Безнапорный генератор CO2 для аквариума

Можно пропустить введение и эксперименты, и сразу перейти к описанию конструкции Циклического безнапорного генератора. Это лучший вариант на сегодня.

В последнее время в моём аквариуме плохо растут растения. Валлиснерия еле выживает. Криптокорина и подобные растения размножаются так медленно, что все листы успевают обрасти чёрной бородой.

Однажды у меня уже был аквариум с сочными зелёными растениями без чёрной бороды или нитчатки.

По этим двум причинам света и углекислого газа было много.

Освещение

Недавно я заменил люминисцентные лампы на светодиодные 2 по 30 вт в аквариуме 200 литров и 2 по 20 вт в аквариуме 100 литров. Теперь при освещении из растений поднимаются пузырьки кислорода. Чаще стали появляться новые листочки.

Пришло время добавлять CO2

Я не собираюсь создавать "голландский" аквариум или "травник". Меня устраивает более-менее естественное биологическое равновесие в аквариуме. Подавление водорослей и буйные растения, требующие прополки - это не равновесие, а особое хобби. Мне интересно использовать новый вид ламп, и самодельный генератор CO2, чтобы посмотреть, что из этого получится. Это не аквариумный интерес, а инженерный интерес. Просто любопытство.

Балонная подача CO2 кажется сложной. Это для профессионалов с красивыми большими подводными садами. Мне до этого пока далеко. Новичкам проще начинать с брагогенератора. Однажды я пробовал получать CO2 из сахара и дрожжей.


схема генератора CO2 на дрожжах

Эксперимент прекратился, так как неудобно каждое утро и вечер переключать краник, чтобы углекислый газ подавался только при наличии освещения. Также мне не нравился запах дрожжей.

Генератор на сахаре и дрожжах - однокомпонентный, и поэтому конструкция простая. Углекислый газ сначала выделяется бурно, потом всё медленнее. Время работы одной заправки - примерно неделя.

С тех пор появились электромагнитные клапаны для автоматизации подачи газа. Был изобретен двухкомпонентный генератор CO2 без дрожжей с использованием лимонной кислоты и соды.

Самодельщики делают генераторы углекислого газа не только для аквариума. CO2 на подоконнике улучшает рост комнатных цветов. CO2 используется в продвинутых ловушках для комаров.

Химия

В присутствии воды лимонная кислота [C6H8O7] и пищевая сода [NaHCO3] реагируют и дают в результате цитрат натрия [Na3C6H5O7], воду и углекислый газ.

Уравнение реакции:
C6H8O7 + 3NaHCO3 (кислота+сода в воде) ► Na3C6H5O7 + 3H2O + 3CO2 (соль вода газ)
без воды реакция не идёт

1 моль (192 грамма) лимонной кислоты даёт 3 моля углекислого газа. Получаемая при этом масса CO2 равна 3x44 = 132 грамма, объём - 66 литров.

Все участвующие в химической реакции компоненты (сода, лимонная кислота, цитрат натрия, вода и углекислый газ) достаточно безопасны и могут использоваться для приготовления пищевых продуктов.

Напорный генератор "сода + лимонная кислота"

Генераторы с лимонной кислотой бывают с обратными клапанами (более стабильные)


схема с обратными клапанами

и без обратных клапанов (более надёжные)


схема без обратных клапанов

Оба типа работают при достаточно большом давлении 1.5-2 атм и используют кран тонкой регулировки подачи CO2, который также служит редуктором для снижения давления. Иногда приходится использовать дроссели, например в виде полой иглы от шприца, для уменьшения подачи кислоты и темпа выхода углекислого газа.

Благодаря двухкомпонентности процесс выработки CO2 более стабильный, так как одна из компонент (лимонная кислота) подаётся малыми порциями по мере необходимости. При снижении давления газа в ёмкости с содой происходит перекачка небольшого количества раствора кислоты в соду. Как только выработка CO2 восстановится и давление повысится, оно также повышается в ёмкости с кислотой. Таким образом в ёмкости с кислотой поддерживается постоянное (достаточно высокое) давление пока она не кончится. Сигналом подачи новой порции кислоты служит снижение давления CO2.

Использование генератора CO2 с повышенным давлением похоже на использование CO2 из баллона. После источника высокого давления нужен редуктор для получения небольшого рабочего давления порядка 0.05 атм = 50 сантиметров водяного столба. 50 см - это глубина аквариума. Такое выходное давление имеет безнапорный генератор на дрожжах. Фактически, давление на выходе безнапорного генератора задаётся глубиной погружения выходной трубки в аквариум. При глубине 40 см получим давление 40 см вод ст. Такому генератору не нужны краны, дроссели и редукторы.

Безнапорный генератор

Простой двухкомпонентный генератор CO2 можно сделать без давления и без крана тонкой регулировки. Подаём кислоту в соду в нужном темпе. И получаем газ в нужном количестве.

Известны (но не получили распространения) конструкции генераторов углекислого газа, в которых кислота дозированно подаётся в соду насосом, или подаётся в соду самотёком из негерметичной ёмкости установленной выше ёмкости с содой на высоте, примерно равной глубине аквариума.

Есть более простая и компактная схема. Для подачи кислоты можно использовать отверстие или хорошо смачиваемую верёвочку - фитиль. Я видел как по такой верёвочке за 1 день вытек на стол стакан чая. Для настройки темпа подачи CO2 подбираем диаметр фитиля.


Выход газа из ёмкости с содой. Подача кислоты самотёком через капилляр или фитиль.

Как и в безнапорном генераторе на дрожжах давление внутри генератора само поддерживается таким, чтобы газ подавался на глубину аквариума. Обычно не более 1м водяного столба.

Конструкция

Окончательная (на сегодня) конструкция генератора CO2 будет описана в конце страницы. Сначала я расскажу, какие варианты были испытаны, какие у них достоинства и недостатки.

Для удобства экспериментирования, обслуживания и настройки кислоту и соду лучше поместить в отдельные ёмкости, соединённые трубками.


схема генератора

На трубке выравнивания давления стоит обратный клапан, чтобы при разборке конструкции из этой трубки не вытекала кислота.

В качестве регулятора потока используется кран для воздушной трубки. Регулируем подачу кислоты так, чтобы обеспечить нужный поток CO2. Подача кислоты видна по падающим каплям. Правильный темп подачи 1 капля за 5-20 сек. Если использовать соду с избытком, то, зная концентрацию лимонной кислоты и размер капли, вы можете оценить количество капель для получения нужного количества CO2. Чем меньше концентрация раствора лимонной кислоты, тем точнее можно регулировать выработку углекислого газа.

фото
      струйки СО2 из распылителя

Если размер капли примерно равен 3 мм, то 1 капля 10-процентного раствора лимонной кислоты даёт 1 куб.см. углекислого газа.

Время работы от одной заправки зависит от темпа химической реакции, который вы подобрали и от объёма растворов. Зная объём раствора кислоты, можно оценить время расходования кислоты по размеру и частоте падения капель.

Кран-регулятор можно использовать для отключения генератора на ночь. Чтобы не нарушать настройку крана-регулятора, можно использовать второй кран или зажим для отключения генератора, а кран-регулятор - только для настройки. Для автоматического отключения генератора на трубку подачи кислоты можно установить электромагнитный клапан.

В качестве реактора для растворения CO2 в воде я пока использую распылитель.

В отличие от генератора на дрожжах в новом генераторе (1) есть возможность регулировки выработки CO2, (2) есть возможность отключения генератора, а также (3) нет запаха браги.

В отличие от напорного генератора снизились требования к герметичности, так как нет высокого давления. Благодаря этому (1) не нужен защитный клапан, (2) можно применять банки с широкими крышками, а не только бутылки от Кока-Колы. (3) Можно применять простой кран подачи кислоты вместо крана тонкой регулировки. Кроме того, в новом генераторе видна подача кислоты в соду, и (4) можно регулировать темп подачи кислоты по числу капель.

Чтобы убедиться, что нет потерь CO2 из-за негерметичности можно использовать счётчик пузырьков.


пример со счётчиком пузырьков

Чтобы не использовать тройник, можно установить трубку отвода CO2 в крышку бутылки с содой.


пример с 3 трубками

Если вы сделали безнапорный генератор, и добились стабильной выработки CO2, но хочется ещё улучшить дизайн, то можете попробовать вообще убрать трубочки между банками кислоты и соды.

Упрощённая конструкция

Упрощённый генератор состоит из широкой банки для соды и пластиковой бутылочки для лимонной кислоты. Бутылочка приклеена герметиком сверху (или снизу) к крышке банки.


упрощённая схема безнапорного генератора

Для подачи кислоты в соду самотёком в дне бутылочки сделано отверстие 1-3 мм. Подбирая диаметр отверстия, или вставляя в него капилляр (нитку, спичку) можно обеспечить необходимый темп выработки CO2. Причина использования капилляра в том, что герметик и пластик могут плохо смачиваться. Из-за этого в отверстии образуется воздушная пробка. Кроме того, капилляр позволяет использовать почти любые доступные трубки. Без него пришлось бы подбирать диаметр трубки, что не так легко.


зубной ёршик

Проблема "воздушной пробки" упрощается, если использовать трубку выравнивания давления. При этом нужно принять меры, чтобы кислота вытекала не слишком быстро, например трубка для вытекания кислоты должна быть тоньше.

Если в качестве трубки использовать кусочек стержня шариковой ручки или кусочек трубки от "ватной палочки", то в качестве капилляра подходит "зубной ёршик". Он хорошо держится при вдвигании в трубку на любую глубину. Подобрав глубину установки ёршика, можно отрегулировать темп подачи кислоты и соответствующий темп выработки углекислого газа. При плохой смачиваемости трубки можно использовать одновременно ёршик и нитку.


пример упрощённого генератора

В отличие от системы с трубками в упрощённом генераторе нужно выполнять настройки до начала работы. Поскольку работа системы не зависит от давления, то при наладке, подборе трубочки и капилляров можно не закрывать крышку бутылочки с кислотой. При наладке системы используйте небольшое количество растворов рабочей концентрации. После того, как стабильность выработки CO2 налажена можно налить полную дозу растворов и подключить систему к аквариуму.

Для отключения подачи газа в упрощённой системе можно, использовать тройной кран (или тройник + кран) на трубке CO2, как это делают в генераторе на дрожжах. Открываете кран на ночь, и газ выходит не в аквариум, а в комнату. При этом генератор продолжает работать.

Внутренний генератор CO2

А вдруг, после освоения "упрощённого генератора", вы захотите дальнейших упрощений, например, захотите вообще отказаться от трубок. Тогда вместо выходящей из верхней бутылочки трубки вставьте распылитель, к дну широкой банки прикрепите груз, поставьте новый ещё более простой генератор прямо в аквариум, а над ним поместите перевёрнутый пластиковый лоток (колокол для растворения CO2). В качестве груза можно приклеить герметиком медный диск или диск из нержавейки снаружи к дну банки. Проще, но менее красиво - положить в банку шарики или гвозди из нержавейки.


можно поместить генератор CO2 прямо в аквариум

Эта конструкция нравится мне ещё тем, что если где-то есть утечки, то утекающий углекислый газ даром не пропадёт. Всё попадёт в колокол, и будет растворено в воде в меру необходимости.

В отличие от внутреннего генератора на сухих компонентах в новой конструкции негерметичность не может привести к взрывной выработке CO2.

Надо сказать, что большое количество CO2 можно получить и в нашем генераторе. Если сделать погружной генератор с трубкой компенсации давления, повалить его на бок и держать (если не держать, то он встанет вертикально, как неваляшка) то компоненты могут перетечь по трубке компенсации давления. Мы получим большое количество CO2 и быстрое повышение давление в ёмкости. В аквариум некоторое время будет выходить много CO2. Если выход к распылителю будет затоплен изнутри, то в аквариум через распылитель будет выходить раствор лимонной кислоты. Я не представляю, чтобы такое стечение неблагоприятных событий произошло случайно или в результате неосторожности.

Мы рассмотрели довольно много вариантов безнапорных генераторов CO2 на растворе соды и лимонной кислоты. Кроме достоинств, у этих конструкций есть недостатки. (1) При использовании большой бутылки от Кока-Колы, генератор работает нестабильно, так как при низком давлении CO2 давление в этой бутылке чувствительно к давлению и температуре в комнате. (2) Использование обратного клапана на трубке компенсации давления, как и попадание жидкости в эту трубку, приводит к небольшому снижению давления в ёмкости с кислотой по сравнению с ёмкостью с содой. Из-за этого могут быть проблемы с вытеканием кислоты. (3) Генераторы без компенсации давления имеют риск нестабильности из-за "воздушной пробки".

Благодаря высокому рабочему давлению этих недостатков нет у "напорного генератора". Он мало чувствителен к эффектам поверхностного натяжения и колебаниям внешней температуры и давления.

Стабильный безнапорный внутренний генератор CO2

Используем достаточно жёсткую ёмкость. Обеспечиваем выравнивание давлений без трубки и обратного клапана. Наконец, ружьё, которое в первом акте висело на стене, должно выстрелить - используем фитиль вместо трубки для подачи раствора кислоты в соду.


ёмкость для кислоты, фитиль, ёмкость для соды, крышка с распылителем


генератор с негерметичной
ёмкостью для кислоты

На дно ёмкости надо положить груз. Негерметичная сверху ёмкость для кислоты должна быть почти заполнена. Количество раствора соды надо сделать таким, чтобы дно баночки с кислотой касалось поверхности соды. Из-за этого количество растворов в данной экспериментальной конструкции не может быть большим. Фитиль должен доставать от дна ёмкости с кислотой до поверхности соды.

Фитиль на фото обеспечил стабильную работу генератора в течение 3 часов. Через 3 часа уровни кислоты и соды сравнялись. Это не зависит от концентрации растворов, а зависит только от капиллярных свойств фитиля. Вероятно, при уменьшении ширины капилляра в 3 раза можно получить 9 часов. Не очевидно, что зависимость расхода кислоты от сечения капилляра линейная, и лучше проверять её экспериментально.

Если для растворения CO2 используется "колокол", то особого смысла в распылителе нет. Достаточно сделать в крышке отверстие 0.5 мм, например, иголкой.

Пока я экспериментировал со слабыми растворами. 2-3 грамма соды и кислоты на 1 заправку. Если увеличить концентрацию, а также, если подобрать более удачные ёмкости, то можно добиться работы такого устройства в течение нескольких дней.

В следующем примере ёмкость для кислоты тоже была не герметичной (без крышки), но благодаря широкой крышке ёмкости для соды удалось поместить большее количество растворов внутри этого генератора CO2. Использовались растворы, содержащие по 1 чайной ложке соды и лимонной кислоты.


компактный генератор

Такая конструкция с более компактным размещением ёмкости с кислотой внутри ёмкости с содой проработала на одной заправке 4 дня. При уменьшении сечения фитиля и увеличении концентрации растворов, наверно, можно достичь продолжительности 1-2 недели.

Использовалась квадратная стеклянная банка ёмкостью 1 литр с резиновым уплотнением. Внутри неё размещались 2 прозрачных пластиковых стаканчика (донышки бутылок). Размер стаканчика с раствором кислоты 150 мл.

Этот генератор вырабатывал CO2 достаточно долго и стабильно, но его неудобно разбирать и невозможно выключить.

После экспериментов, я начал кое-что понимать, и научился кое-что рассчитывать. Пришло время создания безнапорного генератора углекислого газа, который сможет работать месяцами и который автоматически отключается вместе с освещением аквариума.

Циклический генератор CO2


автоматический циклический генератор

Описание циклического генератора перенесено на отдельную страничку

Циклический генератор CO2 для аквариума ►

2015-09

 

Чёрно-бело-синяя
      рыба смотрит на вас
Ауратус

Генератор на браге Сергей Колесниченко

Погружной генератор CO2 на сухих компонентах В.Ковалёв

Карбонатор

Википедия: пищевая сода, лимонная кислота

amania - как делать аквариум с растениями