Без кейворда
Что такое скимминг?
Скимминг – это технология очистки воды, которая используется во многих рифовых аквариумах. Она имеет множество различных названий, включая фракционирование пены, скимминг протеина и, чаще всего, просто скимминг. Аналогично, само устройство называют скиммером, протеиновым скиммером или пенным фракционатором. Его основная цель – удаление растворенных и твердых органических веществ из аквариума, при этом существенным побочным преимуществом является усиление аэрации. Подобные устройства уже много лет используются в других отраслях, например, в очистке белков, и многие сотни научных работ посвящены их применению.
Эта статья призвана помочь аквариумистам понять, как работают скиммеры на молекулярном уровне. Поскольку скиммеры значительно отличаются по конструкции и представляют собой постоянно развивающуюся технологию, в этой статье не будет попыток показать, что одна конструкция является лучшей. В статье 2002 года Фрэнк Марини подробно описал многие из доступных на тот момент конструкций и обсудил некоторые принципы проектирования скиммеров. Кроме того, в справочном разделе этой статьи приведены дополнительные научные ссылки для тех, кто интересуется некоторыми инженерными аспектами скиммеров, предназначенных для использования в морской воде.
Вместо того чтобы повторять вышеупомянутую информацию, в этой статье мы более подробно остановимся на физических принципах работы скиммеров. Она также поможет аквариумистам понять, что удаляется и не удаляется при скимминге и нужны ли какие-либо специальные добавки при скимминге. Для тех, кто не определился, стоит ли использовать скиммер, эта статья может помочь аквариумистам решить, стоит ли использовать эту технологию и, если да, то насколько интенсивно это делать.
Разделы этой статьи:
- Зачем вывозить органическое вещество?
- Основные принципы, связанные со скиммингом
- Гидрофобность и гидрофильность
- Основные функции обезжиривания
- Почему обезжиривание лучше работает в соленой воде, чем в пресной?
- Удаляются ли неорганические вещества?
- Что еще удаляется?
- Какая органика не удаляется?
Зачем экспортировать органическое вещество?
Органические соединения обычно определяются химиками как те, которые содержат атомы углерода и водорода, но могут содержать и другие атомы. Они часто содержат азот и фосфор, поэтому обезжиривание и вывоз органики имеет очень полезное свойство вывоза этих молекул до того, как они могут быть разложены на нитраты и фосфаты. Многие организмы, от рыб и людей до бактерий, например, принимают органические материалы в качестве источника энергии и высвобождают излишки азота и фосфора, которые не нужны для роста. Во многих случаях в аквариуме эти выделяемые материалы оказываются в виде нитратов и фосфатов, либо путем прямого выделения, как в случае с фосфатами и нитратами, либо в виде аммиака, мочевины или других азотсодержащих соединений, которые в результате дополнительной бактериальной переработки могут оказаться в виде нитратов.
Многие металлы, такие как медь, прочно связаны с органическими материалами в морской воде. Если эти металлоорганические соединения удаляются, это может быть полезно, если металлы присутствуют в нежелательно высокой концентрации (например, после случайного воздействия меди), или нежелательно (например, когда металлы упали до концентраций, ограничивающих рост).
Термин “органические соединения” включает в себя все: от сахаров, крахмала, белков, ДНК и жиров до бензина, автомобильных шин, столешниц из кориана, суперклея, компьютерных клавиатур и акриловых аквариумов. Наиболее важными для рифовых аквариумистов являются те вредные органические соединения, которые имеют тенденцию накапливаться в аквариумах, или которые по другим причинам вызывают серьезную озабоченность. Например, токсины, выделяемые кораллами и другими организмами, являются органическими соединениями. Так же как и большинство соединений, которые в конечном итоге желтят воду в закрытой системе, если не предпринять меры по их удалению. Многие из них могут быть удалены с помощью обезжиривания.
Следовательно, можно получить значительные выгоды от экспорта органических материалов, и обезжиривание является одним из лучших способов сделать это (другие хорошие способы включают использование активированного угля и озона).
Основные принципы, связанные с обезжириванием
Прежде чем перейти к деталям работы скиммера, полезно знать некоторые важные химические определения.
Гидрофобность и гидрофильность
Молекулы, такие как органические молекулы, содержащиеся в морской воде, часто описываются как гидрофобные или гидрофильные. Гидрофобный означает “боящийся воды” (гидро – вода, фобия – страх). Аналогично, гидрофильный означает “любящий воду”. Примерами гидрофобных молекул являются метан (природный газ), масло, жир, холестерин, большинство молекул в бензине (например, гексан), жидкость для зажигалок (бутан), некоторые витамины (например, A, D, E, K) и многие хладагенты (например, хлорированные фторуглероды (ХФУ)). Они не смешиваются с водой и не растворяются в ней в значительной степени.
Примерами гидрофильных молекул являются вода, соль, сахар, этиловый спирт, этиленгликоль, глицерин, глюкоза, аммиак, большинство аминокислот (например, глицин), некоторые витамины (B6, B12, биотин, C, ниацин) и почти все неорганические соединения. Все эти молекулы гораздо лучше растворимы в воде, чем в масле.
На самом деле, существует континуум молекул от самых гидрофобных до самых гидрофильных, поэтому редко можно утверждать, что молекула должна быть либо полностью гидрофобной, либо полностью гидрофильной. Некоторые молекулы, которые попадают в середину этого континуума, включают аспирин, фенол, многие ароматические вещества, спирт для растирания (изопропанол) и ацетон. Некоторые крупные органические молекулы могут иметь части, которые являются гидрофильными, и другие части, которые являются гидрофобными. Жирные кислоты, большинство белков, мыло и моющие средства, а также широкий спектр биологических молекул попадают в эту категорию. Их часто называют амфипатическими или амфифильными. [Примечание: не путайте амфипатические и амфотерные молекулы. Последняя описывает нечто, обладающее одновременно кислотными и основными свойствами, например, бикарбонат].
Основная функция обезжиривания
Скиммеры работают, сначала создавая большое количество взаимодействия между воздухом и водой. Все коммерческие аквариумные скиммеры делают это в виде пузырьков воздуха, взвешенных в воде, хотя грань между пузырьками воздуха в воде и капельками воды в воздухе в некоторых скиммерах нечеткая. Другие конфигурации, такие как плоская поверхность раздела воздух/вода в верхней части аквариума, также подходят для поглощения органических молекул. Гидрофобные и амфипатические органические молекулы собираются на этой границе раздела, по причинам, объясненным позже (рис. 1). Нефтяной налет, плавающий на воде, является прекрасным примером абсорбции на границе раздела воздух/вода. В зависимости от толщины слоя масла, такие слои могут состоять из одиночного мономолекулярного слоя, одна часть органической молекулы которого находится в воде, а другой конец обращен к воздуху. Могут образовываться и более толстые слои, в которых часть молекул обращена к воде, часть – чисто в масляной фазе, а часть – к воздуху. Таким образом, когда вновь созданные пузырьки воздуха попадают в аквариумную воду, на их поверхности собираются органические молекулы. Конечно, существуют органические молекулы, которые очень полярны и не притягиваются к поверхности раздела воздух-вода и не удаляются с нее, о чем будет рассказано ниже в этой статье.
Рисунок 1. Схематическая диаграмма пузырьков воздуха (белые) в воде (синие). Со временем амфипатические органические молекулы в воде (красные) адсорбируются на границе раздела воздух/вода.
Когда пузырьки в скиммере начинают собираться вместе (просто под действием силы тяжести, заставляющей их подниматься в верхнюю часть камеры сбора), они начинают взаимодействовать и образуют пену. Пена образуется, когда пузырьки сближаются вплотную, и вода, попавшая между ними, имеет возможность стечь. Оставшаяся пена состоит из воздушных карманов, окруженных слоем, состоящим из органических молекул вблизи границы раздела воздуха, затем тонким слоем воды, затем еще одним слоем органики, прикрепленным к воздуху следующего воздушного кармана. Чем больше происходит осушение, тем суше пена (то есть тем тоньше слой воды между воздушными карманами, покрытыми органикой). Эту частично осушенную пену, которая все еще содержит некоторое количество воды вместе с органическими молекулами, можно собрать и выбросить.
Чтобы скиммер работал максимально эффективно, должны происходить следующие вещи: 1. Должен создаваться большой объем взаимодействия воздуха и воды. 2. Органические молекулы должны собираться на границе раздела воздух/вода. 3. Пузырьки, образующие эту границу раздела воздух/вода, должны собираться вместе, образуя пену. 4. Вода в пене должна частично стечь без преждевременного всплытия пузырьков. 5. Слившаяся пена должна быть отделена от основной воды и выброшена.
Все, что изменяет эффективность обезжиривания, должно влиять на один из этих факторов. В последующих разделах этой статьи мы расскажем о каждом из этих требований по очереди, а также о том, что влияет на их эффективность.
Первый шаг: Площадь взаимодействия воздуха и воды
Почему требуется большая площадь поверхности? Этот вопрос лежит в основе того, почему органические молекулы абсорбируются на этой поверхности. Основная причина заключается в том, что взаимодействие между двумя молекулами воды намного сильнее, чем между молекулой воды и гидрофобной органической молекулой, такой как масло. Вода образует водородные связи с другими молекулами воды и некоторыми другими гидрофильными молекулами, но не с маслом. Это взаимодействие между молекулами воды очень сильное и оказывает большое влияние на свойства воды. Таким образом, если молекула нефти находится внутри воды (т.е. растворена), она, по сути, “встает на пути” молекул воды, которые хотят взаимодействовать друг с другом. Выдавливание масла из воды на ее поверхность устраняет эту помеху, потому что молекулы воды на поверхности не имеют над собой ничего, с чем можно было бы установить водородную связь (воздух не подходит для этого, он слишком “тонкий”, то есть там почти нет ничего, с чем можно было бы взаимодействовать). Этот эффект называют “гидрофобным эффектом”, хотя на самом деле он обусловлен водородными связями в воде, а вовсе не гидрофобностью.
Если обсуждаемым гидрофобом является масло, то все выдавленные молекулы масла могут свернуться в клубок, образуя вторую фазу масла, как это наблюдается при смешивании оливкового масла и воды. Что касается амфипатических молекул, однако, их гидрофильные концы все еще хотят взаимодействовать с водой (поскольку эти концы могут образовывать водородные связи или другие виды сильных взаимодействий с водой). Таким образом, лучшее, что могут сделать эти молекулы, это выдавить свои гидрофобные части из воды, оставив свои гидрофильные части в контакте с водой. Органические продукты в их лучшем виде в рекламе Sprouts на этой неделе. Одно из мест, где они могут сделать это эффективно, – граница раздела воздух/вода.
На практике большинство органических молекул, встречающихся в морской воде (и, фактически, большинство природных органических молекул), являются амфипатическими, а основная масса остальных молекул – гидрофильными. Существует относительно небольшое количество чисто гидрофобных природных органических молекул. Большинство очень гидрофильных молекул не удаляются скиммером, поэтому понимание того, как амфипатические молекулы реагируют в скиммере, является ключом к пониманию того, как работает скиммер. Одна из причин, по которой скиммеры часто называют белковыми скиммерами, заключается в том, что многие белки являются амфипатическими. Они часто имеют внутреннюю часть, состоящую в основном из гидрофобных аминокислот, и внешнюю часть, состоящую в основном из гидрофильных. . При растворении в воде только гидрофильные внешние части соприкасаются с молекулами воды. При контакте с поверхностью раздела воздух/вода (или чем-то другим, что является гидрофобным) белки могут изменить свою форму и представить свою гидрофобную часть к поверхности раздела. Таким образом, они легко притягиваются к поверхности раздела воздух/вода.
Сколько поглощается на границе раздела фаз?
Что же все это означает для скиммера? Это означает, что на границе раздела воздух/вода может образоваться только монослой амфипатических молекул. Другими словами, на границе раздела воздух/вода может образоваться только один слой молекул, гидрофильные хвосты которых находятся в воде, а гидрофобные головы открыты воздуху. К сожалению для морских аквариумистов, монослой очень тонок. Монослой мыла состоит примерно из 5 x 10 14 молекул на квадратный сантиметр (см 2 ), что соответствует примерно 0,0025 грамма на квадратный метр (г/м 2 ). Для удаления 1 г мыла в виде монослоя потребуется создать более 400 квадратных метров (3500 квадратных футов) площади поверхности. Определенные факторы могут значительно изменить это число, но в целом, именно поэтому необходимо создать такую большую площадь поверхности. Один из способов представить себе это – посмотреть на площадь поверхности типичного аквариума. Верхняя часть типичного 120-галлонного аквариума имеет площадь поверхности всего 0,7 квадратного метра. Монослой органических молекул на этой поверхности весил бы примерно 0,002 грамма. Поскольку чайная ложка хлопьевидного корма может добавить в тысячу раз больше, легко понять необходимость создания большой площади поверхности.
Как создать площадь межфазной поверхности воздух/вода
В процессе эволюции коммерческих скиммеров основной задачей была разработка усовершенствованных способов создания большого количества межфазной поверхности воздух/вода. Любой процесс, который разбивает воду и воздух на мелкие пузырьки, может работать. Что касается пузырьков в воде, то чем меньше пузырек, тем больше площадь поверхности. Фактически, для сферы площадь поверхности равна квадрату радиуса (S = 4* p *r 2 ), а объем равен кубу (V = (4/3)* p *r 3 ). Следовательно, один пузырек диаметром 1 мм содержит 0,52 кубических миллиметра газа и имеет площадь поверхности 3,1 квадратных миллиметра. В другом случае, если у нас есть 1000 пузырьков размером в одну десятую часть этого размера (0,1 мм), то объем газа по-прежнему составляет 0,52 кубических миллиметра, но площадь поверхности теперь равна 31 квадратному миллиметру, или в десять раз.
На практике нижний предел размера пузырьков достигается в скиммерах, когда уменьшение размера пузырьков не позволяет им подниматься на поверхность воды для сбора. Это хорошо видно в морском аквариуме. Если провести предметом по воде, то в результате образуется несколько крупных пузырьков, которые быстро поднимаются вверх, и несколько мелких, которые поднимаются гораздо медленнее. Достаточно маленькому пузырьку может потребоваться несколько часов, чтобы подняться к вершине сборника. Аналогия – пыль на ветру. Крупные предметы (камни) быстро выпадают из воздуха, но мелкая пыль может оставаться во взвешенном состоянии в течение нескольких дней. Таким образом, проектирование скиммера – это компромисс между размером пузырьков и временем сбора. Единственный другой способ победить в игре – генерировать большее количество пузырьков. В качестве академического соображения, не обязательно генерировать интерфейс в виде пузырьков в воде. Капли воды в воздухе (что, на самом деле, может иметь место в некоторых конструкциях скиммеров) или даже быстро переворачивающаяся плоская поверхность могут быть столь же эффективны. По практическим причинам, в основном связанным со сбором и удалением собранной органики, конструкция с пузырьками воздуха в воде кажется наиболее эффективной.
Что собирается на границе воздух/вода и почему?
Очевидный вопрос о скиммерах – что они собирают и почему. Давайте начнем с того, почему, то есть почему молекулы поглощаются на этой границе раздела. Как говорилось ранее, гидрофобные молекулы выдавливаются из воды благодаря водородным связям, образующимся между молекулами воды. Но остаются некоторые очевидные вопросы:
1. Почему скимминг лучше работает в соленой воде, чем в пресной?
Есть две фундаментальные причины, по которым обезжиривание более эффективно в морской воде, чем в пресной. Первая – это пониженная растворимость органики, особенно гидрофобной. Поскольку многие органические вещества менее растворимы в соленой воде, чем в пресной, они легче выдавливаются из нее на границу раздела воздух/вода и собираются в виде пены. На этом основан хорошо известный эффект высаливания белков. Цитирую из базового учебника по биохимии: “При достаточно высокой ионной силе белок может быть почти полностью осажден из раствора, этот эффект называется высаливанием”.
Вторая причина менее эффективного обезжиривания пресной воды связана с образованием пузырьков и коалесценцией. Оказывается, что воздух, нагнетаемый в морскую воду, образует пузырьки меньшего размера, чем при нагнетании того же устройства в пресную воду. 1-4 Возможные причины этого обсуждались в научной литературе, но точная причина не является общепризнанной.
Несмотря на то, что скиммеры обычно производят более крупные пузырьки в пресной воде, и что органика часто более растворима в пресной воде, скимминг пресной воды не является невозможным. На реках некоторых районов северо-востока США иногда появляется пена, которая образуется из сока деревьев и другой естественной органики, попадающей в воду. Они обладают низкой растворимостью в воде и легко собираются в виде пены при естественном обезжиривании.
2. Удаляются ли неорганические вещества?
Немногие, если вообще какие-либо, природные неорганические молекулы сами по себе абсорбируются на границе раздела воздух/вода. Почти все неорганические вещества в морской воде представляют собой высокополярные заряженные ионы, которые фактически будут слегка отталкиваться от поверхности раздела по той же причине, по которой гидрофобы притягиваются к ней. Эти неорганические вещества взаимодействуют с водой даже сильнее, чем вода сама с собой. Таким образом, воздействие на них на поверхности воды создаст нестабильную ситуацию, из которой они быстро перейдут обратно в основную массу воды.
Однако многие неорганические материалы комплексообразуют с органикой, которая удаляется. Например, медь в морской воде более чем на 99% связана с органическими веществами, такими как гуминовые кислоты и белки (рис. 2). Если эта органика адсорбируется на границе раздела воздух/вода, то медь также будет адсорбирована. Анализы скиммата довольно ограничены по объему, а единственное опубликованное исследование показывает высокую изменчивость от образца к образцу. Однако это исследование показывает повышенный уровень меди (а также железа и других следовых металлов) по сравнению с ионами, не подвергавшимися селективному обезжириванию (например, магнием или натрием).
Рисунок 2. Схема хелатирования иона меди (Cu ++ ; показан красным) встречающейся в природе гуминовой кислотой (показана зеленым).
Неорганические ионы также будут обезвожены, если они содержатся внутри микроорганизма (диатома, бактерии, водоросли и т.д.), который имеет частично гидрофобную внешнюю поверхность (многие из них имеют такую внешнюю поверхность) и обезвоживаются. Такие целые организмы могут быть удалены, попав на границу раздела воздух-вода, как и отдельные органические молекулы. Они также могут быть захвачены в пене при ее стекании. Снятие целых организмов очевидно для многих аквариумистов, которые наблюдают, например, зеленое окрашивание скиммата после дозирования фитопланктона. Окрашенные в зеленый цвет организмы могут скапливаться в скиммате.
Многие аквариумисты считают, что йодид легко вымывается. Я считаю, что это не так. Маловероятно, что йод в любой естественной неорганической форме, присутствующей в морской воде (йодид или йодат), будет заметно удален при обезжиривании. Эти формы не будут притягиваться к поверхности раздела воздух/вода, и они не особенно прочно связаны с органикой. Однако многие органические соединения, содержащие йод, будут удалены (а также, возможно, испарятся в воздух). Превращение различных форм йода в йодоорганические соединения является одним из способов удаления йода из водной толщи морских аквариумов (другой способ – поглощение организмами, такими как водоросли), и обезжиривание может повысить скорость этого экспорта, перехватывая соединения до того, как бактерии смогут снова их расщепить, высвобождая йод. Удаление целых микроорганизмов (бактерий, водорослей и т.д.) – еще один способ удаления йода с помощью обезжиривания. Анализы обезжиривания, как упоминалось выше, довольно ограничены по объему, но одно опубликованное исследование показывает значительное повышение (в несколько сотен раз) общего содержания йода по отношению к ионам, не подвергшимся избирательному обезжириванию (скажем, магний или натрий), по сравнению с соотношением тех же ионов в морской воде или воде рифовых аквариумов.
В целом, нитриты, нитраты и фосфаты не могут быть непосредственно удалены из морской воды, поскольку они не адсорбируются на границах воздух-вода. Азот и фосфор, однако, легко удаляются как части органических молекул, которые удаляются при обезжиривании. Анализы обезжиренного фильтрата, как упоминалось выше, довольно ограничены по объему, но одно опубликованное исследование показывает значительное увеличение общего фосфора (порядка тысячи раз) и общего азота (порядка сотни раз) по отношению к ионам, не подвергшимся избирательному обезжириванию (скажем, магний или натрий), по сравнению с соотношением тех же ионов в морской воде или воде рифовых аквариумов.
Следовательно, обезжиривание может эффективно снизить концентрацию нитратов и фосфатов, которые в противном случае могут накапливаться в аквариуме, за счет экспорта органики, которая часто является предшественником некоторой части нитратов и фосфатов, присутствующих в аквариумной воде.
Фосфат также может быть включен в некоторые неорганические частицы, такие как карбонат кальция (CaCO3), которые могут быть обезжирены, если они покрыты органикой. Конечно, кальций и, возможно, магний в этих частицах также удаляются. Аммиак может выдуваться в воздух в скиммере, поскольку он всегда находится в равновесии с атмосферным газообразным аммиаком, и сильная аэрация устранит часть его.
Многие ионы, которые больше всего волнуют аквариумистов, не подвергаются заметному воздействию скимминга, поскольку они не адсорбируются на поверхности раздела воздух-вода и не связаны в основном с органикой. К ним относятся кальций, магний, стронций, бикарбонат и карбонат (щелочность) и силикат. Кроме того, ни один из других основных ионов морской воды, включая хлорид, натрий, сульфат, фторид, бромид (за исключением броморганических соединений), борат и калий, не будет подвержен воздействию обезжиривания.
3. Что еще удаляется?
Почти любая гидрофобная или амфипатическая молекула может быть в той или иной степени удалена. В этот список входят аминокислоты, витамины, белки, углеводы, жиры, многие комбинированные биомолекулы (например, липопротеины, липосахариды), РНК, ДНК и т.д. Этот список включает большинство, но, конечно, не всю органику. К счастью, он включает многие органические соединения, которые приводят к пожелтению воды в морских и рифовых аквариумах, поэтому обезжиривание может помочь уменьшить пожелтение аквариумной воды.
Я также ожидаю, что многие токсины и слизь, производимые организмами аквариума, в той или иной степени удаляются при обезжиривании, исходя из того, что многие из них амфипатичны. Ожидается, что некоторые из них будут удаляться легко, а другие – медленнее, исходя из их гидрофильности и гидрофобности. На рисунке 3 показана домоевая кислота, токсин, вырабатываемый диатомовыми водорослями. Тот факт, что она имеет гидрофобные части (красные) и гидрофильные части (зеленые), говорит о том, что она может быть легко удалена при обезжиривании.
Рисунок 3. Домоевая кислота, токсин, вырабатываемый диатомовыми водорослями. Гидрофобные части показаны красным цветом, а гидрофильные – зеленым. Поскольку он имеет обе области, он является амфипатическим и может быть удален с помощью скимминга.
Частицы органики также могут быть удалены, поскольку они часто являются амфипатическими. Ранее уже упоминалось об удалении микроорганизмов путем обезжиривания. Вывоз микроорганизмов может иметь положительные последствия в смысле вывоза питательных веществ из аквариума. Потенциальное снижение нежелательно высокого уровня бактерий, патогенных микроорганизмов и растворенных водорослей также может быть преимуществом. С другой стороны, скимминг почти наверняка удаляет из толщи воды множество микро- и даже макроорганизмов, которые в противном случае могли бы стать пищей для обитателей аквариума (а также органические молекулы, которые могли бы стать пищей – например, белки). Неясно, насколько велико влияние этого фактора, но оно, безусловно, зависит от типа обитателей, о которых идет речь, и эффективности скиммера.
4. Какая органика не удаляется?
Большинство высокополярных органических веществ не удаляются скиммингом. Простые сахара, ацетат, оксалат, метиловый спирт, холин, цитрат и т.д. останутся. Они просто недостаточно притягиваются к поверхности раздела воздух-вода. Большинство заряженных видов, по сути, отталкиваются от поверхности раздела воздух/вода, поэтому они не собираются. К счастью, многие из этих высокополярных органических материалов легко метаболизируются бактериями и другими организмами, поэтому они не накапливаются в морских аквариумах постоянно.
Предоставление времени для поглощения
После того, как скиммер создал большую площадь поверхности, следующий процесс заключается в том, чтобы позволить органике диффундировать к поверхности раздела. Сколько времени это займет? Это важный вопрос, на который нет идеального ответа. Диффузия молекул в воде может быть медленной. Для очень больших молекул, таких как белки и углеводы, она может быть очень медленной. Для диффузии белка на несколько сантиметров в воде могут потребоваться часы. К счастью, нам не нужно полагаться исключительно на случайную диффузию, чтобы доставить органику на поверхность. Почти во всех скиммерах пузырьки находятся в турбулентной среде, где они могут переноситься потоком воды, а также диффузией. Однако по мере приближения органики к поверхности пузырька движение воды относительно пузырька значительно уменьшается, и для окончательного перемещения к поверхности раздела фаз необходима диффузия. Количество времени, необходимое для полного накопления органики на поверхности, также зависит от концентрации органики в воде и даже от химической природы присутствующей органики.
Вполне логично, что в воде с высоким содержанием органики межфазная область будет быстро занята органикой. Это происходит потому, что в локальной области вокруг пузырька их достаточно для насыщения межфазной поверхности. При более низких концентрациях органика должна диффундировать все дальше и дальше от пузырька, чтобы насытить его. Кроме того, различные органические вещества имеют разную прочность связывания с границей раздела воздух/вода. Соединения, которые связываются сильнее, будут медленно замещать те, которые уже находятся на границе раздела фаз и имеют более слабую связь. Таким образом, пузырек, полностью заполненный органикой, может со временем продолжать изменяться при дальнейшем воздействии аквариумной воды. Однако он не будет продолжать увеличивать свою органическую нагрузку бесконечно. По этим различным причинам не существует определенного количества времени, необходимого для полного насыщения пузырьков органикой. Кроме того, неверно утверждать, что всегда лучше увеличивать время контакта пузырьков с аквариумной водой. Кроме того, важно и то, как пузырьки движутся относительно воды. Если пузырьки движутся против течения воды или находятся в турбулентной среде, необходимое время поглощения будет меньше (поскольку поток помогает донести органику до поверхности раздела), чем если пузырьки движутся вместе с потоком.
Образование пены и слив
Как только в скиммере появляется большое количество пузырьков, покрытых органикой, необходимо каким-то образом удалить поверхность пузырьков, но не большую часть воды рядом. Этого легче всего добиться, позволив пузырькам образовать пену. Образование пены происходит при скоплении и взаимодействии пузырьков. Пена из пузырьков начинает стекать под действием силы тяжести, удаляя большую часть воды между пузырьками. Некоторые пузырьки сливаются в более крупные пузырьки. Если пузырьки не лопаются до того, как произойдет значительный слив, то органика остается в пене вместе с остатками воды. В конце концов, концентрация органики в верхней части пены становится настолько большой, что превышает предел растворимости, и образуются мелкие частицы органики. Эти частицы, как правило, и собираются скиммером, наряду с некоторым количеством воды и органических веществ, которые остаются в растворе или на границе раздела воздух/вода.
Мокрый и сухой скимминг
Дренаж пены – критический этап для большинства скиммеров. Одна из проблем дренажа заключается в том, что некоторые органические вещества вымываются вместе с дренажной водой. Всегда существует равновесие между органикой в растворе и органикой, прикрепленной к поверхности раздела фаз. Когда вода продолжает стекать, часть органики теряется. Кроме того, поскольку некоторые пузырьки лопаются и их органика перераспределяется в близлежащую воду, локальная концентрация органики в воде между пузырьками пены может подняться до концентраций, значительно превышающих концентрации в аквариуме. По этой причине наиболее эффективное обезжиривание с точки зрения полного удаления органики происходит при удалении несколько влажной пены, а не при ожидании, пока эта же влажная пена стечет перед удалением. Основное различие между мокрой пеной и сухой пеной заключается в том, что дополнительная вода и часть органики стекает. Сухая форма более эффективна с точки зрения количества удаленной органики по отношению к объему воды, и все скиммеры и их потенциальные регулировки устанавливают определенный баланс между удалением большего количества воды и чуть большего количества органики, или меньшего количества воды и чуть меньшего количества органики. Возможно, тщательный анализ различных типов скимминга в будущем покажет этот ожидаемый результат экспериментально.
На стадии слива пены могут происходить и другие критические вещи, которые обычно негативно влияют на обезжиривание. Одним из них является добавление материалов, которые вызывают преждевременное всплытие пузырьков. Например, избыток масел приводит к этому.
Когда типичные капли масла добавляются в рифовый аквариум, они быстро попадают в скиммер. Чистая масляная капля в значительной степени гидрофобна со всех сторон. Капли масла проделывают свои дьявольские трюки в скиммерах, перемещаясь по воде между двумя пузырьками воздуха в пене (рис. 4). Как только капля масла преодолевает водный зазор между пузырьками, амфипатические молекулы на обеих поверхностях пузырьков распространяются вдоль границы раздела между маслом и водой (если они там еще не были) и соединяют оба воздушных зазора непрерывной линией амфипатических молекул вдоль этой границы раздела между маслом и водой. Как только эти амфипатические молекулы оказываются на месте, взаимодействие становится неустойчивым. Поверхностное натяжение притягивает каплю масла (рис. 5), и она просто разрывается. Пузырек разрывается на месте капли масла, в результате чего пузырьки объединяются или полностью лопаются. Причина, по которой этого не происходит в отсутствие капли нефти, заключается в том, что для разрыва необходимо, чтобы вода, присутствующая между пузырьками воздуха (или между отдельным пузырьком и близлежащей атмосферой), стала свежей поверхностью раздела воздух/вода. Фактически, для этого необходимо, чтобы непрерывная линия молекул воды разом стала открытой.
Рисунок 4. Схема, показывающая прилипание капель масла (зеленый цвет) к поверхности пузырьков воздуха (белый цвет) в воде (синий цвет), покрытой органикой (красный цвет). Это прилипание является первым шагом к всплытию пузырьков и разрушению пены, вызванному попаданием масла в скиммер.
Рисунок 5. Последовательность событий, приводящих к разрушению пены под воздействием нефти в пеноотделителе. Капли нефти, адсорбированные на пузырьках воздуха (Рисунок 4), сначала позволяют амфипатическим органическим веществам покрыть их поверхность и преодолеть водный зазор между пузырьками воздуха. Затем они раздвигаются изнутри, обеспечивая коллапс отдельных пузырьков.
Поскольку такой разрыв требует одновременного разрыва большого количества водородных связей, для его осуществления требуется слишком много энергии. Когда капля масла находится там, молекулы воды больше не подвергаются воздействию, а молекулы масла или амфипатические молекулы, которые гораздо “счастливее” подвергаются воздействию воздуха, и капля разрывается, разбивая пузырьки по обе стороны от нее в один больший пузырь. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не останется пены.
Всплытие пузырьков может быть вызвано также гидрофобными твердыми частицами, хотя этот процесс, вероятно, менее важен для аквариумистов, чем всплытие из-за масел.
Всплытие пузырьков в морских аквариумах
Эффекты этого процесса всплытия пузырьков, если не считать механических деталей, легко наблюдать в аквариуме, где многие вещи могут вызвать эффект всплытия пузырьков. Одной из причин, с которой сталкивается большинство аквариумистов, является масло с рук. После попадания масла в аквариум с морской водой процесс скимминга часто почти прекращается, так как всплытие пузырьков доминирует над сливом и сбором пены. Всплытие будет продолжаться до тех пор, пока масло не будет каким-то образом удалено. Среди прочих способов удаления масла можно назвать следующие: оно разбрызгивается над уровнем пены в скиммере, вспенивается понемногу, эмульгируется в общей пене в виде очень-очень крошечных капелек, которые уже не пропускают пузырьки воздуха, прикрепляется к твердым предметам и удаляется, потребляется микроорганизмами аквариума и в конечном итоге растворяется в воде аквариума. Многие корма, используемые аквариумистами, оказывают аналогичное действие на пузырьки скиммера.
В качестве дополнения, действие гидрофобных масел на всплытие пузырьков в точности соответствует действию большинства лекарств против газов для людей. Симетикон – это полидиметилсилоксан, который является гидрофобной полимерной жидкостью. Он вспенивает пузырьки в желудке или кишечнике и позволяет газу выводиться. Пеногасители также являются основой для большого количества промышленных продуктов, которые работают по тому же принципу. Другие вещества также вызывают всплытие пузырьков. Одним из них является добавка жирных кислот Selcon. Она вызывает всплытие пузырьков так же, как и капли кожного жира. Гидрофобные твердые объекты также могут вызывать всплытие. Мелкие частицы активированного угля, песка, неорганических осадков или гранулированного оксида/гидроксида железа, будучи покрытыми органическими соединениями, могут служить для разрушения пены способом, аналогичным описанному для жидких масел.
Сбор слитой пены
После того, как пена стечет до нужной степени, ее необходимо собрать и удалить из системы. Большинство скиммеров делают это, просто позволяя пене образовываться с такой скоростью, которая переводит слитую пену через определенный порог, где она необратимо собирается и выбрасывается. Этот процесс прост и является в основном инженерным, а не химическим вопросом. Сложным моментом для эффективности является баланс между созданием пены, сливом и сбором.
Скимминг и озон
Влияние озона на скимминг, по-видимому, различно, но большинство людей (включая меня), использующих современные скиммеры, наблюдают меньший сбор скиммата при использовании озона, чем без него. Как я подробно описал в предыдущей статье, озон имеет тенденцию расщеплять органику на более мелкие, более гидрофильные частицы, а такие частицы часто разлагаются быстрее, чем крупные. Поэтому озон может потребоваться только для запуска процесса разложения, а бактерии в аквариуме могут закончить органику путем поглощения и метаболизма. Например, крупные молекулы гуминовых кислот преобразуются при озонировании в более мелкие фрагменты, которые легче поглощаются и метаболизируются.
Скимминг – это сложный процесс со многими тонкостями, которые обсуждались в предыдущих разделах. Много лет назад широко утверждалось, что использование озона увеличивает скимминг, а я тогда утверждал, что не вижу, как это может происходить напрямую. Большинство органических соединений, которые могут быть обнаружены в значительных количествах в рифовом аквариуме, после реакции с озоном становятся более полярными и, вероятно, менее способными к обезжириванию. На рисунке 6, например, показано, как жирная кислота олеиновая кислота (легко обезжириваемая) реагирует с озоном, образуя более полярные соединения, которые не будут так легко обезжириваться, потому что они не будут так сильно притягиваться к поверхности раздела воздух-вода. На рисунке 7 показана аналогичная последовательность для фенола, который типичен для более крупных гуминовых и фульвокислот, присутствующих в морской воде и вызывающих пожелтение. Опять же, продукты реакции после озонирования обычно более полярны и менее пригодны для обезжиривания, чем исходные органические соединения.
Рисунок 6. Известная реакция, происходящая при взаимодействии озона с олеиновой кислотой (пищевая жирная кислота) в морской воде. Атомы водорода не показаны (для наглядности), а каждое пересечение линий представляет собой атом углерода. Красным цветом показана углерод-углеродная двойная связь (C=C), которая наиболее легко реагирует с озоном. Продукты, образующиеся в результате реакции с озоном в морской воде, показаны внизу. Эти образующиеся соединения менее прочно адсорбируются на поверхности раздела воздух/вода и поэтому менее эффективно удаляются при обезжиривании.
Рисунок 7. Продукты реакции фенола (вверху слева) при воздействии озона. Атомы водорода не показаны (для наглядности), а каждое пересечение линий представляет собой атом углерода. Молекула фенола служит суррогатом более сложных структур в гуминовых и фульвокислотах, которые вызывают естественное пожелтение аквариумной воды. Эти соединения менее прочно адсорбируются на границе воздух/вода и поэтому менее эффективно удаляются при обезжиривании.
Небольшая часть органических молекул в воде рифовых аквариумов может стать более пригодной для скимминга, если, например, они становятся более гидрофобными после реакции с озоном. Они также могут стать более скиммируемыми, если они были полностью гидрофобными до озона и были преобразованы в молекулы с полярной (гидрофильной) и неполярной (гидрофобной) частями (амфифильные), которые более легко адсорбируются на поверхности раздела воздух-вода и скиммируются.
Существуют ли другие способы увеличения скимминга под воздействием озона, кроме этих двух процессов? В предыдущей статье я предположил, что такое увеличение может быть связано с ростом бактерий (либо в самой воде, либо на поверхности), а также, возможно, с выделением новых органических молекул в процессе их роста, что и вызвало улучшение обезжиривания, которое наблюдали некоторые аквариумисты.
Однако, похоже, что мнение изменилось, и большинство аквариумистов теперь утверждают, что при использовании озона количество скиммата значительно уменьшается. Многие утверждают, что при использовании озона в их аквариумах практически прекратился сбор скиммата. Почему такая разница по сравнению с прошлым мнением? Трудно сказать, и это может зависеть от типов и качества скиммеров, доступных сейчас, по сравнению с тем, что было много лет назад, а также от изменений в других методах содержания. В любом случае, опыт многих современных аквариумистов показывает, что скимминг уменьшился, и предполагаемая причина в том, что органика становится химически менее скиммируемой под воздействием озона. Оставшаяся органика будет удаляться бактериальными процессами в большей степени, чем до применения озона в том же аквариуме.
Аэрация с помощью скиммеров
Один из самых больших положительных эффектов скиммеров заключается в том, что они, в целом, являются отличным способом аэрации воды. Площадь поверхности свежего воздуха/воды обеспечивает хороший газообмен. Хотя почти все аквариумисты с рифовыми аквариумами считают, что их вода хорошо аэрируется благодаря турбулентному потоку, реальность часто не столь позитивна. И кислород, и углекислый газ потребляются и производятся в аквариумах в больших количествах, и баланс может легко отклониться в сторону нежелательно низкого уровня кислорода или неприемлемого pH (из-за высокого или низкого уровня углекислого газа).
Используя кислородомер, Эрик Борнеман показал, что уровень кислорода в аквариуме с рыбкой-клоуном поддерживается значительно выше, особенно ночью, чем в том же аквариуме без скиммера.
В отсутствие кислородомера последствия неполной аэрации легче всего заметить по показателю pH. Ночью во многих рифовых аквариумах накапливается избыток углекислого газа, что снижает pH. Аналогично, эффекты фотосинтеза и иногда использование добавок с высоким pH, таких как известковая вода, истощают углекислый газ, повышая pH. При идеальной аэрации обычным воздухом pH в морской воде не меняется в течение дня. Однако большинство аквариумистов наблюдают более высокий уровень pH в конце светового цикла, чем в начале, и этот эффект объясняется неполной аэрацией.
Несколько лет назад, экспериментируя со своим скиммером (ETS 800 Gemini на 90-галлонном рифовом аквариуме), я отключил его на несколько месяцев, чтобы посмотреть, к каким последствиям это приведет (потенциально к пожелтению воды, повышению среднего pH, расширению суточного диапазона pH и т.д.). Наиболее заметным эффектом было то, что общий pH поднялся на 0,1-0,2 единицы pH. Фактически, он поднялся выше pH 8,5 в течение большей части времени. Поскольку я использую известковую воду (kalkwasser) для пополнения кальция и щелочности, значительная часть этого повышения была вызвана потребностью в углекислом газе гидроксида, содержащегося в известковой воде:
Без дополнительной аэрации, обеспечиваемой скиммером, в мою систему не поступало достаточно углекислого газа. Даже если бы эта аэрация была единственным полезным эффектом от скимминга, она стоила бы того для моей системы.
Дополнительные добавки при скимминге?
Вопрос, который часто задают аквариумисты при обезжиривании своих рифовых аквариумов, заключается в том, нужно ли им добавлять что-то, что выводится при обезжиривании. Тот же вопрос относится и к использованию активированного угля. Имеется мало данных о биодоступности некоторых микроэлементов в морских аквариумах. Такие элементы, как медь, например, могут быть выше естественного уровня из-за добавления корма (как в моем аквариуме), но быть связанными с органическими веществами таким образом, что это снижает их доступность для организмов. Пользуются ли рифовые аквариумы в целом добавлением этих металлов, независимо от обезжиривания, неясно. Рифовые аквариумы могут выиграть от снижения уровня определенных металлов в результате обезжиривания, а добавление их обратно может быть контрпродуктивным. В целом, я рекомендую не дозировать микроэлементы, за одним исключением: железо. Многие аквариумисты, выращивающие макроводоросли, отмечают лучший рост и больший рост макроводорослей по сравнению с микроводорослями при дозировании железа. Увеличивает ли скимминг потребность в дозировании железа, пока неясно, но это может быть так.
Скимминг не меняет очевидной необходимости пополнения кальция и щелочности для всех рифовых аквариумов, а также необходимости дозирования магния, если его уровень становится слишком низким. Скимминг также не создает необходимости в дозировке йода, хотя он может выводить из системы йод-органические формы. Добавки йода не нужны, потому что они не имеют доказанной пользы для большинства организмов, содержащихся в морских аквариумах, и потому что некоторое количество йода поступает со всеми кормами на морской основе. Также при обезжиривании не возникает необходимости в добавке стронция, как потому, что стронций не связан прочно с органикой, так и потому, что он не кажется полезной или необходимой добавкой в большинстве случаев.
В этой статье я обобщаю свои рекомендации по дозировке для рифовых аквариумов в целом, и я не считаю, что скимминг существенно изменяет стандартные рекомендации.
Скимминг и соленость
Скимминг может влиять на соленость, в зависимости от того, как заменяется скиммат. Большинство аквариумистов считают, что соленость скиммата схожа с соленостью аквариума. Некоторые находят его чуть более соленым, а некоторые – чуть менее, вероятно, из-за вероятности испарения или конденсации воды из или в скиммате до того, как он будет измерен. Для тех, кто интересуется, соленость скиммата лучше всего измерять по электропроводности, поскольку на рефрактометрию и даже удельный вес может повлиять высокий уровень органических материалов.
Основное влияние обезжиривания на соленость обусловлено тем, как заменяется обезжиренный осадок. Если он заменяется пресной водой, как в системе автоматического долива, соленость будет медленно снижаться. Если его заменяют новой соленой водой равного объема, влияние на соленость будет минимальным. Влажное обезжиривание и замена соленой воды на новую – хороший способ подмены воды.
Появление высококачественных скиммеров позволило значительно уменьшить количество растворенных органических веществ в морских аквариумах. Скиммеры могут увеличить аэрацию воды, потенциально помогая поддерживать достаточный уровень кислорода ночью и не позволяя рН становиться слишком высоким или низким из-за неполного уравновешивания углекислого газа. Удаление органических соединений, вероятно, имеет благоприятные последствия, такие как удаление токсинов, уменьшение пожелтения воды и уменьшение предшественников питательных веществ, которые могут стимулировать рост водорослей. Удаление органических соединений может также нанести вред, например, лишить определенные организмы пищи. В целом, я считаю, что скимминг является большим преимуществом для типичных рифовых аквариумов, но каждый аквариумист должен решить это для себя сам, и дальнейшие данные в будущем о том, какая именно органика удаляется и какие эффекты оказывает это удаление, могут склонить баланс в ту или иную сторону.
Надеемся, что эта статья поможет любителям понять, как работает скиммер, а затем позволит им использовать эту информацию для критической оценки заявлений о том, что скиммеры могут и не могут делать, и как их лучше использовать.
1. Дробление пузырьков: различия в образовании пузырьков в пресной и морской воде . Слауэнвайт, Дэвид Э.; Джонсон, Брюс Д. Факультет океанографии, Университет Далхаузи, Галифакс, Новая Зеландия, Канада. Журнал геофизических исследований, [Океаны] (1999), 104(C2), 3265-3275.
2. Распределение пузырьков по размерам, полученное при нагнетании воздуха через стенку в текучие пресноводные, соленые воды и растворы поверхностно-активных веществ . Винкель, Эрик С.; Сесио, Стивен Л.; Даулинг, Дэвид Р.; Перлин, Марк. Машиностроение, Мичиганский университет, Анн-Арбор, штат Мичиган, США. Эксперименты в жидкостях (2004), 37(6), 802-810.
3. Лабораторная генерация воздушных пузырьков с различным распределением по размерам . Пулео, Джек А.; Джонсон, Рекс В.; Куни, Тим Н. Отдел морских геонаук, Военно-морская исследовательская лаборатория, Космический центр Стеннис, США. Обзор научных инструментов (2004), 75(11), 4558-4563.
4. Размер пузырьков в аэрируемых резервуарах с перемешиванием . Алвес, С. С.; Майя, К. И.; Васконселос, Ж. М. Т.; Серралейро, А. Ж. Факультет химической инженерии, Центр инженерной биологии и химии, Высший технический институт, Лиссабон, Порт. Chemical Engineering Journal (Амстердам, Нидерланды) (2002), 89(1-3), 109-117.
Ссылки по проектированию скиммеров:
Reef Central содержит несколько обширных тем по конструкции скиммеров:
Удаление общего количества взвешенных твердых частиц пенным фракционатором в моделируемой системе аквакультуры морской воды. Пенг, Лей; Джо, Чжэ Юн. Кафедра аквакультуры, Колледж рыбохозяйственных наук, Пукёнский национальный университет, Нам-гу, Пусан, С. Корея. Han’guk Yangsik Hakhoechi (2003), 16(4), 216-222. Издатель: Корейское общество аквакультуры.
Научные достижения в технологии очистки сточных вод аквакультуры. Лю, Чанфа; Янь, Цайшэн; Чжан, Цзюньсинь; Хэ, Цзе; Си, Хунцзюнь. Ключевая лаборатория марикультуры и биотехнологии Министерства сельского хозяйства, Даляньский рыбохозяйственный университет, Далянь, провинция Ляонин, КНР. Китай. Dalian Shuichan Xueyuan Xuebao (2005), 20(2), 142-148. Издатель: Dalian Shuichan Xueyuan Xuebao Bianjibu.
Производительность лабораторной замкнутой системы рециркуляции морской воды для культуры корейской рокфиш Sebastes schlegeli . Пэн, Лэй; О, Сунг-Йонг; Чо, Чжэ-Юн. Кафедра аквакультуры, Колледж рыбохозяйственных наук, Пукёнский национальный университет, Пусан, С. Корея. Океанические и полярные исследования (2003), 25(4), 493-501. Издатель: Корейский институт океанических исследований и разработок.
Очистка рециркуляционных вод аквакультуры методом пенной сепарации. I. Характеристики разделения белков . Сух, Куен-Хак; Ли, Мин-Гю. Деп. хим. Eng., Natl. Fisheries Univ. Pusan, Pusan, S. Korea. Хан’гук Сусан Хахоэчи (1995), 28(5), 599-606. Издатель: Корейское общество рыболовства.
Очистка оборотной воды аквакультуры с помощью пенной сепарации – II. Характеристики удаления твердых частиц . Сух, Куен-Хак; Ли, Мин-Гю; Ли, Мин-Су; Ким, Бён-Джин; Ким, Ын-Джун; Чо, Мун-Чул. Факультет химической инженерии, Национальный университет Пукён, Пусан, С. Корея. Хан’гук Сусан Хахоэчи (1997), 30(3), 334-339. Издатель: Корейское общество рыболовства.
Характеристики удаления белков и общего количества взвешенных твердых частиц противоточным воздуховодом, высокоскоростным аэратором и пенным сепаратором типа Вентури в воде аквакультуры. Сух, Куен-Хак; Ким, Бён-Джин; Ким, Сунг-Ку. Факультет химической инженерии, Национальный университет Пукён, Пусан, С. Корея. Хан’гук Сусан Хахоэчи (2000), 33(3), 205-212. Издатель: Корейское общество рыболовства.
Удаление белка с помощью пенного фракционатора в моделируемой системе аквакультуры морской воды . Пэн, Лэй; О, Сунг-Йонг; Чо, Чжэ-Юн. Кафедра аквакультуры, Колледж рыбохозяйственных наук, Пукёнский национальный университет, Пусан, С. Корея. Океанические и полярные исследования (2003), 25(3), 269-275. Издатель: Корейский институт океанических исследований и разработок.
Метод предварительной обработки сырой воды для удаления мутных взвесей с помощью озона. Савада, Хидетака; Нагао, Шуджи; Шиота, Масахиро. (Hitachi Shipbuilding and Engineering Co., Ltd., Япония). Jpn. Kokai Tokkyo Koho (2001), 6 стр.
Теория и применение пенного фракционирования . Бикерман, Дж. Tr. – Mezhdunar. Конгр. Поверхн.-Акт. Вещам, 7-е (1978), Собрание 1976, 323-31. Издатель: Нац. Ком. ССР Поверхн.-Акт. Вещесвам, Москва, СССР.
Пенное и пузырьковое фракционирование для удаления следовых ионов металлов из воды . Valdes-Krieg, Ernesto; King, C. Judson; Sephton, Hugo, H. Sea Water Convers. Лаборатория, Калифорнийский университет, Беркли, Калифорния, США. Редактор(ы): Sabadell, J. E. Traces Heavy Met. Мониторинг процессов удаления из воды, Proc. Symp. (1973), 189-210.
Source: reefkeeping.com