Аквариумная химия: Регенерация гранулированной среды с оксидом железа с помощью гидроксида натрия

Если вы читаете эту статью не только из-за названия, то, скорее всего, вы уже знакомы с важностью фосфатов в рифовых аквариумах и с тем, как гранулированный оксид железа (GFO) может быть использован для борьбы с ними, но все же напомним еще раз. Фосфат является питательным веществом для водорослей и может ограничивать способность кальцифицирующих организмов формировать карбонатный скелет кальция (Farley, 2006). По общему мнению, в рифовых аквариумах содержание фосфатов не должно превышать 0,05 ppm (в виде PO₄ 3- ). Этого можно достичь различными способами, но использование GFO для адсорбции фосфата может быть необходимым для некоторых аквариумистов и является безопасным и эффективным инструментом для управления фосфатом в рифовых аквариумах (Farley, 2004). Недостатком GFO является то, что он довольно дорогой. Для аквариумистов, которые содержат нефотосинтетические кораллы, требующие массивного кормления, имеют большие аквариумы или плотную популяцию рыб, затраты на регулярную замену GFO могут быть значительными. С помощью нескольких простых инструментов и методов мы можем легко регенерировать GFO так, чтобы его можно было использовать несколько раз. Ниже мы опишем процедуру, которая помогла нам эффективно регенерировать GFO. Прежде чем покупать необходимые материалы, пожалуйста, внимательно ознакомьтесь с инструкциями по технике безопасности в нижней части этой статьи.

1. Промывка разбавленной кислотой (для многих этот шаг необязателен, см. ниже): На каждые 500 мл GFO добавьте 8 л чистой воды, смешанной с 6,4 мл полнотелой соляной кислоты. Промывайте в течение 4-6 часов, а затем слейте воду.
2. Регенерация GFO с помощью гидроксида натрия: На каждые 500 мл GFO добавьте 8 л чистой воды, смешанной с 320 г гидроксида натрия. Промывайте в течение 72-96 часов, затем слейте.
3. Промывка пресной водой с деионизированной водой (Эффективность этого шага зависит от метода, который вы используете для промывки GFO – подробнее см. раздел о промывке ниже): На каждые 500 мл GFO промывайте не менее 20-25 л пресной воды.

Промывка разбавленной кислотой

Этот шаг предназначен для удаления любых отложений карбоната кальция на GFO и может быть излишним для некоторых людей. При определенных условиях карбонат кальция абиотически осаждается на поверхности GFO (Farley, 2004), что ограничивает доступную площадь поверхности частиц GFO. Как узнать, нужно ли делать этот шаг или нет? Поместите ваш GFO в белый уксус или разбавленную соляную кислоту, как описано выше, и наблюдайте за образованием маленьких пузырьков. Пузырьки указывают на присутствие карбоната кальция. Воздействие разбавленной кислоты в течение нескольких часов должно удалить эти отложения. Если вы не видите образования пузырьков, можете смело пропустить этот шаг. Мы не обнаружили необходимости в выполнении этого шага на GFO из 3 различных рифовых систем, но ваш пробег может быть разным. Сам по себе этот шаг НЕ регенерирует GFO, но он может быть важным шагом для тех, у кого на гранулах имеется значительный слой накипи. Увеличение концентрации кислоты или удлинение времени промывки может привести к значительному растворению поверхности GFO и сократить количество повторений процесса регенерации в будущем (подробнее об этом позже).

Некоторые люди используют для этого этапа вместо соляной кислоты белый уксус в разбавлении от 1:1 до 10:1. Это может работать нормально, но мы не тестировали этот метод, поэтому не можем комментировать его эффективность или влияние на GFO. Для пользователей, которые часто регенерируют большое количество GFO, соляная кислота значительно дешевле, чем уксус. Галлон соляной кислоты полной концентрации (38% по объему) можно приобрести во многих магазинах товаров для дома, скобяных изделий или бассейнов по цене менее 10 долларов США, и этого хватит среднему рифоводу на годы. Ее также можно использовать в разведении 1:10 для очистки крыльчатки насоса и нагревателей от накипи. Недостатком соляной кислоты является то, что это очень сильное вещество – как видно из рецепта, для растворения накипи требуется чуть больше чайной ложки на один галлон воды. Это представляет собой проблему безопасности для вас, ваших детей и домашних животных. Пожалуйста, ознакомьтесь с важной информацией о безопасности в конце этой статьи, прежде чем использовать это средство. Разбавленный раствор, описанный в шаге 1) выше, настолько разбавлен (0,03%), что он довольно безвреден, если только вы не проглотите его или он не попадет вам в глаза.

Регенерация GFO с помощью гидроксида натрия

Считается, что фосфат связывается с GFO посредством ионной связи, которая вытесняет два гидроксид-иона в раствор (Farley, 2004). Самый простой способ представить себе регенерацию – это обратный процесс. Заливая GFO очень высокой концентрацией гидроксид-ионов, мы вытесняем фосфат-ионы, переводим их в раствор и заменяем гидроксид-ионами. В результате регенерационный раствор наполняется фосфат-ионами – мы измеряли их концентрацию до 270 ppm PO₄ – которые мы позже смоем с GFO.

Это четвертый день регенерации 500 мл GFO. 320 г гидроксида натрия в 8 л воды образуют 1 М раствор. Желтый цвет обусловлен растворенным железом.

Раствор гидроксида натрия, описанный в шаге 2) выше, имеет объем 16 слоев (объем регенерационного раствора по сравнению с объемом пополняемого GFO) и концентрацию 1,0M. Мы промывали GFO в более низких концентрациях (0,1М и 0,5М) при 16 объемах слоя, и это требует повторных циклов регенерации для удаления всех фосфатов из GFO. Является ли описанное выше решение единственным вариантом, который будет работать? Вероятно, нет, но мы не тестировали другие версии, поэтому не можем комментировать их эффективность. Позволит ли раствор промываться дольше 96 часов, чтобы удалить больше фосфатов? Скорее всего, нет. Все проведенные нами испытания показывают, что регенерационные растворы 0,1-1,0 М вытягивают все фосфаты примерно через 72 часа. Более длительное время промывки может быть проблематичным, поскольку раствор гидроксида натрия начнет растворять часть поверхности GFO. Можно ли удвоить концентрацию (2,0 М) и уменьшить объем (8 объемов) или наоборот (0,5 М, 32 объема) и добиться тех же результатов? Мы не удивимся, если альтернативные варианты регенерационного раствора также будут работать хорошо, но для этого необходимо провести дополнительные испытания. По нашему опыту, приведенная выше комбинация сработала для удаления всех связанных фосфатов из нескольких партий GFO, используемых в различных рифовых системах. Если у вас дома есть хороший набор для тестирования фосфатов, вы можете поиграть с концентрацией и объемом регенерационного раствора, чтобы определить, когда вы “достигли дна” и удалили весь связанный фосфат. Большинство наборов для тестирования фосфатов работают в определенном диапазоне pH, поэтому перед тестированием регенерационный раствор необходимо нейтрализовать кислотой. Концентрация фосфатов в растворе будет намного выше, чем может измерить большинство наборов для тестирования фосфатов, поэтому вам придется тщательно разбавить образец в 100 или 200 раз, чтобы получить показания, которые не будут “зашкаливать”.

Источники гидроксида натрия

Где же можно легко получить гидроксид натрия? Многие поставщики химикатов продают гидроксид натрия или гидроксид калия высоких марок, но они, как правило, довольно дороги. Достаточно чистый гидроксид натрия для регенерации GFO представляет собой белый порошкообразный кристалл, продающийся под общим названием “щелочь” или “каустическая сода”, и используется в мыловарении, производстве биодизеля, очистке стоков, вялении некоторых пищевых продуктов, таких как оливки, и даже используется в производстве некоторых незаконных синтетических наркотиков, которые могут рифмоваться со словом “бетамфетамин”. Ходят слухи, что его также используют мафиози для избавления от некоторых “проблем”. Одно из самых быстрых и простых мест, где можно найти небольшое количество щелочи, – это продукты для вскрытия сливов в хозяйственных магазинах. В большинстве магазинов OSH, Lowe’s, Home Depot, True Value и Ace Hardware в настоящее время продается продукт под названием “100% Lye Drain Opener” компании Rooto или продукт под названием “Crystal Drain Opener” компании Roebic. Оба эти продукта подходят для регенерации GFO. Подойдут ли другие продукты? Если на этикетке указано, что они изготовлены из 100% щелочи, то, скорее всего, они будут работать, но мы никогда не пробовали другие средства для открытия слива, кроме этих двух марок. Есть и другие средства для открытия слива, которые точно НЕ подойдут, включая те, которые “содержат щелочь”, но могут также содержать желирующие вещества, сильные кислоты или отбеливатели, которые могут растворить ваш GFO или, что еще хуже, посеять хаос в вашем аквариуме, если они не будут тщательно разбавлены в процессе промывки. Как и в случае с соляной кислотой, использование гидроксида натрия связано с серьезными проблемами безопасности для вас, ваших детей и домашних животных. Пожалуйста, ознакомьтесь с информацией о мерах безопасности в конце этой статьи.

“Rooto Drain Opener” и “Roebic Crystal Drain Opener” являются достаточно чистыми источниками гидроксида натрия для регенерации GFO.

Чтобы найти более нескольких фунтов щелочи по значительно более низким ценам, вы можете поискать местных поставщиков химикатов и попросить у них каустическую соду или щелочь оптом. Хотя большие объемы щелочи могут быть доставлены к вам домой, за доставку больших объемов щелочи в связи с ее опасным характером взимается значительная плата. Гораздо дешевле забрать щелочь лично, к тому же вы избежите неловкого разговора с соседями о том, что это за оранжевое ведро с опасными веществами, которое стоит у вас на крыльце весь день. В Калифорнии компания Gallade Chemical поставляет щелочь в виде “бусин каустической соды” в 50-фунтовых ведрах и мешках, которые можно забрать лично или бесплатно доставить на собственном грузовике в определенные места. За 37 долларов вы можете получить 50 фунтов щелочи, которой хватит среднему рифоводу на несколько лет. Если вы хотите сократить расходы, то это $0,74 за фунт по сравнению с $3-6 за фунт щелочи Rooto или Roebic. В других штатах вы сможете найти поставщиков химикатов, спросив в местных магазинах мыловарения или на интернет-форумах, где найти местные оптовые источники щелочи. Если вы начинаете считать в уме, то стоимость гидроксида натрия, используемого для регенерации GFO, может быть в 20 раз дешевле, чем замена GFO.

Небольшое примечание – гидроксид калия, обычно называемый едким кали, теоретически может быть использован в качестве замены гидроксида натрия на этом этапе. Однако, по крайней мере, в нашем регионе его было труднее найти, а там, где мы его нашли, он стоил дороже. Количество используемого гидроксида натрия должно быть примерно таким же, как и гидроксида натрия, хотя мы не использовали его для регенерации GFO, поэтому не можем прокомментировать его эффективность.

Промывка пресной водой

Тщательная промывка регенерированного GFO деионизированной водой не представляет сложности при использовании специального реактора.

Теперь, когда мы выделили фосфат в раствор, нам нужно разбавить и отделить раствор от среды GFO. Один из недостатков этого процесса заключается в том, что регенерационный раствор довольно “липкий” – его приходится долго промывать, чтобы полностью удалить. Один из способов промывки – поместить носитель в ведро емкостью 5 галлонов, залить водой, а затем слить; это довольно неэффективно, если у вас много носителя. Частицы на дне кучи имеют очень мало контакта с пресной водой, и если вы перемешаете или взболтаете среду, она начнет измельчать GFO в пыль. Кроме того, все это просто грязно и хлопотно. Мы обнаружили, что самый простой способ промывки регенерационного раствора – это специальный медиа-реактор от Bulk Reef Supply и небольшая головка Maxijet 400. Свежая вода поступает с одной стороны, а разбавленный раствор выходит с другой стороны и направляется прямо в слив. Самым большим преимуществом является то, что вся GFO-медиа промывается за один раз без каких-либо мертвых зон и без какого-либо перемешивания, которое может размолоть ее в пыль. По этой причине реактор BRS также идеально подходит для всех трех этапов процесса регенерации. Он гарантирует, что кислотная промывка и ванна с гидроксидом натрия контактируют со всеми частицами среды без измельчения. Если вы также используете реактор BRS в своем рифовом аквариуме, вы можете легко заменить внутренний пластиковый картридж, содержащий GFO, из “рифового режима” в “режим регенерации” без необходимости перекладывать мокрый и грязный GFO-носитель из контейнера в контейнер. Мы можем легко регенерировать канистру GFO всего за несколько минут работы каждый месяц и с минимальным количеством мусора. Вы можете обнаружить, что регенерация этим методом проще, чем замена GFO! Независимо от того, какой способ промывки среды вы выберете после регенерации, важно провести тест на фосфаты, чтобы убедиться, что вы удалили почти весь гидроксид натрия и фосфаты перед тем, как вернуть GFO в аквариум. Мы обнаружили, что для промывки GFO в реакторе требуется около 40-50 объемов слоя, чтобы убедиться, что весь фосфат был вымыт. Менее эффективные методы могут потребовать еще больше промывки, но сколько именно, нужно будет определить экспериментально.

Так есть ли предел тому, сколько раз можно регенерировать данную партию GFO? Не похоже, что существует какой-либо предел того, сколько раз вы можете обменивать фосфат на гидроксид и обратно, но каждый раз, когда вы это делаете, небольшое количество гидроксида оксида железа с поверхности GFO растворяется в растворе. Это означает, что гранулы среды начнут понемногу уменьшаться при каждой регенерации, поэтому существует теоретический предел того, сколько раз можно повторять регенерацию. Некоторые любители сообщают, что регенерация одной и той же партии GFO более 10 раз не вызывает никаких проблем. Возможно, есть преимущество в приобретении гранулированной версии среды GFO, если вы собираетесь ее регенерировать. Площадь поверхности для связывания фосфатов меньше, но некоторые любители сообщают, что гранулы лучше держатся и не растворяются, поэтому вы можете провести больше циклов регенерации среды, прежде чем ее придется полностью заменить. Мы используем мелкозернистый GFO от Bulk Reef Supply.

Быть в безопасности

Даже Тайлер Дерден знает, что при работе с гидроксидом натрия необходимо использовать средства защиты.

В этой статье описаны процедуры, связанные с опасными химическими веществами. Гидроксид натрия/ гидроксид калия/ щелочь/ каустическая сода потенциально очень вредны для вас, ваших детей и домашних животных. Прежде чем использовать его, ознакомьтесь с информацией о безопасности в приведенных ниже ссылках. Если в будущем эти ссылки не будут работать, вот суть: Гидроксид натрия может навсегда ослепить вас и вызвать очень неприятные химические ожоги, если он попадет на кожу. При контакте гидроксида натрия с водой он может выделять достаточно тепла, чтобы расплавить пластик и обжечь вас. По этой причине его всегда следует очень медленно добавлять в холодную воду, а не наоборот. Он также может бурно реагировать с некоторыми металлами, такими как алюминий, выделяя газообразный водород, поэтому для наших целей его следует смешивать, перемешивать и хранить вместе с пластиковыми материалами. Средства безопасности, включая латексные перчатки и защиту глаз, должны считаться абсолютной необходимостью при работе с ним, даже если он разбавлен в воде. pH раствора гидроксида натрия, описанного выше, должен быть около 14, когда он только что смешан. Уксус безопасно нейтрализует гидроксид натрия, поэтому нелишним будет иметь под рукой кувшин с уксусом на случай разлива. При удалении раствора гидроксида натрия в канализацию его следует промыть большим количеством холодной воды и/или нейтрализовать уксусом.

То же самое касается и соляной кислоты, если вы решили использовать ее вместо уксуса. Соляная/гидрохлоридная кислота потенциально очень вредна для вас, ваших детей и домашних животных. Прежде чем использовать ее, ознакомьтесь с информацией о безопасности по ссылкам ниже. Если в будущем эти ссылки не будут работать, вот суть: Соляная кислота может навсегда ослепить вас и вызвать очень неприятные химические ожоги, если она попадет на вашу кожу. Соляную кислоту следует открывать только в помещении с достаточной вентиляцией и соблюдать особую осторожность, чтобы не подвергать себя воздействию паров. Все кислоты следует очень медленно добавлять в холодную воду, а не наоборот. Как и гидроксид натрия, она может бурно реагировать с некоторыми металлами, такими как алюминий, и/или выделять газообразный водород, поэтому для наших целей ее следует смешивать, перемешивать и хранить с пластиковыми материалами. Средства безопасности, включая латексные перчатки и защиту для глаз, должны считаться абсолютной необходимостью в любое время работы с ним, даже если он разбавлен в воде. Пищевая сода безопасно нейтрализует соляную кислоту, поэтому нелишним будет иметь под рукой коробку с ней на случай разлива. При удалении раствора соляной кислоты в канализацию его следует промыть большим количеством холодной воды и/или нейтрализовать пищевой содой.

Работа с этими химикатами и знание рисков – это ваша ответственность. Пожалуйста, действуйте осторожно, и счастливой регенерации!

Ссылки

1. Холмс-Фарли, Р. Фосфаты и рифовый аквариум. Журнал Reefkeeping Online, сентябрь 2006.
2. Холмс-Фарли, Р. Фосфатные связующие на основе гидроксида железа (GFO). Онлайн-журнал “Рифоводство”, ноябрь 2004 г.
3. Пер. с англ., Уильям Уинг.
4. Pers. comm., The Reef Chemistry Forum, www.reefcentral.com.

Безопасность гидроксида натрия и MSDS

Соляная кислота безопасность и MSDS

1. http://www.epa.gov/ttn/atw/hlthef/hydrochl.html

Source: reefs.com