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