Węgiel aktywny

Kupując nowy filtr, często znajdujemy w zestawie woreczek z czarnymi, brudzącymi ziarenkami – węglem aktywnym. W Polsce stosowanie tego materiału do filtracji wody w akwariach nie jest specjalnie popularne. Za Oceanem używany jest powszechnie jako jedno z wypełnień filtrów przez większość akwarystów. Okazuje się, że ten ciekawy materiał może przydać się do czegoś więcej niż tylko do usuwania z wody resztek leków i innych preparatów chemicznych.

 

Jak to działa i do czego służy?


Węgiel aktywny jest adsorbentem, którego prapoczątki zastosowania wiążą się z medycyną. Hipokrates i jego uczniowie zalecali zasypywanie węglem drzewnym ran w celu usuwania ich przykrego zapachu. Początki przemysłowych zastosowań związane są z rozwojem przemysłu cukrowniczego, gdzie na początku XX wieku znalazł zastosowanie do odbarwiania syropów.
 
Tajemnica działania i niemal cudowne właściwości węgiel aktywny zawdzięcza swej porowatej budowie. W procesie produkcji w surowcu bazowym wytwarzane są rozgałęzione kanały – pory. W zależności od ich wielkości mówimy o makro- (>50 nm), mezo- (2-50 nm) lub mikroporach (<2 nm). Taka konstrukcja zapewnia silne rozwinięcie powierzchni właściwej materiału – 1 gram węgla może skrywać nawet 2000 m2 powierzchni.
 
W 1771 roku szwedzki badacz Scheele odkrył zjawisko adsorpcji. Polega ono na „przytwierdzaniu” się cząsteczek do powierzchni materiału – sorbentu. Dzięki tak silnie rozwiniętej powierzchni węgiel aktywny jest znakomitym sorbentem – potrafi pochłonąć substancje w ilości blisko 20% własnej masy.


Porowata struktura węgla aktywnego umożliwia skuteczną adsorpcję.

Istnieją dwa podstawowe mechanizmy „przytwierdzania” się cząsteczek, tzn. chemiczny i fizyczny. Jeśli pochłaniana cząsteczka reaguje chemicznie z powierzchnią materiału, mówimy o chemisorpcji. Jest to bardzo trwały sposób uwięzienia zanieczyszczenia, którego praktycznie nie można już uwolnić. Fizyczne przytwierdzenie cząstki (np. przez tzw. siły van der Waalsa) z reguły nie jest tak mocne. To właśnie ten drugi mechanizm jest dla nas najistotniejszy. Dzięki temu zjawisku węgiel aktywny jest niezwykle skuteczny w usuwaniu rozpuszczonych substancji o dużych cząsteczkach – a więc np. związków organicznych będących produktami metabolizmu ryb, ale także leków czy innych preparatów chemicznych stosowanych w zbiornikach. W pewnym stopniu wychwytywane są również wirusy. Można więc powiedzieć, że spełnia podobną funkcję jak filtr biologiczny, który oczyszcza wodę z zanieczyszczeń organicznych na zasadzie rozkładu biochemicznego.

Przykłady organicznych substancji dobrze i źle usuwanych przez węgiel aktywny [Kowal & Świderska-Bróż 1996]

substancje dobrze usuwane substancje słabo usuwane
rozpuszczalniki aromatyczne (benzen, toluen, nitrobenzeny itd.) chlorowane związki aromatyczne (PCB, chlorobenzeny, chloronaftalen) fenol i chlorofenole wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (acenaften, benzopireny itd.) pestycydy i herbicydy (DDT, aldryna, chloran, heptachlor itd.) chlorowane, niearomatyczne (tetrachlorek węgla, chloroalkilowe etery, heksachlorobutadien itd.) węglowodory o dużej masie cząsteczkowej (barwniki, aminy, związki humusowe, benzyna)

 

 

 

 

 

rozpuszczalniki aromatyczne (benzen, toluen, nitrobenzeny itd.)

alkohole

chlorowane związki aromatyczne (PCB, chlorobenzeny, chloronaftalen)

ketony, kwasy i aldehydy o małej masie cząsteczkowej

fenol i chlorofenole

cukry i skrobia

wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (acenaften, benzopireny itd.)

związki o bardzo dużej masie cząsteczkowej lub koloidy

pestycydy i herbicydy (DDT, aldryna, chloran, heptachlor itd.)

związki alifatyczne o małej masie cząsteczkowej

chlorowane, niearomatyczne (tetrachlorek węgla, chloroalkilowe etery, heksachlorobutadien itd.)

 

węglowodory o dużej masie cząsteczkowej (barwniki, aminy, związki humusowe, benzyna)

 
Jest to bardzo uniwersalny sorbent. Około 90% ogólnej ilości związków organicznych jest pochłaniana – jedynie 10% można uznać za bardzo słabo adsorbowalne na węglu aktywnym. Na dużą skalę użyto go podczas I wojny światowej do wypełnienia filtrów masek przeciwgazowych. Ze względu na swą niezwykłą skuteczność i wszechstronność świetnie nadawał się do pochłaniania różnych gazów bojowych. Dostrzeżone wtedy własności węgla aktywnego zaczęły być wykorzystywane w technologii wody. Najpierw w latach dwudziestych XX wieku w USA, zaś dziesięć lat później w Europie.
 
Klasyczne zastosowanie węgli aktywnych w stacjach uzdatniania wody polega na pozbawianiu wody barwy i zapachu. Podobnego efektu jak najbardziej możemy oczekiwać również w akwarium. Geosmina jest substancją wytwarzaną przez niektóre sinice i promieniowce. Jest to jednocześnie związek chemiczny o jednym z najintensywniejszych znanych zapachów – wyczuwalny już przy tak małym stężeniu jak 15 milionowych części g/m3. Martwe okrzemki są również źródłem zapachu wody. Przy niewielkiej ilości mikroorganizmów jest on nawet przyjemny – trawiasty, przy większej wrażenia mogą być już mniej przyjemne. Niektóre zielenice, pierwotniaki i grzyby również nie pozostają bez wpływu. Wszystkie te grupy mikroorganizmów znamy z praktyki akwarystycznej i wszystkie substancje zapachowe z nimi związane są znakomicie pochłaniane przez węgiel aktywny. Dobrze usuwane są także związki chemiczne barwiące. Zastosowanie węgla na pewno więc poprawi klarowność wody w akwarium.
 
Skuteczność oczyszczenia wody z substancji organicznych zależy od wielu czynników. Najistotniejsze to rodzaj zastosowanego węgla i charakter usuwanego związku chemicznego. Różne węgle charakteryzują się różną skutecznością usuwania związków chemicznych o pewnym typie budowy cząsteczki (np. jeden węgiel znakomicie adsorbuje cząsteczki o złożonej budowie pierścieniowej zaś inny lepiej usunie związki łańcuchowe). Z tego względu ustalone zostały metody testowania i oznaczania węgli pod kątem przydatności do usuwania określonej grupy substancji. W Polsce popularny jest wskaźnik FIBDM (F – fluor, I – jod, B – błękit metylenowy, D – detergent laurylosiarczan sodowy, M – melas). Ma on postać liczby pięciocyfrowej, z których każda określa skuteczność węgla w usuwaniu danej substancji wskaźnikowej. Dla przykładu liczba B, zwana też liczbą metylenową, informuje o przydatności danego węgla do sorpcji substancji podobnych do błękitu metylenowego (a więc złożona cząsteczka pierścieniowa o wielkości około 1,5 nm). Wyznaczenie liczby B polega na zbadaniu ilości 0,12% roztworu błękitu odbarwianego przez 0,2 g węgla. Przeprowadzenie takiego testu jakości węgla jest więc bardzo proste nawet w warunkach domowych. Błękit metylenowy jest przecież substancją doskonale znaną akwarystom. Chcąc wybrać jeden z kilku węgli nie musimy ściśle przestrzegać zalecanego stężenia substancji wskaźnikowej oraz badać dokładnie 0,2 g węgla. Ważne jest jedynie to, aby te parametry były jednakowe dla wszystkich przeprowadzonych prób. Można również kupić gotowe testy do określania jakości węgla (np. Salifert C-Profi Test Activated Carbon).
 
Efektywność działania węgla zależy również od temperatury i pH. Zbyt ciepła woda nie sprzyja adsorpcji – proces lepiej zachodziłby w miejscu chłodniejszym niż akwarium (około 10°C). Zdecydowana większość zanieczyszczeń organicznych lepiej sorbowana jest przy pH<7,0 – choć nie jest to żelazną regułą (np. fenol jest wyraźnie słabiej usuwany dopiero przy pH>8,7). W wypadku filtrów akwariowych szybkość przepływu, a zatem czas kontaktu wody z węglem, nie jest już tak ważna. Wynika to z faktu, że pracuje on w układzie zamkniętym, w którym woda z zanieczyszczeniami wielokrotnie przepływa przez wypełnienie. W układach otwartych, tzn. takich, gdzie mamy do czynienia z jednorazowym przepływem, parametr ten jest już znacznie istotniejszy i powinien wynosić od 5 do 30 m/h zaś czas kontaktu minimum 5 minut.
 

Czy tylko substancje organiczne?


Okazuje się, że nie tylko. Węgle aktywne wykazują również pewną skuteczność w usuwaniu zanieczyszczeń nieorganicznych – np. metali. Istnieją dwa zasadnicze mechanizmy tego zjawiska.
 
Jony metali często tworzą w wodzie związki z substancjami organicznymi. Klasycznym przykładem, bardzo istotnym dla akwarystów zajmujących się roślinami wodnymi, jest fakt chętnego łączenia się żelaza ze związkami humusowymi. Substancje te formują w wodzie tzw. kompleksy. Żelazo jest ważnym dla roślin wodnych pierwiastkiem, będącym podstawowym składnikiem większości nawozów akwariowych. Problem w tym, że rośliny przyswajają go znacznie lepiej właśnie w formie kompleksów. Jeśli w akwarium stosujemy torf w celu uzyskania efektu „czarnej wody”, to możemy spodziewać się, że zastosowanie węgla aktywnego spowoduje oprócz usunięcia samych związków humusowych również związanego z nimi żelaza. A to na pewno nie wpłynie korzystnie na nasze rośliny. Kupowane w sklepach nawozy również zawierają mikroelementy w postaci kompleksów – z tym, że używa się tu innych niż związki humusowe substancji (np. oznaczonych symbolami EDTA, HEEDTA, DTPA czy CDTA). Wypełnienie filtra sorbentem skutecznie zniweluje pozytywne działanie tych preparatów.
 
Zatem pierwszy mechanizm polega na sprzężonym usuwaniu zanieczyszczeń organicznych wraz ze związanymi z nimi substancjami nieorganicznymi. Efekt zależy tutaj w dużej mierze od pH wody. Wynika to z faktu, że połączenia metaloorganiczne są trwałe jedynie w pewnym zakresie pH, innym dla każdego związku. Aby metal mógł być skutecznie wychwycony przez węgiel, najpierw musi utworzyć trwałe połączenie z substancją organiczną. Istotny jest również sam rodzaj i forma występowania zanieczyszczenia nieorganicznego. Bardzo skutecznie usuwana jest na przykład rtęć w tzw. formie metylowanej.
 
Węgle aktywne są w stanie usuwać z wody substancje nieorganiczne także bezpośrednio – niekoniecznie za pośrednictwem dużych cząsteczek organicznych. Na ich powierzchni rozmieszczone są tzw. grupy funkcyjne. Występują one również w budowie wymieniaczy jonowych używanych przez akwarystów m.in. do zmiękczania wody czy usuwania azotu amonowego (żwirki amonowe). Są to miejsca zdolne bezpośrednio reagować chemicznie z różnymi cząsteczkami.


Węgiel aktywny może usuwać również metale.

Jest wiele rodzajów grup funkcyjnych. Zdolność węgla aktywnego do usuwania np. metali ciężkich zależy właśnie od rodzaju i liczby tych grup, a to z kolei zależy od użytego materiału oraz technologii zastosowanej do produkcji węgla. Oznacza to, że różne węgle aktywne charakteryzują się różną skutecznością usuwania poszczególnych substancji chemicznych. W tabeli 2 podano przykłady nieorganicznych substancji wraz z klasyfikacją pod względem typowej sprawności ich usuwania.

Tabela 2. Podatność na usuwanie węglem aktywnym niektórych zanieczyszczeń nieorganicznych [Kowal & Świderska-Bróż 1996]

rodzaj zanieczyszczenia

podatność na usuwanie

antymon, arsen, bizmut, chrom, cyna

wysoka

srebro, rtęć, kobalt, cyrkon

dobra

ołów, nikiel, tytan, wanad, żelazo

dość dobra

miedź, kadm, cyna, bar, selen, molibden, mangan, wolfram, rad

niska

chrom, brom, jod, fluorki

wysoka

azotany, fosforany, chlorki, bromki, jodki

niska

Możliwe są jeszcze inne mechanizmy działania węgla. Może on np. brać udział w reakcjach chemicznych z utleniaczami (np. redukuje toksyczny chrom VI do znacznie mniej toksycznego chromu III) czy zachowywać się jak katalizator (np. katalizuje utlenianie żelaza II do żelaza III). Dla nas najważniejszy jest jednak fakt, że węgiel aktywny może mieć wpływ również na stężenie substancji nieorganicznych w akwarium. Przykładem są metale, które często są toksyczne i przez to w większej ilości niekorzystne dla ryb, ale w małej stają się mikroelementami, niezbędnymi choćby do prawidłowego rozwoju roślin.

Czy zatem węgiel może być na tyle skutecznym adsorberem względem mikroelementów, aby miało to negatywny wpływ na akwarium? I tu zaczyna się problem. Przeglądając literaturę fachową, można natrafić na rozbieżne informacje. Według niektórych autorów sprawność usuwania metali za pomocą węgla aktywnego nie jest duża. Naprawdę dobry wynik to zmniejszenie stężenia mniej więcej o 18% (jest to możliwe np. dla miedzi czy ołowiu). Najczęściej jednak redukcja wynosi kilka procent. Jest to zatem raczej jedynie zjawisko towarzyszące zasadniczemu działaniu węgla aktywnego, czyli adsorpcji substancji organicznych. Ze względu na fakt, że filtr i akwarium tworzą układ zamknięty (woda przepływa przez złoże węgla wielokrotnie) należy się liczyć z faktem, że uzyskane pochłonięcie będzie tak głębokie, jak to tylko możliwe w danych warunkach (pH, temperatura itp.) i będzie odpowiadało tzw. stężeniu równowagowemu. W innych źródłach pojawiają się informacje o możliwej w niektórych przypadkach znacznie wyższej sprawności sorbentów węglowych względem metali.
 

Można również chlor


Jak już wspomniałem, węgiel aktywny wykazuje pewne działania katalityczne (przyspiesza reakcje chemiczne, nie zużywając się). Jedno z nich polega na przemianie wolnego chloru w kwas chlorowodorowy (czyli kwas solny). W tym przypadku węgiel jest bardzo skuteczny. Do dechloracji wody zaczęto go wykorzystywać około 1930 roku.
 
Chlor i jego związki są bardzo niepożądanym w akwarium, choć powszechnie stosowanymi w Polsce środkami dezynfekującym wody pitnej. Prostym sposobem pozbycia się go jest odstawienie wody na pewien czas przed wlaniem do akwarium lub dodanie jednego z wielu spotykanych w handlu preparatów do tego przeznaczonych. Jednakże można wykorzystać także niezwykłe właściwości węgla aktywnego.


Węgiel aktywny działa jak katalizator zmieniający chlor w chlorki
.

Aby dechloracja była skuteczna, niezbędny jest odpowiednio długi czas kontaktu wody z węglem i powinien on wynosić minimum 5-10 minut. Oznacza to niestety, że usuwanie chloru z wody nalewanej do akwarium polegające na jej przepuszczeniu przez filtr węglowy zamontowany np. na gumowym wężu używanym do nalewania jest mało skuteczne. Filtr musiałby być bardzo duży lub szybkość przepływu wody bardzo mała.
 
Załóżmy, że podmieniamy 10% wody w 100-litrowym akwarium. Zatem przez węgiel aktywowany trzeba przepuścić 10 l wody z chlorem. Załóżmy również, że na wężu zamontowano filtr węglowy o objętości 1 litra. Aby chlor został skutecznie usunięty, wodę trzeba by nalewać przez przynajmniej 50 minut, a jeszcze lepiej godzinę i 40 minut. Gdybyśmy chcieli istotnie skrócić ten czas, to potrzebowalibyśmy filtra węglowego o znacznie większej objętości. Lepszym rozwiązaniem wydaje się np. zatopienie woreczka z sorbentem w pojemniku z wodą do podmiany na np. godzinę przed planowanym wlaniem jej do akwarium i mieszanie za pomocą choćby kamyczka napowietrzającego, co dodatkowo pozwoli usunąć często występujący w wodzie kranowej nadmiar rozpuszczonego CO2 (zwiększone rozpuszczanie gazów w warunkach podwyższonego ciśnienia sieci wodociągowej). Optymalne warunki odchlorowywania wody za pomocą węgla aktywnego to temperatura 10°C i pH<7,5. Oczywiście nie jest konieczne zapewnienie tych idealnych parametrów, aby proces zachodził.
 
Pisząc o usuwaniu chloru z wody za pomocą węgli aktywnych, należy wspomnieć o pewnym zjawisku towarzyszącym. Jak wspomniałem, istotą dechloracji jest zamiana chloru w kwas solny. Powstający kwas oczywiście nie pozostaje bez wpływu na parametry chemiczne wody. Wchodzi w reakcje ze związkami powodującymi twardość węglanową:
 
2H+ + 2Cl- + Ca2+ + 2HCO3- → 2H2O + 2CO2↑ + Ca2+ + 2Cl-

Następuje zatem zamiana twardości węglanowej ( Ca(HCO3)2 ) na niewęglanową ( CaCl2 ) zaś anion wodorowęglanowy, reagując z wodorem, zamienia się w wodę i wolny dwutlenek węgla. Zużyciu ulega część układu buforującego pH (twardość węglanowa, a ściślej aniony węglanowe i wodorowęglanowe, jest częścią chemicznego układu odpowiedzialnego za stabilność odczynu wody). Sytuacja, w której powstaje tak dużo kwasu solnego, że spada pH, wydaje się bardzo mało prawdopodobna. Dawkę chloru do dezynfekcji wody wodociągowej w praktyce dobiera się tak, aby u końcowego odbiorcy, czyli u nas, jego stężenie wynosiło 0,3-0,5 g/m3. W przypadku zamiany na kwas solny taka mała ilość może spowodować jedynie bardzo niewielkie obniżenie twardości węglanowej. Ilość chloru musiałaby być dużo większa, a woda bardzo miękka, aby efekt był zauważalny.

Węgiel jako złoże biologiczne?


W przemysłowej technologii wody węgiel aktywny ma jeszcze jedno zastosowanie – jest znakomitym podłożem dla mikroorganizmów. Spełnia wszystkie cechy bardzo dobrego wypełnienia filtrów biologicznych. Stosując go w akwariach, często zapominamy o tej tak ważnej cesze i traktujemy zastosowanie węgla jedynie jako czysto chemiczną metodę oczyszczania wody. Tymczasem tak nie jest. Biologicznie aktywne węgle stosuje się od stosunkowo niedawna, bo od lat 80 XX w.
 
Podstawową cechą, ważną dla materiałów stosowanych jako wypełnienia filtrów biologicznych, jest silnie rozwinięta powierzchnia – tak, aby w jednostce objętości zmieściło się maksymalnie dużo pożytecznych mikrobów. Podłoże powinno być też dla nich „przyjazne” – czyli nie zawierać np. składników toksycznych. Te cechy z powodzeniem spełnia węgiel aktywny. Ma przecież olbrzymią powierzchnię właściwą, znacznie przewyższającą znane nam wypełnienia ceramiczne czy z tworzyw sztucznych. Jest nietoksycznym materiałem pochodzenia naturalnego. Co więcej – jest to podłoże zasobne w węgiel i tlen oraz zapewnia dostatek pożywienia w postaci pochłoniętych zanieczyszczeń. Jest jednym z najszybciej zasiedlanych przez bakterie materiałów filtracyjnych. Pełny rozwój ich kolonii następuje wcześniej niż w przypadku innych stosowanych wkładów do filtrów.
 
Mikroorganizmy osiadłe na węglu przetwarzają nie tylko zanieczyszczenia rozpuszczone w wodzie, jak to się dzieje w każdym filtrze. Gratką są dla nich także (a może przede wszystkim) składniki pokarmowe pochłonięte i uwiązane na powierzchni węgla. W miejscu zasorbowanego, a następnie biochemicznie rozłożonego zanieczyszczenia może ponownie zostać przyłączona cząsteczka. Węgiel posiada więc pewną zdolność autoregeneracji. Sorbent z rozwiniętym życiem mikrobiologicznym znacznie dłużej zachowuje swoją zdolność pochłaniania zanieczyszczeń (nawet 10-krotnie). Taki węgiel wykazuje zdolność do usuwania zanieczyszczeń normalnie słabo sorbowalnych.


Na powierzchni węgla osiedlają się mikroorganizmy oczyszczające wodę na drodze biologicznej

Może więc warto rozważyć potraktowanie węgla jako wkładu do filtracji biologicznej zamiast innych, często droższych wypełnień? W takim wypadku pamiętajmy o tym, żeby obchodzić się z nim tak jak z każdym innym wkładem do biofiltracji – co jakiś czas przepłukać wodą odlaną z akwarium i nigdy nie wymieniać całości na raz.
 

Nie ma róży bez kolców


Węgiel aktywny jest otrzymywany w procesie karbonizacji i aktywacji materiałów głównie pochodzenia roślinnego. Używa się tu takich substratów jak: węgle kopalne, drewno, torf, łupiny orzechów, pestki owoców, czasami także materiałów pochodzenia zwierzęcego np. kości. Około 60% wszystkich węgli na świecie, również w Polsce, wytwarza się obecnie z węgla kamiennego. Wielu akwarystów szczególnie ceni sobie sorbenty wytwarzane z łupin orzechów kokosowych. Istotnie tego typu węgle zazwyczaj charakteryzują się wysoką czystością oraz niską zawartością popiołu.
 
Produktem procesu karbonizacji wyjściowego materiału, przeprowadzanej bez dostępu powietrza i bez udziału czynników chemicznych, jest praktycznie nieaktywny adsorpcyjnie materiał, o powierzchni właściwej rzędu kilku m2/g. Prawdziwy węgiel aktywny, o dużej porowatości oraz silnie rozwiniętej powierzchni, jest otrzymywany z karbonizatu w procesie aktywacji. Dla nas, akwarystów, dosyć istotny jest sposób jej prowadzenia. Nie ma problemu, jeśli realizowana jest ona w wysokiej temperaturze z wykorzystaniem pary wodnej, dwutlenku węgla, powietrza lub ich mieszaniny. Taki sposób produkcji węgla nazywa się aktywacją fizyczną. Aktywacja chemiczna przeprowadzana jest z wykorzystaniem różnych związków chemicznych. W zależności od rodzaju użytego aktywatora otrzymujemy węgle o różnych cechach. Do około 1970 roku jednym z najpopularniejszych aktywatorów był chlorek cynku ( ZnCl2 ). Przede wszystkim ze względu na dużą szkodliwość dla środowiska metalu ciężkiego, jakim jest cynk, obecnie znacznie częściej używa się kwasu fosforowego (H3PO4). Fosfor jest jednym z istotniejszych pierwiastków w naszych akwariach – jest podstawowym składnikiem nawozowym. Niezwykle istotne jest utrzymywanie jego stężenia na odpowiednim poziomie. Oczywiście w procesie produkcji węgla po aktywacji przeprowadza się wymywanie resztek tego kwasu. Jednak w wyniku zastosowania materiału niższej jakości i niewiadomego pochodzenia słusznie można się obawiać zaburzenia poziomu stężenia fosforanów w akwarium, co może zaowocować np. niekontrolowanym rozwojem glonów. Ryzyko takie jest niewątpliwą wadą węgli. Niestety nie jedyną.
 
Otrzymany węgiel aktywny należy jeszcze odpowiednio uformować. Istnieją trzy zasadnicze postaci: pylista, ziarnista i granulowana. Pyliste węgle aktywne (PWA) stosowane są powszechnie w stacjach uzdatniania wody – dla akwarystów są jednak raczej nieprzydatne. Ziarniste węgle aktywne (ZWA) mają postać nieregularnych ziaren o wielkości kilku milimetrów. Dobrej jakości węgiel tego typu powinien zawierać możliwie najmniej drobnych ziaren pyłu. Jeśli jednak nie producent nie przesiał go odpowiednio dokładnie pamiętajmy o dokładnym przepłukaniu nowego wypełnienia. Najlepiej nadaje się do tego woda destylowana czy otrzymywana w procesie odwróconej osmozy gdyż najmniej zużywa pojemność sorpcyjną materiału. Z braku takiej można oczywiście posłużyć się inną, czystą wodą. Pozwoli to na uniknięcie kłopotów związanych z ewentualnym dostaniem się drobin węgla do akwarium. Granulowane węgle aktywne (GWA) mają postać regularnych ziaren i często otrzymywane są w procesie formowania PWA z zastosowaniem specjalnych lepiszczy (np. niektóre smoły). Są one przeznaczone głównie do oczyszczania gazów, choć jeśli producent zapewnia, że zastosowane lepiszcze nie rozpuszcza się w wodzie mogą z powodzeniem być używane także w akwariach.

Wiele ryb przez nas hodowanych żyje w naturze w wodach o intensywnej barwie. Przykładem są niektóre rzeki Ameryki Południowej o dużej zawartości związków humusowych. Substancje te nadają wodzie charakterystyczny ciemny kolor. Często pieczołowicie staramy się odtworzyć ten naturalny charakter w domowych warunkach, stosując torf, szyszki olchy, liście dębu czy jeszcze inne źródła humusów. W takiej sytuacji oczywiście stosowanie węgla aktywnego do filtracji jest niemożliwe – substancje te zaliczają się do dobrze pochłanianych przez węgle. Ponieważ przy okazji są dobrymi, naturalnymi kompleksorami (są to związki organiczne tworzące kompleksowe połączenia z metalami) wraz z nimi można pozbawić wodę cennych mikroelementów, jak choćby wspomnianego wcześniej żelaza. Nawet jeśli nie stosujemy filtracji przez torf czy innego sposobu wzbogacania wody w humusy oraz nie nawozimy roślin kompleksami metali, to w wodzie akwariowej zawsze są obecne pewne ilości innych związków organicznych, zdolnych utworzyć połączenia metaloorganiczne. Jak już wspomniałem, skuteczność oczyszczania wody z domieszek nieorganicznych jest różnie oceniana przez różnych autorów. Jeśli więc zależy nam szczególnie na bujnym rozwoju roślin, należy zastanowić się, czy niewątpliwe plusy stosowania węgla aktywnego nie są przysłaniane przez wady.
 
Węgiel stosujemy w filtrach głównie po to, aby pozbyć się zanieczyszczeń natury organicznej. Niekiedy, paradoksalnie, może być to również poważną wadą węgla. Chodzi o akwaria, w których zastosowano biologiczną metodę usuwania azotanów – denitryfikację. Proces ten realizowany jest przez mikroorganizmy żyjące w warunkach niedotlenionych. W wyniku tego do prawidłowego funkcjonowania potrzebują łatwoprzyswajalnych związków organicznych jako pokarmu (np. cukry czy alkohole). Zastosowanie węgla aktywnego może spowodować pozbawienie bakterii tych substancji i w efekcie denitryfikator przestanie działać.
 
Zużyty węgiel praktycznie nadaje się do wyrzucenia – jest to niewątpliwie również wada. Istnieje kilka metod regeneracji zużytego materiału, ale wszystkie są praktycznie nie do zrealizowania w domowych warunkach. Często wymagają wysokiej temperatury rzędu 800°C. Uzyskiwana np. w piekarnikach temperatura około 250°C pozwala jedynie na desorpcję tych najsłabiej związanych, lotnych substancji. Innym sposobem regeneracji jest wymywanie rozpuszczalnikiem. Oddanie wcześniej pochłoniętych zanieczyszczeń może nastąpić również w wyniku gwałtownego skoku pH. Czy takie zjawisko nie grozi nam w akwarium?
 
Występujące normalnie wahania pH (np. dobowe) są zbyt małe, aby móc spowodować istotną desorpcję. Większy skok z pewnością spowodowałby bezpośrednio tragiczne skutki w akwarium – w tej sytuacji ewentualne uwolnienie zgromadzonych zanieczyszczeń raczej nie ma znaczenia. Zjawisko „odwrotnego zadziałania” węgla może się zdarzyć również wtedy, gdy w akwarium z wyczerpanym sorbentem pojawi się w większej ilości substancja chętniej pochłaniana niż związki zgromadzone do tej pory na jego powierzchni. Takimi substancjami mogą być np. związki humusowe. Jest to więc kolejny powód, dla którego należy pamiętać o wyjęciu z filtra węgla, gdy decydujemy się na zastosowanie torfu czy innych materiałów lub preparatów o podobnym działaniu.
 
Podobna sytuacja, choć na niewielką skalę, może się przytrafić, gdy zużyty węgiel znajdzie się w wodzie czystszej niż do tej pory. Czystą wodę możemy w tym wypadku potraktować jak rozpuszczalnik używany do wymywania zanieczyszczeń w procesie regeneracji. Sytuacja gwałtownych skoków stężeń substancji w akwarium nie jest codzienna. W pewnym stopniu jednak zdarza się np. przy okresowej podmianie wody. Wlewając świeżą wodę do akwarium, powodujemy rozcieńczenie niektórych zanieczyszczeń obecnych w wodzie, a tym samym może wystąpić niewielka desorpcja zanieczyszczeń ze zużytego węgla aktywnego. Ilość uwolnionych substancji może być jednak jedynie tak duża, że stężenie zanieczyszczeń powróci do stanu sprzed podmiany. Nie jest to oczywiście zjawisko korzystne, ale też nie spowoduje tragedii w akwarium. W pewnym sensie węgiel zadziała tu jak bufor, przeciwdziałając wahaniom jakości wody związanym z podmianami. Niektórzy akwaryści, aby osiągnąć podobny efekt, instalują systemy ciągłej podmiany wody. Niemniej jednak najlepiej nie dopuszczać do sytuacji całkowitego wyczerpania zdolności sorpcyjnych węgla – zwłaszcza, że przestaje on wtedy skutecznie spełniać swoją rolę. Nawet jeśli decydujemy się na zastosowanie węgla aktywnego jako wypełnienia do filtracji biologicznej dobrze jest co pewien czas wymienić niewielką część złoża na nową.
 

Zakończenie


W literaturze akwarystycznej bardzo często pojawiają się sugestie o stosowaniu węgla aktywnego jedynie w sytuacjach wyjątkowych, np. do usuwania preparatów użytych podczas leczenia ryb. Jest to najczęściej spowodowane obawą o „wyjałowienie” wody lub możliwość niekontrolowanego uwolnienia zgromadzonych wcześniej zanieczyszczeń. Napisałem niniejszy artykuł nie po to, aby namawiać kogokolwiek do zastosowania węgla w swoim akwarium wbrew tym sugestiom. Każdy z nas musi sam zadecydować, czy w jego konkretnym przypadku warto użyć węgla. Aby to zrobić, trzeba jednak znać mechanizmy działania tego bardzo ciekawego materiału filtracyjnego oraz jego zalety i wady. Mam nadzieję, że udało mi się je Wam przybliżyć.

  Łukasz Kaczmarek

Bibliografia
·Adamski W., 1994. Kinetyka procesu adsorpcja-biodegradacja na złożu węgla aktywnego. Ochrona Środowiska. 3-4(54-55)
·Adamski W., 1997. Adsorpcja. W: Odnowa wody. Kowal A. (red.). Politechnika Wrocławska, Wrocław
·Chojnacki A., 1972. Technologia wody i ścieków. PWN, Warszawa
·Choma J. & Klosze M., 1999. Otrzymywanie i właściwości impregnowanych węgli aktywnych. Ochrona Środowiska. 2(73)
·Choma J., Jaroniec M., Burakiewicz-Mortka W. & Gwizdalski M., 1995. Adsorpcja związków organicznych z roztworów wodnych na węglach aktywnych. Ochrona Środowiska. 1(56)
·Dąbrowska A. & Nawrocki J., 2000. Metody sorpcyjne. W: Uzdatnianie wody. Procesy chemiczne i biologiczne. Nawrocki J. & Biłozor S. (red.). PWN, Warszawa – Poznań
·Grabas K., Steininger M. & Zieliński S., 1998. Usuwanie metali ciężkich z roztworów wodnych na sorbentach mineralno-węglowych. Ochrona Środowiska. 1(68)
·Kowal A. & Świderska-Bróż M., 1996. Oczyszczanie wody. PWN, Warszawa – Wrocław

 

ARCHIWUM 2000-2006 © Copyright info: PolskieMalawi

Artykuł ukazał się pierwotnie w "AquaForum" (nr 6)