Każdy z nas chyba słyszał o węglu aktywnym i jego wspaniałych właściwościach – czy to przy okazji zatrucia pokarmowego czy lekcji historii (w czasie I Wojny Światowej służył on jako filtr w maskach przeciwgazowych). Od czasu trendu na ekologiczne i świadome gospodarowanie wodą, filtry węglowe stosuje się również do oczyszczania wody z zanieczyszczeń fizyko-chemicznych oraz w akwarystyce. Filtr węglowy do akwarium stanowi wsparcie w utrzymaniu czystej, klarownej wody wolnej od szkodliwych związków chemicznych. Jakie są korzyści ze stosowania takiego rozwiązania? Jak działa węgiel aktywny akwarium? Czy węgiel aktywny granulowany nada się do naszego zbiornika?
Metoda działania węgla aktywnego – czyli krótko o adsorpcji i sorbencie
W 1771 roku szwedzki badacz Scheele odkrył zjawisko adsorpcji – polega ono na „przytwierdzaniu” się cząsteczek do powierzchni materiału zwanego sorbentem. Stopniowo zaczęto badać różne materiały i struktury by znaleźć te nadające się na sorbenty. Krótko potem naukowcy przyjrzeli się strukturze węgla bezpostaciowego (czyli sadzy) i odkryli, że ma on wysokie właściwości adsorpcyjne. Porowata struktura węgla aktywnego umożliwia skuteczną adsorpcję dzięki silnie rozwiniętej powierzchni wypełnionej kanałami. To właśnie te porowate kanały pozwalają na „wychwytywanie” i „zatrzymywanie” szkodliwych substancji, które „wypuszczone” zostaną dopiero w procesie utylizacji węgla aktywnego.
Dzięki temu zjawisku węgiel aktywny jest niezwykle skuteczny w usuwaniu rozpuszczonych substancji o dużych cząsteczkach – a więc np. związków organicznych będących produktami metabolizmu ryb, ale także leków czy innych preparatów biochemicznych stosowanych w zbiornikach. W pewnym stopniu wychwytywane są również wirusy – można więc powiedzieć, że węgiel aktywny do akwarium spełnia podobną funkcję jak filtr biologiczny, który oczyszcza wodę z zanieczyszczeń organicznych na zasadzie rozkładu. Węgle aktywne wykazują również skuteczność w usuwaniu zanieczyszczeń nieorganicznych – np. metali, co kwalifikuje ten typ „oczyszczacza” w czołówce najwydajniejszych i najefektywniejszych sorbentów poznanych dotychczas ludzkości.
Zastosowanie węgla aktywnego – gdzie natrafimy na użycie węgla?
Węgiel aktywny to bardzo uniwersalny sorbent: około 90% ogólnej ilości związków organicznych jest pochłaniana – jedynie 10% można uznać za bardzo słabo adsorbowalne na węglu aktywnym. Na dużą skalę użyto go podczas I wojny światowej do wypełnienia filtrów masek przeciwgazowych; ze względu na swą niezwykłą skuteczność i wszechstronność świetnie nadawał się do pochłaniania różnych gazów bojowych. Dostrzeżone wtedy własności węgla aktywnego zaczęły być wykorzystywane w technologii filtracji wody – najpierw w latach dwudziestych XX wieku w USA, zaś dziesięć lat później w Europie.
Dziś, podstawowym przeznaczeniem węgla aktywnego jest medyczne odtruwanie organizmu i uzdatnianie wody w zbiornikach wodnych. Klasyczne zastosowanie węgli aktywnych w stacjach uzdatniania wody polega na pozbawianiu wody mętnej barwy i nieprzyjemnego zapachu powodowane przez sinice, grzyby i inne mikroorganizmy. Podobnie działa węgiel do akwarium – neutralizuje on organiczne zanieczyszczenia, dba o jakość i stan wody w naszych zbiornikach, jednocześnie usuwając niepożądane bakterie i toksyny.
Skuteczność węgla aktywnego – co nam mówią oznaczenie FIBDM i jak samodzielnie zbadać skuteczność węgla?
Skuteczność oczyszczenia wody z substancji organicznych zależy od wielu czynników – najistotniejszym z czynników jest rodzaj zastosowanego węgla i charakter usuwanego związku chemicznego. Różne węgle charakteryzują się różną skutecznością usuwania związków chemicznych o pewnym typie budowy cząsteczki – te, które świetnie sprawdzą się przy zanieczyszczeniach prostych, mogą sobie nie poradzić przy skomplikowanych substancjach zanieczyszczających wodę. Z tego względu ustalone zostały metody testowania i oznaczania węgli pod kątem przydatności do usuwania określonej grupy substancji.
W Polsce popularny jest wskaźnik FIBDM (F – fluor, I – jod, B – błękit metylenowy, D – detergent laurylosiarczan sodowy, M – melas). Ma on postać liczby pięciocyfrowej, z których każda określa skuteczność węgla w usuwaniu danej substancji wskaźnikowej. Dla przykładu: liczba B, zwana też liczbą metylenową, informuje o przydatności danego węgla do sorpcji substancji podobnych do błękitu metylenowego – dobrze znanych akwarystom ze względu na rozpowszechnienie tego środka jako lek na choroby ryb.
Jak sprawdzić, czy węgiel nadaje się do sorpcji konkretnej substancji? Pozostańmy przy przykładzie liczby B: wyznaczenie liczby metylenowej polega na zbadaniu ilości 0, 12% roztworu błękitu odbarwianego przez 0, 2 g węgla. Przeprowadzenie takiego testu jakości węgla jest więc bardzo proste – nawet w warunkach domowych, bez specjalistycznych narzędzi czy skomplikowanego szkła laboratoryjnego. Chcąc wybrać jeden z kilku węgli nie musimy ściśle przestrzegać zalecanego stężenia substancji wskaźnikowej oraz badać dokładnie 0, 2 g węgla. Ważne jest też to, aby te parametry były jednakowe dla wszystkich przeprowadzonych prób. Jeżeli wydaje nam się to zbyt skomplikowane lub po prostu wolimy zaoszczędzić czas, możemy kupić gotowe testy do określania jakości węgla.
Rozkładanie substancji przez węgiel aktywny – czyli jak ze złego zrobić dobry składnik wody?
Węgiel aktywny ma szerokie zastosowanie i wykazuje skuteczność w oczyszczaniu wody z metali – o czym wcześniej wspominaliśmy. Może on brać udział w reakcjach chemicznych z utleniaczami np. redukuje niezwykle szkodliwy chrom (VI) do nieco przyjaźniejszego chromu (III) czy zachowywać się jak katalizator – katalizuje utlenianie żelaza (II) do żelaza (III). Dla nas najważniejszy jest jednak fakt, że węgiel aktywny może mieć wpływ na stężenie substancji nieorganicznych w akwarium. Przykładem są metale, które często są toksyczne i przez to w większej ilości niekorzystne dla ryb, ale w małej stają się mikroelementami, niezbędnymi choćby do prawidłowego rozwoju roślin akwariowych.
Węgle aktywne są w stanie usuwać z wody substancje nieorganiczne także bezpośrednio – niekoniecznie za pośrednictwem dużych cząsteczek organicznych. Na ich powierzchni rozmieszczone są tzw. grupy funkcyjne. Występują one również w budowie wymieniaczy jonowych używanych przez akwarystów m. in. do zmiękczania wody czy usuwania azotu amonowego (żwirki amonowe). Są to miejsca zdolne bezpośrednio reagować chemicznie z różnymi cząsteczkami, a zatem wspomagają działanie jonitów.
Węgiel aktywny jako doskonały partner – o wypełnieniu filtra biologicznego węglem
W przemysłowej technologii wody węgiel aktywny ma jeszcze jedno zastosowanie – jest znakomitym podłożem dla mikroorganizmów. Spełnia wszystkie cechy bardzo dobrego wypełnienia filtrów biologicznych, uzupełniając je w procesie oczyszczania i uzdatniania wody. Stosując go w akwariach, często zapominamy o tej tak ważnej cesze i traktujemy zastosowanie węgla jedynie jako czysto chemiczną metodę oczyszczania wody, ujmując tym samym zasługi dotyczące rozwoju przyjaznych mikroorganizmów.
Mikroorganizmy osiadłe na węglu przetwarzają nie tylko zanieczyszczenia rozpuszczone w wodzie, jak to się dzieje w każdym filtrze. Żywią się one również składnikami pokarmowymi pochłoniętymi i „przetrzymywanymi” na powierzchni węgla. W miejscu biochemicznie rozłożonego zanieczyszczenia może ponownie zostać przyłączona cząsteczka – zupełnie tak, jakby węgiel sam się oczyszczał. Węgiel aktywny z rozwiniętym życiem mikrobiologicznym znacznie dłużej zachowuje swoją zdolność pochłaniania zanieczyszczeń (nawet 10-krotnie). Taki węgiel wykazuje zdolność do usuwania zanieczyszczeń normalnie słabo sorbowalnych, co stanowi kolejną ważną istotną przesłankę do wypełnienia filtra biologicznego węglem aktywowanym.
Biologicznie aktywne węgle stosuje się od stosunkowo niedawna, bo od lat 80 XX w. Może więc warto rozważyć potraktowanie węgla jako wkładu do filtracji biologicznej zamiast innych, często droższych wypełnień? W takim wypadku pamiętajmy o tym, żeby obchodzić się z nim tak jak z każdym innym wkładem do biofiltracji – co jakiś czas przepłukać wodą odlaną z akwarium i nigdy nie wymieniać całości na raz. Zachowanie odpowiednich procedur i standardów wymiany na pewno odwdzięczy się czystą wodą i zadowoleniem naszych pupili.
Kiedy węgiel aktywny nie jest wskazany w akwarium?
Wiele ryb przez nas hodowanych żyje w naturze w wodach o intensywnej barwie. Przykładem są niektóre rzeki Ameryki Południowej o dużej zawartości związków humusowych, które staramy się odtworzyć stosując torf, szyszki olchy, liście dębu czy jeszcze inne źródła humusów. W takiej sytuacji oczywiście stosowanie węgla aktywnego do filtracji jest niemożliwe – substancje te zaliczają się do dobrze pochłanianych przez węgle. Ponieważ przy okazji są dobrymi, naturalnymi kompleksorami (są to związki organiczne tworzące kompleksowe połączenia z metalami) wraz z nimi można pozbawić wodę cennych mikroelementów, jak choćby wspomnianego wcześniej żelaza.
Węgiel stosujemy w filtrach głównie po to, aby pozbyć się zanieczyszczeń natury organicznej. Niekiedy, paradoksalnie, może być to również poważną wadą węgla. Chodzi o akwaria, w których zastosowano biologiczną metodę usuwania azotanów – denitryfikację. Proces ten realizowany jest przez mikroorganizmy żyjące w warunkach niedotlenionych. W wyniku tego do prawidłowego funkcjonowania potrzebują łatwoprzyswajalnych związków organicznych jako pokarmu (np. cukry czy alkohole). Zastosowanie węgla aktywnego może spowodować pozbawienie bakterii tych substancji i w efekcie denitryfikator przestanie działać.
W literaturze akwarystycznej bardzo często pojawiają się sugestie o stosowaniu węgla aktywnego jedynie w sytuacjach wyjątkowych, np. do usuwania preparatów użytych podczas leczenia ryb. Jest to najczęściej spowodowane obawą o „wyjałowienie” wody lub możliwość niekontrolowanego uwolnienia zgromadzonych wcześniej zanieczyszczeń. Sami zatem musimy rozeznać sytuację i zdecydować, czy filtr węglowy w zastanej przez nas sytuacji jest odpowiedni dla naszych pupili. Odpowiednie zastosowanie filtru węglowego może zdecydowanie polepszyć warunki życiowe hodowanych przez nas ryb, lecz – o czym powiedzieliśmy wcześniej – nie zawsze będzie to najlepsze i najkorzystniejsze rozwiązanie.
