Оборудование

Цельностеклянный диффузор СО2 проточного типа

Подробности

Родительская категория: Статьи

Просмотров: 17650

Автор: Виталий Зубелевич

В отличие от наземных высших растений для водных одним из основных факторов, ограничивающих их рост, является недостаток углекислого газа (УГ), необходимого для фотосинтеза. В аквариуме с аэрацией (т.е. когда вода и воздух находятся в равновесии по содержанию УГ) концентрация CO2 может быть около 1 мг/л, что значительно ниже комфортных 30 мг/л, когда растениям легко извлекать его даже при умеренном освещении [1]. В аквариумистике особенно среди любителей растительных аквариумов широко распространена практика удобрения воды УГ. Для этих целей чаще всего используют либо жидкий газ в баллонах высокого давления, либо получают его бескислородным брожением сахаров (как правило сахарозы). Каждый из этих вариантов может оказаться более целесообразеным в том или ином случае; в значительной степени это – вопрос предпочтения и финансов. Плюсы и минусы этих способов снабжения растений УГ не будут обсуждаться в данной статье. Вместо этого я остановлюсь здесь на проблеме растворения УГ в воде в условиях аквариума.

Стоит сразу отметить, что растворяемость в воде у СО2 значительно выше, чем у других газов земной атмосферы, включая кислород. Несмотря на это добиться значительных результатов простой продувкой воды (т.е. подачей УГ непосредственно на распылитель, как при обычной аэрации подачей воздуха) не удаётся: значительная часть газа благополучно достигает поверхности и уходит в атмосферу, не принеся никакой пользы растениям. Для более экономного расходования УГ используют специальные устройства, увеличивающие его диффузию в воду (или проще – растворение). Если классифицировать диффузоры, то самым общим образом они могут быть подразделены на пассивные и активные устройства. Некоторые по этому принципу разделяют их на диффузоры и реакторы, однако, по моему мнению, это некорректно. Ни в активных, ни в пассивных устройствах для растворения СО2 никаких реакций не происходит.
В пассивных диффузорах растворяемость газа улучшается по сравнению с обычной продувкой (подачей на распылитель) за счёт увеличения времени движения либо просто нахождения пузырька газа под водой, а также площади соприкосновения УГ с водой. Примерами таких устройств могут служить всевозможные лесенки [2], спиральки [3] и т.д., или, скажем, закреплённый у дна обычный синтетический чулок с подведённой трубочкой от источника УГ. В случае лесенок время пребывания газа под водой увеличивается за счёт длинного пути, проходимого пузырьком газа до поверхности, а в случае чулка – за счёт непроницаемости его для СО2 в газообразной форме (однако материал чулка не препятствует контакту УГ с водой за счёт чего и происходит диффузия). В некоторых коммерческих устройствах [4] хорошей растворимости добиваются за счёт пропускания УГ через специальные материалы, обеспечивающие его разбивание на очень мелкие пузырьки, растворение которых облегчается силами поверхностного натяжения.
В активных устройствах используется растворение за счёт разбивания газа струёй воды на мелкие пузырьки или просто прокачкой воды через объём УГ либо вблизи поверхности раздела сред УГ/вода. При этом повышается не только площадь контакта воды с двуокисью углерода в газообразном состоянии, но и удельная (на единицу площади) скорость растворения. Это происходит за счёт того, что в отличие от пассивных устройств в активных диффузорах УГ в каждый момент времени контактирует с «новой» водой. Вода насыщается углекислотой и уносится потоком, который вместо неё к поверхности раздела сред приносит ещё не обогащённую CO2 воду. В пассивных диффузорах УГ достаточно быстро растворяется в приповерхностном слое воды, а дальше процесс определяется скоростью диффузии CO2 уже в водной среде. Скорость эта в стоячей воде относительно невысока, что делает пассивные диффузоры, как правило, менее эффективными и ограничивает применение последних в больших аквариумах. Кроме соответствующих коммерческих продуктов среди примеров активных диффузоров можно указать такие распространённые методы растворения, как подача УГ на вход или выход внешнего фильтра (фактически роль диффузора здесь играет фильтр), обдув потоком воды того же самого шарика УГ в чулке, а также очень популярный способ «перевёрнутого стакана» или, как его часто называют в среде русскоязычного аквариумного community, “реактор Зверева”. На самом деле, «перевёрнутый стакан» – более общий способ, а “реактор Зверева” – его конкретная реализация. Одной из модификации данного способа растворения, собственно, и посвящена настоящая статья, несмотря на несколько затянувшийся обзор более общих вопросов…

Исходная модель диффузора – одна из самых распространённых среди “самоделок” состояла из нижней половины ПЭВ бутылки (или другой аналогичной в функциональном плане ёмкости), закреплённой вверх дном к стенке внутри аквариума где-нибудь в толще воды, силиконовой трубки для подвода УГ и помпы (как вариант выхода фильтра). Принцип действия данного активного диффузора такой: в перевёрнутый «стакан» из баллона или брагогенератора по силиконовой трубке нагнетается СО2, он скапливается у вершины «стакана», и, не имея возможности уйти в атмосферу, постепенно растворяется в воде. Этому процессу значительно способствует поток воды от помпы, направленный на раздел сред вода/УГ. Данный вариант диффузора не лишён некоторых недостатков. По крайней мере, он не в полной мере реализует потенциал идеи этого способа растворения. Среди преимуществ стоит отметить относительную простоту исполнения, дешевизну, достаточно высокую эффективность растворения СО2. Впрочем, для эффективности растворения УГ необходима достаточно большая площадь его соприкосновения с водой, что вынуждает пользователей диффузоров данной конструкции применять либо ПЭВ бутылки с большой площадью дна, либо бутылки, разрезанные вдоль и расположенные в аквариуме вверх не дном, а оставшейся боковой стенкой. Таким образом, недостатками данной модели являются довольно большие планарные габариты, как правило, низкие декоративные качества, отсутствие возможности сброса балластных газов (об этом несколько подробнее см. ниже).
Для устранения указанных недостатков исходной модели были предприняты некоторые попытки её модернизации. Во-первых, с целью облегчения декорации предполагаемого пока диффузора его стоит «развернуть» т.е. планарные габариты заменить вертикальными или, проще выражаясь, сделать его вытянутым в вертикальном направлении, при этом уменьшив площадь его сечения (сечения горизонтальной плоскостью). Внимательный читатель сразу же заметит, что при этом также уменьшится площадь соприкосновения CO2 с водой, поскольку граница раздела сред вода/УГ по очевидным причинам как раз горизонтальная. Абсолютно верное замечание, поэтому, во-вторых, следует изменить место приложения потока воды от помпы так, чтобы эту площадь увеличить. Поскольку форма диффузора вытянутая в вертикальном направлении, то максимальную площадь контакта воды с УГ можно получить, если поток воды будет двигаться также в вертикальном направлении, пронизывая объём УГ насквозь или омывая его со всех сторон. По природе вещей газообразный СО2 стремиться занять верхнюю часть перевёрнутого «стакана», следовательно, в-третьих, вода должна двигаться сверху вниз (против движения УГ). Поскольку вода двигается сверху вниз, то запуск СО2 следует производить снизу «стакана», чтобы при движении вверх пузырёк поднимался против течения и частично растворялся уже до того, как достигнет вершины резервуара – это в-четвёртых. Вот, собственно, и все основные соображения, из которых исходил автор настоящей статьи при создании своего варианта диффузора.
На рисунке представлена фотография разработанного активного диффузора. Он имеет цельностеклянное исполнение. В соответствии с рассуждениями предыдущего абзаца вход 1 предназначен для подачи CO2, вход 2 – для прокачки водой, выход 3 – для отдачи обогащённой УГ воды в аквариум. Принцип работы данного устройства понятен из вышеописанного, не стоит на нём останавливаться подробно, ниже будет сказано несколько слов относительно этого. Выход 4, как нетрудно догадаться, служит для сброса балластных газов.

Дело в том, что при разгерметизации системы удобрения CO2 (при перезарядке браги или при подключении баллона) в трубки подачи СО2 попадает воздух, который, поступая в диффузор, практически не растворяется в воде, просто занимает там место и смешивается с УГ, ухудшая его растворяемость. Кроме того, в случае обогащения аквариумной воды углекислотой благодарные растения выделяют так много кислорода, что его водный раствор становится перенасыщенным настолько, что его избыток начинает выделяться в газообразной форме в виде «пузыряния». Переход этого избыточного кислорода из водного раствора в газообразную фазу облегчается также в активной зоне диффузора, а точнее в объём балластных газов или даже в объём УГ пока он не растворился в омываемой его воде. Это приводит к росту объёма балластных газов, если скорости прокачки воды недостаточно для его разбиения на мелкие пузырьки и постепенного вывода их из активной области вместе с обогащённой углекислым газом водой. В случае необходимости балластные газы спускаются через выход 4, который в режиме работы должен быть заглушен. Перед спуском балластных газов предварительно выключается прокачка воды. Поскольку диффузор в рабочем состоянии полностью погружён в воду, то для удобства заглушка на выход 4 ставится не непосредственно, а выносится трубкой из под воды или даже из под крышки аквариума. Я использую в качестве заглушки стандартный краник для компрессора.
Внешний вид диффузора, хотя не обладает особыми декоративными чертами, однако и не портит неизощрённый аквариумный пейзаж, а если этот диффузор и нуждается в декорировании, то не большем, чем, скажем, обычный обогреватель. Как кажется, представленный в данной статье вариант «перевёрнутого стакана» лишён вышеуказанных недостатков исходной модели, хотя, вполне возможно, читатели усмотрят некоторые иные. Предваряя других критиков, автору стоит указать самому один существенный недостаток. Это, к сожалению, невозможность среднестатистическому аквариумисту-любителю изготовить представленный диффузор самостоятельно. Впрочем, существенное ограничение на возможность самостоятельного изготовления налагает только его цельностеклянное исполнение, а не сама модель, которая может, в принципе, быть повторена на основе других более доступных в плане обработки материалов.
Послесловие. Когда был обрисован в общих чертах план статьи, сама она уже была мной обдумана и частью написана, в какой-то момент возникло желание узнать, почему, собственно, такой тип диффузоров называется «реактором Зверева», кто автор его идеи? Как оказалось, господин Зверев действительно существует, наверное, многие его знают, как участника форума на акваресурсе «Живая вода» с ником «zverev» [5]. Справедливым будет отметить, что «реактор Зверева» достаточно сильно (и в лучшую сторону) отличается от той модели, которую я выбрал в качестве исходной. Было бы излишним приводить здесь описание и принцип действия оригинального «реактора Зверева», интересующихся можно отослать к первоисточнику [6]. Честно говоря, когда я ознакомился с разработкой Зверева в оригинале, то был слегка разочарован тем, что фактически изобрёл велосипед. С другой стороны, всякий раз убеждаешься, в простой истине, высказанной ещё тысячи лет назад Соломоном [7]: «нет ничего нового под солнцем» и подтверждённой народной мудростью: «всё новое – это хорошо забытое старое».

И всё же, что бы хоть как-то реабилитироваться в своих и, что более важно, в глазах читателей, укажу несколько преимуществ модели, представленной в настоящей статье по сравнению с «реактором Зверева». Во-первых, это наличие выхода для сброса балластных газов. Во-вторых, более продуктивный способ подачи воды. Дело в том, что при подаче воды так, как это реализовано в представленной модели (сначала снизу вверх к вершине «стакана», затем вниз), достигается максимально возможная площадь контакта воды с УГ. Разбиваясь о вершину «стакана», водный поток обтекает объём CO2 со всех сторон. В «реакторе» же Зверева вода идёт сразу вниз, пронизывая при этом объём УГ насквозь, площадь контакта при этом меньше. В-третьих, подвод CO2 происходит снизу, что облегчает подсчёт пузырьков, при этом также реализуется возможность их частичного растворения во время движения против течения воды вверх. Тем не менее, предложенная Зверевым модель [6] значительно проще в изготовлении и, без сомнения, отлично справляется со своей функцией.
Идея прокачки воды в объёме углекислого газа с целью его растворения в ней, несмотря на свою предельную простоту, не может не восхищать, как всё гениальное. Кто её автор, наверное, останется загадкой, поскольку все вариации «перевёрнутого стакана» (в том числе и моя) фактически реализуют идею коммерческих проточных устройств, таких как серовский диффузор [8], диффузоры фирмы Денерле Цикло Турбо [9] и Аква Медик 1000 [9] и др.

Ссылки
1.http://plants.aqa.ru/publications.php?query=12
2.https://www.hobbyfish.net/index.php?productID=4001615030716
3.http://www.aquapro-m.ru/big_foto/oborudovanie_co2/oborudovanie_co2_aqua_medic/am_reactor_500.html
4.http://www.dennerle.info/EN/Crystal_Line_diffusors.htm
5.http://vitawater.ru/forum/user/index.php?member=zverev
6.http://vitawater.ru/forum/topic.php?topic_id=9001
7.Еккл. 1:9.11
8.http://www.sera-online.ru/catalog/uhod_za_rasten/co2/8.php
9.https://www.hobbyfish.net/index.php?productID=4001615030679
10.http://www.aquapro-m.ru/big_foto/oborudovanie_co2/oborudovanie_co2_aqua_medic/am_reactor_1000_2.html

*1.Это означает, что концентрация кислорода превышает максимально возможную равновесную концентрацию, т.е. ту, которая установилась бы при очень интенсивной аэрации.