Réacteur à carbonate de sodium (calcaire)

Dr. Sanjay Joshi
http://wimpy1.psu.edu/aquarium/180G.html

Bien que les réacteurs à calcaire existent depuis un certain temps, j'en ai vu un pour la première fois il y a environ deux ans lorsque Jeff Turner d'"Exotic Aquaria" m'a montré une cassette d'aquariums récifaux allemands. Certains d'entre eux utilisaient ces appareils pour maintenir le niveau de dureté carbonatée dans leur aquarium dominés par des coraux durs à petits polypes (Coraux SPS).

J'étais très intrigué par l'idée d'utiliser un réacteur, puisque je menais un combat perdu pour maintenir le taux de calcium et d'alcalinité dans mon bac de 700 litres à l'aide de l'eau de chaux. Non seulement cet appareil semblait avoir le pouvoir de résoudre mon problème; cela avait l'air d'un rêve pour aquariophile averti flémard comme moi. Ne plus ajouter et préparer de l'eau de chaux tous les jours;plus de tracas à essayer d'augmenter l'évaporation et d'ajouter de l'humidité et d'autres tracas dont je suis sûr que vous êtes au  courant

Avant de rentrer dans les détails du réacteurs, regardons d'abord comment cela fonctionne. L'idée de base du réacteur est l'inversion du processus de calcification. Un substrat de carbonate de calcium est dissous par de l'acide carbonique ( généré par l'injection de CO₂ dans l'eau ), pour fournir le calcium et les ions bicarbonates, dans les mêmes proportions que celles utilisées pendant la phase de calcification.

CaCO₃ + H₂O + CO₂ <-> Ca²⁺  + 2 HCO^3-

Donc, le réacteur à calcaire est fondamentalement un appareil qui met en contact les trois ingrédients pour permettre une production efficace de calcium et de bicarbonate

Conception de base 

Il y a deux principes de base qui ont été utilisés  pour construire des réacteurs à calcaire. Ceux à circuit ouverts et les autres à circuit fermé. La tendance actuelle est plutôt portée sur les réacteurs du second type (circuit fermé), donc je ne m'entendrai pas trop sur les réacteur à circuit ouvert.

Dans un réacteur en circuit fermé, le mélange de CO₂ et d'H₂O circule en boucle  dans une chambre remplie d'un substrat calcaire. De l'eau de l'aquarium (ou de la cuve de décantation)  entre dans le réacteur par un petit tuyau d'arrivée et ressort par un autre petit tuyau, les deux étant reliés au circuit principal.
L'eau circule dans le réacteur à plusieurs centaines de litres par heure, alors que le débit d'eau en entrée/sortie du réacteur se chiffre plutôt en litres/heure. L'eau qui entre dans le réacteur à l'alcalinité de l'aquarium (normal) et celle qui ressort est plus ou moins chargée selon les paramètres de votre réacteur. La quantité de CO₂ ajoutée est mesurée en bulles/min (il n'y a malheureusement pas de standard pour la taille des bulles, c'est donc une mesure douteuse lorsque l'on compare deux réacteurs différents).

Tous les réacteurs du commerce utilisent différentes techniques pour faire entrer le CO₂ , l'eau, faire circuler l'eau et rejeter l'eau hors du réacteur. Knopp par exemple (schéma) , utilise une circulation de haut en bas, alors que le réacteur MKR fait circuler l'eau dans l'autre sens. Certains nécessitent une pompe pour faire entrer l'eau dans le réacteur, alors que d'autre utilisent la gravité ou le siphon.

Vous pouvez observer toutes ces variations en regardant les modèles du commerce, mais elle font toutes la même chose : mélanger les trois ingrédients : substrat calcaire, eau, CO2. Aussi attachons à décrire les principes de bas plutôt que de faire la description d'un produit.

Il y a fondamentalement deux réglages que l'on peut faire sur un réacteur à calcaire. La quantité de CO2 que l'on injecte et/ou le débit en sortie du réacteur. Maintenir le taux de CO2 en entrée et augmenter le débit revient à diminuer l'alcalinité de l'eau qui sort du réacteur (elle circule moins longtemps dans la boucle, donc a moins le temps de s'acidifier (CO2) , donc moins le temps de dissoudre le substrat). Augmenter la quantité de CO2 sans changer le débit en sortie du réacteur revient à augmenter l'alcalinité (le milieu est plus acide pour la même durée de circulation, donc l'eau se charge plus car plus de substrat est dissout). En conséquence, c'est en jouant sur ces deux paramètres que l'on peut ajuster l'alcalinité de l'aquarium.

L'ingrédient le plus important du réacteur à calcaire est le substrat calcaire que l'on utilise. C'est à la qualité de ce seul ingrédient que l'on peut attribuer les problèmes rencontrés lors de l'utilisation des réacteurs. Les facteurs concernés sont :

• La composition chimique du substrat
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  Puisque le substrat calcaire est dissout dans le réacteur, il est raisonnable de penser que les éléments contenus dans le substrat sont susceptibles d'être relâchés dans l'eau.
  Magnésium, Strontium, Phosphates, et autres métaux lourds présents dans le substrat vont se dissoudre et entrer dans l'aquarium par la sortie du réacteur. Ceci a un effet positif et négatif. Positif pour des éléments tels que le strontium et d'autres oligots éléments. Négatif pour le phosphate et autres métaux lourds que l'on peut ajouter en quantité importante, contribuant aux problèmes que je vais décrire plus tard. Si seulement les sociétés qui vendent des substrats calcaire indiquaient la formule complète de leur produit (Pour être honnête, je ne leur ai pas non plus téléphoné pour avoir l'information).
   
• La taille des particules qui composent le media
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  La surface des particules qui composent le média influent sur la surface totale (à volume égal) qui sera en contact avec l'eau acide du réacteur. Plus les particules sont grosses et moins il y a de surface pour réagir avec le CO2. C'est pourquoi un substrat avec de telles particules sera dissout plus lentement. Il permet aussi à l'eau de mieux circuler dans le réacteur, en raison des plus grand espaces qui existent entre les particules. Les fines particules se font moins piéger dans les espaces qui existent entre les grains.

  Des particules plus fines offriront une surface de réaction plus grande et seront dissoutes plus rapidement. Ceci a ses propres inconvénients. Le substrat se transforme en poudre, plus rapidement que les gros substrats. Cette poudre légère est très facilement en suspens dans le réacteur et au bout de 2 à 3 mois d'utilisation, on arrive à introduire une eau laiteuse dans l'aquarium (chargée de ces particules en suspension). Si on continue, la poudre à tendance à boucher le réacteur et lorsque celui "rote", il crache une grosse quantité d'eau laiteuse dans l'aquarium. utiliser des grains fins augmente aussi la pression pour la pompe.

  Étant donné que le taux de circulation de l'eau dans le réacteur est très largement supérieure au taux en sortie du réacteur, je ne pense pas que la vitesse de dissolution liée à la taille des particules (dans une certaine mesure) soit un paramètre sensible du fonctionnement du réacteur.

  J'ai remarqué que le sable "Carib Sea Flor" utilisé dans le réacteur, se transforme en poudre après deux à trois mois, et commence à former un brouillard dans mon aquarium. Je suis maintenant en train d'essayer le sable 'Caribsea geomarine", et je 'utilise depuis un mois.

Problèmes souvent rencontrés lors de l'utilisation d'un réacteur. 

(1) Baisse du KH dans l'aquarium

Pour un aquarium dont les conditions sont équilibrées, il y a une certaine quantité de CO2 dans l'eau sans que le KH ne soit atteint. Si cette quantité de CO2 est augmentée, le KH est attaqué (sa baisse compense l'acidité créée par l'excès de CO2). Ainsi, en ajoutant l'eau qui sort du réacteur dans votre bac, vous ajoutez continuellement du CO2 dans l'aquarium, ce qui peut entraîner une baisse du KH. Cette baisse peut entraîner à son tour une baisse du pH. Cette baisse sera d'autant plus importante que l'alcalinité du bac était faible au départ.

Dans mon aquarium, je n'ai pas observé ce phénomène de baisse de KH. En fait, mon aquarium tourne avec un pH plus haut depuis que j'ai jouté mon réacteur. C'est probablement au fait que le bac tourne avec une alcalinité plus haute qu'auparavant et donc un pH plus stable. Je pense aussi que le fait que j'utilise un écumeur à contre-courant permet d'évacuer l'excès de CO2.

(2) Augmentation des phosphates.

Une critique souvent opposée à ces réacteurs est qu'ils peuvent augmenter le taux de phosphates dans le bac. Les raisons citées sont les suivantes:

• Le substrat utilisé contient des phosphates qui sont dissout et terminent dans l'eau du bac.
  Je n'ai fait aucun essai chimique des substrats calcaires disponibles pour déterminer lequel est riche en phosphates. Dans un article d'Aquarium Frontiers de Mai/Juin 1997, Greig Schiemer affirmait que l'eau chargée en utilisant le sable "Caribsea Sea Flor" contenait 0,25 à 0,30 ppm de phosphates, mais qu'il n'y avait pas d'augmentation mesurable dans son bac. J'ai observé des résultats similaires sur le mien.
  A la vitesse (lenteur !) à laquelle les phosphates sont ajoutés dans l'aquarium, il sont soient éliminés par l'écumeur soit assimilé biologiquement. Si vous êtes concernés par un problème de phosphates et que le réacteur augmente le taux de phosphates dans votre bac, essayez un autre substrat, plus "pur" tels qu'il sont décrits dans leur publicité. Je ne le ai pas utilisés, je ne peux donc pas vous en dire grand chose.
• Puisque la plupart des gens qui utilisent un réacteur arrêtent d'utiliser de l'eau de chaux, ils se privent de la possibilité qu'a l'eau de chaux de précipiter les phosphates.
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  Cela peut être problématique dans des aquariums ou l'exportation des phosphates est peu présente. utiliser un substrat de meilleure qualité peu minimiser cet impact.
• La chute du pH dans l'aquarium permet aux phosphates présents dans les substrats de l'aquarium de relâcher des phosphates (sable vivant, etc.). Je pense que c'est n'est pas réellement un problème. Si le pH de votre bac atteint les valeurs qui permettent cela, vous avez déjà de sacré problèmes.

(3) Augmentation des algues et des diatomées.

L'augmentation du CO2 disponible dans l'aquarium agit souvent comme fertilisant pour les algues. Couplé avec les phosphates qui proviennent du substrat, cela peut entretenir une poussée d'algues. De plus, le substrat peut aussi contenir des silicates qui sont relâchés dans l'eau , entraînant une poussée de diatomées.

Que ces problèmes se produisent ou non dans un aquarium dépend essentiellement des conditions prévalant dans l'aquarium. Sa capacité à évacuer l'excès de CO2, transport et export des phosphates, disponibilité d'herbivores pour entretenir les algues.
Mon conseil pour les gens qui songent à utiliser un réacteur à calcaire est de réussir d'abord à maintenir son aquarium dans des conditions idéales sans le réacteur. Une fois que vous êtes débarrassé des problèmes classiques des aquariums (algues rouges, algues filamenteuses, explosions de diatomées), et que vous avez un aquarium sans soucis, demandez vous si vous avez réellement besoin d'un réacteur à calcaire. La plupart des aquariums peuvent très bien fonctionner sans, et la seule raison d'en utiliser un est la plus grande facilité de maintenance qu'il offre.

Régler le réacteur (et quelques calculs) 

Une fois que vous avez décidé d'ajouter un réacteur, comment faîtes vous pour l'utiliser. je veux dire pour déterminer le débit en sortie et la quantité de CO2 à injecter.
Le description suivante est basée sur une conversation personnelle avec le Docteur Craig Bingman, et l'expérience de plusieurs autres sur le groupe de discussion.
Supposons que l'aquarium contient "VolAqua" litres d'eau. Régler le nombre de bulles sur approximativement 20-30 bulles/min et le débit en sortie à un niveau suffisamment faible et laissez tourner le réacteur pendant plusieurs heures jusqu'à ce qu'il atteigne un état stable. Mesurez le débit en sortie. Appelons le "DebitSort" litre/heure.
Maintenant, mesurez l'alcalinité du bac et l'alcalinité en sortie du réacteur. La différence entre les deux vous donne l'augmentation d'alcalinité due au réacteur. Appelons la "AugmentAlca" en meq/L.

En supposant qu'aucune calcification n'a lieu dans le bac, L'alcalinité augmente dans le bac de la façon suivante.
Augmentation d'alcalinité/ jour due au réacteur = (AugmentAlca * Debitsort * 24h) / VolAqua  (1)
Maintenant, mesurez l'alcalinité dans le bac le lendemain. La différence entre l'alcalinité théorique  et l'alcalinité réelle vous donne la consommation journalière en alcalinité. Appelons la  "ConsoAlca" en meq/L.
Maintenant, nous devons ajuster le réacteur de telle sorte que l'augmentation d'alcalinité due au réacteur ("AugmentAlca")soit approximativement égale à celle consommée ("ConsoAlca"). Cela nous donne le réglage pour lequel le réacteur complète l'alcalinité consommée quotidiennement.

en regardant l'équation (1), nous voyons que cela peut être effectué de deux façons.

• En ajustant (augmentant) l'alcalinité en sortie du réacteur.
• En augmentant le Débit en sortie du réacteur.

L'alcalinité en sortie du réacteur peut être augmentée en augmentant l'injection de CO2, et en conservant le même débit. Augmenter le débit entraîne une baisse de l'alcalinité en sortie si on n'augmente pas aussi le CO2.
lequel des deux réglages est le meilleur. Mon opinion est que la première solution est meilleure puisqu'elle permet d'ajouter moins de CO2 dans le bac. De manière similaire, si on souhaite baisser l'alcalinité en sortie du réacteur, il est préférable de diminuer l'injection de CO2.

Je ne veux pas vous ennuyer avec toues ces équations et détails chimiques mais je pense qu'un minimum de compréhension de ces paramètres est nécessaire pour éviter les essais et les erreurs. Vous pouvez utiliser les équations ci-dessus pou calculer, par exemple, quelle devrait être la valeur de la différence d'alcalinité entre le réacteur et le bac, pour un débit donné et l'augmentation d'alcalinité souhaitée, plutôt que de faire de vagues suppositions et ajustements.

Conclusion 

Les réacteurs à calcaire sont des appareils très utiles, et qui lorsqu'il sont utilisés correctement et que l'on connaît leurs inconvénient et autres problèmes associés, s'attaque à une lutte constamment menée par la plupart des aquariophiles : Maintenir Ca+ et alcalinité.

Pour un aquariophile faignant et averti comme moi cela en valait chaque franc investi. Je me suis construit un réacteur maison, et je vais maintenant crouler sous les demandes de plans. Je n'ai pas pris le temps de les rédiger, mais je me suis référé aux plans sur le WEB de John Payter http://www.concentric.net/~Jfpnn3/calcium.htm. Le mien est très semblable, mais j'ai utilisé du PVC transparent pour voir à l'intérieur du réacteur.

Je suis sûr de ne pas avoir couvert tous les aspects des réacteur à calcaire, mais je sui sûr que nous pourrons en discuter dans la partie "Questions et Réponses"

Au cas où vous auriez besoin de me contacter après cette discussion, vous pouvez m'envoyer vos message à l'adresse
sjoshi@psu.edu
 
Traduit par L. André