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水槽用の反応式炭酸ガス発生装置の検討

 水草水槽の話の続きです。

 発酵方式のCO2発生装置を作って水草の育成に効果があることは確認したのですが、発酵タンクのメンテナンスが面倒です。手っ取り早いのは液化炭酸ガスカートリッジを使う方法ですが、かなりの費用が掛かるので、たった2リットルの水槽にはやり過ぎです。

 そんなことで、反応方式のCO2発生をやってみることにしました。私が考えている方式にするためには、少し特殊な部品が必要なので、それが到着するまでの間に化学反応式を検討しておきます。

▼反応式CO2発生で使う原料
クエン酸と重曹
 100円ショップ(ダイソー)で買ったクエン酸と重曹(炭酸水素ナトリウム)で、クエン酸は200g、重曹は350g入っています。なお当然ですが、食品用グレードではありません。
 学校で習った二酸化炭素の発生方法は、石灰石に希塩酸をふりかけます。でも塩酸を普通の家で使うのは危ないので、クエン酸と重曹を使うのが定石のようです。

 反応方式の場合、どういう原料が必要になるのか計算しておきます。

◆関係物質の特性値
・名称           、化学式、 モル重量、 溶解度( /100cc)、 比重(g/cc)
・クエン酸(無水)    、 C6H8O7,  192g/mol,  73g,  1.67
・炭酸水素ナトリウム 、NaHCO3,  84g/mol,  9.6g,  2.2
・クエン酸3ナトリウム 、Na3C6H5O7,  258g/mol,  42.5, 1.7
・水            、,H2O,  18g/mol,  ∞,  1
・二酸化炭素、     、CO2,  44g/mol,  0.145g,  0.001977
 溶解度の値は水溶液にする時に必要になります。

◆反応式
クエン酸 + 炭酸水素ナトリウム → クエン酸3ナトリウム + 水 +炭酸ガス
C6H8O7 +  3NaHCO3       →  Na3C6H5O7   + 3H2O + 3CO3

これを1モル当たりの質量(グラム)で表すと
 192 + 3*(84) → 258 + 3*(18) + 3*(44)
 192 + 252   → 258 + 54 +132
     444      →    444

 クエン酸192グラムから炭酸ガスが132グラムが発生することが判ります。生成物のクエン酸3ナトリウムには炭素がまだ6個残っているので、これを酸化させることが出来れば、もっと二酸化炭素が作れそうですが、安全で簡単な反応ではなくなるのでしょう。なお、炭酸水素ナトリウム(重曹)は反応に充分な量を準備しておくものとします。

 液化炭酸ガスカートリッジに入っているガスは、1本当たり74gくらいなので、それと同じくらいの量が反応方式でも出来そうです。

◆反応容器の方式
 反応式は確認出来ましたが、これをどういう容器を使って反応させるかが問題です。調べてみると、大きくは以下の二つの方法があるようです。
1)クエン酸の水溶液を重曹と水の混合物に少しづつ注入する。注入には反応ガスの圧力を使う。
2)丈夫な金属容器の中で一気に反応させて高圧の炭酸ガスを作り、それを絞って少しづつ使う。

 ネットを検索すると1)項の事例がいっぱい出てきます。この場合のガス圧のソースは、最初に手動で反応させた炭酸ガスの圧力を使う方法と、エアーポンプを使う方法があるようです。
 エアーポンプを使う場合は水槽のバブリング用のポンプを使うようです。このポンプをオフにすることで、夜間に炭酸ガスの発生を止めることが出来るというメリットがあります。でも、昼間はずっと加圧用のエアーポンプを動かすことになるので、あまりスマートではありません。

 2)項の方法は判り易いですが、丈夫な容器が必要になるのでどうしても値段が高くなります。そもそも、これを素人が作るのは無理です。

◆やってみたい方式
 そんなことで、ネットを探しても答えはありませんでした。

 でも、チューブポンプを使って重曹のスラリーに、クエン酸の水溶液を送り込む方式を使えば行けそうな気がします。チューブポンプはある程度の吐出圧があるので、炭酸ガスで圧力の上がったタンクへ溶液を送り込むことが出来るはずです。何しろ、この方法は誰もやった事が無いようなので、面白そうです。

 そんなことで、チューブポンプをアマゾンで発注しておいて、それが届くまでの間にゆっくり反応式を確認していました。ところが、予想より早く、今日そのポンプが届きました。

▼チューブポンプ
チューブポンプ
 アマゾンで1000円くらいで買ったポンプです。これをArduino で精密にコントロールして、クエン酸の水溶液を重曹タンクに送り込んで炭酸ガスを発生させる予定です。さて、どうなるか、、
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CO2

いつも楽しい話題をありがとうございます。
分野の違う技術者として、勉強になります。
今回、CO2について1回のブログなら無視しようと思いましたが、2回目と他の方のコメントを見て、違った視点でのコメントも必要かと思い、初めてですが、コメントさせて頂きます。
本来CO2は世界中で問題のガスで、石油関連からも製造過程で排出される副生ガスと言われる、不要なガスです。
日本では、ボンベに詰め直して販売やドライアイスとして、販売されております。一応日本のCO2排出ガス量にカウントされている様です。
小さいボンベ等に詰め替えた物など、出所の怪しい商品もありますが、出来た物はしょうが無いので、消費するしか無い状況です。
これ以上の発生は、技術者としては、抑えるべきと考えられますので、やはり市場のCO2を消費する事を考える方が得策と当方は、考えます。
いきなり、辛口コメントですみません。

やはり、空気のエアレーションで十分だと思います。

今回購入したポンプで制御して「空気だけ」を「エアーレーション」すれば水草とシュリンプが順調に成長するに足るだけの二酸化炭素と酸素が補充されると思います。

水草は光が十分あれば二酸化炭素を利用して光合成をおこないますが、夜間には酸素と二酸化炭素を取り込んで成長します。水草やシュリンプが成長するためには酸素が必須です。
ですから、二酸化炭素だけを過剰に供給することは酸素とのバランスの面から考えても何らかの害があるのではないかと考えます。

水に対する二酸化炭素の飽和溶解度は約0.5mg/1L(@25℃)しかありませんから、それを超えるガスは空気中に出てしまうことになります。

前記事で「バブリングで二酸化炭素が減少する」という情報が有るとのことでしたが、化学系を卒業した身として気になるので色々調べてみました。
ラジオペンチさんが見た情報の測定条件など未知ですが、私として行きついた結論は「水温上昇により二酸化炭素の飽和溶解度が減少したため」ではないかということです。

参照した記事の例
http://www.geocities.jp/acaradisco55/Taikou/science1.html

re:CO2

懐古親父さん、今晩は。コメントありがとうございます。

そうですね、無駄な炭酸ガスの発生・放出は避けるべきですね。ただ、趣味で使う程度の量なら許して欲しと思います。

プラントで回収された液化炭酸ガスの使用をお勧めされていますが、緑色のボンベならともかく、水槽用の炭酸ガスカートリッジは使い捨ての容器に入っているので、その製造/廃棄にかかわる環境コストは大きいと思います。

re:やはり、空気のエアレーションで十分だと思います。

mytoshi さん、今晩は。

そうですね、アクアリウム関係の情報には、たまにえっと思う情報がありますが、私の記事に書いている内容の多くはその受け売りです。
ちなみに、私が確認しているのは、炭酸ガスを添加すると水草の元気が良くなることだけです。

確かにエアレーションすると炭酸ガスが抜けるというのも変な話しですが、これが定説になっているみたいです。(酸素濃度を上げる効果なのかも知れません)

ちなみに、私は「水草水槽 炭酸ガス」で検索していて、以下のようなページを見ています。
https://mizukusasuisou.com/qa3-21

ブログで記事を書いている以上、自分で確認したことと、ネットで得た情報は出来るだけそうと判るような書き方をした方がいいみたいですね。電子回路なら私の得意分野ですが、アクアリウムとなると知らないことだらけですし。

No title

チューブポンプで滴下して ってのが、面白いと思います。

粉と液の反応で発生するガスを集めるというのは、なかなか難しいものでして、私も昔、思いついて、いろいろ試したのですが、断念したことがあります。

密閉容器の中に滴下すると圧があがって、液体側のポンプが逆流しちゃうんですよ。
圧を上げないように、ビニル袋に貯めるようにして とか、いろいろやったんですが、ガスを買った方が安い みたいなことになって(笑) 

その辺の問題を、ラジオペンチさんは、どうするのか? 興味津々です。

効率的に溶かすための素案

発生させた二酸化炭素を、ストーンから放出したあと、普通はそのまま浮かんで行って、水面から放出されてしまうかと思います。

これをそのまま逃がさずに、長く水中にとどめられないかなぁ?と考えました。

「お猪口」を上下ひっくり返したような形状のものを、水中に配置しておいて、その中に向けて二酸化炭素を供給すれば、長時間水中に留まって、効率的に水に溶けるのでは?などと考えました。(水中置換法みたいな感じ)

ただ、小型で都合の良いものがあまり思い浮かばなかったので、3Dプリンタとかで作らないといけないかなぁ?と…
(もしかしたら、市販品でもそういう器材はあるのかもしれませんが)

チューブポンプをArduinoで制御っていうのは、面白そうですね。

SGさん、おはようございます

発生した炭酸ガスの圧力に負けないでクエン酸を入れるのがやっかいですが、チューブポンプなら押し込めると思いました。

いたずらで、シリンジに水を送り込んでみましたが、けっこうな力が出るので面白かったです。水力アクチェーターとして使えるかもです。

re:効率的に溶かすための素案

nekosan さん、おはようございます。

お椀を逆にしたような物に炭酸ガスを溜めて、拡散時間を稼ぐ手ですか、面白そうですね。

Arduinoでチューブポンプを制御するといろんなことに使えるのでは、と思います。

No title

どのように考えても、その方法は・・・ベストではないと思う。
観賞魚の飼育で一番困るのは、水槽のガラスに緑色の藻がついて中の魚が見えなくなり、皆掃除に困っているのが現状。

それを、わざわざガラスに緑色の藻を付けるなんて、本末転倒だと思う。魚が見えなくなる!。鑑賞の意味が無い。

普通エアレーション(空気を吹き込む)は行わない。
水をフイルターで濾過するのみ(循環ろ過)。
その場合でも、空気中の酸素、炭酸ガスを取り込んでいる。
空気が動くので、、、動かなくても接触すれば少しは溶け込む。
フイルターが詰まれば交換か水洗いして何度も使う。

鑑賞が目的か、飼育が目的か、生き物の繁殖が目的かによってベストな方法を選べば、、、。

jyoさん、

はい、私が考えてベストな方法を選んでます。
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