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水槽用化学反応式CO2発生装置の運転ノウハウなどー続編

このところあれこれ忙しくて、電子工作をやっている余裕が無くなっています。そんなことで書くネタが無いので、水草水槽用のCO2発生装置の話で繋いでおきます。なお、以前にこの装置の運転ノウハウなど、という記事を書いているので、今回のはその続編ということになります。

この CO2 発生装置の運転を始めて半年以上経ちました。CO2ガスの発生部の構造はこの記事のあたりで解説。その間に色々な改良を加えて、内容は逐次記事で紹介してきました。今回は運転ノウハウなど、電子工作以外の話を紹介したいと思います。大きくは、重曹のチャージ方法と、気泡発生用のストーンに関する話の二つです。

◆重曹のチャージ方法
化学反応式では重曹にクエン酸を加えて CO2 (二酸化炭素) を発生させます。そのあたりの話はあちこちの Web に書いてあるので説明は省略します。これを実際に長期間動かしてみると、途中で反応の応答速度がだんだんと落ちてきて、CO2 の発生量が低下する現象が発生します。クエン酸の供給量は一定なので同じペースで CO2 が発生して欲しいのですが、時間が経つと反応が起きにくくなる現象が起こります。

以下重曹ボトルの状態で説明していきます。

▼クエン酸を滴下
20190602StopReaction.png
これは最初にやった状態で、クエン酸を上から滴下しています。この構造だと、クエン酸のボトルに重曹が逆流する恐れが無くなるので安心です。但し、この構造では10日くらいで反応が起き難くなりました。原因は原料や反応生成物の比重差で、材料がうまく混ざらないためだと思われます。機械的に攪拌すれば解決出来ますが、それでは大掛かりになってしまします。

そこで次のように改良しました。

▼J字管を重曹に埋める
20190602StopReaction2.png
重曹のスラリー中にクエン酸の供給パイプを埋め、発生する CO2 の泡で攪拌されるようにしました。

これでかなり良くなったのですが、それでも20日くらい経つと反応速度が低下してきて、クエン酸が注入されているのにもかかわらず、CO2 の泡がほとんど発生しなくなりました。

その状態が右の図です。運転に伴い重曹のスラリー表面には漏斗状の窪みが出来ます。ちなみにその傾斜角は安息角になっているのだと思います。ともかく、その窪みの底が J字管の先端に達すると、気泡による重曹粉末の攪拌現象が起きなくなってしまうようです。

▼J時間の先が露出した様子
20190602IMG_8791-001.jpg
これは実際の容器の様子で、見づらいですが、すり鉢状になった重曹スラリー底にJ字管の先が見えています(黒く見えている部分)。こうなると反応の応答速度が落ちてしまいます。

これでは制御の応答速度が悪くて、朝になって CO2 の発生を開始してもなかなか圧力が上がらない、などの問題が発生します。

ということで、改良したのが次の図です。

▼重曹の量を思いっきり増やす
20190602StopReactSolution.png
重曹の量を思いっきり増やして、長時間運転しても J字管の先が露出しないようにしました。この状態にしたのは、1週間くらい前でまだ効果の確認まで出来ていないのですが、たぶんうまくいくと思います。

反応に必要な重曹とクエン酸の量は、反応式から正確に求めることが出来ます。でも現実には、上記のような現象が発生するので、重曹はかなり多めにチャージしておくことが必要ということです。余分に入れた重曹は、いわゆゆる「死に容量」になってしまいますが、まあ安いから問題無いと思います。重曹ボトルを再チャージする時は上澄み液だけ捨て、そこに適当に重曹を補充するだけで済みます。

要は、重曹をいっぱい入れておいて CO2 の発生量はクエン酸の注入量で決まる状態にしておく。更に重曹はJ字管の先が露出しないようにたっぷり入れておくということです。

▼重曹の入替え(補充)作業
20190602IMG_8795-001.jpg
量は適当で良いといっても、一応 「はかり」 で計量しながら補充しています。ちなみに重曹はダイソーで 500グラム入りが 108円で手に入ります。

▼補充後のボトル
20190602IMG_8796-001.jpg
左が重曹のボトルで、ご覧のように重曹がたっぷり入っています。一方で水は重曹の上、約10mmくらいの深さになる量しか入れていません。ちなみに、その右がクエン酸のボトル。右に少しだけ見えているのは、900cc のペットボトルです。ここにクエン酸溶液をまとめて作っておいて、すぐに使えるようにしています。

化学反応式では圧力が低いのでストーンは重要です。いろいろ試行錯誤した結果、良さそうな物が出来たので紹介します。構造としてはメラニンスポンジ(激落ち君)をシリコンチューブに詰め込んだ物です。但し先端を下図のような形にカットします。

▼自作CO2ストーン
20190602StoneMeranin.png
要は、先端角が約120度になるように四角錘(ピラミッド状)にカットします。この図では先端が平らになっていますが、実際にはててっぺんをカットしなくても、自然に鈍角になります。

ストーン中の気体は少しでも圧力の低い所、つまり水深の浅い場所からから出て行こうとします。この図のような形にしておくと、気泡はストーンの先端から出るようになって、細かい気泡が安定して出るようです。ちなみに、ここをスパッと輪切りにすると、チューブとメラミンスポンジの境界から泡が出ることが多くなり、大きな泡になり易かったです。

ちなみに、スパッと切ったストーンの製作記事はこちら

▼気泡の発生状態
20190602IMG_8804.jpg
いい感じです。1ケ月以上経ってますが、細かい泡が出続けています。

◆まとめ
ということで、水草水槽用の化学反応式 CO2 添加装置の運転ノウハウでした。ちなみに、この CO2 添加装置は一回チャージすると40日くらいは動き続続けるので手がかからなくて具合が良いです。

製作した CO2 発生装置には下の写真のような圧力のグラフ表示機能があります。
圧力変化グラフ
運転しているといろいろな要因で圧力が変動します。ということで、グラフ表示があると状態が把握し易くなります。
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