Силикаты в аквариуме
Что такое растворённый кремнезём, откуда он попадает в аквариум, почему питает диатомовые, как его удаляют обратный осмос и анионообменные смолы и как его измеряет молибдатный тест.
Что означает «силикат» в воде
В аквариумистике «силикатом» называют растворённый кремнезём. В разбавленной воде кремнезём присутствует в основном в виде ортокремниевой кислоты H₄SiO₄, или Si(OH)₄, — очень слабой кислоты. Википедия приводит её первую константу диссоциации pKa₁ = 9,84 при 25 °C, а в патенте по водоподготовке указано, что при pH 9,7 кремнезём ионизирован лишь примерно наполовину. Поэтому в диапазоне pH большинства пресноводных и морских аквариумов растворённый кремнезём в основном не ионизирован. При высоких концентрациях кремниевая кислота полимеризуется и образуется коллоидный кремнезём; австралийское руководство по питьевой воде отличает эту коллоидную фракцию от растворимой, «молибдат-реактивной».
Результаты выражают либо как кремний (Si), либо как кремнезём (SiO₂). Австралийское руководство приравнивает 100 мг Si/л к 210 мг SiO₂/л, поэтому значение в пересчёте на SiO₂ примерно в 2,1 раза больше того же количества в пересчёте на Si.
Откуда берётся силикат
Водопроводная и скважинная вода
Главный источник — исходная вода. Кремнезём растворяется из горных пород и минералов, и его количество сильно зависит от геологии. В австралийских системах водоснабжения в 2019–2020 годах значения составляли от 0,6 до 90 мг SiO₂/л в Западной Австралии и от 11 до 104 мг SiO₂/л на Северной территории. Обследование водоносного горизонта Огаллала, проведённое USGS, выявило до 65 мг/л — необычно много для негеотермальных подземных вод — и связало это с аморфным кремнезёмом молодых отложений вулканического пепла. Австралийский эстетический норматив 80 мг SiO₂/л введён для ограничения накипи, а не потому, что кремнезём признан опасным для здоровья: в руководстве отмечено, что данных о вреде кремния из питьевой воды для человека мало.
Песок, стекло и силикон
Важна форма кремнезёма. Австралийское руководство указывает растворимость кристаллического кремнезёма около 6 мг SiO₂/л против 100–140 мг SiO₂/л для аморфного. Большая часть континентального и нетропического песка — кварц, кристаллическая форма диоксида кремния, устойчивая к выветриванию, тогда как тропические коралловые и арагонитовые пески состоят в основном из карбоната кальция. Контакт со стеклом может добавлять кремнезём в воду: колориметрический метод EPA США для определения кремнезёма называет загрязнение от стеклянной посуды помехой и требует реактивов, свободных от кремнезёма. Силиконовый герметик химически отличается от силиката: это силоксановый полимер (цепь –Si–O– с органическими группами) с низкой химической активностью, а распространённые ацетоксильные типы при отверждении выделяют уксусную кислоту. Ни один из использованных источников не документирует измеримого выделения силиката из отверждённого аквариумного герметика.
Связь с диатомовыми водорослями
Диатомовые — микроводоросли, клеточная стенка которых (панцирь, или фрустула) состоит из гидратированного диоксида кремния. При росте они поглощают растворённую кремниевую кислоту, и потребность в кремнии среди основных групп фитопланктона уникальна именно для диатомовых. В океане кремний часто первым из биогенных элементов заканчивается, и весеннее цветение диатомовых обычно прекращается из-за его нехватки. Таким образом, доступность кремнезёма напрямую определяет, какой рост диатомовых может поддерживать водоём.
В аквариуме диатомовые выглядят как бурая плёнка на стекле, грунте, оборудовании, листьях растений и декорациях; обычно они появляются в недавно запущенных аквариумах в первые недели и по мере созревания системы, как правило, вытесняются зелёными водорослями. Обычно описываемые меры — удаление плёнки сифоном, поедание её улитками, креветками и сомами-присосками, а также снижение силиката в воде для подмен.
Удаление: RO, DI и силикатсвязывающие наполнители
- Обратный осмос: в американском патенте на высокоэффективный обратный осмос указано, что обычные системы RO задерживают примерно 95–99 % кремнезёма. Кремнезём также создаёт риск отложений на самих мембранах.
- Деионизация: слабые кислоты, такие как кремниевая и угольная, удаляют только сильноосновные анионообменные смолы (SBA) в гидроксидной форме; слабоосновные аниониты кремнезём не удаляют. Прежде чем смола сможет его обменять, кремнезём должен деполимеризоваться, раствориться и ионизироваться, поэтому промышленная регенерация смол SBA проводится с увеличенным временем контакта и при повышенной температуре.
- Обратный осмос с последующей деионизацией на смешанном слое — стандартный промышленный путь получения воды высокой чистоты: RO служит предварительной очисткой, а DI — финишной доочисткой.
Фильтрующие наполнители «для удаления силикатов», продаваемые для аквариумов, используют ту же химию, что и водоподготовка. В исследовании 2014 года в журнале Desalination проверяли предварительное удаление кремнезёма перед RO: гидроксид алюминия удалял почти весь молекулярно растворённый кремнезём (оставляя некоторое количество алюминия и алюмосиликатных коллоидов), а смола SBA — до 94 %. В качестве осадителей испытывали также гидроксид железа и силикагель. Как и любой ионообменный или адсорбционный слой, такие наполнители имеют ограниченную ёмкость и перестают работать после насыщения.
Измерение силиката
Большинство тестов основано на молибдатной реакции. В кислом растворе кремниевая кислота и силикат реагируют с молибдатом, образуя жёлтый кремнемолибденовый комплекс, окраска которого пропорциональна содержанию кремнезёма. Метод EPA 370.1 с жёлтым комплексом охватывает 2–25 мг/л; при концентрациях ниже 1 мг/л комплекс восстанавливают до более интенсивной гетерополисини. Метод измеряет только молибдат-реактивный (растворённый) кремнезём, но не коллоидные формы; для общего кремния лаборатории используют ICP-спектрометрию с пределами отчётности около 0,05–0,5 мг/л.