Dämpfung mit halber Schrittweite und erkennt Konvergenz an, wenn die Änderung kleiner ist als 10⁻¹² + 10⁻⁹ × max(vorheriges I, aktualisiertes I). Sie wird vorzeitig abgebrochen, wenn die aktualisierte Ionenstärke nicht endlich ist oder über 2 mol/kg liegt. Dieser numerische Abbruch ist von der strengeren Grenze von 0.10 mol/kg für die Ergebnisausgabe zu unterscheiden.
Punkte außerhalb des Gültigkeitsbereichs werden in der blauen Kurve ausgelassen. Das Verhältnis und die Markierung für das gewählte Wasser werden nur angezeigt, wenn sowohl das gewählte Wasser als auch sein Sättigungszustand innerhalb des Gültigkeitsbereichs liegen. Die Speziesanteile werden nicht angezeigt, wenn bereits das gewählte Wasser außerhalb des Gültigkeitsbereichs liegt. „Außerhalb des Gültigkeitsbereichs des Modells“ darf nicht als geringes Risiko für Belagbildung interpretiert werden.
Reproduzierbares Standardbeispiel
Beim Zurücksetzen gelten folgende Werte: 25 °C, pH 7.0, gelöstes Siliciumdioxid 80 mg/kg Wasser als SiO₂, Konzentrationsfaktor 1× und eine NaCl-Hintergrundkonzentration von null. Die modellierte Gesamtkonzentration bei Sättigung beträgt etwa 117.2 mg/kg als SiO₂; das angezeigte Konzentrationsverhältnis beträgt 68%, mit dem Status „Unterhalb der modellierten Sättigung“. Im gewählten Wasser liegt überwiegend neutrales H₄SiO₄ vor. Eine NaCl-Hintergrundkonzentration von null unterdrückt nicht die Ionen, die für den pH-Wert und die Ladungsbilanz des Modells erforderlich sind.
Referenzvergleich und Grenzen der Validierung
Wie schneidet dieses Modell im Vergleich zu PHREEQC ab?
Bei einem Referenzvergleich mit synthetischem Wasser wurden 396 Kombinationen aus Temperatur, pH-Wert und NaCl mit der PHREEQC-Rechenengine und der festgelegten Version der Datenbank phreeqc.dat verglichen, die mit IPhreeqcPy 2024.0.0 geliefert wird. Beide Modelle verwendeten amorphes Siliciumdioxid, SiO₂(a), bei festem Betriebs-pH-Wert. PHREEQC berücksichtigte HCl oder NaOH zur Konstanthaltung des pH-Werts sowie seine Berechnung der Wasseraktivität; diese Seite verwendet die für den Ladungsausgleich erforderliche Mindestmenge an Ionen und setzt die Wasseraktivität auf 1.
| Bedingungen | NaCl · mg/kg Wasser | Dieses Modell · 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 · nicht angezeigt | 3907.0 |
Das Prüfraster umfasste 5–95 °C, pH 4–10 und 0–5000 mg/kg NaCl, einschließlich 18 Fällen bei Zwischentemperaturen. Von diesen Fällen erfüllten 391 das Ionenstärkekriterium dieses Modells für den Sättigungszustand; die größte relative Abweichung von PHREEQC betrug 0.98%. Fünf Fälle überschritten den Grenzwert, und ihr Sättigungsvergleich wird nicht angezeigt. Diese bei den geprüften Fällen ermittelten Abweichungen sind keine garantierten Genauigkeitsgrenzen. Die beiden Berechnungen verwenden dieselben Gleichgewichtskonstanten und Annahmen zum Aktivitätsmodell; daher handelt es sich um einen Vergleich der Implementierungen, nicht um eine unabhängige experimentelle Validierung.
Reales Prozesswasser kann Calcium, Magnesium, Aluminium, Eisen und weitere hier nicht berücksichtigte Bestandteile enthalten. Verwenden Sie für die Auslegung eine vollständige Wasseranalyse sowie eine geeignete Datenbank und ein geeignetes Aktivitätsmodell; weder dieser Vergleich noch der NaCl-Regler legt eine sichere Ausbeute oder Foulingrate fest.
Quellen und Modelldokumentation
Quellen: USGS-PHREEQC-Datenbank · Gleichgewichtskonstanten · PHREEQC · Temperaturabhängige Ausdrücke und Aktivitätsmodelle · Fournier & Rowe · Löslichkeit von amorphem Siliciumdioxid · DuPont FilmTec · Vermeidung von Siliciumdioxidbelägen
Methodendokumentation v1.0 · erstellt am 24. Oktober 2026. Dokumentiert die bestehende Berechnungsroutine und den dazu angegebenen Benchmark; durch diese Registerkarte werden keine numerischen Funktionen oder Koeffizienten verändert.