Использование активированного угля в морском аквариуме всегда вызывало споры. В прошлом мнения разнились от «никогда нельзя вносить» до «без него никак». На сегодня большинство аквариумистов рассматривают уголь как полезный и важный компонент фильтрационной системы. Не смотря на популярность данного адсорбента, немногие знают, что он удаляет или каким образом углерод полезен для морской системы. Далее будет описан производственный процесс и его влияние на выход готового активированного угля. Будут обсуждены механизмы фильтрации и адсорбции, влияющие на его эффективность. На конец, будет приведена методика правильного использования угля, а также список его производителей для оценки пригодности данного продукта в морских системах.

Органические загрязнения в морском аквариуме

С помощью ряда систем рециркуляции мировые рифы и океаны поддерживают удивительно точное равновесие между метаболическими загрязнениями и питательными веществами. Однако условия жизни в морских аквариумах, основанные на искусственных солях, освещении, внесении замороженных кормов и чрезвычайно высокой плотности посадки животных, совершенно отличаются от условий обитания в естественной среде. В то время как неорганический аммиак и питательные вещества легко контролируются путем биологической фильтрации, многие органические соединения скапливаются, будучи устойчивыми к микробному разложению. По большому счету, эти естественные метаболические вещества остаются не определяемыми, но включают органические кислоты, фенолы, белки, углеводы, гормоны и антибиотики. Немногие из них оказывают непосредственный токсический эффект на морских животных, стимулируют развитие гетеротрофных бактерий, способствуют образованию углекислого газа, снижению pH и окислительно-восстановительного потенциала и, следовательно, повышают потребность аквариума в кислороде.

Определенные органические соединения, окрашивающие воду в желтые тона, снижают проникающую способность света, в особенности, актиничного (420 нм) излучения. Сложно точно определить, какие вещества присутствуют в аквариуме, и какие эффекты оно оказывает на различные организмы. Очевидно, что в системе с высокой органической нагрузкой имеются проблемы с инфекциями, в них снижены темпы развития рыб, а также замедляют или прекращают свое развитие беспозвоночные. Некоторые исследователи предполагают наличие прямой связи между высоким уровнем органических загрязнений и заболеваемостью среди водных организмов. Снижение концентрации этих веществ непременно приводит к улучшению качества воды и оздоровлению обитателей аквариума. Активированный уголь является одним из наиболее эффективных и простых способов удаления органических соединений.

Производство активированного угля

Для получения активированного угля используются многие природные материалы. Чаще всего это дерево, древесный уголь, лигнит и скорлупа кокоса. Они являются объектом тепловой обработки, известной как карбонизация. Обработка приводит образованию в углеродной массе множества мелких пор. Затем проходит второй этап, при котором обугленный материал подвергается обработке паром (температура 200-1600 °C) при постоянном уровне кислорода и углекислого газа. Активация приводит к образованию устойчивой сети внутренних пор и преданию определенного химического состава (функциональных групп) каждой частице. Таким образом, активация придает углю уникальные фильтрующие свойства. Уголь может поставляться в виде гранулированного (ГАУ), порошкообразного активированного угля (ПАУ) и в форме таблеток (спрессованный ПАУ). Некоторые его виды активируются или ополаскиваются фосфорной кислотой, хлоридом цинка или гидроксидом калия. Химически активированный уголь не пригоден для использования в аквариуме, потому что содержит фосфаты (стимуляторы роста водорослей), тяжелые металлы и влияет на pH среды.

Сорбция. Механизм работы активированного угля

Активированный уголь удаляет органические соединения из аквариума благодаря адсорбции и абсорбции. Оба процесса включают перенос адсорбируемого вещества (загрязнителя) из жидкой фазы (воды) в твердую (уголь). Адсорбция преобладает в процессе сорбции и основывается на электростатическом (Ван-дер-ваальсовом) взаимодействии. Электростатические силы создают относительно слабые связи между углем и адсорбатом. Теоретически, активированный уголь способен выделять или десорбировать вещества, которые он ранее поглотил. Однако в практике аквариумной фильтрации и лабораторных экспериментов обратный ток веществ происходит редко, либо инициируется каким-либо токсическим соединением. Бактерии колонизируют внешнюю поверхность активированного угля и поглощают часть сорбируемой органики. Это приводит к обновлению небольшой части угля и, вероятно, предотвращает десорбцию.

Абсорбция связана с диффузией газа или веществ в пористую сеть, где имеют место химические реакции или физический захват. Например, озон абсорбируется и окисляет часть поверхности угля. Таким образом, наблюдается перевод O3 формы в нетоксичный кислород (O2). Стоит отметить, что озон не накапливается и, тем более, не образуется в сорбенте.

Третий процесс, называемый хемосорбцией, отвечает за образование постоянных химических связей между поверхностью угля и адсорбатом. Это приводит к прочному связыванию загрязнений.

В аквариуме все три процесса происходят одновременно. Сорбция протекает в три этапа:

1. Загрязненная органикой вода контактирует с частицами активированного угля;
2. Абсорбат диффундирует в пористую сеть;
3. Происходит сорбция в уголь.

Данный процесс подобен поиску парковочного места. Автомобиль (органическая частица) свободно двигается по автостраде (аквариумная вода). Постепенно машины входят на автостоянку (пора) в поиске парковочного места (место сорбции). Как только стоянка наполняется, скорость сорбции снижается. Стоит отметить, что сорбция более крупных веществ протекает дольше, чем мелких. На скорость захвата также влияют температура, pH и соленость. Однако эти факторы не будут обсуждаться, потому что они относительно постоянны в морском аквариуме.

Факторы, влияющие на свойства активированного угля

Существует свыше 100 продуктов из активированного угля, которые классифицируются, главным образом, на основе специфики их контакта с воздушной или водной средой. Активированной уголь для сорбции из воздуха используется в системах очистки воздуха и противогазов. Воздушные загрязнения обычно мелкие, низкомолекулярные соединения, поэтому для их захвата используется мелкопористый сорбент. Однако данный уголь обладает низкой эффективностью в морском аквариуме. Мелкие (1,5 нм) поры слишком малы для проникновения высокомолекулярных органических веществ. Макропористый активированный уголь для контакта с водной фазой имеет поры (3 нм), достаточно крупные для очистки органических загрязнений. Базовый материал, из которого готовится уголь, очень сильно влияет на диаметр пор конечного продукта. Из скорлупы кокосового ореха обычно получаются микропористый уголь, используемый для нейтрализации хлора в водопроводной воде. Хлор абсорбируется и окисляется поверхностью сорбента. Дезинфекция, в частности, хлором, создает различные органические производные или «суррогаты». Эти частицы эффективно удаляются активированным углем, произведенным из дерева (размер получаемых пор 2,5 нм) или скорлупы кокосового ореха. Лигнит, форма ископаемого угля, используется для производства макропористого активированного угля.

Среди других параметров можно выделить общую площадь поверхности (м2/г). доступную для сорбции. Тем не менее, продукт с высокой площадью поверхности может иметь слишком мелкие поры, не доступные для крупных веществ. Мерой пористости выступает йодное число. Для микропористого угля данный показатель больше 1000.

Мерой макропористости является показатель по мелассе. Для макропористого угля он составляет более 400 единиц. Некоторые высокоэффективные продукты имеют мелассовое число – 1000. При возрастании размера пор, общая площадь поверхности снижается.

---

Иодное число — масса иода (в г), присоединяющегося к 100 г органического вещества;

Обесцвечивание мелассы (мелассовое число или индекс, показатель по мелассе) — количество активированного угля в мг необходимое для 50%-го осветления стандартного раствора мелассы (очень сложно приготавливаемый «стандартный» раствор).

---

Некоторые производители иногда указывают жесткость и абразивность продукта. Эти показатели важны лишь в случае повторного использования угля после реактивации. На крупномасштабных очистных сооружениях истощенный уголь иногда повергается данной процедуре. В этом случае, во избежание истирания, более предпочтительна прочная структура. Так как восстановление сорбционных областей требует нагревание угля до очень больших температур в контролируемых условиях, аквариумисты не в состоянии делать это дома.

Для некоторых фильтрационных систем важен размер частиц. Маленькие частицы угля, сложенные вместе, затрудняют водный поток через канистровый фильтр. С другой стороны, это повышает время контакта с активной поверхностью. Значительная часть коммерческих активированных углей имеет величину частиц 1,4-4,75 мм. Дробление в порошок не создаст большей площади поверхности. Оно может лишь ускорить сорбцию, но не максимальное количество поглощенного загрязнения.

После активации в качестве следового неорганического вещества остается зола. Её природа зависит от типа сырья и подвержена флуктуациям даже у одного типа угля. Обычно в золе содержаться оксиды железа и кальция. Водорастворимая зола выщелачивается из угля полосканием и замачиванием его в воде. Качественный активированный уголь промывается кислотами для удаления большинства неорганических остатков. К сожалению, многие продукты промываются фосфорической кислотой.

Казалось бы, выбор активированного угля можно сделать на основе сравнения заявленных технических показателей. Однако не существует ни одной достоверной методики, которая позволяла бы выбрать наилучший активированный уголь без его экспериментальной проверки. Даже высококачественный продукт, специально рассчитанный на использование в морском аквариуме, может оказаться мене эффективным, чем многоцелевой продукт.

Одной из наиболее распространенных экспериментальных методик, позволяющих оценить эффективность угля, является удаление стандартизированных веществ из воды. В качестве такого вещества может выступать краситель – метиленовый синий.

Известен случай, когда один из производителей фильтрующих картриджей изобрел тест, в котором удалялся малахитовый зеленый. Изготовленный ими продукт эффективнее других фильтровал данный краситель. Однако позднее обнаружилось, что сорбентом выступала полиэфирная оболочка картриджа, а не угольный наполнитель. Даже, когда наполнитель был извлечен, чудо-картридж, по-прежнему, быстрее других образцов захватывал краситель! Эта особенность, к несчастью, касалась удаления только малахитового зеленого. Эксперименты с фильтрацией естественных загрязнителей продукт провалил.

Аквариумисты пробретают активированный уголь для удаления из морской воды различных естественных органических соединений. Фильтр должен проверяться при использовании аналогичных веществ в аквариумных условиях, в дополнении к лабораторным исследованиям. Проверка на единичном загрязняющем веществе непригодна. Часто это приводит к неадекватным техническим характеристикам, заявленным о продукте, и разочарованию аквариумистов. Научное исследование должно включать изотермы адсорбции: взаимосвязь между количеством сорбируемого вещества и его остаточной концентрацией в воде. Необходимо учитывать запросы кислорода на химические и биологические процессы, и значение общего органического углерода.

К сожалению, аквариумисты не способны провести подобные эксперименты и вынуждены полагаться на советы магазинов и знакомых. В данном случае цена продукта может не отражать его реальную пользу.

Любители, занимающиеся морем, могут оценить продукты нескольких производителей в домашних условиях. Наблюдения должны коснуться изменения прозрачности и цвета воды, а также силу пенообразования в флотаторе. При этом pH должен оставаться относительно стабильным. В каждом тесте необходимо использовать одинаковое количество угля. Если испытывается одна чашечка марки А на 250 литров, то марка Б проверяется в тех же концентрациях.

Навески должны браться, исходя из объема, а не массы. Более высококачественный уголь лучше очищает воду, способствует её осветлению и удаляет органические вещества. Многие аквариумисты, занимающиеся рифом, судят об улучшении качества воды (или органическом загрязнении) на основе появления определенных беспозвоночных. Конкретный состав видов различен в каждом аквариуме, однако, в большинстве случаев, они закрываются, зажимаются и выглядят увядающими, когда качество воды ухудшается. Снижение органической нагрузки за счет внесения свежего активированного угля, водных подмен или нового распылителя в пенообразователь обычно оживляет «индикаторные» виды. Важно, чтобы во всех экспериментах состав живых организмов и режим питания были одинаковыми. Нельзя проверять эффективность марки А с шестью рыбками, а затем вносить несколько кусков живых камней и оценивать марку Б. Очевидно, что органическая нагрузка увеличится, лишая смысла ранее проводимые измерения.

Использование активированного угля в морском аквариуме
Принцип сорбции требует, чтобы аквариумная вода контактировала с активированным углем. С увеличением площади контакта возрастает скорость очистки от загрязнения. На некоторых крупномасштабных очистных сооружениях порошкообразный уголь засыпается в большие перемешивающиеся сосуды с водой. В данном случае сорбция проходит быстро, потому что мелкие частицы угля оптимально взаимодействуют с адсорбатом.

Оптимальный контакт важен при использовании протоки, где вода лишь единожды проходит через фильтр. В качестве примера протоки можно привести очистку водопроводной воды. Выходя из фильтра, она не может возвратиться обратно для доочистки оставшихся примесей.

Аквариумная фильтрация использует принцип разбавления. Небольшая часть всего объема непрерывно поступает в фильтр, а затем обратно в емкость. Идея состоит в том, чтобы загрязнения удалялись быстрее, чем они накапливаются в емкости. Именно поэтому производители создают аппараты различного размера под определенный объем аквариума. Как только активированный уголь начинает истощаться, скорость сорбции снижается и начинает накапливаться органика. Для возобновления очистки необходимо обновить уголь.

В идеальном случае, перед поступлением в угольный фильтр, вода должна пройти механическую очистку. Префильтры снижают содержание крупных частиц, которые быстро забивают угольный картридж. Этот аспект реализован во многих канистровых аппаратах. Мешочки с углем или смолами удаляют значительное количество органических загрязнений, лекарственных средств, тяжелые металлы и снижают жесткость воды. Их эффективность зависит от пропускной способности материала картриджа, размера частиц сорбента и его количества.

Очень распространенным вопросом является вопрос количества активированного угля, необходимого для определенного объема аквариума. Некоторые изготовители указывают на своем продукте литраж, другие этого не делают. В любом случае, работает правило «чем больше, тем лучше». Кроме того, больший объем сорбента будет работать быстрее и дольше. Грубо, на каждые 250 литров необходимо 480 см3 угля. Обычно, по истечение шести недель работы в морском аквариуме с рыбами его необходимо заменять. В рифовой системе органическая нагрузка больше, поэтому требуется более частое обновление.

Вопреки существующему мнению, активированный уголь нельзя восстановить отмачиванием в воде или нагреванием, слишком слабым для разрушения адсорбата.

Нейтрализация озона
Ранее считалось, что в морской системе активированный уголь применяется, главным образом, для нейтрализации озона. Озон окисляет угольную поверхность, превращаясь в кислород. Его излишки обычно выделяются в среду через чашку протеинового скиммера (пенообразователь). Вкладыш с углем поглощает озон и препятствовует его накоплению в атмосфере. По мере окисления и разрушения он будет становиться белым.

Удаление лекарственных средств
Большинство лекарственных препаратов быстро поглощаются активированным углем. В связи с этим, угольный вкладыш необходимо убирать во время медикаментозной обработки рыб (формалином, малахитовым зеленым, метиленовым синим и другими веществами). Для последующей нейтрализации лекарств используют свежий уголь.

Следовые элементы
Некоторые аквариумисты обеспокоены тем, что активированный уголь может обеднять воду, захватывая «следовые» элементы. Хотя данный сорбент и впитывает некоторые металлы, он обладает более высоким сродством к органическим молекулам. Протеиновый скиммер и озон удаляют металлы в гораздо больших количествах. Польза от использования активированного угля, пенообразователя или озонатора перекрывает возможность захвата следовых элементов. Кроме того, существует множество добавок, которые восполняют состав важных элементов, необходимых для жизнедеятельности морских рыб, водорослей и беспозвоночных.

Заключение
На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что активированный уголь является важным компонентом фильтрации в морском аквариуме. Удаляя органические загрязнения, он улучшает качество воды и оздоравливает искусственную среду. Не все коммерческие продукты обладают одинаковой эффективностью. В качестве отправной точки при выборе угля необходимо руководствоваться техническими характеристиками продукта.

1. Отсутствие химической активации или промывания в фосфорической кислоте, цинке и гидрооксиде;
2. Макропористая структура. Размеры пор более 3нм;
3. Низкое йодное число (менее 400);
4. Высокий показатель по мелассе (выше 400).

——
по информации: James R. Layton www.hallman.org/filter/gac.html