Chemia w akwarium - węgiel aktywny

Subject: Chemik o akwarium. Wegiel aktywny
Date: Tue, 04 Jan 2000 16:37:06 GMT
From: "Mariusz Pajak" <[e-mail]>

Tekst dotyczy zastosowania wegla aktywnego w akwarystyce. Dwa wczesniej opublikowane listy na ten temat nosza tytul "Chemik o akwarium".

Znowu nie udalo mi sie skonczyc. Przesylam nastepny kawalek. Wiem jednak, ze czekacie z niecierpliwoscia na pointe, wiec pisze ja teraz:

Wedlug mnie czysty wegiel nie wylapuje z wody jonow nieorganicznych: kationow metali (zelazo, miedz, inne metale ciezkie, wapn, magnez itd), ani anionow, a w szczegolnosci azotanow, fosforanow ani weglanow. Nie wplywa na twardosc ani na pH. Nic tez nie uwalnia do wody. W szczegolnych warunkach moze jednak dziac sie inaczej.

Jesli macie ochote wiedziec cos wiecej: przeczytajcie. To co pisze, wbrew pozorom, jest dla mnie dosyc trudne do napisania i zajmuje mi sporo czasu. Wiele zagadnien musze po prostu przemyslec... i wymyslec, bo nie spotykalem sie wczesniej z podobnymi problemami. Dlatego sa to raczej rozwazania teoretyczne niz praktyczne. Ciag dalszy opublikuje w tym samym watku pod tytulem "Ciag dalszy" (Jesli chcecie). Forma doswiadczen, ktora przyjmuje, ulatwia mi zebranie mysli. Milej lektury!

DOSWIADCZENIE 1

Robimy takie doswiadczenie: Napelniamy czyste akwarium chemicznie czysta woda, do filtra wkladamy chemiczne czysty wegiel aktywny i uruchamiamy pompe. To taki idealny model: nie ma nic, tylko woda i wegiel. Nic sie nie dzieje. Moze troche wody sie zasdsorbuje, na weglu, moze nie. Jesli tak, to na tyle malo, ze nie ma to znaczenia. Pamietacie: woda jest polarna, a wegiel nie? Takie substancje nie "lubia" sie nawzajem. Dodajemy teraz do wody mala krople czegos, co sie latwo adsorbuje na weglu i daje kolor. Dla ustalenia uwagi niech to bedzie cos znanego akwaryscie, na przyklad blekit metylenowy. Jest to zwiazek organiczny, posiadajacy lancuchy weglowodorowe i dzieki temu ma duze powinowactwo do wegla. Jednoczesnie jednak ma wlasciwosci polarne, rozpuszcza sie w wodzie i rozpada sie w niej na jony. Konkretnie na duzy, dodatni jon szkieletu organicznego i ujemny jon chlorkowy Cl-. Ten wlasnie organiczny szkielet przyklei sie do powierzchni wegla aktywnego. Woda, ktora zabarwila sie po dodaniu preparatu stopniowo traci kolor. Chemik powie: barwnik adsorbuje sie na weglu. Wegiel jest w tym przypadku adsorbentem, barwnik: adsorbatem (lub sorbentem - sorbatem). Zaszla adsorpcja (nie mylic z absorpcja).

ADSORPCJApolega na gromadzeniu sie sorbatu na granicy miedzy rozpuszczalnikiem a adsorbentem (tu: barwnik gromadzi sie miedzy woda i weglem, na powierzchni wegla). To bardzo wazne: sorbat nie wnika wglab sorbentu, lecz gromadzi sie na powierzchni. W zasadzie tylko w jednej warstwie: na grubosc atomu albo czasteczki. Jesli powierzchnia zostala cala pokryta czasteczkami, to nic wiecej sie nie zaadsorbuje.
POWIERZCHNIA Skoro adsorpcja zachodzi tylko na powierzchni, to ilosc zwiazkow, ktore moga byc zaadsorbowane zalezy od wielkosci tej powierzchni. Na przyklad szklo jest dobrym sorbentem. Jednak powierzchnia kilku kilogramow szyb w akwarium jest rzedu 1 metra kw. Jesli komus sie chce, to moze policzyc ile czasteczek wystarczy do calkowitego pokrycia szyb. Srednica czasteczki okolo jednej stumilionowej metra. Jeden gram wegla aktywnego ma sumaryczna powierzchnie 1000 metrow kw. To wlasnie dlatego wegiel jest tak chetnie wykorzystywany jako adsorbent: bo ma bardzo rozwinieta powierzchnie.

DOSWIADCZENIE 2

Jest kontynuacja doswiadczenia 1. Dodajemy druga krople barwnika. Woda zabarwia sie i po jakims czasie odbarwia sie na skutek adsorpcji. Wkraplamy barwnik az do utrzymania sie zabarwienia. Wegiel przestal wylapywac barwnik. Cala powierzchnia zostala pokryta. Teraz ustalil sie stan rownowagi dynamicznej: niektore czasteczki desorbuja sie z wegla, na ich miejsce siadaja inne, ale stezenie barwnika w wodzie nie zmienia sie.

DOSWIADCZENIE 3

Wylaczamy pompe i wymieniamy cala wode w akwarium na czysta. Wlaczamy pompe. Niektore czasteczki barwnika desorbuja sie z wegla, a na ich miejsce nie ma co wejsc. Rozpoczyna sie desorpcja i trwa do ustalenia sie nowej rownowagi. W wodzie, ktora przed chwila byla idealnie czysta pojawiaja sie czasteczki barwnika. Ustala sie nowa rownowaga. Stezenie bedzie zalezalo od powinowactwa sorbatu do wegla. W naszym przypadku jest ono tak duze, ze nie zaobserwujemy barwy, ale nalezy pamietac, ze czasteczki barwnika przedostaly sie do wody.

BARWNIKI

To dygresja, dla rozrywki. Wiele substancji daje kolor i moze zabarwic wode w akwarium. To co nas interesuje, to barwniki organiczne, inne sa praktycznie wykluczone. Sa popularne w przyrodzie (rosliny i zwierzeta czesto maja jakis kolor) i dostaja sie do wody z pokarmem (producenci nie zaluja kolorow) oraz z roslin i zwierzat. Skoro rozpuszczaja sie w wodzie, to znaczy ze sa polarne. Skoro sa organiczne (lancuchy weglowe), to maja duze powinowactwo do wegla i latwo sie na nim adsorbuja. Dlatego wegiel jest dobry do uzyskiwania krystalicznej wody: praktycznie wszystko, co ja moze zabarwic w akwarium daje sie latwo wychwycic na weglu. Wiele substancji powodujacych zmetnienie i dajacych zapach jest rowniez dobrze wychwytywanych przez wegiel.

DOSWIADCZENIE 4

Wyobrazmy sobie substancje rozpuszczalna w wodzie o wielkim powinowactwie do wegla aktywnego, znacznie wiekszym niz nasz blekit metylenowy. Nie mam pomyslu co by to moglo byc, wiec nazwijmy ja x. Wezmy teraz zestaw z doswiadczenia 3: wegiel zapelniony barwnikiem i minimalne stezenie tego barwnika w wodzie. Dodajmy krople preparatu x. Co sie dzieje na powierzchni wegla? To samo, co do tej pory: niektore czasteczki blekitu metylenowego spontanicznie desorbuja sie, ale tym razem na ich miejscu moze siasc albo inna czasteczka barwnika, albo substancji x. Czasteczki x maja znacznie wieksze powinowactwo do wegla, co oznacza, ze desorbuja sie rzadziej. Proces adsorpcja-desorpcja powtarza sie, ale z uprzywilejowaniem preparatu x. Stopniowo cala dodana ilosc substancji x zaadsorbuje sie na weglu, wypierajac z niego czesc blekitu metylenowego. Woda stanie sie niebieska! Jesli w dalszym ciagu bedziemy dodawac substancje x, to wyprze ona caly zaadsorbowany barwnik i zajmie cala dostepna powierzchnie adsorbentu.

DOSWIADCZENIE 5

(Prawie zyciowe)
Zestaw z doswiadczenia 1: czysta woda i czysty wegiel. Puszczamy pompe w ruch i raz w tygodniu dodajemy 1 krople blekitu metylenowego i 1 krople x. Powiedzmy, ze kazda z tych kropli po zaadsorbowaniu sie zajmie 10% powierzchi wegla. Oznacza to, ze po pierwszym razie obie substancje zaadsorbuja sie w calosci, zajmujac 20% powierzchni i pozostawiajac 80% wolnej powierzchni. Adsorbuja sie obie, bo jest na czym. Tak samo po 2,3,4 razie. Po 5 razie zapelniona zostala cala powierzchnia, ale woda jest nadal praktycznie czysta. Po 6 razie kropla x wyprze z wegla krople blekitu. Efekt? W akwarium sa 2 krople barwnika: jedna dodana i jedna zdesorbowana z wegla. Po 10 tygodniach w wodzie jest caly dodany przez ten czas barwnik, a substancja x w calosci na weglu. Koniec wplywu wegla. Dalej jest tak jakby go nie bylo. Na tym efekcie moga opierac sie doniesienia o uwalnianiu szkodliwych substancji z wegla. Moim zdaniem efekt ten, choc wystepuje, jest bez znaczenia.

Na dzisiaj koniec.

Pozdrawiam

Mariusz

Subject: Ciag dalszy
Date: Tue, 04 Jan 2000 21:59:53 GMT
From: "Mariusz Pajak" <[e-mail]>

SORBENTY POLARNE I NIEPOLARNE

Powtarzam: wegiel jest adsorbentem niepolarnym i jako taki nie wychwytuje z wody zwiazkow polarnych. Powszechnie stosowanie sorbentow niepolarnych wynika z racji praktycznych: operujemy w srodowisku zawierajacym znaczne ilosci wody (woda w akwarium, kranowa, atmosfera, czy na przyklad powietrze w lodowce), a usuwac chcemy substancje niepolarne (barwniki, brzydkie smaki i zapachy) . Owszem, sa sorbenty polarne. Znakomicie wychwytuja wode i dlatego moga byc uzywane w laboratoriach do osuszania plynow i gazow. Inne stosuje sie do usuwania wody spomiedzy szyb okien zespolonych. Taki sorbent pozostawiony na krotko na powietrzu "zatyka" sie woda i jest do wyrzucenia. Wszelkie jony nieorganiczne sa polarne i nie siadaja na weglu - tak jak napisalem w poincie na wstepie poprzedniego listu.

CHLOR

Umknelo mi to wczesniej, a jest dosyc wazne. Chlor gazowy (takze rozpuszczony w wodzie) jest lapany przez wegiel. Jest niepolarny. Jon chlorkowy (po rozpuszczeniu soli w wodzie) ma ladunek elektryczny i nie siada na weglu. Jak widac nie tylko zwiazki organiczne sa adsorbowane przez wegiel.

CO WEGIEL UWALNIA

Dopoki jest czysty: nic. Wegiel nie rozpuszcza sie w wodzie.
KONIEC idealnych warunkow: czysta woda - czysty wegiel. Zaczynaja sie schody.

BRUDNA WODA - CZYSTY WEGIEL

Woda z akwarium plynie przez czysty wegiel. Wlasnie przed chwila dalismy krople blekitu metylenowego i patrzymy z przyjemnoscia jak woda zabarwia sie, a potem odbarwia. Pamietacie, co siada na weglu? Szkielet organiczny z dodatnim ladunkiem elektrycznym. W poblizu krazy jon chlorkowy o ladunku ujemnym, przyciagany oddzialywaniem elektrostatycznym. Ale w wodzie sa tez inne aniony: weglanowy, azotanowy, fosforanowy. Za chwile ktorys z nich moze zastapic jon chlorkowy. Efekt bedzie taki, jakby zadsorbowal sie na weglu.

DYGRESJA: DYSOCJACJA

Ta dygresja jest niezbedna. Jednak za malo zagadnien uwzglednilem w artykulach wstepnych. Niektore zwiazki rozpuszczone w wodzie ulegaja tak zwanej dysocjacji, to znaczy ich czasteczki rozpadaja sie na grupy atomow obdarzone ladunkiem elektrycznym: dodatnie kationy i ujemne aniony. Na przyklad:

NaCl <=> Na+ + Cl-

Dysocjacja jest reakcja odwracalna. Ustala sie rownowaga dynamiczna: czesc czasteczek jest zdysocjowanych, a czesc nie. Reakcja zapisana powyzej ma rownowage przesunieta silnie w prawo: wszystkie czasteczki sa zdysocjowane. Ale na przyklad kwas octowy (ocet) dysocjuje slabo. Tylko jedna czasteczka na wiele tysiecy jest zdysocjowana. Dysocjacji nie nalezy mylic z rozpuszczalnoscia. Niektore substancje prawie nierozpuszczalne dysocjuja znakomicie, inne nie. Substancje rozpuszczajace sie w wodzie moga dysocjowac, albo nie.

KONIEC DYGRESJI

Jezeli nasz szkielet organiczny tworzy z przylaczajacym sie wlasnie anionem zwiazek latwo rozpuszczalny i silnie dysocjujacy, to anion za chwile odfrunie. W przeciwnym razie anion pozostaje i nastepuje efekt trwalego usuniecia z roztworu.

BRUDNA WODA - CZYSTY WEGIEL - co z kationami.

Zwiazki metaloorganiczne. Sa takie. Sa jonowe. Rozne zwiazki organiczne obecne w akwarium moga wejsc w reakcje z jonami metali i spowodowac wychwycenie ich kationow na weglu na podobnej zasadzie jak omowiona przed chwila dla anionow. Inny przypadek: zwiazki kompleksowe. Niektore zwiazki kompleksujace sa organiczne, na przyklad EDTA. Mowia na niego tez wersenian. Firma T ma na nawozie napisane, ze zelazo jest w postaci wersenianu. Skoro jest tam szkielet weglowy, to moze siasc na weglu i zabrac ze soba zelazo (i mangan i miedz i co tylko chcecie - to jeden z najbardziej uniwersalnych srodkow kompleksotworczych - dlatego dodaja go do proszkow i srodkow czyszczacych - bo jego kompleksy dobrze sie rozpuszczaja w wodzie). Uzdatniacze wody prawdopodobnie tez to zawieraja.

O ROZNYCH JONACH

Warto wiedziec, ze prawie wszystkie zwiazki zawierajace nastepujace jony sa latwo rozpuszczalne i swietnie dysocjuja: Kationy: sodowy, potasowy, wapniowy, magnezowy, amonowy. Aniony: azotanowy, siarczanowy, chlorkowy. Te jony nie zostana usuniete w omowionych przed chwila procesie.

PODSUMOWANIE I

Tym niemniej uwazam, ze opisane przed chwila efekty maja charakter szczatkowy i nie powinny byc traktowane tak, jakby w istotny sposob modyfikowaly wlasnosci sorpcyjne wegla aktywnego.

CZYM JEST WEGIEL AKTYWNY

Nie jest weglem! Owszem, zawiera wegiel, ale nie tylko. Przede wszystkim: zazwyczaj jest po prostu weglem drzewnym. Wegiel drzewny zawiera popiol, czyli wszystko to, co nie jest lotne i nie odfrunelo w procesie produkcji. Sklad popiolu latwo wydedukowac znajac mniej-wiecej sklad roslin. Zapewne sa w nim zwiazki potasu, wapnia, magnezu, zelaza, fosforu i wiele innych. Tu jawi sie problem: jak dokladnie wegiel ten zostal oczyszczony. Wegiel dla powaznych badan chemicznych uzyskuje sie przez zweglanie polimerow, ktore maja w skladzie tylko wegiel, wodor i tlen. On jest naprawde czysty. Nasz nie. Najprostszym sposobem, ktory przychodzi mi do glowy jest plukanie. Usunie sie te zwiazki, ktore moga rozpuscic sie w wodzie, co nam akwarystom wystarczy. Nie wiem jak dobrze daje sie on wyplukac - to jest zagadnienie praktyczne. Jego wlasciwosci moga tez byc modyfikowane w procesie aktywacji, ktory moze polegac na traktowaniu jakimis odczynnikami. Resztki tych odczynnikow moga byc uwalniane do wody.

PODSUMOWANIE II

Niedostatecznie oczyszczony wegiel drzewny moze oddawac fosforany i powodowac podwyzszenie pH wskutek tworzenia sie wodorotlenkow - przede wszystkim potasu. Moze tez oddawac metale ciezkie, ale raczej w ilosciach typu nawozenie, a nie zatrucie. Obecne w produkcie handlowym pozostalosci procesu produkcyjnego moga modyfikowac jego wlasnosci sorbcyjne, ale - wybaczcie - nie chce mi sie zastanawiac w jaki sposob.

PREPARATY

Ich zastosowanie wymaga uwagi. Nalezy zwracac uwage na zwiazki kompleksujace i brac pod uwage ich mozliwy wplyw na wlasciwosci sorpcyjne wegla. Wiele lekarstw i preparatow glonobojczych jest adsorbowane (nie dzialaja podczas filtrowania przez wegiel) i tez moga modyfikowac wlasciwosci sorpcyjne. Niektore nie sa usuwane, na przyklad firma S produkuje preparat glonobojczy z siarczanu miedzi i jego wegiel nie usunie.

ZAKONCZENIE

Sadze, ze dobry preparat od dobrego producenta moze byc uzywany bez ryzyka w akwarium i nie bedzie modyfikowal w istotny sposob parametrow wody, z wyjatkiem jej klarowania i odbarwiania. Oczywiscie zazwyczaj bedzie usuwal tez lekarstwa. Mam nadzieje, ze to co napisalem pomoze wam w ocenie przydatnosci wegla aktywowanego. Spodziewam sie, ze wiele problemow, ktorych tu nie poruszylem moze zostac rozwiazanych dzieki analizie tekstu. To tyle na ten temat. Jesli bedziecie mieli inne problemy dajcie znac. Jesli znajde czas i bede potrafil - odpowiem. Nieregularnie korzystam z usenetu. Gdybym sie nie odzywal - sprobojcie na priva. Zreszta poczte tez przegladam nieregularnie. Powtorze, co juz napisalem:

****************
Wedlug mnie czysty wegiel nie wylapuje z wody jonow nieorganicznych: kationow metali (zelazo, miedz, inne metale ciezkie, wapn, magnez itd), ani anionow, a w szczegolnosci azotanow, fosforanow ani weglanow. Nie wplywa na twardosc ani na pH. Nic tez nie uwalnia do wody. W szczegolnych warunkach moze jednak dziac sie inaczej.
****************

Pozdrawiam - Mariusz

Subject: zapomnialem napisac...
Date: Tue, 04 Jan 2000 22:07:15 GMT
From: "Mariusz Pajak" <[e-mail]>

Zapomnialem napisac o pH wody. pH moze modyfikowac wlasciwosci sorpcyjne, bo zmienia rozpuszczalnosc i stopien dysocjacji roznych zwiazkow

1

1

---