为何二氧化碳扩散筒会积气？

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史蒂夫范 发表于 2014-12-26 17:30:19 |只看该作者 |倒序浏览

作者：Tom Barr
编译：Erich Sia

我们先看看换水时二氧化碳扩散筒内的变化。

1.
不论是我在 1325 公升、833 公升大缸或我自己的水族缸，
二氧化碳都是透过沉水马达（Power Head）推送水流至扩散筒内。

2.
在换水期间，
水族缸底层的水被抽入扩散筒内。

3.
由于换水时在水族缸内并无水流，
缸底水中的二氧化碳浓度增加。
这造成了二氧化碳扩散筒内的气泡，
变得表较大且速度很快，
几分钟以后就超出了扩散筒所能溶解大气泡的能力。

4.
当我重新启动水族缸的主要水流循环时，
扩散筒内堆积的气泡很快地就会移除了。

我知道新换的水内含有很高浓度的二氧化碳，
但扩散筒内的气体累积，
呈现出不同的问题。
钢瓶内的二氧化碳纯度是非常高的，
高到不足以造成这样的快速气体累绩，
如果二氧化碳不易溶解于溶液之中，
那为何气泡在换水期间的累积是如此的快速，
而当和水族缸的新水混合时却又迅速消失？

传统的二氧化碳扩散观念追求溶解率，可是二氧化碳扩散筒越用就越积气，会是达到饱和状态了吗？

如果扩散筒内的气体实在很难溶解，
那为何混入水族缸新水时就能迅速溶解，
而缸底的旧水就不会？
为何水族缸的新水注入停止后，
气体的累积就会那么快速？

钢瓶中的二氧化碳纯度约为 99.98%，
而根据法规必须要有 99.90% 的纯度。
我们能够透过前置过滤器来移除大部分的其他潜在气体。
然而，
如此少的 0.1% 些微气体，
无法解释扩散筒内所见到的气体堆积速率。
如果所有其他的气体都不容易溶解于水族缸的水中，
那么在新水重新注入水族缸底层时，
这些气体的溶解度也应维持不变，
但事实上并非如此。

或许二氧化碳很快就达到了饱和能度，
可是二氧化碳在溶液中的饱和浓度为 1500 ppm，
虽然有可能，
但可能性极小。
可能是浓度增高了，
二氧化碳扩散筒的能力和效率就明显下降了。
然后我们就看到反应器内的气体增加。

水族缸的二氧化碳浓度很低时，
二氧化碳的溶解速度就会很快，
但在浓度高时则不然。
缸底水中的其他气体，
并不足以造成这个效果。

以细化气泡方式提供水草二氧化碳，完全不需要顾虑溶解率的问题，水草的生长也比较好。

这几乎都是二氧化碳造成的，
二氧化碳就算在较高浓度时，
也无法在几秒钟内溶解于水中。
溶解需要好几分钟的时间，
而非几秒钟而已。
这些气体似乎主要就是二氧化碳，
而且在较高浓度时的溶解速度，
没法像在较低浓度时那么快﹒。

因此我针对扩散筒内的变化速率进行了测量。

当缸水停止流动时，
缸底的二氧化碳浓度就会上升，
攀升至离二氧化碳饱和浓度不远了。
由于缸底循环了二氧化碳扩散筒内的水，
而过滤器的吸水口几乎都位于缸底，
如果在水族缸内的酸碱值是 6.5，
通常缸水流经过滤器后的 pH 会是 6.3。
当过滤器刚关闭时，
水位会下降 5 公分﹒，
大约经过了一个小时，
里面会塞入了大量的气体，
约每两分钟就有 500 ml，
那会水位会遭气体推挤降低几公分呢？
约 25 公分。

如此大量的气体，
不能归咎于钢瓶内的二氧化碳纯度不足。
酸碱值在 30 分钟后下降至约 5.6 至 5.7，
再过了 30 分钟后进一步下降至 pH 5.5。

为什么会这样？
我想，
根据很多人的说法，
二氧化碳在几秒钟内应该就能溶解在水中了。
为什么？

二氧化碳扩散筒用越久就积越多气，这会是钢瓶内的二氧化碳气体纯度不够造成的吗？

完全是两码子事。
这些人把低二氧化碳浓度时的气泡缓慢上升，
拿来和高二氧化碳浓度时的二氧化碳爆发性增加做比较。

气体或任何化学物质的流动，
都要遵守斐克第一扩散定律（Fick's first law of diffusion）：
J = -DA Δc/Δx
其中，
J 为扩散通量（定义为单位时间内垂直通过单位横断面积的质量）
D 为扩散系数
A 为薄膜或横断面的面积
Δc 为薄膜或横断面两端的浓度差
Δx 为薄膜横断面的厚度

由于反应器内的气体浓度会改变，
而且改变非常的大，
在那五公分的空间中，
无法再溶解出更多的气体了，
于是内部的气体差距增加了。
这减缓了气体扩散至水中的速率。
这必须用斐克第一扩散定律来解释。

那么，
当我重新启动过滤器的时候，
会发生什么事？

当水位从下降 25 公分回升至不到 5 公分时，
过滤器内的气泡快速的溶解于水中（约 4-5 分钟）。
有哪些改变？
就只有浓度改变了。

从斐克第一扩散定律来看，
无法改变的有：
D（扩散系数）、A（薄膜或横断面的面积）和 Δx（薄膜横断面的厚度）。
而实际上大幅改变的因子是：
Δc（薄膜或横断面两端的浓度差）。

没有水流带动散播的二氧化碳扩散筒，积气的速度更快。

所以这里面还有其他的问题，
根据某些水族爱好者的说法，
二氧化碳溶解于水中的饱和浓度约为 1500 ppm。
这的确是事实，
可是他们忘了此一说法中的一个非常重要因子：
去气率（Degassing rate）。
如果我们用的是很不错的干溼过滤器且有通气，
我能够在水中溶解大量的气体而不会令二氧化碳浓度上升太多，
二氧化碳的确溶解了，
但绝对不会累积。

在一个并非使用干溼过滤器且尽量减少排气的系统，
其结果就截然不同了，
既使气体和缸子的容量都是一样的，
我们假设除了去气率以外，
其他的部分都是类似的。
如果气体无法溶解，
那么有进，
就要有出。

所以我们说，
二氧化碳溶解于水中的最大浓度，
理论上会发生在封闭的系统中，
但事实上却不然。
我们的水族缸排出二氧化碳气体，
就像是斐克第一扩散定律一样，
水中的浓度越高，
扩散出水面的速率就越快。
所以二氧化碳浓度并不容易达到 1500 ppm，
至少在我自己的缸子中，
都距离非常的遥远。
干溼过滤器和二氧化碳扩散筒也很类似，
随着水中浓度的增加，
排气的速率也会加快。
如果我们突然添加新鲜的水，
这些气体就会快速溶解回溶液之中。

二氧化碳在水中的溶解，实际上很难达到饱和浓度，况且水草也较偏好气态的二氧化碳。

因此，
斐克第一扩散定律可运用于溶解和排气双向反映。
由于去气率在每个缸子可能差异很大，
这是个比较难准确描述的问题。
气体在溶液中的累积和排气，
也不是呈现线性关系，
会随着时间的增加而呈指数型的变化，
会变得越难达到 100% 的饱和浓度。
再强调一次，
斐克第一扩散定律就可以预测此事。

那么氧气呢？
氧气很难溶解于水中。

由于水中的溶氧本来就不高，
因此没有足够的量足以造成底层水实验中扩散筒内的剧烈变化。
我们能够利用冰水和底层水，
这造成水中溶氧量的过饱和，
看看扩散筒内是否会排出氧气。
然后在重新打开过滤机之前，
先帮水族缸加温。

我不认为水中有足够的氧气能让我见到扩散筒排气，
读者可能会认为在一天之中，
水中溶氧量要达到超过 100% 需要好几个小时。
同样的道理，
当有些气体溶解于溶液之中时，
就有些氧气排掉了。
但 1-2 ppm 要和 50 ppm 相比？
这个差距可就大多了，
氧气却只变化了 1-2 ppm。
比起宣称二氧化碳能够在几秒钟内就神奇的溶解于水中，
认为二氧化碳只要在点灯的时候添加，
就能轻易地有这么大的变化，
可说是更符合逻辑的说法。