Do napisania niniejszego tekstu zachęciła mnie niedawna dyskusja na Nano-Reef.pl. Tematem była wymiana gazowa i to, jak na nią wpływa odpieniacz. Nie jest to tekst naukowy, a tylko moja interpretacja tematu, która nie musi być w 100% prawdziwa i zawiera dodatkowo sporo uproszczeń. Nie jestem fizykiem, więc być może nadinterpretuje pewne rzeczy, jednak moje rozważania opieram o podstawowe prawa fizyczne, więc przypuszczam, że nie mijam się zbytnio z prawdą. Zapraszam do lektury
Trochę teorii nurkowania
Będąc aktywnym nurkiem i instruktorem PADI, wiele razy tłumaczyłem studentom zjawisko saturacji tkanek gazami. Temat jest podstawowym elementem kursu nitroxowego, ale ja przerobię go tak, aby pasował do naszych rozważań. Na początek mały quiz, do którego nie potrzeba nic, poza zdrowym rozsądkiem
Pytanie 1
Wyobraźmy sobie dwie butle połączone wężem z zaworem. Butla „A” zawiera gaz pod ciśnieniem 200 atmosfer, a butla „B” zawiera gaz pod ciśnieniem 1 atmosfery. Co się stanie, gdy otworzymy zwór?
A – Nic
B – Powietrze z butli A zacznie przepływać do butli B
Pytanie 2
Co się stanie, gdy zostawimy obie butle połączone przez odpowiednio długi czas?
A – Ciśnienie w obu butlach się wyrówna i będzie takie samo – około 100 Atm w każdej
B – W butli A zawsze będzie wyższe ciśnienie
C – W butli B zawsze będzie wyższe ciśnienie
Pytanie 3
Jakie będzie zmieniało się tempo przepływu gazu pomiędzy butlami?
A – prędkość przepływu gazu będzie stała
B – najpierw wolno, a potem coraz szybciej
C – najpierw szybko, a potem coraz wolniej, bo różnica ciśnień będzie coraz mniejsza.
Pytanie 4
Czy jeśli damy wężyk o większej przepustowości, to przepływ gazu będzie szybszy?(pomijamy budowę zaworu)?
A – tak, bo więcej gazu przepłynie w tym samym czasie
B – nie, bo średnica węża nie wpływa na przepływ gazu
Pytanie 5
Zakładając, że w butli A było powietrze to czy po całym procesie skład powietrza będzie się różnił pomiędzy butlami?
A –Tak, w butli B będzie więcej azotu
B – Nie, skład powietrza będzie w obu butlach identyczny
Prawidłowe odpowiedzi to B, A, C, A i A, ale mam nadzieję, że nie mieliście problemu z tymi pytaniami.
Wrócimy do tematu za chwilę, bo teraz chciałem powiedzieć wam o Prawie Daltona i Prawie Henry’ego
Wymiana gazowa woda-powietrze, a prawa fizyczne
Prawo Daltona i Prawo Henry’ego to dwa prawa, które opisują zależności pomiędzy ciśnieniem, a rozpuszczalnością gazów w cieczy. Poniżej przedstawiam uproszczone definicje troszeczkę zmienione pod nasz temat. Po więcej szczegółów odsyłam do Wikipedii:
https://pl.wikipedia.org/wiki/Prawo_Daltona
https://pl.wikipedia.org/wiki/Prawo_Henry%E2%80%99ego
Prawo Daltona mówi nam o tym, że ciśnienie mieszaniny gazów równa się sumie ciśnień, jakie wywierałyby poszczególne składniki gazu gdyby były same w danej objętości. Na potrzeby tekstu pomijam głębokość akwarium i związaną z nią zmianą ciśnienia. Większość domowych zbiorników nie przekracza 70cm.
Prawo Henry’ego mówi nam o tym, że przy stałej temperaturze, ilość gazu rozpuszczającego się w cieczy zależy od ciśnienia. Im większe ciśnienie tym więcej gazu rozpuści się w cieczy.
Jak to się ma do akwarium? A już tłumaczę.
Wyobraźmy sobie akwarium wypełnione wodą. Nad wodą znajduje się powietrze, czyli mieszanina gazów takich jak: azot N2 78%, tlen O2 21%, dwutlenek węgla CO2 0.04% i inne <1%. Ciśnienie powietrza nad wodą to umowny 1 bar (1bar = ok 0.99 atm)
Zgodnie z prawami Henry’ego i Daltona w wodzie rozpuszczą się wszystkie gazy będące składnikami powietrza, a ich skład procentowy będze taki sam w wodzie i w powietrzu. (Pamiętajmy jednak, że im głębiej tym większemu ciśnieniu poddawany jest gaz)
Jeśli nie zmieni się skład powietrza nad wodą, to nie zmieni się również ilość i jakość poszczególnych składników gazowych rozpuszczonych w wodzie – i na odwrót. Układ woda-powietrze pozostanie w stanie równowagi.
Wymiana gazowa w akwarium
Tyle, jeśli chodzi o teorie. W praktyce jednak mamy dodatkowe dwie zmienne i pomijam tu temperaturę i ciśnienie. Otóż skład powietrza w domu ulega zmianom, tak samo jak skład rozpuszczonych gazów w wodzie. Dlaczego? A no, dlatego, że wszystkie istoty żywe oddychając, pobierają tlen, którego część zwracają w postaci dwutlenku węgla. Tak samo czynią zwierzęta w akwarium – ryby czy korale (chociaż ich CO2 jest w dużym stopniu zużywane przez zooxantelle).
W wydychanym przez człowieka powietrzu ilość CO2 wzrasta stukrotnie, czyli stanowi około 4% składu wydychanego powietrza. Jeśli w zamkniętym pokoju siedzi kilka osób, to ilość CO2 w powietrzu rośnie. Innymi słowy rośnie ciśnienie parcjalne (cząstkowe) CO2 nad wodą. Zgodnie więc z Prawem Henry’ego (i z pytaniami z naszego quizu), dwutlenek węgla zacznie przechodzić do wody (tak jak gaz z butli A do butli B).
Weźmy teraz sytuację odwrotną – do akwarium wprowadzamy ryby, które też produkują CO2. Dużo ryb oznacza dużo CO2 w wodzie. Prężność dwutlenku węgla w wodzie rośnie i jeśli będzie pod powierzchnią wody wyższe od ciśnienia parcjalnego CO2 nad wodą, zacznie się on ulatniać z wody do powietrza nad akwarium.
Wszystko zgodnie z powyższymi prawami i pytaniami z naszego quizu.
W naszym teoretycznym akwarium, jedyna droga wymiany gazowej pomiędzy wodą, a powietrzem nad akwarium jest powierzchnia wody. Im większa powierzchnia wody w stosunku do objętości akwarium, tym łatwiej zachodzi wymiana, oczywiście zakładając różnicę ciśnień. Zupełnie jak z wężykiem pomiędzy butlami. Dlatego płytkie akwaria maja tu przewagę nad głębokimi. Dodatkowo falowanie zwiększa nam powierzchnię wymiany gazowej.
Czy można tę powierzchnię wymiany zwiększyć jeszcze bardziej? Oczywiście, że można. Akwaryści morscy stosują urządzenie zwane odpieniaczem białek. Pisaliśmy o odpieniaczach w osobnych artykułach LINK https://www.youtube.com/watch?v=I5FNMpzo87c&t=358s
https://reefhub.pl/odpieniacz-podstawa-filtracji-mechanicznej-w-akwarium-morskim/
https://reefhub.pl/jak-dobrac-odpieniacz-bialek-do-akwarium/
W skrócie, jest to urządzenie, które produkuje pianę w zamkniętej komorze, przez wpompowanie i mieszanie dużej ilości powietrza z wodą. Łatwo sobie wyobrazić, że miliony mikropęcherzyków powietrza tworzą ogromną powierzchnię kontaktu woda – powietrze, mniej więcej tak jak miliony pęcherzyków płucnych zwiększają powierzchnię wymiany tlenu i dwutlenku węgla między płucami a krwią. Dzięki temu wymiana gazowa może zachodzić tu bardzo intensywnie (w zależności od gradientu ciśnień – zgodnie z pytaniem nr 4 z naszego quizu)
Żeby było jednak jasne, to wymiana gazowa przez odpieniacz zachodzi w obu kierunkach. I jeśli nad wodą (czyli w zaciąganym powietrzu) CO2 będzie więcej niż w wodzie to odpieniacz będzie „tłoczył” ten dwutlenek do wody.
Co w takim razie czyni przezorny akwarysta? Przede wszystkim często wietrzy pokój, w którym stoi akwarium, a ponadto uważa, żeby w okolicy odpieniacza nie używać papierosów, świeczek zapachowych, areozoli typu perfumy czy odświeżacze powietrza. Przeciętny odpieniacz, który pompuje 1m3 powietrza na godzinę, bardzo szybko wprowadzi szkodliwe gazy do wody.
Akwaryści jednak i na to wymyślili rozwiązanie. Gdzie możliwe, wystawiają wężyk z zasysanym powietrzem na zewnątrz. Dzięki temu do akwarium trafia naturalne i czyste powietrze (no chyba, ze akurat ktoś pali opony :D)
pH a wymiana powietrza.
Jak już jesteśmy przy CO2, to wypada wspomnieć o jego wpływie na parametr wody jakim jest pH. Otóż dwutlenek węgla doskonale rozpuszcza się w wodzie. Wikipedia podaje, że w 1m3 wody o temperaturze 25C i pod ciśnieniem 1 bara rozpuści się 1.45kg dwutlenku węgla. Ile to jest 1.45kg? Dla zobrazowania powiem, że w temperaturze 25C i pod ciśnieniem 1 bara 1.45kg CO2 zajmuje 0.78 m sześciennego objętości. To oznacza, że w 1000L wody rozpuści się 780L CO2. To bardzo dużo. Dla porównania w 1000L wody rozpuści się tylko 40g tlenu.
Dwutlenek węgla po rozpuszczeniu w wodzie podlega reakcji chemicznej tworząc kwas węglowy zgodnie z równaniem:
CO2 + H2O ←→ H2CO3
Kwas węglowy z kolei może dysocjować dwustopniowo do wodorowęglanów lub węglanów w każdym przypadku uwalniając proton H+, a jak wiemy, im więcej protonów w wodzie tym niższe pH. Optymalne pH w akwarium morskim wynosi około 8.2. Przy złej wentylacji, jeśli w pokoju z akwarium przebywa dużo osób, zwłaszcza zimą, kiedy rzadziej wietrzymy dom, pH może spadać nawet do wartości 7.6-7.7 co jest wysoce niepożądanym zjawiskiem.
Podsumowanie
Przyznam, że myślałem, że będzie krócej, ale mam przynajmniej nadzieję, że było prosto i zrozumiale, ale żeby to jakoś zebrać w całość przedstawiam poniższe punkty:
1 – Gazy migrują zgodnie z gradientem stężeń, czyli z wyższego ciśnienia do niższego
2 – W układzie zamkniętym o stałych parametrach temperatury i ciśnienia po pewnym czasie uzyskamy stan równowagi, w którym skład gazów nad wodą będzie taki jak skład gazów w wodzie
3 – W przypadku akwarium, zmiana składu gazów w jednym ośrodku, wywoła dążenie układu do wyrównania składu gazów w drugim ośrodku, np. jeśli w wodzie rośnie poziom CO2, to będzie on powoli ulatniał się do powietrza aż do wyrównania stężeń
4 – W akwarium wymiana gazowa zachodzi przez kontakt woda-powietrze. Odpieniacz zwiększa tę powierzchnię wielokrotnie, dzięki temu ułatwia wymianę gazową w obu kierunkach (co nie musi być zawsze pozytywne)
5 – Dwutlenek węgla, który rozpuszcza się w wodzie obniża jej pH, co jest zjawiskiem niepożądanym
6 – Częste wietrzenie pokoju, wyciągnięcie wężyka odpieniacza na zewnątrz w dużym stopniu niweluje ten problem.
7 – Odpieniacz nie jest 100% remedium na niskie pH, ale dobrze używany na pewno ma na nie pozytywny wpływ.
To wszystko na dziś. Mam nadzieję, że w prosty sposób wytłumaczyłem znaczenie odpieniacza dla wymiany gazowej w akwarium.