Силікати в акваріумі

Що таке розчинений кремнезем, звідки він потрапляє в акваріум, чому живить діатомові, як його видаляють зворотний осмос і аніонообмінні смоли та як його вимірює молібдатний тест.

Що означає «силікат» у воді

В акваріумістиці «силікатом» називають розчинений кремнезем. У розведеній воді кремнезем присутній переважно у вигляді ортосилікатної кислоти H₄SiO₄, або Si(OH)₄, — дуже слабкої кислоти. Вікіпедія наводить її першу константу дисоціації pKa₁ = 9,84 за 25 °C, а в патенті з водопідготовки зазначено, що за pH 9,7 кремнезем іонізований лише приблизно наполовину. Тому в діапазоні pH більшості прісноводних і морських акваріумів розчинений кремнезем здебільшого не іонізований. За високих концентрацій кремнієва кислота полімеризується і утворюється колоїдний кремнезем; австралійський посібник з питної води відрізняє цю колоїдну фракцію від розчинної, «молібдат-реактивної».

Результати виражають або як кремній (Si), або як кремнезем (SiO₂). Австралійський посібник прирівнює 100 мг Si/л до 210 мг SiO₂/л, тому значення в перерахунку на SiO₂ приблизно в 2,1 раза більше за ту саму кількість у перерахунку на Si.

Звідки береться силікат

Водопровідна та свердловинна вода

Головне джерело — вихідна вода. Кремнезем розчиняється з гірських порід і мінералів, і його кількість сильно залежить від геології. В австралійських системах водопостачання у 2019–2020 роках значення становили від 0,6 до 90 мг SiO₂/л у Західній Австралії та від 11 до 104 мг SiO₂/л на Північній території. Обстеження водоносного горизонту Огаллала, проведене USGS, виявило до 65 мг/л — незвично багато для негеотермальних підземних вод — і пов'язало це з аморфним кремнеземом молодих відкладів вулканічного попелу. Австралійський естетичний норматив 80 мг SiO₂/л запроваджено для обмеження накипу, а не тому, що кремнезем визнано небезпечним для здоров'я: у посібнику зазначено, що даних про шкоду кремнію з питної води для людини мало.

Пісок, скло та силікон

Важлива форма кремнезему. Австралійський посібник вказує розчинність кристалічного кремнезему близько 6 мг SiO₂/л проти 100–140 мг SiO₂/л для аморфного. Більша частина континентального й нетропічного піску — кварц, кристалічна форма діоксиду кремнію, стійка до вивітрювання, тоді як тропічні коралові та арагонітові піски складаються переважно з карбонату кальцію. Контакт зі склом може додавати кремнезем у воду: колориметричний метод EPA США для визначення кремнезему називає забруднення від скляного посуду завадою і вимагає реактивів, вільних від кремнезему. Силіконовий герметик хімічно відрізняється від силікату: це силоксановий полімер (ланцюг –Si–O– з органічними групами) з низькою хімічною активністю, а поширені ацетоксильні типи під час затвердіння виділяють оцтову кислоту. Жодне з використаних джерел не документує вимірюваного виділення силікату із затверділого акваріумного герметика.

Зв'язок з діатомовими водоростями

Діатомові — мікроводорості, клітинна стінка яких (панцир, або фрустула) складається з гідратованого діоксиду кремнію. Під час росту вони поглинають розчинену кремнієву кислоту, і потреба в кремнії серед основних груп фітопланктону унікальна саме для діатомових. В океані кремній часто першим з біогенних елементів закінчується, і весняне цвітіння діатомових зазвичай припиняється через його нестачу. Отже, доступність кремнезему безпосередньо визначає, який ріст діатомових може підтримувати водойма.

В акваріумі діатомові мають вигляд бурої плівки на склі, ґрунті, обладнанні, листі рослин і декораціях; зазвичай вони з'являються в нещодавно запущених акваріумах у перші тижні і в міру дозрівання системи, як правило, витісняються зеленими водоростями. Зазвичай описувані заходи — видалення плівки сифоном, поїдання її равликами, креветками та сомами-присосками, а також зниження силікату у воді для підмін.

Видалення: RO, DI та силікатозв'язувальні наповнювачі

Зворотний осмос: в американському патенті на високоефективний зворотний осмос зазначено, що звичайні системи RO затримують приблизно 95–99 % кремнезему. Кремнезем також створює ризик відкладень на самих мембранах.
Деіонізація: слабкі кислоти, такі як кремнієва та вугільна, видаляють лише сильноосновні аніонообмінні смоли (SBA) у гідроксидній формі; слабкоосновні аніоніти кремнезем не видаляють. Перш ніж смола зможе його обміняти, кремнезем має деполімеризуватися, розчинитися та іонізуватися, тому промислову регенерацію смол SBA проводять зі збільшеним часом контакту та за підвищеної температури.
Зворотний осмос з подальшою деіонізацією на змішаному шарі — стандартний промисловий шлях отримання води високої чистоти: RO слугує попереднім очищенням, а DI — фінішним доочищенням.

Фільтрувальні наповнювачі «для видалення силікатів», що продаються для акваріумів, використовують ту саму хімію, що й водопідготовка. У дослідженні 2014 року в журналі Desalination перевіряли попереднє видалення кремнезему перед RO: гідроксид алюмінію видаляв майже весь молекулярно розчинений кремнезем (залишаючи певну кількість алюмінію та алюмосилікатних колоїдів), а смола SBA — до 94 %. Як осаджувачі випробовували також гідроксид заліза та силікагель. Як і будь-який іонообмінний чи адсорбційний шар, такі наповнювачі мають обмежену ємність і перестають працювати після насичення.

Вимірювання силікату

Більшість тестів ґрунтується на молібдатній реакції. У кислому розчині кремнієва кислота та силікат реагують з молібдатом, утворюючи жовтий кремнемолібденовий комплекс, забарвлення якого пропорційне вмісту кремнезему. Метод EPA 370.1 з жовтим комплексом охоплює 2–25 мг/л; за концентрацій нижче 1 мг/л комплекс відновлюють до інтенсивнішої гетерополісині. Метод вимірює лише молібдат-реактивний (розчинений) кремнезем, але не колоїдні форми; для загального кремнію лабораторії використовують ICP-спектрометрію з межами звітності близько 0,05–0,5 мг/л.