Calculadora de solubilidad de la sílice y formación de incrustaciones
Explore la solubilidad de la sílice amorfa a medida que el agua se calienta, se enfría o se concentra.
Condiciones de su agua
Mueva un control deslizante o introduzca un valor.
5–95 °C · referencia para agua líquida en condiciones próximas a las atmosféricas.
Introduzca la suma de las especies monoméricas disueltas de ácido silícico y silicato, expresada como SiO₂. No introduzca la sílice total que incluya coloides o partículas. En agua con baja concentración de solutos y a temperaturas cercanas a la ambiente, mg/L equivale aproximadamente a mg/kg; aquí no se aplica ninguna conversión por densidad.
pH 4–10. Ahora el pH modifica la curva de saturación de la sílice disuelta total mediante la especiación calculada de H₄SiO₄ / H₃SiO₄⁻ / H₂SiO₄²⁻. Se calculan las correcciones de actividad y las cantidades mínimas de iones necesarias para equilibrar las cargas; consulte los límites del modelo más abajo.
Escenario de concentración
1–10×. Supone que tanto la sílice como el NaCl se retienen por completo y que la masa de agua se reduce antes de la precipitación. El pH permanece en el valor seleccionado. La concentración efectiva de NaCl debe ser inferior o igual a 5000 mg/kg. Esto no es una simulación de una membrana de OI ni de un evaporador.
0–5000 mg/kg de agua como NaCl real, antes de la etapa de concentración. Valor predeterminado: cero. El NaCl modifica los coeficientes de actividad; no sustituye a los sólidos disueltos totales (TDS) ni a un análisis completo del agua. No se incluyen otras sales disueltas.
El efecto de la sal depende del pH y de la temperatura.
¿Qué ocurre cuando el agua se calienta o se enfría?
Sílice disuelta total calculada en condiciones de saturación de sílice amorfa, expresada como SiO₂ al pH seleccionado. El punto oscuro representa el agua seleccionada después de la etapa de concentración ideal.
Azul: sílice disuelta total corregida por pH y NaCl · Gris discontinuo: referencia de la especie neutra en agua pura · Punto oscuro: agua seleccionada.
25 °C · pH 7.0 · 1× de concentración
Por debajo de la saturación modelizada
En las condiciones predeterminadas, la concentración de sílice disuelta está por debajo de la concentración de saturación del modelo corregida por actividad.
SOLUBILIDAD TOTAL MODELIZADA
117.2 mg/kg como SiO₂
CONCENTRACIÓN DEL ESCENARIO
80.0 mg/kg como SiO₂
CONCENTRACIÓN / LÍMITE DEL MODELO
68%
El porcentaje es una relación de concentraciones, no un índice de saturación basado en la actividad ni un límite de funcionamiento permitido.
Cómo modifica el pH la sílice disuelta
Un pH más alto desplaza el equilibrio del ácido silícico neutro hacia los iones silicato. En condiciones de saturación, la referencia de actividad de la especie neutra determina el H₄SiO₄; las especies iónicas contribuyen a la sílice disuelta total. Los porcentajes siguientes se calculan para el agua seleccionada, teniendo en cuenta el NaCl de fondo y los iones de ajuste del pH. Los coeficientes de actividad dependen de la fuerza iónica, por lo que los cálculos para el agua seleccionada y para su estado de saturación se resuelven por separado.
| Especies monoméricas | Fracción calculada | Sílice en el agua seleccionada · mg/kg como SiO₂ |
|---|---|---|
| H₄SiO₄ · neutro | 99.85% | 79.9 |
| H₃SiO₄⁻ · con carga simple | 0.15% | 0.1 |
| H₂SiO₄²⁻ · con carga doble | <0.01% | 0.0 |
pK₁ calculado ≈ 9.83 a 25 °C. Los coeficientes de actividad se calculan de forma iterativa.
El modelo incluye NaCl, sílice monomérica disuelta, H⁺, OH⁻ y la cantidad mínima de Na⁺ o Cl⁻ necesaria para equilibrar las cargas. Este modelo no incluye otros iones.
Tres conclusiones útiles
El enfriamiento reduce la solubilidad de referencia
El valor de la correlación de temperatura aumenta con la temperatura. Una corriente que está por debajo de la referencia cuando está caliente puede superarla al enfriarse.
Un pH más alto aumenta la solubilidad aparente de la sílice
El modelo calcula una mayor cantidad de iones silicato a un pH más alto, por lo que aumenta la sílice disuelta total en condiciones de saturación de sílice amorfa. Un valor de solubilidad mayor no elimina los riesgos de formación de incrustaciones de silicatos metálicos ni de otros tipos de incrustaciones.
El efecto de la sal depende del pH
El NaCl modifica de forma diferente las actividades del ácido silícico neutro y de las especies de silicato con carga. En este modelo, puede reducir ligeramente la solubilidad cerca de un pH neutro y aumentarla a valores de pH más altos. No existe una regla universal según la cual «más sal significa más solubilidad».
La sílice disuelta, la sílice coloidal y la sílice total son diferentes
Esta página suma el ácido silícico neutro y sus dos formas monoméricas disociadas, y compara ese total con una evaluación preliminar del equilibrio de la sílice amorfa. La sílice coloidal está formada por partículas, mientras que la sílice total puede incluir material disuelto y particulado, según el método analítico. Un resultado de laboratorio denominado «sílice reactiva» depende del método; confirme la base en la que se expresa antes de introducirlo.
La sílice expresada como Si debe multiplicarse aproximadamente por 2.139 para expresar la misma cantidad como SiO₂. La referencia es la sílice amorfa, no el cuarzo ni un mineral de silicato de magnesio.
¿Dónde resulta útil?
Concentrado de ósmosis inversa y reutilización del agua
Utilice un valor medido de sílice disuelta para explorar los efectos de la temperatura y de la concentración ideal. Una evaluación real de ósmosis inversa también requiere el pH del concentrado, la química de las sales, el paso de sílice y la concentración en la superficie de la membrana.
Evaporación y ZLD
Explore el efecto de concentrar una corriente. Los líquidos de evaporador de alta salinidad requieren una modelización geoquímica de la composición completa; esta evaluación preliminar limitada al NaCl no representa las salmueras.
Enfriamiento de corrientes geotérmicas o de proceso
Muestre por qué el enfriamiento puede hacer que la sílice disuelta supere un valor de referencia de solubilidad. La precipitación real puede demorarse y debe evaluarse para el agua en cuestión.
Los cálculos anteriores sirven como referencia preliminar y pueden contener errores u omisiones. No se garantiza su exactitud ni su integridad; los resultados deben verificarse de forma independiente antes de utilizarlos en el diseño, la selección del tratamiento o las decisiones operativas. Esta herramienta no sustituye a una modelización geoquímica completa ni a los ensayos piloto en sistemas de alta recuperación o alta temperatura.
Metodología y limitaciones
Las ecuaciones, la base de expresión de las concentraciones y los supuestos de la evaluación preliminar de la sílice amorfa, incluida la especiación en función del pH, las correcciones de actividad por NaCl y la comparación existente con PHREEQC.
1. Datos de entrada, unidades y base del escenario
| Dato de entrada | Intervalo de la interfaz | Significado en este modelo |
|---|---|---|
| Temperatura | 5–95 °C | Referencia de agua líquida en condiciones próximas a las atmosféricas; sin corrección de presión. |
| Sílice disuelta | 0–1000 mg/kg de agua como SiO₂ | Suma de las especies monoméricas disueltas de ácido silícico y silicato antes de la concentración; excluye partículas y coloides. |
| pH de operación | 4–10 | Se impone de forma independiente a cada temperatura, en lugar de predecirse durante el calentamiento o la concentración. |
| Factor de concentración ideal, F | 1–10× | Multiplica tanto la concentración de sílice disuelta como la de NaCl de fondo, suponiendo una retención completa antes de la precipitación. |
| NaCl de fondo | 0–5000 mg/kg de agua antes de la concentración | Solo NaCl real; no representa los sólidos disueltos totales (TDS) ni sustituye a los demás iones de un análisis. |
Las concentraciones se expresan por kilogramo de agua, no por kilogramo de disolución. El código convierte la concentración de sílice a molalidad utilizando 60084.3 mg/mol y la de NaCl utilizando 58442.77 mg/mol. No se aplica ninguna conversión de densidad. En aguas diluidas a una temperatura próxima a la ambiente, mg/L equivale aproximadamente a mg/kg de agua; esta aproximación no debe extenderse automáticamente al agua caliente ni a las salmueras.
Sílice del escenario = sílice introducida × F NaCl del escenario = NaCl introducido × F
El pH de operación introducido permanece fijo. El escenario no calcula una recuperación real de ósmosis inversa, una trayectoria de evaporación, el paso de sales ni la masa precipitada. Los intervalos de la interfaz no son límites de exactitud validados de forma independiente.
Ecuaciones, modelo de actividad y solución numérica
1. Referencia de actividad de las especies neutras: Fournier–Rowe (1977): log₁₀ C₀ = 4.52 − 731/T, con T en kelvin y C₀ expresado como SiO₂ en mg/kg de agua. La correlación para agua pura se utiliza como referencia de actividad de las especies neutras en condiciones diluidas en el intervalo de 5–95 °C. No se aplica ninguna corrección de presión.
2. Constantes de disociación: H₄SiO₄ ⇌ H₃SiO₄⁻ + H⁺ (K₁), y H₄SiO₄ ⇌ H₂SiO₄²⁻ + 2H⁺ (β₂). β₂ es acumulativa, no es la constante de la segunda etapa de disociación. Las expresiones analíticas de PHREEQC utilizan log K = A₁ + A₂T + A₃/T + A₄ log₁₀T + A₅/T². Coeficientes para K₁: −302.3724, −0.050698, 15669.69, 108.18466, −1119669; para β₂: −294.0184, −0.07265, 11204.49, 108.18466, −1119669; para la disociación del agua: −283.971, −0.05069842, 13323, 102.24447, −1119669.
3. Correcciones de actividad: para los iones silicato, log₁₀ γᵢ = −Azᵢ²[√I/(1 + √I) − 0,3I] (Davies). Para H₄SiO₄ neutro, log₁₀ γ₀ = 0,1I, de acuerdo con la convención para especies neutras de la versión fijada de la base de datos utilizada en la comparación de referencia. H⁺ y OH⁻ utilizan coeficientes de Debye–Hückel extendidos con parámetros de tamaño iónico de 9.0 y 3.5 Å y b-dot nulo. Los valores de A y B, dependientes de la temperatura, se interpolan a partir de los valores de las propiedades del agua de PHREEQC a intervalos de 5 °C, en el intervalo de 5–95 °C, a la presión atmosférica de referencia. El NaCl aporta molalidades iguales de Na⁺ y Cl⁻; el valor introducido se divide por 58442.77 mg/mol. Estas convenciones son específicas de la base de datos, no son coeficientes universales de solubilidad de las sales.
4. Equilibrio y cierre del balance de cargas: R₁ = 10pH + log K₁; R₂ = 102pH + log β₂. En condiciones de saturación, C = C₀(1/γ₀ + R₁/γ₁ + R₂/γ₂). Las fracciones son proporcionales a 1/γ₀, R₁/γ₁ y R₂/γ₂. Para la concentración de sílice seleccionada, las especies se recalculan a la fuerza iónica correspondiente. H⁺ y OH⁻ se calculan a partir del pH impuesto y de la disociación del agua. El modelo añade la cantidad mínima de Na⁺ o Cl⁻ necesaria para mantener la electroneutralidad, lo que corresponde a un ajuste idealizado con NaOH o HCl. La fuerza iónica I = ½Σmᵢzᵢ² y los coeficientes de actividad se resuelven de forma iterativa. Este es un escenario simplificado de NaCl–sílice con balance de cargas; no calcula una dosis práctica de ácido o sosa cáustica ni una composición del agua medida experimentalmente.
5. Intervalo de evaluación preliminar: los cálculos tanto del agua seleccionada como de su estado de saturación previsto deben converger y dar una fuerza iónica modelizada ≤0.10 mol/kg. La concentración efectiva de NaCl de fondo tras la concentración debe ser ≤5000 mg/kg de agua. De lo contrario, no se muestra la comparación de saturación; la curva azul se limita a las condiciones comprendidas en el ámbito de aplicación. Los resultados de las especies no se muestran cuando el agua seleccionada queda fuera de dicho ámbito. Estos son límites operativos de evaluación preliminar, no límites de precisión validados de forma independiente. Otras sales no pueden representarse simplemente introduciendo sus sólidos disueltos totales (TDS) como NaCl.
6. Simplificaciones: la actividad del agua se fija en 1, sin un modelo osmótico específico para cada sal. El término independiente redondeado de la referencia de la especie neutra difiere ligeramente de la constante de fase de la versión fijada de PHREEQC; esta diferencia y la omisión de la actividad del agua explican gran parte de la discrepancia restante en la comparación de referencia. El pH de operación se impone de forma independiente a cada temperatura. El factor de concentración multiplica tanto la concentración de sílice como la de NaCl, suponiendo una retención completa y una reducción de la masa de agua, antes de la precipitación. No se predicen la alcalinidad natural, otros iones, los complejos, las fases de silicatos metálicos, la sílice polimerizada, los coloides, la cinética, la eficacia de los antiincrustantes, la concentración en la superficie de la membrana ni la recuperación admisible. La solubilidad no indica el tiempo que tardará en producirse el ensuciamiento.
Esta calculadora estima la saturación de sílice amorfa en un escenario limitado de NaCl–sílice. La concordancia con PHREEQC bajo los mismos supuestos no valida un diseño para un agua real. Verifique los resultados con la composición química completa del agua y con datos experimentales cuando proceda.
Interpretación de los resultados y reglas de visualización
Relación de concentraciones (%) = 100 × sílice del escenario / concentración de saturación modelizada
La relación se redondea a un porcentaje entero, mientras que las etiquetas de estado utilizan su valor sin redondear: por debajo del 85 % se indica «Por debajo de la saturación modelizada»; entre el 85–100 % se indica «Próximo a la saturación modelizada»; por encima del 100 % se indica «Por encima de la saturación modelizada». El umbral del 85 % es una elección para la advertencia de la interfaz, no un margen de seguridad establecido químicamente. La relación no es un índice general de saturación mineral basado en actividades ni un límite de operación permitido.
La curva azul calcula la saturación a cada temperatura para el pH seleccionado y la concentración efectiva de NaCl. La especiación del agua seleccionada se calcula por separado a la concentración de sílice introducida. La curva gris discontinua es la referencia de temperatura para la especie neutra en agua pura, no la curva completa de especiación sin NaCl. Aunque la concentración de NaCl de fondo sea cero, los iones que equilibran el pH y los iones silicato pueden seguir contribuyendo a la fuerza iónica.
El procedimiento iterativo de la fuerza iónica permite hasta 160 iteraciones, aplica una amortiguación de medio paso y acepta la convergencia cuando la variación es inferior a 10⁻¹² + 10⁻⁹ × max(I anterior, I actualizada). Se detiene de forma anticipada si la fuerza iónica actualizada no es finita o supera 2 mol/kg. Esta parada numérica es distinta del límite más estricto de 0.10 mol/kg para mostrar los resultados.
Los puntos que quedan fuera del ámbito de aplicación se omiten de la curva azul. La relación y el marcador seleccionado no se muestran a menos que tanto el agua seleccionada como su estado de saturación estén dentro de dicho ámbito. Las fracciones de las especies no se muestran si el agua seleccionada por sí sola queda fuera del ámbito de aplicación. «Fuera del ámbito de aplicación del modelo» no debe interpretarse como un riesgo bajo de incrustación.
Ejemplo predeterminado reproducible
Al restablecer el ejemplo se utilizan 25 °C, pH 7.0, sílice disuelta de 80 mg/kg de agua expresada como SiO₂, un factor de concentración de 1× y una concentración de NaCl de fondo igual a cero. La concentración total de saturación modelizada es de aproximadamente 117.2 mg/kg expresada como SiO₂; la relación de concentraciones mostrada es del 68 %, con el estado «Por debajo de la saturación modelizada». En la especiación del agua seleccionada predomina el H₄SiO₄ neutro. Una concentración de NaCl de fondo igual a cero no elimina los iones que requieren el pH y el balance de cargas del modelo.
Comparación de referencia y límites de validación
¿Cómo se compara este modelo con PHREEQC?
En una comparación de referencia con agua sintética se compararon 396 combinaciones de temperatura, pH y NaCl con el motor PHREEQC y la versión fijada de la base de datos phreeqc.dat suministrada con IPhreeqcPy 2024.0.0. Ambos modelos utilizaron sílice amorfa, SiO₂(a), con un pH de operación fijo. PHREEQC incluyó HCl o NaOH para mantener el pH, así como su tratamiento de la actividad del agua; esta página utiliza la cantidad mínima de iones para equilibrar las cargas y supone que la actividad del agua es 1.
| Condiciones | NaCl · mg/kg de agua | Este modelo · mg/kg como SiO₂ | PHREEQC · mg/kg como 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 · no se muestra | 3907.0 |
La malla de casos abarcó 5–95 °C, pH 4–10 y 0–5000 mg/kg de NaCl, incluidos 18 casos a temperaturas intermedias. Del conjunto de casos, 391 cumplieron el criterio de fuerza iónica en el estado de saturación de este modelo; la mayor diferencia relativa respecto a PHREEQC fue del 0.98 %. Cinco casos superaron el límite y no se muestra su comparación de saturación. Estas diferencias observadas en los casos muestreados no son límites de precisión garantizados. Los dos cálculos comparten las constantes de equilibrio y los supuestos del modelo de actividad, por lo que se trata de una comparación de implementaciones, no de una validación experimental independiente.
El agua real de proceso puede contener calcio, magnesio, aluminio, hierro y otros componentes que no se incluyen aquí. Para el diseño, utilice un análisis completo del agua, una base de datos adecuada y un modelo de actividad apropiado; ni esta comparación ni el control de NaCl establecen una recuperación segura o una velocidad de ensuciamiento.
Referencias y registro del modelo
Referencias: Base de datos PHREEQC del USGS · Constantes de equilibrio · PHREEQC · Expresiones de temperatura y modelos de actividad · Fournier & Rowe · Solubilidad de la sílice amorfa · DuPont FilmTec · Prevención de incrustaciones de sílice
Documentación de la metodología v1.0 · preparada el 24 de octubre de 2026. Documenta el motor de cálculo existente y la comparación de referencia publicada; esta pestaña no modifica ninguna función numérica ni ningún coeficiente.