海水缸中的沸石應用

http://home.so-net.net.tw/rudersite/Zeolite.htm 海水缸中的沸石應用

一.沸石(zeolite)簡介

形成沸石的原因有十幾種，不同的生成環境所產出的沸石種類也不盡相同
沸石的成因很複雜，大部分是經由火山所噴出的沉積岩，因沉積岩中的有機物被液化或汽化而產生微細的孔洞
這些孔徑的的大小正好又與一般有機分子相當，因此具備對有機分子的吸附性
沸石的另一項特色是由鋁矽酸鹽等成所組成的礦物，並且對陽離子具有吸附性
為什麼沸石能具有離子交換功能呢？最主要的關鍵是其成分中有AlO4 ，多了一個O原子，因此會帶 -1的價數
因此沸石中會有些Na+,K+,Ca++等鹼金屬來抵銷使其成電中性
(帶有較多Na+的稱為鈉沸石，Ca+稱為鈣沸石以此類推)
而這些沸石中的金屬元素在水中極易被其他金屬離子所取代
要有什麼樣的條件會取代這些元素呢？
這與沸石離子交換的優先順序及離子濃度有關
因為AlO4帶的是-1價因此對陽離子的交換順序以Cs+,Rb+,NH4+,K+,Na+正1價離子排前面，且較大的離子較優先
然後才交換Ba++,Sr++,Ca++,Mg++的正2價離子

所以當沸石中的游離金屬以Na+存在時便會與水中的Cs+,Rb+,NH4+交換
如果是以Ca++存在時就會與水中的 Cs+,Rb+,NH4+,Ba++,Sr++作交換
但是當水中某離子濃度很高時，則能形成逆向交換，因此沸石一般是可還原的
不過因為全世界的沸石產量實在多的不像話，甚至在有些國家所有的石頭都是沸石
且目前沸石有50%以上是用於製造水泥，可見其普遍的程度
因此還原沸石雖環保卻不經濟

二.沸石的應用

由簡介中可知，沸石有化學的離子交換特性及物理的吸附特性
離子交換的特性通常會化除水中的Cs+,Rb+,NH4+,K+ 等而水中的Na+,Ca+等則會增加的
在海水中可使用鉀沸石或鈉沸石來限制其離子交換的範圍，也是最常被使用的，對NH4+也具有較高的交換力
沸石的物理吸附性比較單純，沸石的孔徑多在1nm(奈米)以下，但是每一種的沸石的孔徑又不太一樣
因此每種沸石的吸附對象與吸附總量並不相同，在海水的應用中最好是能混用多種沸石

沸石能吸附哪些物質呢？
前面已經提過，沸石的孔徑約在1nm以下，而分子的最小直徑約0.28nm
因此沸石所能吸附的就是在0.28nm-1nm之間的所有分子，包括有機、無機的分子
不過因為每種沸石的孔徑不一，吸附的峰值各不相同
常見在水中能被吸附的像是甲醇、氨等較小的分子都是其吸附範圍
這些物質大部分都是蛋白、活性碳的處理範圍以外的物質
蛋白、活性碳所能處理的物質沸石也都無法處理，兩者其實是各司其職
因此沸石在海水中的應用能大大的延緩水質的老化

沸石到底能吸附多少東西呢？
這要從幾個方面來探討
第一是吸附總量，越輕的沸石表示其中的孔徑越多，所能吸附的量自然比較多
沸石的密度界於1.92g/(cm)3 - 2.88g/(cm)3，一般來說密度小的吸附量最多
沸石的吸附量幾乎都在其重量的50%以上
也就是說放1kg的沸石在水中所能吸附的物質高達500g以上
如果缸中的蛋白處理了90%的廢物，剩餘的廢物都交由沸石處理，那1kg的沸石大概就能處理約 10罐500g的飼料的餵食量
有可能嗎？NO！因為還牽涉到第二個問題

沸石的吸附總量雖高，但是不同的孔徑處理不同的物質
1kg的沸石最多約能處理到 15g的有機氮素 ， 50g的有機碳素，這兩者也是沸石對水質處理有貢獻的地方
由此可知沸石雖能吸附500g的物質，但是在水族缸中大概只能發揮其中的一成
也許你會問，這一成還是很可怕，1kg沸石處理 1罐500g的飼料廢物
有可能嗎？NO！還有兩項問題有很大的影響
首先是沸石粒徑的問題，小粒徑的沸石能比大粒徑的吸收的更快更多
也就是說越小的粒徑越能發揮沸石的效能，但是粒徑過小吸收太快會造成很嚴重的問題
因此在應用中不宜過小
另一個問題是沸石表層會有菌類附著，這些菌類雖能輔助處理廢物
但是卻也會堵住沸石表層的孔徑，以致內部完全無法發揮
因此如果超過3,4天沒清理沸石，則沸石所能發揮的功能將變的極小
能清理的越乾淨是越好，如果沒有好清理的沸石桶，拿出來用手洗淨也是不錯的方式
也許你會問，要怎麼清除孔洞中的菌類，不用擔心，這麼小的孔洞任何生物都鑽不進去，只會生長在表層

在選擇了適當的沸石粒徑及規律的清理工作後，沸石所能吸附的物質還有多少呢？
這應該是沒有標準答案，運作好一點的1kg沸石處理半罐250g的飼料廢物沒什麼問題

我們再來比較一下沸石的離子交換量與吸附量的差異
沸石的離子交換量除了前述因性質不同會影響其交換內容物及交換量外
沸石的孔徑大小也會影響其離子交換，能進入孔隙的才能被交換
且相同size的離子會在孔隙中競爭交換
到底其交換量有多少呢？
其實1kg的沸石頂多只能交換約5g的陽離子
例如在1000L 的缸子中放入1kg的沸石其所影響的陽離子濃度約在5ppm以下
由此可知沸石的離子交換能力在海水應用中並不會造成離子不平衡
沸石種類雖多，但差異都是在其離子交換的功能上，物理上的吸附功能基本上是相同的

三.沸石應用的好處

1.維持相當低水準的NH3,NH4+濃度
海水生物最佳的生活條件是NH3+(NH4+)<0.02ppm以下
傳統的過濾方式如活砂、活石、底砂過濾能建立這樣的環境
如果要再降的更低就得靠沸石了，這在SPS的飼養上特別重要

2.減少無機鹽的產生
這一點應該不難理解，少了有機廢物，自然就不會產生無機廢物

3.避免海水素中含量過多的金屬元素
海水素在製作的過程中要將一些金屬元素像Rb+,Cs+等降到天然海水的標準是不可能的
NH4+一般也都偏高，沸石可以很迅速的吸收這些物質
不過海水素的Fe就沒辦法，因此太常換水的結果就是Fe易偏高喔！

4.維持DOC,DON,DOP的平衡
天然海水中的有機碳(DOC),有機氮(DON),有機磷(DOP)其濃度比約在100:16:1
DOC的平均濃度約1PPM來說，DON,DOP由這個比值可以輕易算出
動物性生物體中的C,N,P比值 P會比平均值高
植物性生物體則相反，因此得到這樣的比值
一般缸子要維持這樣的比值並不容易
如果都是餵以動物性飼料則水中DOP易偏高，反應出來就是PO4偏高
全部以植物性飼料為主則DON偏高，反應出來是NO3不易降
如果設有藻缸，其結果也是缸中的PO4比值越來越高

沸石的吸附功能幫助這平衡的達成
尤其是在一個較為穩定的系統中
這個比值越穩定則缸中的微生物會維持的很健全
珊瑚自然會還以顏色

5.增加水族缸透明度
沸石雖沒活性碳的除色能力
也不太容易除去色素分子或微粒
不過因為減少了有機溶解物，讓水色自然澄清


6.可以吸附過多的添加劑，絕佳的緩衝區
添加劑中的養分一般都相當高，常見的鈣、鎂等添加劑一樣也相當高
在添加這些物品前，可以先將沸石桶關閉，直接倒在沸石桶中


7.天然的脫色劑
清理沸石時，所磨插產生的沸石粉伴隨一些菌類被水螅體攝食後
會產生脫色效果，尤其在穩定生長的缸中最明顯！
沸石的脫色原理是因為沸石粉在被水螅體攝食後，其中的食物被消化後所產生的毒素能被沸石微粒迅速吸收，並排出珊瑚體外，共生藻少了很多有毒氮素來源，數量上自然不會太多，且對珊瑚體本身也會比較健康。

四、輔助系統

1.純有機碳的供給
缸中被生物分解或未分解的某些有機物並非沸石所能處理
在缸中增加純有機碳的濃度，則能讓生物更快將其分解成蛋白、活性碳、沸石所能處理的形式
另外缸中還是很難避免的會產生無機的營養鹽(NO2,NO3,PO4等)
透過純有機碳的供應也可以加速被生物給分解
所謂的純有機碳必須是不含氮與磷的有機物(醇類)
如果是添加含有機碳與氮則磷的含量會漸漸變少(胺類)，有些市售的商品就是運用這原理除磷
前提是這個有機氮分子必須>1nm，否則會被沸石吸附
另外這兩者添加過量都會導致泥藻氾濫，特別是後者

2.過濾器
過濾器的設計及水流量的大小對沸石效能的發揮佔有決定性的影響
前文中有提到沸石必須經常清理才能發揮其效能
因此過濾器最好具備能清洗的功能，且清洗時沸石能滾動越激烈越好
水流量越大水中廢物存在水中的temp time會比較短
但是過大的水流會影響沸石吸附及交換的效率
太小的水流在推拉過濾器時沉積物不易被洗出，反而成為藏污納垢之處
一般來說過濾器管徑在15cm時配上約2000-2500L/h的馬達
13cm管徑配上1500-2000L/h的馬達，10cm管徑配上600-1000L/h的馬達
如果缸中原來的養份高，可先以小馬達來推，等到系統穩定後在配上合適的馬達
這樣可以大大減緩過度期缸中生物的不適應

3. 蛋白過濾器
skimmer對養份的排除佔有絕對關鍵的角色
效果的差異從收集杯中的污物，及缸中養份的多寡就可看出
沸石過濾在沒有蛋白機下依舊可以可以運作，只是沸石壽命會很短
不過在有機碳原添加後最好能有蛋白機製造溶氧
不然陣亡率應該不低

五、沸石過濾搭配之系統

沸石系統除了應用在底砂過濾、滴流過濾不適合外，其他任何系統都能表現良好
如果是舊系統開始採用沸石過濾，必須經過較長的過度期
因為沸石吸收養分後，缸中既有的微生物大部分都會搶不到食物而死亡
因此越依賴生物過濾的缸子越需要時間來搭配沸石系統

六、沸石用量

沸石的用量遠比過濾器的水的流量影響小
最主要是影響使用的壽命
一般來說大粒徑的沸石(像zeovit,Mr.Aqua)可採用廠商推薦量即1L沸石用在400L的水中
小粒徑的則可減半使用，不減半也無所謂
粒徑過小不建議採用，因為會影響水流量

七、使用沸石後應注意事項

1.在沸石使用一陣子以後，養分漸漸減少，如果是在餵食量少的缸子，因為input太少，而output卻不斷，如果發現珊瑚的顏色已經變的很淡就得慢慢增加餵食量，不然就會開始面臨底部白化，完全失去共生藻等狀況，切忌突然增加的大量餵食，這樣的行為會導致系統無法負荷！循序漸進的餵食可以讓珊瑚顏色亮麗很多更接近自然的顏色，而在餵食量提昇後要在反過來量測水質，如果養分提高就得跟著提高有機碳的補給或是考慮提昇沸石過濾器的流量，並提高清理沸石的頻率，養份的減少與餵食兩者必須達到平衡。

2.第二點是要探討提高餵食量後的問題，因為食量提高後，珊瑚的組織變厚，此時對光線、水流的需求會跟著提高，因為珊瑚獲得食物後能釋放更多的氮素等養分供共生藻利用，共生藻的數量即使在低養分的缸中依然會增加，此時對光線的需求必然是增加的，水流則是提供珊瑚更多的氧氣以供新陳代謝並排除廢物。如果沒做改善，也許會發現狀況反而走下坡，也許不會因為本來的條件可能已經充足了，最好根據珊瑚生長的狀況做些調整。

3.新缸使用沸石應有的觀念：新缸中因為活石活砂所釋放出的有機溶解物、矽酸等比起穩定的缸子要多上數千、數萬倍之多，要沸石完全吸收這些廢物並不可能，必須配合微生物的處理、藻類的吸收、適當換水等才能將養水時期所產生的毒素化除，當然每個缸子狀況不太一樣，所需期間也差異很多，一般來說使用沸石的系統至少養水兩個月再開始慢慢進些生物、軟體來飼養會比較保險，如果缸中砂石的比例高就需要更久的時間，使用純活砂、純活石至少也需要兩個月的時間會比較理想。

4.不要誤解沸石的角色：沸石在缸中所扮演的角色到底是什麼呢？其實沸石能處理的都是一些低分子量的物質，這些物質的特性是毒性較強，並非生物直接產生，大部分是經由微生物分解後的物質，因此沸石在過濾系統中扮演的是最後一道防線，如果攔不住，不是產生毒害就是會被分解成無機鹽類(NO2,NO3,PO4等)，前者的後果很慘，後者則會製造麻煩。另外很多人誤以為沸石能吸附NO2,NO3,PO4等是錯誤的觀念，這些都是屬於陰離子，沸石完全不會吸收。