Jak rychle nasytit vodu kyslíkem?

AerаvodyProces nasycení vody vzdušným kyslíkem se nazývá. Provzdušňování vody se provádí:

v úpravnách vody k odstranění hydroxidu železa, volného oxidu uhličitého a sirovodíku z vody;
v biologických čistírnách odpadních vod (aerační nádrže, aerofiltry, biofiltry) k zajištění životně důležité činnosti mikroorganismů (aerobních bakterií), které provádějí proces mineralizace organických látek rozpuštěných v odpadních vodách a dalších kontaminantů.

Provzdušňování je obvykle charakterizováno následujícím parametry:

kyslíkový výkon aeračních systémů (vyjádřeno v kg rozpuštěného kyslíku na 1 m 3 provzdušněného objemu);
množství kyslíku podaného za 1 hodinu (vyjádřeno v kg rozpuštěného kyslíku za hodinu);
specifické množství přiváděného kyslíku (vyjádřeno v kg rozpuštěného kyslíku na kW vynaložené energie);
účinnost rozpouštění kyslíku (vyjádřeno jako procento hmotnosti zaváděného kyslíku, který se skutečně rozpustil na hmotnost kyslíku dodávaného kompresní jednotkou).

Na základě principu činnosti se provzdušňovací jednotky dělí na:

Instalace beztlakového (zjednodušeného) provzdušňování vodyve kterém zdrojová voda je rozstřikována do oxidační nádrže (kontaktní nádrž). Navíc lze provzdušňování provádět pomocí kompresoru, který dodává vzduch do vodního sloupce přes jemnobublinné provzdušňovače. Díky tomu se voda v oxidační nádrži promíchává, což urychluje oxidační proces železa a plynů. Vzhledem k tomu, že se proud vody ve volně průtočné provzdušňovací stanici láme, je nutné za ní instalovat čerpací stanici pro zvýšení tlaku na požadovanou hodnotu (2,5 – 4 atm.). Na dně oxidační nádrže se postupně hromadí vrstva oxidovaného železa, kterou je nutné periodicky (2 – 4x ročně) odstraňovat.
Zařízení na provzdušňování tlakové vody, ve kterém se provzdušňování provádí čerpáním stlačeného vzduchu do provzdušňovací kolony nebo oxidační nádrže pomocí kompresoru, přičemž plyny oddělené od vody a přebytečný vzduch jsou z provzdušňovací kolony odváděny přes vzduchový separační ventil. Ve srovnání s gravitačním provzdušňováním není v tomto případě nutné další čerpadlo pro zvýšení tlaku, provzdušňovací kolona je namontována přímo do vodovodního potrubí, rozměry instalace jsou však poněkud horší; protože doba kontaktu vody se vzduchem je kratší.

Níže se budeme podrobněji zabývat provozem gravitačních a tlakových vodních provzdušňovačů. A abychom pochopili, jaké faktory mohou ovlivnit proces provzdušňování vody, potřebujeme analýzu jak samotného procesu, tak procesu rozpouštění vzdušného kyslíku ve vodě.

2. ROZPUSTNOST KYSLÍKU VE VODĚ

Kyslík rozpuštěný ve vodě je ve formě hydratovaných molekul О₂. Obsah rozpuštěného kyslíku (dále v textu RK) závisí na teplotě, atmosférickém tlaku, stupni turbulizace vody, množství srážek, salinitě vody atd.
Obsah DO ve vodě ovlivňují dvě skupiny opačně směřujících procesů: některé zvyšují koncentraci kyslíku, jiné ji snižují.

Mezi první patří:

absorpce kyslíku z atmosféry (absorpce);
uvolňování kyslíku vodní vegetací během fotosyntézy;
vstup do nádrží s dešťovými a sněhovými vodami, které jsou obvykle přesyceny kyslíkem.

Absorpce kyslíku z atmosféry se vyskytuje na povrchu vodního útvaru. Rychlost tohoto procesu se zvyšuje s klesající teplotou, rostoucím tlakem a klesající mineralizací. Provzdušňování – obohacování hlubokých vrstev vody kyslíkem – nastává v důsledku míšení vodních mas, včetně větru, vertikální cirkulace teplot atd.
Fotosyntetické uvolňování kyslíku vzniká, když je oxid uhličitý asimilován vodní vegetací (připoutané, plovoucí rostliny a fytoplankton). Proces fotosyntézy probíhá silněji, čím vyšší je teplota vody, intenzita slunečního záření a tím více živin (živin) (P, N atd.) ve vodě. K produkci kyslíku dochází v povrchové vrstvě nádrže, jejíž hloubka závisí na průhlednosti vody (může být pro každou nádrž a roční období jiná, od několika centimetrů až po několik desítek metrů).
K poklesu obsahu kyslíku ve vodě méně, než je teoreticky možné, dochází v důsledku výskytu chemických a biochemických procesů: spotřeba kyslíku různými organismy, fermentace, rozklad organických zbytků, oxidační reakce atd. Příklady důvodů poklesu obsahu DO může být: biologický (dýchání organismů), biochemický (dýchání bakterií, spotřeba kyslíku při rozkladu organických látek) a chemikálie (oxidace Fe 2+ , Mn 2+ , NO 2– , NH 4+ , CH₄H₂S). Rychlost spotřeby kyslíku se zvyšuje s rostoucí teplotou, počtem bakterií a dalších vodních organismů a látek podléhajících chemické a biochemické oxidaci. Kromě toho může dojít ke snížení obsahu kyslíku ve vodě v důsledku jeho uvolňování do atmosféry z povrchových vrstev a pouze tehdy, pokud se voda při dané teplotě a tlaku ukáže jako přesycená kyslíkem.
Všechny tyto argumenty platí pro povrchové vody. V artéských vodách všechny tyto faktory prakticky nepůsobí, a proto v těchto vodách zpravidla chybí kyslík.
Koncentrace kyslíku ve vodě určuje hodnotu redox potenciálu (RedOx potenciál) a do značné míry i směr a rychlost procesů chemické a biochemické oxidace organických a anorganických sloučenin. Kontrola obsahu kyslíku ve vodě je proto mimořádně důležitým problémem, jehož řešení je v zájmu téměř všech odvětví národního hospodářství, včetně hutnictví železa a neželezných kovů, chemického průmyslu, zemědělství, lékařství, biologie, rybářství a potravinářský průmysl a služby ochrany životního prostředí. Obsah DO se stanovuje jak v neznečištěných přírodních vodách, tak v odpadních vodách po čištění. Procesy čištění odpadních vod jsou vždy doprovázeny kontrolou obsahu kyslíku. Stanovení DO je součástí rozboru při stanovení dalšího důležitého ukazatele kvality vody – biochemické spotřeby kyslíku (BSK).

Přečtěte si více

Oprava vysavače Dyson: co dělat, když se vysavač nezapne, nenabíjí a pracuje přerušovaně? Jak to správně rozebrat? Diagnostika hlavních poruch

Při každé hodnotě teploty vody existuje rovnovážná koncentrace kyslíku, kterou lze určit pomocí speciálních referenčních tabulek sestavených pro normální atmosférický tlak. Rozpustnost kyslíku ve vodě se zvyšuje s klesající teplotou a slaností a se zvyšujícím se atmosférickým tlakem. Závislost rozpustnosti kyslíku ve většině kapalin včetně vody je popsána k prvnímu přiblížení zákonem rozpouštění ideálního plynu – Henryho zákonem. Zákon je vhodný pouze pro ideální řešení a nízké tlaky. Při konstantní teplotě je rozpustnost plynu v dané kapalině přímo úměrná tlaku tohoto plynu nad roztokem:

С = k×Р

kde С – hmotnostní koncentrace plynu v nasyceném roztoku (mol/l); Р – parciální tlak; k – koeficient proporcionality, nazývaný Henryho konstanta (nebo Henryho koeficient).
Henryho koeficient však závisí na tlaku, i když v malé míře. Závislost rozpustnosti kyslíku na teplotě nebo závislost k (R°,Т) se projevuje snížením rozpustnosti s rostoucí teplotou.
Rozpouštění kyslíku a dalších plynů ve vodě způsobuje narušení řádu krátkého dosahu, protože vyžaduje energii. Proces rozpouštění je spontánní. Rozpouštění kyslíku ve vodě by mělo být považováno za soubor fyzikálních a chemických jevů, které rozlišují jeho tři hlavní fáze:

Destrukce chemických a mezimolekulárních vazeb v rozpouštěcích plynech, vyžadující energii. Entalpie systému se zvyšuje: ∆H₁ > 0;
Chemická interakce rozpouštědla s rozpouštěcí látkou, způsobená tvorbou nových sloučenin – solvátů (nebo hydrátů), doprovázená uvolňováním energie. Entalpie systému klesá: ∆H₂;

Spontánní míchání roztoku nebo rovnoměrná distribuce solvátů (hydrátů) v rozpouštědle, spojená s difúzí a vyžadující energii. Entalpie systému se zvyšuje: ∆H₃ > 0.

Celkový tepelný účinek procesu rozpouštění (∆Н = ∆H₁ + ∆Н₂ + ∆Н₃) může být pozitivní (endotermické rozpouštění) a negativní (exotermické rozpouštění). K rozpuštění kyslíku ve vodě dochází při uvolňování tepla (∆Н< 0) a s poklesem entropie (∆S).
V důsledku všeho výše uvedeného je rozpustnost ve vodě o řád nižší než v nepolárních kapalinách. Je třeba poznamenat, že zohlednění vlastností molekulární struktury vody se ukázalo jako poměrně obtížné a stále neexistují dobré teoretické přístupy k jejímu posouzení. Proto musíme nejčastěji používat empirická data.
Relativní obsah kyslíku ve vodě, vyjádřený v procentech jejího normálního obsahu, se nazývá stupeň nasycení vody kyslíkem. Vypočteno podle vzorce:

M = (a× 101308×100)/С×P,

kde М – stupeň nasycení vody kyslíkem, %; а – koncentrace kyslíku, mg/l; Р – atmosférický tlak v dané oblasti, MPa; С – normální (rovnovážná) koncentrace kyslíku (mg/l) při dané teplotě a celkovém tlaku 0,101308 MPa, uvedená v tabulce 1.
Stupeň nasycení vody kyslíkem odpovídající rovnovážné koncentraci se považuje za rovný 100 %. Tento parametr závisí na teplotě vody, atmosférickém tlaku a úrovni slanosti.

3. METODY KONTROLY OBSAHU KYSLÍKU VE VODĚ

Pro stanovení kyslíku bylo navrženo mnoho metod založených na různých principech. Mezi ně patří trojrozměrný (hlavně jodometrické, kolorimetrické a fotometrické), elektrochemický (amperometrické a voltmetrické, polarografické, coulometrické, konduktometrické a další metody (radiometrické, chromatografické, hmotnostní spektrometrické aj.).
Rozpuštěný kyslík je velmi nestabilní složkou chemického složení vody. Při jeho stanovení by se měl odběr vzorků provádět zvláště pečlivě: je nutné zabránit kontaktu vody se vzduchem, dokud se kyslík nefixuje (naváže ho do nerozpustné sloučeniny).
Nejpoužívanějšími metodami při rozboru povrchových vod jsou metody jodometrické (podle Winklera) a elektrochemické metody.
Je známo, že rychlost nasycení vody kyslíkem závisí na ploše rozhraní mezi dvěma médii (voda/vzduch), koeficientu přenosu a gradientu koncentrace kyslíku a je popsána následujícím vzorcem

dC/dT=KL (A/V)(Cs – C), (F. Wheaton, 1985)

kde dC/dT – rychlost změny koncentrace kyslíku v čase, mg/(l×h); KL — koeficient přenosu kyslíku, cm/h; А – kontaktní plocha plynu a kapaliny, cm 2 ; V – objem vody, cm3; Cs – koncentrace nasycení kyslíkem kapalinou, mg/l; С – koncentrace kyslíku v kapalině kdykoli, mg/l.
Jak je vidět z výše uvedeného vzorce, rychlost nasycení vody kyslíkem závisí na koncentračním gradientu mezi skutečným obsahem kyslíku ve vodě (С) a maximální možnou saturaci (Cs), která je dosažitelná za daných podmínek (teplota vody, tlak a salinita). Jinými slovy, čím více se skutečné nasycení vodou blíží maximální možné, tím nižší je rychlost nasycení vody kyslíkem.

Různé systémy se obvykle porovnávají, když standardní podmínky, Se mění takto:

v čisté (destilované) vodě;

při teplotě 20 o C (v některých zemích při 10 o C);

při standardním atmosférickém tlaku – 760 mm Hg. (0,101308 MPa);

koncentrace rozpuštěného kyslíku 0 mg/l.

Oprava pro přechod ze standardních podmínek na skutečné podmínky.
Pro přechod od standardních podmínek k reálným se používá korekční faktor Т:
reálné podmínky = standardní podmínky * T
kde Т – součin tří koeficientů: Tr, Td, Tt.
Koeficient Tr vyhodnocuje přenos kyslíku do skutečné vody ve vztahu k čisté (destilované) vodě; závisí na složení vody (zejména na obsahu povrchově aktivních látek, tuků, ropných produktů, nerozpuštěných látek atd.)

Začínající akvaristé často volí malá akvária. To je pochopitelné: je snazší spravovat malé akvárium a může vypadat neméně působivě než skleněný obr obývaný desítkami ryb. Všichni obyvatelé pod vodou – bez ohledu na velikost jejich domova – potřebují kyslík. Je nezbytný pro ryby, šneky a krevety, stejně jako rostliny a prospěšné bakterie žijící v půdě a vodním sloupci. Bez kyslíku je narušena celá rovnováha podmořského ekosystému. Proto je třeba k problematice provzdušňování i toho nejmenšího akvária přistupovat velmi zodpovědně. Čím hustší je akvárium osídleno, tím více kyslíku by mělo obsahovat, aby se ryby cítily dobře. Určité množství kyslíku vstupuje do akvária bez účasti akvaristy. Při kontaktu s hladinou vody ji vzduch obohacuje o tento důležitý prvek. To však většinou nestačí, zvláště pokud je akvárium hustě osídleno. K nasycení vody kyslíkem se proto používá speciální zařízení.

Kompresory a postřikovače

Kompresor je zodpovědný za aktivní nasycení vody v akváriu kyslíkem. Princip jeho činnosti je jednoduchý: zařízení odebírá vzduch z atmosféry a přivádí jej do vzduchové hadice umístěné ve vodním sloupci. K hadici je připojen rozprašovač, který přeměňuje proud vzduchu na malé bublinky. Vystupují na povrch a dodávají vodě kyslík. Do malých akvárií se dobře hodí kompaktní kompresory značky Laguna – 2500A a 3500A. Tato přenosná zařízení jsou vhodná pro akvária do 60 litrů. Na fotografii jsou kompaktní kompresory Laguna 2500A (art.: 73704002) a 3500A (art.: 73704003). Rozprašovač je tryska z jemně porézního materiálu, která je připevněna ke vzduchové hadici kompresoru. Obvykle jsou vyrobeny ze směsi písku a polyesterové pryskyřice. Proud vzduchu pod tlakem vstupuje do atomizéru a prochází jeho póry a je rozdrcen na malé bublinky. Vzduchové bubliny nasytí vodu kyslíkem a oživí vzhled akvária. Pro vytvoření krásné bublinkové záclony v akváriu jsou podél zadní stěny umístěny gumové rozprašovací trubice. Některé rozprašovače jsou zdobeny ve tvaru kamenů, mušlí, podvodních sopek atd. Takové postřikovače nemusí být pohřbeny v zemi a skryty mezi rostlinami – samy se stávají prvkem designu akvária. Dekorativní rozprašovač doplní design akvária. Na obrázku je postřikovač Laguna „Volcano“ (výr.: 74114050).

Provzdušňování pomocí filtrů

Některé typy filtrů mohou pomoci provzdušňovat vaše akvárium. Batohový filtr je dobré řešení pro malé akvárium. Jeho tělo je upevněno na skleněné straně a je umístěno nad vodní hladinou. Kapalina odtéká z filtru kaskádovitě a při kontaktu se vzduchem se aktivně obohacuje kyslíkem. Podobně fungují i filtry s flétnovým nástavcem. Tryska dostala své jméno pro svou podobnost s hudebním nástrojem: voda opouští filtr dlouhou trubicí s několika otvory. Tenké proudy jsou také obohaceny kyslíkem při přímém kontaktu se vzduchem. Na obrázku je vnitřní filtr s flétnovým nástavcem Laguna 10MY (art.: 73784017). Zařízení je určeno pro akvária do 200 litrů. Oba typy filtrů vypouštějí vodu do akvária z určité výšky. Kvůli tomu se na hladině tvoří mírná porucha, která dále zlepšuje provzdušňování horních vrstev vody.

Provzdušňování rostlinami

Podvodní rostliny jsou hlavními producenty kyslíku v přírodních vodních plochách. V akváriích však hrají spíše podpůrnou roli. Jde o to, že rostliny potřebují k produkci kyslíku oxid uhličitý a jasné světlo. Pro účinnou fotosyntézu nestačí oxid uhličitý rozpuštěný v akvarijní vodě. Akvarista tedy bude muset vodu o tento prvek dodatečně obohatit. A s nástupem tmy je fotosyntéza nahrazena opačným procesem: rostliny přestanou produkovat kyslík a začnou jej absorbovat. Úplné svěření provzdušňování akvária „zeleným továrnám“ je proto riskantní podnik, který je také spojen se spoustou potíží a nákupem dalšího vybavení. Živé rostliny v akváriu někdy vyžadují neméně péči než ryby, a tak je začínající akvaristé často nahrazují umělými dekoracemi. Instalace kompresoru nebo filtru s funkcí provzdušňování je nejúčinnějším způsobem, jak zásobit akvárium kyslíkem. Podle odkazu si vyberte spolehlivé zařízení, které se postará o provzdušnění podvodního ekosystému.