海水缸中的沸石应用.docx

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海水缸中的沸石应用

海水缸中的沸石应用

一.沸石（zeolite）简介

形成沸石的原因有十几种，不同的生成环境所产出的沸石种类也不尽相同

沸石的成因很复杂，大部分是经由火山所喷出的沉积岩，因沉积岩中的有机物被液化或汽化而产生微细的孔洞

这些孔径的的大小正好又与一般有机分子相当，因此具备对有机分子的吸附性

沸石的另一项特色是由铝硅酸盐等成所组成的矿物，并且对阳离子具有吸附性

为什么沸石能具有离子交换功能呢？

最主要的关键是其成分中有AlO4，多了一个O原子，因此会带-1的价数

因此沸石中会有些Na+,K+,Ca++等碱金属来抵销使其成电中性

（带有较多Na+的称为钠沸石，Ca+称为钙沸石以此类推）

而这些沸石中的金属元素在水中极易被其他金属离子所取代

要有什么样的条件会取代这些元素呢？

这与沸石离子交换的优先级及离子浓度有关

因为AlO4带的是-1价因此对阳离子的交换顺序以Cs+,Rb+,NH4+,K+,Na+正1价离子排前面，且较大的离子较优先

然后才交换Ba++,Sr++,Ca++,Mg++的正2价离子

所以当沸石中的游离金属以Na+存在时便会与水中的Cs+,Rb+,NH4+交换

如果是以Ca++存在时就会与水中的Cs+,Rb+,NH4+,Ba++,Sr++作交换 

但是当水中某离子浓度很高时，则能形成逆向交换，因此沸石一般是可还原的

不过因为全世界的沸石产量实在多的不像话，甚至在有些国家所有的石头都是沸石

且目前沸石有50%以上是用于制造水泥，可见其普遍的程度

因此还原沸石虽环保却不经济

二.沸石的应用

由简介中可知，沸石有化学的离子交换特性及物理的吸附特性

离子交换的特性通常会化除水中的Cs+,Rb+,NH4+,K+等而水中的Na+,Ca+等则会增加的

在海水中可使用钾沸石或钠沸石来限制其离子交换的范围，也是最常被使用的，对NH4+也具有较高的交换力

沸石的物理吸附性比较单纯，沸石的孔径多在1nm（奈米）以下，但是每一种的沸石的孔径又不太一样

因此每种沸石的吸附对象与吸附总量并不相同，在海水的应用中最好是能混用多种沸石

沸石能吸附哪些物质呢？

前面已经提过，沸石的孔径约在1nm以下，而分子的最小直径约0.28nm

因此沸石所能吸附的就是在0.28nm-1nm之间的所有分子，包括有机、无机的分子

不过因为每种沸石的孔径不一，吸附的峰值各不相同

常见在水中能被吸附的像是甲醇、氨等较小的分子都是其吸附范围

这些物质大部分都是蛋白、活性碳的处理范围以外的物质

蛋白、活性碳所能处理的物质沸石也都无法处理，两者其实是各司其职

因此沸石在海水中的应用能大大的延缓水质的老化

沸石到底能吸附多少东西呢？

这要从几个方面来探讨

第一是吸附总量，越轻的沸石表示其中的孔径越多，所能吸附的量自然比较多

沸石的密度界于1.92g/（cm）3-2.88g/（cm）3，一般来说密度小的吸附量最多

沸石的吸附量几乎都在其重量的50%以上

也就是说放1kg的沸石在水中所能吸附的物质高达500g以上

如果缸中的蛋白处理了90%的废物，剩余的废物都交由沸石处理，那1kg的沸石大概就能处理约10罐500g的饲料的喂食量

有可能吗？

NO！

因为还牵涉到第二个问题

沸石的吸附总量虽高，但是不同的孔径处理不同的物质

1kg的沸石最多约能处理到15g的有机氮素，50g的有机碳素，这两者也是沸石对水质处理有贡献的地方

由此可知沸石虽能吸附500g的物质，但是在水族缸中大概只能发挥其中的一成

也许你会问，这一成还是很可怕，1kg沸石处理1罐500g的饲料废物

有可能吗？

NO！

还有两项问题有很大的影响

首先是沸石粒径的问题，小粒径的沸石能比大粒径的吸收的更快更多

也就是说越小的粒径越能发挥沸石的性能，但是粒径过小吸收太快会造成很严重的问题

因此在应用中不宜过小

另一个问题是沸石表层会有菌类附着，这些菌类虽能辅助处理废物

但是却也会堵住沸石表层的孔径，以致内部完全无法发挥

因此如果超过3,4天没清理沸石，则沸石所能发挥的功能将变的极小

能清理的越干净是越好，如果没有好清理的沸石桶，拿出来用手洗净也是不错的方式

也许你会问，要怎么清除孔洞中的菌类，不用担心，这么小的孔洞任何生物都钻不进去，只会生长在表层

在选择了适当的沸石粒径及规律的清理工作后，沸石所能吸附的物质还有多少呢？

这应该是没有标准答案，运作好一点的1kg沸石处理半罐250g的饲料废物没什么问题

我们再来比较一下沸石的离子交换量与吸附量的差异

沸石的离子交换量除了前述因性质不同会影响其交换内容物及交换量外

沸石的孔径大小也会影响其离子交换，能进入孔隙的才能被交换

且相同size的离子会在孔隙中竞争交换

到底其交换量有多少呢？

其实1kg的沸石顶多只能交换约5g的阳离子

例如在1000L的缸子中放入1kg的沸石其所影响的阳离子浓度约在5ppm以下

由此可知沸石的离子交换能力在海水应用中并不会造成离子不平衡

沸石种类虽多，但差异都是在其离子交换的功能上，物理上的吸附功能基本上是相同的

三.沸石应用的好处

1.维持相当低水准的NH3,NH4+浓度

海水生物最佳的生活条件是NH3+（NH4+）<0.02ppm以下

传统的过滤方式如活砂、活石、底砂过滤能建立这样的环境

如果要再降的更低就得靠沸石了，这在SPS的饲养上特别重要

2.减少无机盐的产生

这一点应该不难理解，少了有机废物，自然就不会产生无机废物

3.避免海水素中含量过多的金属元素

海水素在制作的过程中要将一些金属元素像Rb+,Cs+等降到天然海水的标准是不可能的

NH4+一般也都偏高，沸石可以很迅速的吸收这些物质

不过海水素的Fe就没办法，因此太常换水的结果就是Fe易偏高喔！

4.维持DOC,DON,DOP的平衡

天然海水中的有机碳（DOC）,有机氮（DON）,有机磷（DOP）其浓度比约在100:

16:

1

DOC的平均浓度约1PPM来说，DON,DOP由这个比值可以轻易算出

动物性生物体中的C,N,P比值P会比平均值高

植物性生物体则相反，因此得到这样的比值

一般缸子要维持这样的比值并不容易

如果都是喂以动物性饲料则水中DOP易偏高，反应出来就是PO4偏高

全部以植物性饲料为主则DON偏高，反应出来是NO3不易降

如果设有藻缸，其结果也是缸中的PO4比值越来越高

沸石的吸附功能帮助这平衡的达成

尤其是在一个较为稳定的系统中

这个比值越稳定则缸中的微生物会维持的很健全

珊瑚自然会还以颜色

5.增加水族缸透明度

沸石虽没活性碳的除色能力

也不太容易除去色素分子或微粒

不过因为减少了有机溶解物，让水色自然澄清

6.可以吸附过多的添加剂，绝佳的缓冲区

添加剂中的养分一般都相当高，常见的钙、镁等添加剂一样也相当高

在添加这些物品前，可以先将沸石桶关闭，直接倒在沸石桶中

7.天然的脱色剂 

清理沸石时，所磨插产生的沸石粉伴随一些菌类被水螅体摄食后

会产生脱色效果，尤其在稳定生长的缸中最明显！

沸石的脱色原理是因为沸石粉在被水螅体摄食后，其中的食物被消化后所产生的毒素能被沸石微粒迅速吸收，并排出珊瑚体外，共生藻少了很多有毒氮素来源，数量上自然不会太多，且对珊瑚体本身也会比较健康。

四、辅助系统

1.纯有机碳的供给

缸中被生物分解或未分解的某些有机物并非沸石所能处理

在缸中增加纯有机碳的浓度，则能让生物更快将其分解成蛋白、活性碳、沸石所能处理的形式

另外缸中还是很难避免的会产生无机的营养盐（NO2,NO3,PO4等）

通过纯有机碳的供应也可以加速被生物给分解

所谓的纯有机碳必须是不含氮与磷的有机物（醇类）

如果是添加含有机碳与氮则磷的含量会渐渐变少（胺类），有些市售的商品就是运用这原理除磷

前提是这个有机氮分子必须>1nm，否则会被沸石吸附

另外这两者添加过量都会导致泥藻泛滥，特别是后者

2.过滤器

过滤器的设计及水流量的大小对沸石性能的发挥占有决定性的影响

前文中有提到沸石必须经常清理才能发挥其性能

因此过滤器最好具备能清洗的功能，且清洗时沸石能滚动越激烈越好 

水流量越大水中废物存在水中的temptime会比较短

但是过大的水流会影响沸石吸附及交换的效率

太小的水流在推拉过滤器时沉积物不易被洗出，反而成为藏污纳垢之处

一般来说过滤器管径在15cm时配上约2000-2500L/h的马达

13cm管径配上1500-2000L/h的马达，10cm管径配上600-1000L/h的马达

如果缸中原来的养份高，可先以小马达来推，等到系统稳定后在配上合适的马达

这样可以大大减缓过度期缸中生物的不适应

3.蛋白过滤器

skimmer对养份的排除占有绝对关键的角色

效果的差异从收集杯中的污物，及缸中养份的多寡就可看出

沸石过滤在没有蛋白机下依旧可以可以运作，只是沸石寿命会很短

不过在有机碳原添加后最好能有蛋白机制造溶氧

不然阵亡率应该不低

五、沸石过滤搭配之系统

沸石系统除了应用在底砂过滤、滴流过滤不适合外，其他任何系统都能表现良好

如果是旧系统开始采用沸石过滤，必须经过较长的过度期

因为沸石吸收养分后，缸中既有的微生物大部分都会抢不到食物而死亡

因此越依赖生物过滤的缸子越需要时间来搭配沸石系统

六、沸石用量

沸石的用量远比过滤器的水的流量影响小

最主要是影响使用的寿命

一般来说大粒径的沸石（像zeovit,Mr.Aqua）可采用厂商推荐量即1L沸石用在400L的水中

小粒径的则可减半使用，不减半也无所谓

粒径过小不建议采用，因为会影响水流量

七、使用沸石后应注意事项

1.在沸石使用一阵子以后，养分渐渐减少，如果是在喂食量少的缸子，因为input太少，而output却不断，如果发现珊瑚的颜色已经变的很淡就得慢慢增加喂食量，不然就会开始面临底部白化，完全失去共生藻等状况，切忌突然增加的大量喂食，这样的行为会导致系统无法负荷！

循序渐进的喂食可以让珊瑚颜色亮丽很多更接近自然的颜色，而在喂食量提升后要在反过来量测水质，如果养分提高就得跟着提高有机碳的补给或是考虑提升沸石过滤器的流量，并提高清理沸石的频率，养份的减少与喂食两者必须达到平衡。

2.第二点是要探讨提高喂食量后的问题，因为食量提高后，珊瑚的组织变厚，此时对光线、水流的需求会跟着提高，因为珊瑚获得食物后能释放更多的氮素等养分供共生藻利用，共生藻的数量即使在低养分的缸中依然会增加，此时对光线的需求必然是增加的，水流则是提供珊瑚更多的氧气以供新陈代谢并排除废物。

如果没做改善，也许会发现状况反而走下坡，也许不会因为本来的条件可能已经充足了，最好根据珊瑚生长的状况做些调整。

3.新缸使用沸石应有的观念：

新缸中因为活石活砂所释放出的有机溶解物、硅酸等比起稳定的缸子要多上数千、数万倍之多，要沸石完全吸收这些废物并不可能，必须配合微生物的处理、藻类的吸收、适当换水等才能将养水时期所产生的毒素化除，当然每个缸子状况不太一样，所需期间也差异很多，一般来说使用沸石的系统至少养水两个月再开始慢慢进些生物、软件来饲养会比较保险，如果缸中砂石的比例高就需要更久的时间，使用纯活砂、纯活石至少也需要两个月的时间会比较理想。

4.不要误解沸石的角色：

沸石在缸中所扮演的角色到底是什么呢？

其实沸石能处理的都是一些低分子量的物质，这些物质的特性是毒性较强，并非生物直接产生，大部分是经由微生物分解后的物质，因此沸石在过滤系统中扮演的是最后一道防线，如果拦不住，不是产生毒害就是会被分解成无机盐类（NO2,NO3,PO4等），前者的后果很惨，后者则会制造麻烦。

另外很多人误以为沸石能吸附NO2,NO3,PO4等是错误的观念，这些都是属于阴离子，沸石完全不会吸收。