Kilka słów o wodzie

[Stiep]

Witam,
Często na forach akwarystycznych pojawia się pytanie: Jak zmiękczyć wodę? Odpowiedź jest z reguły w stylu: dodaj destylki, demineralki albo RO. Wszystko fajnie bo odpowiedź jest prawidłowa, ale większość osób nie zdaje sobie sprawy co te określenia znaczą. Faktem jest, że wszystkie metody dają w efekcie czyste H2O, ale zasada jego otrzymywania jest różna. Posiadają one zalety i wady, a dobór metody zależy od wiedzy i umiejętności, ale przede wszystkim od wygody użytkownika.

Czyli po kolei:

1. Najszybszy sposób, ale też najdroższy. Idziemy do marketu lub na stację benzynową i kupujemy oferowaną tam wodę. Z reguły będzie się ona nazywać WODA DEMINERALIZOWANA. Koszt pojedynczego litra jest niewielki, ale przy dużym zapotrzebowaniu kompletnie się nie opłaca, że o lataniu z baniakami nie wspomnę.

2. Woda destylowana

Zasada jej pozyskania polega na doprowadzeniu wody do wrzenia, a następnie jej skropleniu. Ze względu na relatywnie wysoką temperaturę wrzenia wody oraz jej duże ciepło parowania 2257 kJ/kg (dla porównanie dla etanolu 879 kJ/kg) otrzymanie wody destylowanej wymaga dużego nakładu energii i z tego względu jest wysoce nieekonomiczne. Dodatkowo woda taka najczęściej jest pozyskiwana w instalacjach wykonanych z miedzi i może zawierać kationy Cu2+, co dyskwalifikuje ją dla zastosowań w hodowli krewetek. Metoda te nie pozwala też usunąć z wody substancji lotnych, np. alkoholi czy chloroformu.

3. Woda demineralizowana

Otrzymuje się ją przy użyciu żywic jonowymiennych (inaczej nazywanych wymieniaczami jonowymi). Istnieją 2 rodzaje tych żywic: kationity (usuwające z wody kationy, głównie Mg2+ i Ca2+) oraz anionity odpowiedzialne za usuwanie anionów: siarczanów, chlorków, fosforanów, azotanów, wodorowęglanów. Wymieniacze jonowe są to nierozpuszczalne w wodzie związki wielkocząsteczkowe (polimery), które w swojej budowie chemicznej zawierają:
- polimerową makrocząsteczkę
- grupę funkcyjną o charakterze jonowym związaną w sposób trwały z makrocząsteczką
- ruchliwy jon o ładunku przeciwnym do ładunku grupy funkcyjnej
Dla lepszego zobrazowania na poniższym schemacie przedstawiam strukturę kationitu na bazie sulfonowanego polistyrenu. Na czarno część polimerowa, na czerwono grupa sulfonowa z ruchliwym jonem wodorowym H. niebiesko grupa funkcyjna o charakterze jonowym (w tym przypadku sulfonowa), a na czerwono ruchliwy jon (wodorowy).

   

Właśnie ten jon może zostać zastąpiony przez kation metalu, czyli związany z kationitem co skutkuje jego trwałym usunięciem z wody = jej zmiękczeniem. Aniony można usunąć stosując anionit, a kombinacja kationit + anionit może usunąć z wody wszystkie substancje jonowe. Po wyczerpaniu możliwości jonowymiennych żywicy, można ją łatwo zregenerować przy pomocy roztworu kwasu, np. solnego.

Poniżej struktura żywicy, która wymienia aniony, tzw. anionit. W tym przypadku na niebiesko oznaczono czwartorzędową grupę amoniową, która może wymieniać chlorki (Cl) na inne aniony.

   

Jonity występują w postaci granulek o średnicy od części do kilku milimetrów.
Zaletą tej metody jest niski koszt zakupu i eksploatacji, wadą konieczność okresowej regeneracji jonitu i konieczność monitorowania parametrów otrzymywanej wody. W procesie tym zwykle nie są usuwane zanieczyszczenia organiczne, wirusy czy bakterie.
Ciekawy artykuł o chemii żywic jonowymiennych można znaleźć pod adresem: http://www.tomek.strony.ug.edu.pl/kationit .


4. Woda RO (Reverse Osmosis) czyli woda otrzymana metodą odwróconej osmozy.

Odwrócona osmoza według definicji to wymuszona dyfuzja rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu. W przeciwieństwie do osmozy spontanicznej, odwrócona osmoza zachodzi od roztworu o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o stężeniu niższym, czyli prowadzi do zwiększenia różnicy stężeń obu roztworów. A w tłumaczeniu z polskiego na nasze to przenikanie cząsteczek wody przez półprzepuszczalną, zwiniętą membranę wywołane ciśnieniem wody wodociągowej. Przez membranę nie mogą przenikać (lub przenikają w bardzo niewielkim stopniu) cząsteczki zanieczyszczeń takie jak jony, polimery, białka, bakterie, wirusy czy inne zanieczyszczenia organiczne. Spora część wody zawierająca zagęszczone zanieczyszczenia nie przenika przez membranę i usuwana jest do ścieków. Jest to główna wada tej metody: na 1 litr oczyszczonej wody przypada kilka litrów ścieku. Stosunek ten zależy od rodzaju membrany i ciśnienia wody na wejściu do filtra RO. Woda podawana na membranę musi być wstępnie oczyszczona z „grubszych ” zanieczyszczeń, co ma na celu zwiększenie jej żywotności. Stosuje się w tym celu prefiltry, najczęściej węglowy i mechaniczny (polipropylenowy).
Zaleta metody to praktycznie bezobsługowość – wystarczy odkręcić zawór i podstawić baniak na wodę. Wady to duże zużycie wody, duże koszty początkowe, konieczność okresowej wymiany prefiltrów, utrzymywanie wilgotności membrany.

________________________________________________________________________________​__________________

To teraz o tym jak obliczyć ilość wody RO i kranówki, żeby uzyskać założone parametry twardości. Korzystamy z tzw. metody krzyżowej. Już tłumacze jak to działa.
Zakładamy że nasza kranówa ma twardość ogólna np. 20, a my chcemy uzyskać np. 8 stopni niemieckich. Woda RO ma ten parametr zerowy.

20.............8_________(tyle części wody kranowej)
......\....../
.........8
....../......\
.0..............12________(tyle części wody RO)

Tworzymy taki oto diagram, w którym po lewej wpisujemy wartości roztworów które mieszamy, a po środku wartość docelową. Teraz bardzo skomplikowana operacja matematyczna: odejmowanie. Po skosie odejmujemy mniejszą wartość od większej: czyli 20-8=12 i 8-0=8.
Odpowiedź w naszym zadaniu brzmi: Aby otrzymać wodę o twardości ogólnej 8 należy zmieszać 8 litrów kranówki i 12 litrów RO.


Mam nadzieję że Was nie zanudziłem i pomogłem w zrozumieniu rozległego tematu nazywanego ogólnie chemią wody. Jeśli coś jest nadal niejasne to chętnie wytłumaczę dokładniej.

[krzych0062]

Pobawię się ciut w "archeologa" a to za sprawą linka z innego tematu Stiep fajnie to skrótowo ująłeś, jednak pkt. 3 moim zdaniem aż za bardzo uprościłeś. Bo faktycznie temat żywic przedstawiłeś tylko na przykładzie jednego rodzaju kationitu, mianowicie silnie kwaśnego pracującego w cyklu wodorowym. A przecież jest ich zdecydowanie więcej i dających wodę o różnych, odmiennych parametrach...czy to wodę o odczynie kwaśnym lub zasadowym. Aby uzyskać jak najbardziej zbliżoną do tej z osmozy, a właściwie o jeszcze lepszych parametrach należy użyć przynajmniej dwóch kationitów i anionit...
Generalnie fajnie, że poruszyłeś ten temat, bo mało który z obecnych akwarystów coś wie w temacie a jeszcze zapewne mniej "bawiło się" w takie uzdatnianie wody

[Stiep]

Dzięki za zainteresowanie tematem i małe jego rozwinięcie.
Sprawę uprościłem celowo, bo żaden normalny człowiek (czyli taki który miał chemię kiedyś tam w szkole i niewiele pamięta) by tego nie zrozumiał. Na rynku wybór jonitów jest naprawdę duży. Kationity mogą być słabe lub mocne, mogą pracować w cyklu kwasowym lub sodowym. Do tego jeszcze anionity, też słabe i mocne, pracujące w cyklu zasadowym lub chlorkowym... Dużo i długo można by o tym rozprawiać.... ale nie taka była idea - miało być maksymalnie przystępnie. Troszkę teorii jest w artykule do którego link podałem, autorstwa znanego dydaktyka chemii Tomasza Plucińskiego.

[krzych0062]

Stiep napisał(a):Dzięki za zainteresowanie tematem i małe jego rozwinięcie.

Nie ma za co, zainteresowałem się całkowicie przez przypadek(za sprawą Wieśka )

Stiep napisał(a):Sprawę uprościłem celowo

Tak też pomyślałem, jednak brakowało mi w pkt. dotyczącym jonitów możliwości, które dają w uzdatnianiu wody. Konkretnie chodzi mi o to, że dzięki nim można zbić np. obie twardości (GH i kH) lub np. tylko kH...tak samo, jak i to, że można uzyskać wodę o odczynie kwaśnym, obojętnym lub zasadowym...Nie to, że się czepiam...ale moim zdaniem to dość istotna informacja dla "akwarystycznych chemików", którzy chcą pobawić się w preparowanie wody a nie wiedzą, że jonity dają im takie możliwości. Zatem brawo Seba, że poruszyłeś ten temat na forum...inna sprawa, że nikt (chyba) nie zgłębił go bardziej

[Stiep]

Kiedyś tam, jak będę miał trochę czasu to możne rozwinę ten punkt trochę bardziej, ale wątpię żeby się to komuś przydało. Tym bardziej że jedyny kationit dostępny w sklepach akwarystycznych to Filtrax K (pomijam te woreczki z żywicą Zooleka). Z dostępnością innych o ile nie ma problemu, to jest problem z wielkością opakowania, najczęściej wielkie wory 25 litrów.
Tak naprawdę jedyni którzy używają jonity to morszczaki, którzy stosują je jako tzw filtry DI: http://www.solniczka.republika.pl/jak%20.../DI/DI.htm

[krzych0062]

Oj tam, oj tam...jak się ma chęci to i żywice można kupić w pożądanej ilości Kiedyś kupiłem dwa kationity i anionit (po ok 1,5kg) w firmie, która sprzedaje sprzęt do uzdatniania wody...i to bez problemu

[Stiep]

Zawsze się da, trzeba tylko chcieć... i wiedzieć co się chce

[krzych0062]

Dokładnie...i może przyszłościowo komuś Twój temat w tym pomoże

[alarmowiec]

Kiedyś bawiłem się żywicami bo innej metody nie było więc coś o tym wiem.Tak z praktyki niestety wtedy przez brak możliwości pomiaru wody zabawa z żywicami była irytująca bo po uzdatnianiu była jakiś czas do kitu i często bywały z tego powodu niepowodzenia. Tak przy okazji była jeszcze 6 metoda a mianowicie gotowanie

[Stiep]

Alarm poruszył temat gotowania wody, więc może teraz kilka słów na ten temat. Jest to dobrze znana metoda i nosi nazwę zmiękczania termicznego.

Pod wpływem podwyższonej temperatury, już powyżej 40oC, następuje termiczny rozkład wodorowęglanów wapnia i magnezu zgodnie z reakcjami:

Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H2O
2 Mg(HCO3)2 Mg2CO3(OH)2 + 3 CO2 + H2O
Mg2CO3(OH)2 + H2O 2 Mg(OH)2 + CO2

Szybkość rozkładu wodorowęglanów nie jest jednakowa. Rozkład Mg(HCO3)2 przebiega 1,5 razy wolniej niż Ca(HCO3)2; najpierw powstaje zasadowy węglan magnezu, który po dłuższym czasie gotowania ulega hydrolizie i strąca się w postaci trudniej rozpuszczalnego wodorotlenku magnezowego Mg(OH)2.

Rozkład wodorowęglanu wapniowego, mimo że szybsza, nie zachodzi jednakowo łatwo. Na szybkość tego procesu ma znaczny wpływ temperatura, co widać na schemacie, na którym znajdują się wykresy szybkości rozpadu Ca(HCO3)2 w zależności od temperatury. Widać więc wyraźnie, że ze wzrostem temperatury szybkość rozpadu wodorowęglanu sodu wzrasta bardzo znacznie i w temperaturze 100 oC osiąga największą wartość przy burzliwym wrzeniu. Jak wykazały badania – na szybkość procesu dodatni wpływ ma obecność stałego CaCO3.

   

Legenda:
Wykres szybkości rozpadu Ca(HCO3)2, w zależności od temperatury:
- krzywa I – w temp. 73oC,
- krzywa II - w temp. 90oC,
- krzywa III – w temp. 100oC przy spokojnym wrzeniu,
- krzywa IV – w temp. 100oC przy gwałtownym wrzeniu.

Metoda termiczna nie może całkowicie usunąć twardości węglanowej. Pozostaje zawsze resztkowa twardość wynikająca z pewnej, niewielkiej zresztą i zależnej od temperatury, rozpuszczalności węglanów wapnia i magnezu oraz wodorotlenku magnezu:
Rozpuszczalność CaCO3 w 20oC wynosi 31 mg/dm3 a w 100 oC 37 mg/dm3.
Rozpuszczalność MgCO3 w 20oC wynosi 84 mg/dm3 a w 100 oC 62 mg/dm3.
Rozpuszczalność Mg(OH)2 w 20oC wynosi 9 mg/dm3.

Ogólnie rzecz biorąc metoda termiczna nadaje się do zmiękczania wód o twardości wyłącznie węglanowej lub o bardzo znacznej przewadze tej wartości nad niewęglanową, a także do wstępnego zmiękczania przed innymi zabiegami oczyszczania wody.

Dla potwierdzenia jeszcze tabelka z realnymi wynikami badań:


Nie są to moje pomiary, więc nie ma 100% gwarancji na ich poprawność, ale widać tendencję zmian.

Podsumowując: aby metodę zastosować do potrzeb akwarystycznych należy wodę gotować przez minimum 15-30 minut, a po ostudzeniu odsączyć powstały osad. Jeśli zrezygnujemy w sączenia to powstałe osady po wlaniu do akwarium ponownie się rozpuszczą i nie będzie żadnego efektu naszej pracy.

[g.b]

Dobrze. To mając akwarium 40l i gotując doń wodę mogę zbić niecałe dwa stopnie przez godzine gotowania i odstania a potem zebrania osadu z dna. Czy przebywając wodę przez wate z filtra uzyskam ten sam efekt co przy ściąganiu osadu.

Wysłane z mojego HTC Desire 500 przy użyciu Tapatalka

[Stiep]

Wata z filtra raczej tego osadu nie zatrzyma. Lepiej sprawdzi się filtr z ekspresu do kawy, albo kilkucentymetrowa warstwa piasku.

[Stiep]

30 września 2016 przy okazji Nocy Naukowców na Wydziale Chemii UAM, wygłosiłem wykład pod tytułem "Chemia w akwarium czyli co akwarysta powinien wiedzieć o chemii". Młodzi jak to młodzi, posłuchali i poszli. Gdyby ktoś był zainteresowany to wrzucam linka do prezentacji w pdf. Wiadomo że bez komentarza to nie to samo, ale może kogoś zainteresuje.

Prezentacja

[alarmowiec]

Może powtórzyłbyś to na Aqua-Zoo

[Stiep]

Jak targi zapłacą to żaden problem.