Ионообменные смолы

Ионообменные смолы — нерастворимые синтетические высокомолекулярные (полимерные) соединения, способные вступать в реакции обмена с ионами раствора. То есть они способны улавливать из воды ионы различных веществ и "впитывать" их в себя, отдавая в замен "запасенные" ранее ионы. Таким образом осуществляется ионный обмен. Отсюда и обобщающее название этих смол — "ионообменные" или по-научному "иониты". Внешне ионообменная смола представляет собой скопление очень мелких зерен. Ионообменные смолы имеют гелевую, макропористую и промежуточную структуры. Гелевые иониты лишены истинной пористости и способны к ионному обмену только в набухшем состоянии. Макропористые иониты обладают развитой поверхностью из-за наличия пор и поэтому способны к ионному обмену как в набухшем, так и в ненабухшем состоянии. Гелевые иониты характеризуются большей обменной емкостью, чем макропористые, но уступают им по осмотической стабильности, химической и термической стойкости.

Ионообменные смолы подразделяются на катиониты, т.е. смолы, способные к обмену катионами, и аниониты — смолы, обменивающие анионы. Используя ионообменные смолы, можно снизить или устранить общую жесткость, карбонатную жесткость, общее содержание солей, нитрогены, фосфаты, сульфаты, органические вещества и тяжелые металлы. В водоочистке ионообменные смолы применяются еще с 1960-х годов, но особенное распространение получили, начиная с 1990-х готов. Важнейшая функция катионита — удаление жесткости. При удалении жесткости с помощью ионообменника ионы кальция и магния заменяются на ионы натрия. Другие возможные области применения — удаление из воды тяжелых металлов и декарбонизация. Основная область применения анионитов — удаление нитратов. При нитратном обмене нитрат-ионы обмениваются с ионами хлора. Общее содержание солей в воде не меняется.

Для решения конкретных задач аквариумистики ионообменные смолы должны быть правильно подобраны. В качестве готовых решений можно назвать поглотитель нитрогенов Nitra-Zorb и поглотитель фосфатов Phos-Zorb, производимые американской компанией Aquarium Pharmaceuticals. В ассортименте продуктов этого производителя есть также наполнитель Ammo Chips — поглотитель аммиака, содержащий природные цеолиты и Ammo Carb — комбинация цеолита и активированного угля. Аналогичные продукты выпускаются и другими фирмами, в частности, Aqua Medic. Однако большого распространения в отечественной аквариумистике данные технологии не получили. К их недостаткам следует отнести высокую стоимость и необходимо регулярно заменять их на свежие или восстанавливать.

Цеолит

Термин цеолит (в переводе с греческого "кипящий камень") включает целое семейство минералов — водосодержащих алюмосиликатов с катионами калия, натрия, кальция и магния. В 1756 г. Ф. Кронштедт обнаружил вспучивание (увеличение объема образца, сопровождающееся выделением воды) стильбита (минерала семейства гидратированных силикатов алюминия) при нагревании. Он и ввел термин "цеолит". Существуют природные и искусственно синтезированные цеолиты (пермутиты), которые находят широкое применение в водоочистительных приборах как адсорбенты, ионообменники и молекулярные сита.

Использование цеолита в аквариумистике, прежде всего, связывается с его способностью очищать воду от аммиака и аммония. Подвижность катионов и их способность к ионному обмену определяет высокие сорбционные свойства цеолитов. В упрощенном виде это можно описать так: цеолит "забирает" аммиак и "обменивает его на соль". Однако, как показала практика, наши представления о способности цеолита бороться с аммиаком несколько преувеличены. В реальности не все виды цеолитов пригодны для этого. Общим в строении для всех минералов из группы цеолитов является наличие трехмерного кристаллического каркаса, образующего системы полостей и каналов, в которых расположены щелочные, щелочноземельные катионы и молекулы воды. Катионы и молекулы воды слабо связаны с каркасом и могут быть частично или полностью замещены путем ионного обмена и дегидрации, причем обратимо, без разрушения самого каркаса. Обезвоженный цеолит представляет собой микропористую кристаллическую "губку", объем пор в которой составляет до 50% объема его каркаса. Такая "губка" имеет в зависимости от вида цеолита диаметр пор от 0,3 до 1 нм. Размеры микропор определяют специфичную селективность свойств цеолитов как адсорбентов, ионообменников и молекулярных сит, и таким образом у одних видов цеолитов выражены одни свойства, у других – другие. Ионообменные свойства цеолитов обуславливаются также особенностями химического сродства ионов с кристаллической структурой цеолита. При этом, также как и при адсорбции молекул, необходимо соответствие размеров входных отверстий в цеолитовый каркас и замещающих ионов. Ионным обменом на цеолитах удается выделять ионы, извлечение которых другим методом подчас представляет большую сложность.

Классификация цеолитов Баррера по молярно-ситовому действию, показывает, какие молекулы по своим размерам могут адсорбироваться цеолитами того или иного типа. Классификация по структурному принципу была предложена Смитом, а позднее Мейером. На практике для обозначения структурного типа цеолита обычно используют буквы латинского алфавита А, Х, Y, S, T, L и т. д., перед которыми ставят символ катиона, содержащегося в цеолите в преобладающем количестве. Так, символы СаА или СаХ являются обозначением цеолитов типа А и Х в кальциевой форме.

Некоторые аквариумисты используют цеолит не только как сорбент и ионообменник, но и в качестве субстрата для биофильтра, "заявляя, что он работает по крайней мере не хуже, чем дорогие фирменные субстраты". Отработанный цеолит можно восстановить цеолит вымачиванием в течение суток в 10-15% растворе поваренной соли и последующей промывкой в проточной воде. Но при этом следует иметь в виду, что при использовании соли получается натриевый цеолит, который соответственно в дальнейшем будет замещать Ca++ и Mg++ на Na+, хотя если цеолит не для травника, то это не сильно проблематично.

Подробнее о цеолите можно прочесть в статье М. Спиридонова "Цеолит в аквариуме. Польза или вред", опубликованной в журнале Аквариум. № 6.2008 (скачать.pdf).

Торф

Торф обычно применяется в системах фильтрации или при водоподготовке при содержании дискусов и других южноамериканских цихлид. Он придает воде золотисто-янтарный цвет и делает аквариумную среду более благоприятной для рыбы, происходящей их биотопов с мягкой и кислой водой, а также стимулирует рыб к нересту. Химическая структура торфа недостаточно изучена, и когда идет речь о торфе и содержащихся в нем гуминовых веществах, имеется в виду сложная смесь веществ, практически не разлагаемых биологическими процессами. Наряду с водорастворимыми гуминовыми кислотами торф содержит смолы, минеральные и другие органические вещества. Нерастворимая в воде, состоящая из больших молекул часть торфа может функционировать как катионообменник и снижает жесткость — однако при жесткости более 6°dGH этот эффект незначителен. Гуминовые кислоты подкисляют воду. Кроме всего прочего, торф имеет определенные бактерицидные свойства. Торф может содержать высокие концентрации фосфатов и нитратов, поэтому перед применением его надо протестировать в отдельном сосуде.

Общие рекомендации по количеству используемого при этом торфа часто предлагают применять 1 литр сухого торфа на 100 литров воды. На самом деле свойства торфа из разных мест его добычи сильно отличаются, особенно по кислотности. Поэтому в каждом конкретном случае аквариумист должен самостоятельно определять дозировку. Применение в фильтрующих системах торфа требует контроля параметров воды и своевременной замены отработанного наполнителя, т.к. по мере использования он постепенно утрачивает свои рабочие свойства. Также следует иметь в виду, что при больших подменах воды состав торфованной воды в аквариуме изменяется, поэтому желательно делать небольшие, но частые подмены, либо доливать подменную воду, тоже предварительно подвергнутую торфообработке. Применение в фильтрующей системе торфа одновременно с активированным углем делает его бесполезным, так как продукты его экстракции будут адсорбированы углем.

В отечественной практике вместо свежего торфа, зачастую используют торфяной экстракт из вываренного торфа. Это позволяет надежно контролировать дозировки и уровень рН. Сам же торф применяется после многократного вываривания или в виде торфяной крошки на дно или в виде торфяных пластин.

Стерилизация воды

	Ультрафиолетовый стерилизатор

Стерилизация может проводиться либо посредством озонирования, либо облучением ультрафиолетовым светом.

Озон – сильнейшее средство окисления. Его молекула не стойкая и распадается на отдельные атомы, которые стремятся к реакциям окисления. Озон увеличивает интенсивность разложения накапливающихся органических веществ, которые не разлагаются до простых соединений, доступных для утилизации бактериями. Надо помнить, что эффективность дезинфекции при большом количестве растворенного органического вещества снижается, т.к. озон в первую очередь расходуется на его окисление. По общему принципу озонатор — это разделенные диэлектриком электроды, на которые подается напряжение от трансформатора высокого напряжения. В результате электрического разряда в воздухе, прогоняемом через зазор между диэлектриком и электродом, образуются молекулы озона (О3). Обогащенный озоном воздух подается через распылитель в воду аквариумной системы.

Ультрафиолетовое облучение воды (с помощь специального УФ-стерилизатора) по сравнению с озонированием является более простым и надежным способом стерилизации. Оно убивает микроорганизмы в воде, но не способно проникнуть на глубину, превышающую 5 см. Это определяет конструктивную схему УФ-стерилизатора, которая в общем виде представляет собой следующее. В кварцевой трубке размещают ультрафиолетовую лампу в колбе, имеющей патрубки для входа и выхода воды, между стенками колбы и кварцевой трубки оставлен зазор в несколько миллиметров для протока воды. И вся эта конструкция заключена в защитный кожух в целях безопасности для человека. УФ-стерилизатор в схеме фильтрации замыкает процесс обработки воды. Про УФ-стерилизаторы см. в статье Юрия Фролова.

УФ-стерилизатор известен также как средство против "цветения воды" и "бактериальной мути". Но при этом надо понимать, что он не решает задач биофильтрации, а лишь убивает в воде микроорганизмы. Хотя существует мнение, что при сильных помутнениях, ультрафиолет играет положительную роль, устраняя из аквариумной воды "неправильные" микроорганизмы и таким образом облегчает жизнь "правильным", живущим в биосубстрате. Негативная роль УФ-стерилизатора при этом заключается в том, что он может создавать иллюзию "кристально чистой" воды, которая на самом деле таковой не является. Отметим здесь же, что в цихлидном аквариуме без живых растений даже при мощной фильтрации и нулевом содержании аммиака и нитрита вода может выглядеть слегка мутноватой. И в этом аспекте УФ-стерилизатор является хорошим дополнением к системе фильтрации.

Представляет ли УФ-стерилизатор опасность для полезных нитрифицирующих бактерий? Нет, т.к. эти микроорганизмы, как уже только что отмечено, в большинстве своем живут на субстрате, т.е. в биофильтре и в грунте, и лишь в некоторое количество их находится в "свободном плавании". Однако по общему правилу УФ-стерилизатор должен устанавливаться на выходе внешнего фильтра, а не на входе, чтобы не препятствовать миграции нитрифицирующих бактерий из аквариума в фильтр.

Фильтрация и цихлидный аквариум. Часть 3
Евгений Грановский