Rozwarstwianie soli morskiej
Wielu akwarystów z kilkuletnim stażem, a zapewne paru młodszych też, słyszało o problemie rozwarstwiania się soli podczas podróży od producenta do sklepu i akwarysty. Wiele przesłanek wskazuje na to, że taki problem może istnieć. Jednak jak to się ma do rzeczywistości? Czytajcie poniżej. Od razu powiem, że poniższy tekst będzie zakrawał bardziej na teoretyczne rozważania niż na naukową rozprawę i popełnię w nim sporo skrótów myślowych, aby nie wgłębiać się za bardzo w mechanikę substancji sypkich.
Dodam również, że test soli wykonałem we wrześniu ubiegłego roku. Od tego czasu zmieniłem telefon i mimo zrobienia kopii wszystkich katalogów nie mogę znaleźć zdjęć makro z przekroju soli.
Rozwarstwianie czy mieszanie?
Nie znalazłem takiej definicji rozwarstwiania, która by idealnie pasowała do naszych potrzeb, postaram się, więc wytłumaczyć to własnymi słowami.
Jeśli mamy substancje, które wymieszamy tak, aby uzyskać w miarę jednorodną mieszaninę to pod wpływem siły (np. grawitacja, kohezja) substancje, które są podatne na rozwarstwianie zaczną migrować i kumulować się w różnych miejscach – najczęściej zgodnie z kierunkiem działającej siły.
No, ale ktoś może powiedzieć, że ten sam proces zachodzi też w odwrotnym kierunku. Najpierw mamy warstwy, a pod wpływem grawitacji te warstwy ulegają wymieszaniu. Zgoda, bo chodzi ogólnie rzecz biorąc o migrację ziaren (cząsteczek), a to czy dwie substancje się rozwarstwiają czy mieszają z ich punktu widzenia nie ma znaczenia. Nic dziwnego, że w termodynamice mówi się, że „chaos jest najwyższą formą porządku”, bo każdy układ pozostawiony samemu sobie dąży do zwiększenia entropii (chaosu).
Nas akwarystów, jednak bardziej interesuje ten pierwszy układ, ponieważ w tytułowym przypadku chodzi o to, że pod wpływem grawitacji i drgań, wymieszane składniki soli migrują powodując, że skład naszej soli nie jest identyczny w różnych miejscach w wiadrze. Główną niedogodnością wynikającą z rozwarstwiania jest różny skład chemiczny soli na początku i na końcu wiadra. Trzeba też zaznaczyć, że rozwarstwianie zależy od wielu czynników i nie musi zawsze występować, o czym później.
Rozwarstwianie w cieczach
Celowo zacząłem od cieczy, ponieważ chyba najłatwiej wykazać tu rozwarstwianie. Na pewno wielu z Was widziało jak się gotuje wywar z kurczaka na rosół. Na początku, podczas gotowania, kiedy nasza zupa ciągle się miesza może się nam wydawać, że płyn w garnku to po prostu jeden rodzaj cieczy. Jednak wystarczy wyłączyć kuchenkę i odczekać parę minut, żeby zobaczyć, że na powierzchni cieczy pojawiają się „oczka” innej cieczy. Jak zapewne wszyscy wiemy, jest to roztopiony tłuszcz z naszego kurczaka. Im bardziej tłusty był kurczak, tym pojawia się więcej oczek. Po chwili cała powierzchnia zupy w garnku pokryta zostanie warstwą tłuszczu.
Kto chce się przyjrzeć temu zjawisku bliżej, może nalać sobie do szklanki pół na pół wody i oleju. Nawet po zmieszaniu, woda, jako cięższa od oleju opadnie na dno (tak samo jak w przykładzie z rosołem) i uzyskamy dwie rozwarstwione ciecze.
No tak, żadna rewelacja. Nie od dziś wiadomo, że „oliwa na wierzch wypływa”. Ale czemu tak się dzieje? A między innymi temu, że gęstość (nie mylić z lepkością) wody jest większa od gęstości oleju, co przekłada się na ciężar właściwy. Dlatego woda opada na dno.
Są jednak mieszaniny cieczy, które nie będą się rozwarstwiały – nawet przy różnicy w gęstościach. Przykładem takiej mieszaniny może być zwykła wódka, czyli upraszczając mieszanina alkoholu (790g/L 20C) etylowego i wody (998gL 20C). Różnica w gęstości to ponad 200g/L, a mimo to woda się nie oddziela od spiritusu.
Polarność cząsteczek wody i etanolu powoduje ich łatwe mieszanie i brak rozwarstwiania
Powodem tego jest fakt, że zarówno H2O oraz C2H5OH są polarne
(mają różne ładunki na końcach cząsteczek), przez co tworzą przenikającą się sieć przyciągających się cząsteczek.
Rozwarstwianie w substancjach sypkich
W przypadku mieszanek substancji sypkich podobne zjawisko również zachodzi i podobnie jak w przypadku cieczy głównym elementem napędzającym rozwarstwianie jest różnica w ciężarze właściwym poszczególnych składników. Jednak dochodzą inne ważne cechy, które maja wpływ na rozwarstwianie. Jest to przede wszystkim różnica w wielkości ziaren, ich gładkość czy ładunek elektrostatyczny oraz drgania ziaren
Im większa różnica w wielkościach ziaren, tym większa podatność na rozwarstwianie. Łatwo sobie wyobrazić, że każdą wolna przestrzeń między większymi ziarnami będą starały się wypełnić ziarna najdrobniejsze i co ciekawe niekoniecznie cięższe. Wystarczy sobie wyobrazić kosz z jabłkami, do którego zaczniemy wsypywać drobne owoce np. jagody.
Drugim ważnym elementem wpływającym na rozwarstwianie ma kształt ziaren. Im bardziej gładkie i kuliste, tym łatwiej ziarna migrują, ponieważ stanowią dla siebie mniejszy opór.
Gdy wyobrazimy sobie idealnie wymieszany piasek w wiadrze to możemy przyjąć, że bez dodatkowej siły, ziarna piasku pozostaną nieruchomo (nie będą się przemieszczały), ponieważ ciężar wyższych warstw naciskając na niższe, będzie je unieruchamiał.
Test z solą i cukrem
Będąc ciekaw jak zachowuje się taka niejednorodna mieszanina popełniłem prosty test. Do małego plastikowego słoiczka nasypałem jedna warstwę brązowego cukru i jedna warstwę zwyklej soli kuchennej (gęstość 2.16g/cm3). Nie znalazłem gęstości cukru trzcinowego bo jest on zwykle wilgotny. Jednak gęstość zwykłej sacharozy to 1.59g/cm3.
Mieszanina soli i cukru przed wstrząsaniem (po lewo) i po wstrząsaniu ( po prawo)
Wyraźnie widać, że pod wpływem wstrząsania sól, która początkowo zajmowała górną warstwę, przesunęła się w kierunku dna pojemnika. Mimo, że sól nie jest już tak jednorodna jak na początku, to widać, jej największą koncentracje w dolnej części pojemnika.
Ciekawostką jest to, że sól nie zawsze opadała na dno i czasami kumulowała się w bocznych częściach pudełka. Pokazuje to poniższy filmik. Tym razem zacząłem od uzyskania względnie jednorodnej mieszaniny
Zwróćcie uwagę jeszcze na jedną rzecz. Wygląda na to, że najlepszą metodą na dobre wymieszanie jest turlanie pojemnika (wiadra). Wtedy uzyskujemy lepsze wymieszanie niż podczas wstrząsania.
Rozwarstwianie w soli akwarystycznej
Co się jednak stanie, kiedy wiadro soli wprawimy w wibracje? W zależności od siły i częstotliwości drgań, wibracje przeniosą się na kryształki poszczególnych składników wprawiając je w ruch. Drżące kryształki zaczną się przemieszczać – małe i cięższe w dół, a większe i lżejsze do góry.
W pełnym wiadrze soli 20-25KG, przy samym dnie są unieruchomione, ponieważ naciska na nie ciężar kilkunastu kilogramów wyższych warstw. Jednak im wyżej tym ciężar mniejszy, więc i kryształki mogą mieć większy luz pod wpływem wibracji i tym łatwiej mogą migrować.
Mając to na uwadze, łatwo sobie wyobrazić, że najbardziej podatne na rozwarstwianie są te warstwy soli w wiadrze, które są najwyżej położone, ponieważ najłatwiej wprowadzić je w drgania. Jednak pod wpływem drgań i ocierania się kryształków soli o siebie uzyskujemy efekt żarna, czyli ścierania się i kruszenia tych większych i bardziej nierównych ziaren. Drobniejsze ziarna mogą z kolei osypywać się w dół, pomiędzy większe ziarna.
Test na soli akwarystycznej
Przeprowadziłem test, który miał wykazać jak bardzo różni się skład soli na górze pełnego wiadra od soli z jego dna. Do badań wykorzystałem popularną na rynku europejskim sól, której marka nie ma tutaj żadnego znaczenia. Założyłem, że sól wsypywana do worka (w wiadrze) podczas procesu pakowania jest idealnie wymieszana, więc przynajmniej w zaraz po zapakowaniu jej skład jest jednorodny w całym wiadrze. Jednak zanim wiadro trafi do akwarysty, poddawane jest wszelkim drganiom, czy to na skutek, ładowania na palety, pakowania na ciężarówki, podróży samolotem czy tirem aż do otworzenia wiadra przez akwarystę.
Żeby móc obejrzeć sam proces migracji ziarenek soli musiałem wyjąc próbkę soli z całego przekroju wiadra. Do tego posłużyła mi rura z akrylu o średnicy 5cm, którą wbiłem w nowy worek z solą od góry a następnie wyjąłem od dołu. Następnie rura została uszczelniona z obu stron tak, a uniemożliwić dostęp powietrza i wilgoci. W ten sposób uzyskałem cały przekrój przez wiadro soli.
Zachowując oryginalne położenie góra-dół wykonałem dwa roztwory 1000ml soli o zasoleniu 35ppt – jeden z dołu a drugi z góry mojego przekroju. Następnie wysłałem je do firmy MarinLab na testy OES-ICP. Tu chciałem podziękować firmie MarinLab (Aquaforest) za nieodpłatne wykonanie obu testów. Dodam, że Laboratorium MarinLab nie znało celu tych badań ani żadnych informacji związanych z moim projektem.
Ze względu na to, żeby uniknąć dyskusji nad jakością i czystością danej soli skupiłem się tylko nad zawartością jej makroelementów.
Zobaczmy poniższą tabelę. Pokazuje ona skład tych samych makroelementów z góry wiadra i dna wiadra soli morskiej. Jak należy ja rozumieć? W miarę ubywania soli z wiadra sodu (Na) będzie ubywało o 4.71% a wapnia (Ca) przybywało o 6.45%
Tabela 1. Skład chemiczny solanek (35ppt) wykonanych z górnej i dennej warstwy soli w wiadrze.
Poteoretyzujmy…
Nie mam wszystkich danych co do oryginalnych składników użytych do produkcji tej soli (chodzi głównie o stan uwodnienia i ilosc użytych chlorków) dlatego poniższe rozważania są dość niedokładne, dlatego purystów chemicznych proszę o ominięcie tego rozdziału…
Już na oko widać, że skład soli w Tabeli 1 odbiega od składu wody morskiej. Załóżmy jednak, że Reguła Dittmara została mniej więcej spełniona.
W NSW pierwiastkiem, który występuje w największej ilości (wagowo i procentowo) jest chlor. Laboratorium MarineLab nie oznacza chlorków, więc musimy obliczyć je sami. W naturalnej wodzie morskiej (NSW) stosunek chlorków do sodu (zgodnie z Reguła Dittmara) wynosi około 1.8x. Skoro mamy cały czas stałą ilość soli to wzrost wagi sumarycznej wyszczególnionych w tabeli pierwiastków musi być zbalansowany spadkiem chlorków (mikroelementy tutaj pomijam).
W naszej sytuacji, w miarę używania soli powinniśmy zauważyć zmianę (wzrost o 4.71%) chlorków z 10072*1.8 = 18130mg/L na 10547*1.8= 18984mg/L. Różnica to 854mg.
Przypomnijmy sobie tabelę, którą używałem w artykule o refraktometrach – Link>>> https://reefhub.pl/refraktometr-kontra-splawik-wady-zalety/.
Tabela1: Udział procentowy jonów w pomiarze zasolenia 35‰ wody morskiej refraktometrem (dRI % – procent udziału jonu w zmianie indeksu refrakcji RI – Refractive Index) oraz „spławikiem” (dSG % – procent udziału jonów w gęstości względnej), oraz zawartość jonów w mg/kg w naturalnej wodzie morskiej (NSW – Natural Seawater).
Z powyższej tabeli, że za 90% indeksu refrakcji odpowiadają chlorki. Skoro więc wraz z ubywaniem soli wiadrze wzrasta nam procentowa (i wagowa) zawartość chlorków mamy problem z prawidłowym zasoleniem. Ci z Was, którzy odważają sól do solanki zrobią zbyt wysokie zasolenie, a Ci z Was, którzy dosypują sól do solanki pod wynik refraktometru zrobią zbyt ubogą solankę (zasolenie będzie ok, ale KH, Ca, Mg etc będzie mniej)
Nieźle nie? No dobra, odpuśćmy te rozważania. Być może problem rzeczywiście istnieje, ale mam zbyt mało danych podać konkretne wyniki. W końcu ilość chlorków oparłem o założenia, które wcale nie musza być prawdziwe.
Podsumowanie – jak przeciwdziałać?
Tak jak pisałem na początku w artykule jest sporo gdybania. Na pewno wyniki testu soli wskazują na istnienie problemu, ale każdy sam musi sobie odpowiedzieć, czy 3-4% wahania składu to dużo? Artykuł miał za zadanie zasygnalizować potencjalny problem, który moim zdaniem może w pewnych okolicznościach powodować rozjeżdżanie się parametrów. Zapewne też, ze względu na różne procesy technologiczne sole różnych producentów będą miały inne tendencje do rozwarstwiania.
Przede wszystkim trzeba być świadomym, że sól, którą właśnie kupiliśmy nie jest idealnie jednorodna. Wydaje mi się, że sole, które są ciasno zamknięte w worku, maja mniejsze tendencje do rozwarstwiania ze względu na to, że są ściśnięte, przez co kryształki maja mniejsze szanse na przemieszczanie.
Na pewno w najgorszej sytuacji są osoby, które kupują duże wiadro, ale robią małe podmianki, ponieważ wydaje się, że najwyższe warstwy soli mają największe tendencje do rozwarstwiania.
Prawdopodobnie dobrym sposobem jest rozdzielenie soli na dwa wiadra i przygotowywanie solanki na przemian z każdego. Regularne turlanie po podłodze to dobry sposób na wymieszanie soli.
Jeśli komuś by się chciało to może zrobić takie doświadczenie przy rozpoczęciu nowego wiadra:
Każda podmianka wymagałaby zważenia ilości soli użytej do wykonania soli o zasoleniu 35ppt, przy czym pomiar zasolenia odbywałby się za pomoca refraktometru oraz spławika. Jesli ktos wykona takie pomiary dla podmian z poczętku i końca wiadra – chętnie zamieszcze wyniki.
Żródło:
http://misclab.umeoce.maine.edu/education/VisibilityLab/reports/SIO_76-1.pdf