Aktivní uhlí v akvaristice

Sellner, B.R. & Ramsch, B. 2000: Aktivkohle für die Aquaristik. Koralle 1 (1): 66–71

Aktivní uhlí je jako filtrační médium, případně jako jedna z jeho složek, používáno v různých oborech již velmi dlouho. Přestože je tento materiál poměrně známý, jeho účinky a jeho správné použití v akvaristice již tak dobře známé nejsou.

To je důvodem k tomu, že jsme se rozhodli propojit a upravit pro vás překlady dvou prací o vlastnostech a použití aktivního uhlí (dále jen AU). Mnohým z nás jistě tento článek přinese nové a snad i překvapivé informace, přestože základy byly napsány již před řadou let. Děkujeme tímto autorům za svolení je uveřejnit. 

Jak to funguje?

Látky (plynné, kapalné a pevné), jsou díky molekulárním vlastnostem navzájem přitahovány. Tyto adhezivní síly dobře působí na tzv. hraničních plochách – tedy na povrchu pevných látek ve vodě (filtrace s AU), nebo na povrchu bublin plynu ve vodě (odpěnění). Samozřejmě působí tyto síly také na povrchu akvarijního skla i na povrchu dekorativních předmětů v nádrži. Tato plocha, která je v akváriu k dispozici, je ale velmi malá a po nabití (navázání látek) nemůže být vyměněna.

Adsorpční kapacita AU – tedy množství látky, které může být uloženo na jeho povrchu – a adsorpční rychlost, závisí na vícero faktorech:

1. Povrch
   Čím je k dispozici větší povrch, tím více může být navázáno větší množství látek. Povrch AU může být mezi 400–2000 m²/g. Je ale třeba uvést, že ty nejmenší póry (submikropóry) s velikostí pod 0,4 nm (1/1 000 000 mm) už ale nedokáží větší molekuly adsorbovat. Úkolem AU v akvaristice je odstraňovat větší molekuly, jako např. zbytky léků a barviva. Na schopnosti adsorpce se také podílejí různé druhy a množství oxidů na povrchu (chinonová, karbonylová, karboxylová, fenolová a hydroxylová skupina)

(Řez zrnem AU s naznačenými póry)

2. Teplota
   Čím nižší je teplota, tím větší množství látek se na povrch naváže. Platí také to, že s vyšší teplotou se zrychluje navázání látek. V akvaristice tato pravidla nelze cíleně využít, protože teplota v akváriu je víceméně konstantní. Akvarista by se měl vyvarovat použití AU z filtrů pro pitnou vodu, které je určeno k adsorpci ve studeném prostředí, protože v teplé akvarijní vodě dojde naopak k uvolnění navázaných látek (tzv. desorpce).

(měření provedla laboratoř Aqua Care – http://www.aquacare.com)

3. Tvar
   Tvar AU nemá na jeho výkonost žádný vliv. Formované uhlí (většinou cylindrické či válcovité pelety) má proti nepravidelným kouskům drti jen nepatrnou výhodu v podobě lepšího průtoku vody ve filtračním náboji. AU v prášku má velmi rychlou účinnost, ale jeho využití je v akvaristice technicky komplikované. Časový faktor je při filtrování nevýznamný.

4. Koncentrace
   Koncentrace adsorbované látky a rychlost její adsorpce jsou vázány přímou úměrou (čím nižší, tím pomalejší), proto na odstranění stopového množství látek je třeba počítat s delším časem filtrování.

Kvalitativní rozdíly mezi jednotlivými druhy AU jsou tak velké, že si každý akvarista musí jeho použití sám vyzkoušet.

Jak se AU vyrábí?

AU se vyrábí z různých, uhlík obsahujících látek (rašelina, dřevo, lignin mořské řasy, saze, kosti, krev, bitumové uhlí, hnědé a černé uhlí, kokosové vlákno, ovocné pecky, cukr, ad.). Pro kvalitu AU je důležitá metoda jeho výroby. Hotové AU se skládá z 83 – 93 % uhlíku a zbytek je vodík, kyslík, dusík, síra a popeloviny.

Při chemické výrobě je výše uvedený materiál smíchán s chemikáliemi (kyselina fosforová, sírová, hydroxid draselný, uhličitan sodný, chlorid zinečnatý nebo síran sodný). V bezkyslíkaté atmosféře při teplotách 400 – 600 °C odeberou uvedené chemikálie ze zdrojové hmoty molekuly kyslíku a vodíku. Zůstane téměř čistý uhlík, ve kterém se řízenou reakcí vytvoří požadované množství pórů – povrchová plocha. Po vymytí a vysušení je produkt hotov.

Jinou metodou je výroba vodní párou. Při teplotě 800 – 1000 °C je v dusíkové atmosféře uhlík, získaný zuhelnatěním výchozí suroviny, částečně zplynován (C + H₂O à C0 + H₂). Perfektní kontrola teploty, délky reakce a koncentrace kyslíku, oxidu uhličitého, oxidu uhelnatého, vody a vodíku ovlivňují odstranění nežádoucích atomů, spálení uhlíku a tím i kvalitu a strukturu vytvářeného aktivního uhlí. Výroba probíhá ve speciálních pecích.

Z výše uvedených důvodů není aktivace surového materiálu pro tvorbu AU pro laiky proveditelná. Někteří výrobci výraz aktivace používají nevhodně, protože tím míní odvzdušnění uhlí pro akvarijní použití.

V akvaristické literatuře je občas zmiňována regenerace použitého AU v pečící troubě. To je ovšem nesmysl. Tento proces mohou zajistit pouze specializované firmy, které mohou dodržet výše uvedené podmínky. Každá regenerace však mění strukturu pórů a tím se zhoršuje kvalita uhlí.

Správné použití aktivního uhlí

Odstranění oxidačních látek

Tento zvláštní případ použití nemá s uváděnou adsorpcí nic společného. Oxidační látky chlór (Cl) a ozón (O₃) jsou katalyticky odstraněny z povrchu uhlí; jsou tedy na povrchu pouze krátkodobě. Tento proces je někdy nazýván chemosorpcí.

K odstranění chlóru z vodovodní vody stačí jen velmi krátká doba, většinou jen několik sekund! Filtry mohou tedy být velmi malé a stačí uhlí základní kvality. Před moderní reverzní osmózu by měl být vždy představen filtr s AU, aby byl z vody odstraněn chlór a ozón. Membrána reverzní osmózy tak neoxiduje a neničí se.

Filtr s AU musí být zapojen i za odpěňovače mořských akvárií, které jsou provozovány s vyššími dávkami ozónu. Je-li například odpěňovač zařazen za denitrifikační stupeň, s cílem odstranit bakterie, má výstupní voda vysoký obsah ozónu, který už je pro některé živočichy škodlivý.

Při tomto nasazení se AU nespotřebovává. Na jeho povrchu se ale usazují nečistoty, čímž blokují katalyzační plochu. Pokud je na povrchu viditelný povlak, zvyšuje se redukční potenciál vody, nebo je měřitelný volný ozón, je nutno uhlí vyměnit.

Snížení množství ozónu ve vzduchu

U odpěňovačů provozovaných s ozónem, vystupuje tento z odpěňovače a musí být redukován vedením přes filtr z AU, aby v místnosti nestoupala jeho koncentrace. Již koncentrace několika set mikrogramů na m³ u lidí způsobuje nevolnost a bolesti hlavy. Pokud je ozón ve vzduchu cítit je jeho tolerovatelná koncentrace již překročena. U větších zařízení jsou tedy nutná čidla, hlídající vyšší koncentraci ozónu ve vzduchu.

Při konstrukci tohoto vzduchového filtru je třeba dbát na to, aby vlhký vzduch z odpěňovače nenavlhčoval AU, protože tím se proces odstranění ozónu několikanásobně prodlužuje.

Odstranění organických stopových látek z vodovodní vody

Vodovodní voda je v některých oblastech pro akvaristiku nepoužitelná, přestože akvaristy měřitelné hodnoty (dKH, dGH Ph, ad.) jsou v pořádku, mohou zbytky pesticidů, hormonů a zbytků léků vadit především mořským organizmům. I zde může pomoci AU.

Jmenované látky jsou obsaženy v pitné vodě ve stopovém množství, ale jsou stále účinné. Pokud je chceme z vody odstranit, musí být tato v kontaktu s AU minimálně 30 minut. Bohužel, jsou nabízeny i filtry, u kterých prodejci tvrdí, že jimi lze vodu těchto látek zbavit i za několik málo minut, a to i s vysokým průtokem. Tato tvrzení jsou dokladována údaji, které jsou v praxi neobhajitelné.

Pokud má být AU použito k odstranění stopových látek z pitné vody, musí být důsledně dodržen kontaktní čas. Použije-li se například 1 litr AU, nesmí filtrem protéci více než 2 l / h, nebo 50 l / den, aby byl filtr účinný. Délka použití AU k tomuto účelu se bohužel nedá korektně ověřit a je nutno spolehnout se na údaje výrobců. Tyto údaje však u většiny AU určených pro akvaristiku chybí. Použití 1 l AU pro 5000 l vody je podle zkušeností horní hranice. Poté už adsorpční kapacita prudce klesá a nelze zaručit její funkčnost. Na základě těchto faktů je dobré uvážit, jestli by pro tyto účely nebyla výhodnější reverzní osmóza, jejíž funkčnost pro zpracování vody je ověřitelná i pro laiky.

Odstranění barviv a zbytků léčiv z akvarijní vody

Nejčastější požadavek na použití AU je odstranění nežádoucích látek z akvarijní vody. AU však neumí rozlišit látky žádoucí a nežádoucí. Tak je například velice „úspěšně“ odstraněn z akvarijní vody i jinak velmi potřebný jód. Proto mějte na paměti toto důležité pravidlo:

V mořském akváriu používejte AU jen v případě akutní potřeby!

AU se dává do filtračního okruhu v malých sáčcích. Kontaktní čas zde nehraje tak velkou roli, protože voda kolem něho proteče několikrát. Na 500 l mořské vody by se mělo použít 0,5–1 litr AU. Po jednom, nejpozději po třech dnech je nutno AU z vody odstranit. Žádné dlouhodobě účinné AU neexistuje! Při množství látek v mořské vodě je plocha AU rychle navázána, takže významně zpomalí adsorpce dalších látek. Látky, které byly navázány v prvním sledu, jsou později uvolňovány (vytěsňovány) látkami druhého sledu, jejichž adsorpce je snazší (např. jód).

Po použití AU musí být v každém případě doplněny stopové prvky, především již zmiňovaný jód. Z tohoto důvody by mělo být AU použito opravdu jen v případě nutnosti. Po použití léků, při viditelném zakalení žlutými barvivy a při otravách ryb je použití AU bezpodmínečně nutné. Tyto tři výjimečné případy jsou pro použití AU typické. Ale pravidelné a dlouhodobé použití se v akváriích (zvláště pak mořských) nedoporučuje.

Biologické čištění vody s AU

Dalším použitím AU je jeho osídlení bakteriemi. Na základě adsorpční síly AU jsou na povrchu vázány organické látky ve větším množství, než na jiných matricích, nebo dokonce ve volné vodě. Tato nabídka organických látek je pochopitelně pro bakterie a další jednobuněčné organizmy atraktivnější.

Celý povrch AU ovšem není k dispozici, protože díky své velikosti 1–10 μm mohou bakterie osídlit pouze vnější plochu a některé větší kanálky. Malé makropóry ( > 25 nm), mezopóry (1–25 nm) a mikropóry (0,4–1 nm), které mohou adsorbovat organické látky, jsou však pro bakterie nedostupné. Mnoho akvaristů věří, že použitím AU poskytují bakteriím médium s obrovským povrchem. Ve skutečnosti je tento povrch jen o málo větší, než srovnatelně velká zrnka písku. Klasický pórovitý filtrační materiál má ve skutečnosti výrazně větší povrch, než AU a je tedy pro bakterie vhodnější.

Přesto je AU díky velké adsorpční kapacitě pro bakterie atraktivnější. Látky, adsorbované na uhlí, jsou bakteriemi odbourávány, takže část plochy je opět uvolněna k další adsorpci. Biologický filtr s AU by na základě problémů s vázáním stopových prvků, sklonu k ucpávání a tím spojeným snížením redoxního potenciálu, neměl být používán u mořských akvárií s korály. V nich poskytuje dostatek plochy pro bakterie korálová drť a „živé“ kameny. V akváriích s rybí osádkou, nebo ve speciálních, například mangrovových nádržích, může být použití AU ve filtrech velmi vhodné. Podle zátěže by se na 100 litrů akvarijní vody mělo použít 1–2 litry AU. Po 2–6 měsících je vhodné 1/3 AU vyměnit. U filtrů s velmi malým průtokem může docházet i k odstranění dusíku pomocí denitrifikačních bakterií. Tento nekontrolovatelný proces je výhradně výsledkem činnosti bakterií. Přestože to mnohé knihy tvrdí, AU žádný dusík vázat nedokáže!

Rozdíl mezi dobrým a špatným AU

V nabídce je velké množství druhů AU s různým poměrem cena/výkon, takže akvarista má velmi nesnadný výběr. Nikdy však nekupujte AU, které je „NoName“.

Akvarista může různé druhy dokonce sám objektivně testovat.

Odvzdušnění AU

Z AU ponořeného do vody začínají ihned unikat drobné bublinky. Uhlí zpočátku plave na hladině a postupně, s unikajícím vzduchem, klesá ke dnu. Rychlost klesání je určena kvalitou uhlí. Čím rychlejší klesání, tím kvalitnější AU. Odvzdušnění se zrychluje v teplejší vodě (to bývá často mylně označováno jako aktivace uhlí). Plný adsorpční výkon je dosažen po té, co je uhlí zbaveno vzduchu.

Obsah fosfátu v AU

AU je přírodní produkt, jehož původ je v rostlinné biomase. V sušině každého organizmu je obsaženo 0,5–1 % fosforu. Normálně je fosfor vázán v molekulách složitých látek, ale při zpracování (zuhelnatění) může být uvolněn. Při aktivaci kyselinou fosforečnou může být do AU uloženo velké množství fosforu, zvláště pokud bylo nedostatečné následné promývání. Zbylý fosfor se poté uvolní do vody a akvárium zatíží. I toto může akvarista sám otestovat.

Stabilita pH

AU by nemělo ovlivňovat pH akvarijní vody. Mnoho druhů AU vodu okyseluje a zvyšuje tak její pH. Optimální by bylo uhlí, které pH vody nemění. Na grafu jsou výsledky dvou testů pH vody po použití různých vzorků AU. Přitom jeden vzorek pH aktivně ovlivňuje (až k pH 9), druhý jej ovlivní jen minimálně.

(měření provedla laboratoř Aqua Care – http://www.aquacare.com)

Vodivost

I tato fyzikální veličina může odhalit kvalitu AU. Dobré AU vodivost snižuje (adsorpcí solí), nekvalitní potom vodivost může dokonce zvyšovat (uvolňováním solí do vody).

(měření provedla laboratoř Aqua Care – http://www.aquacare.com)

Několik testů pro určení kvality AU:

1/ Odvzdušňovací vlastnosti

Materiál:

Zkušební sklenice pro různé druhy AU + kontrolní vzorek.

Destilovaná voda, případně voda z RO,

Mikrováhy (např. na dopisy)

Stejné množství různých druhů AU s přibližně stejné zrnitosti (v řádu gramů)

Provedení:

Do zkušebních sklenic dejte stejné množství vody stejné teploty. V jeden okamžik do nich nasypte odvážené jednotky AU.

Vyhodnocení:

Vzorek AU, ze kterého stoupá nejvíce bublinek vzduchu a nejrychleji klesne ke dnu, je nejkvalitnější.

2/ Obsah fosfátu

Materiál:

Vzorky vody z testu 1

Fosfátový test

Provedení:

Vzorky z prvního pokusu necháme 1 hodinu odstát. Na odebraných vzorcích vody provedeme fosfátový test.

Vyhodnocení:

Kvalitní AU nezatíží vodu žádným (nebo jen nepatrným) množstvím fosforu.

3/ Vodivost

Materiál:

Vzorky vody z testu 1

Konduktometr (měřitelnost alespoň 0–100 μS)

Provedení:

Sklenice se vzorky z prvního pokusu přikryjeme fólií a necháme 2 hodinu odstát. Poté změříme vodivost a porovnáme s kontrolním vzorkem.

Vyhodnocení:

Kvalitní AU snižuje díky adsorpci solí vodivost.

4/ pH vody

Materiál:

Stejný jako u testu 1, pouze vodu použijeme normální, měkkou (1–3 dGH), nikoliv z reverzní osmózy

Elektronický pH-metr

Vápenné mléko

Provedení:

Vytvoříme nové vzorky jako při testu 1. Po dvou hodinách změříme všechny vzorky, včetně kontrolního.

Vyhodnocení:

U kvalitního AU je pH blízké kontrolnímu vzorku. Rozdílné pH je příznakem nežádoucího uvolňování látek.

Publikováno 23.10.20126