Co2 en het Natuurlijk Evenwicht

CO2 toevoegen aan een aquarium is al redelijk oud. Al in de zestiger jaren van de vorige eeuw werd er mee geëxperimenteerd. Vooral de laatste tien jaren is CO2in onze hobby behoorlijk ingeburgerd en geen exotische technologie meer. Toch doen over CO2 vele wilde en onjuiste verhalen de ronde. Deze pagina’s geven daarom (hoop ik!) wat meer inzicht in het hele CO2 gebeuren.

Wat is CO2?

CO2, of koolstofdioxide, is een reukloos gas opgebouwd uit één koolstof atoom en twee zuurstofatomen. In onze atmosfeer zit gemiddeld ongeveer 0,036% CO2. Da’s natuurlijk niet erg veel. Het wordt wel langzaamaan steeds meer (door verbranding van fossiele brandstoffen). Of dat goed of slecht is moeten we nog maar eens op lange termijn bekijken. Zoals het er nu naar uitziet maken we al die fossiele voorraden echt wel op, en of dat nou in 30 of 100 jaar gebeurd? maakt dat dan nog uit? Satelliet opnamen laten in ieder geval zien dat het aardoppervlak groener wordt! Effect van CO2 bemesting?……afijn, ik dwaal af. Nog wat eigenschappen van kooldioxide vind je hieronder. Je hebt er niks aan, maar ach om het verhaal compleet te maken vermeld ik het maar even.

Bij CO2 concentraties in de atmosfeer van hoger dan 10% wordt CO2 een levensgevaarlijk gas. Dit omdat dan de longen de in ons lichaam geproduceerde CO2 niet meer goed kunnen afvoeren. Maar onder natuurlijke omstandigheden komen dergelijke hoge kooldioxide concentraties gelukkig zelden voor. Even ter vergelijk. In de lucht die wij uitademen is de concentratie kooldioxide ongeveer 4% in plaats van de ingeademde 0,036%.

CO2 in de atmosfeer en in het water.

De atmosfeer van de aarde bestaat uit verschillende gassen zoals:

• Stikstof (N2)
• Zuurstof (O2)
• Argon (Ar)
• Kooldioxide(CO2)

Die gassen van hierboven die blijven niet alleen in de atmosfeer. Maar die gassen dringen ook in het water door. En zo kunnen we in het water dus ook Stikstof, Zuurstof, Argon en Kooldioxide tegenkomen.

Hoeveel van een gas in het water dringt is afhankelijk van een drietal faktoren

• De concentratie van een gas in de atmosfeer
• De oplosbaarheid van een gas in water
• De temperatuur van water en lucht

Nou is de concentratie van een gas in de atmosfeer vrijwel constant. De oplosbaarheid van een gas en de temperatuur bepalen dus zo hoeveel van een gas in het water is opgelost.

Zo is CO2 zeer goed oplosbaar in water, zuurstof is veel minder goed oplosbaar. kooldioxide lost maar liefst 23x zo goed op in water als zuurstof!. Door dit verschil in oplosbaarheid van verschillende gassen zien we dan ook dat de samenstelling van de gassen in water verschilt met de samenstelling van diezelfde gassen in de atmosfeer. De verschillen zijn ook goed te zien in het figuur hieronder.

Om de invloed van druk, temperatuur gasconcentratie nog wat inzichtelijker te maken is de onderstaande calculator in elkaar gedraaid. Door wat aan de parameters te veranderen kan de invloed op het CO2 gehalte in het water bekeken worden. Zo zien we dat door lagere temperatuur, hogere druk en een hogere concentratie van CO2 in de atmosfeer ook het gehalte in het water stijgt.

Als we wat met die calculator in de weer gaan zien we dat bij 25 ‘C er ongeveer 0,5 mg/ltr CO2 in het water zit. Is het water kouder dan zit er meer CO2 in het water. Is het water warmer dan zal er minder dan die 0,5 mg/ltr in zitten.

Hetzelfde effekt zien we zo ook voor de andere gassen als zuurstof en stikstof. Hoe hoger de temperatuur des te minder zuurstof en stikstof zullen vanuit de atmosfeer in het water oplossen.

Nou hebben we dus bij een concentratie van 0,036% CO2 ongeveer 0,5 mg/ltr CO2 in het water. wat gebeurd er als we de concentratie verhogen? Nou, dan neemt ook de CO2 concentratie in het water toe!

Met de calculator is dit goed te zien. Wanneer we op de knop “eigen waarde CO2” drukken dan vinden we dat bij een concentratie van 4% in de atmosfeer het evenwicht van CO2bij ongeveer 60 mg/ltr zal liggen. En die 4% die is niet zomaar gekozen als voorbeeld. Dat is de CO2 concentratie van de lucht die wij uitademen. Van dat gegeven maken we dan ook gebruik in de alternatieve CO2 calculator.

Nou maken we de CO2 concentratie eens 100% in de calculator!
We zien dan dat het evenwicht maar liefst op 1500 mg/ltr ligt!! Dus als we een atmosfeer van pure CO2 boven onze bak hebben dan krijgen we deze zeer hoge waarde te zien. Zetten we de zaak ook nog onder druk. Bijvoorbeel op 3 bar (3000 mbar) dan zit er maar liefst 4469 mg/ltr CO2 in. Geen wonder dat zo’n colafles zo goed wil spuiten!

Het CO2 evenwicht in het water.

Als er in het water minder CO2 aanwezig is dan in de lucht dan zal er CO2 uit de lucht opgenomen worden. Maar het kan natuurlijk ook prima andersom werken. Als de concentratie CO2 in het water hoger is dan in de lucht dan kan CO2 gemakkelijk uit het water gedreven worden (bijv. door beluchten). Dit is op de schemaatjes hieronder duidelijk te zien.

Er bestaat voor de concentratie van CO2 in het water dus een soort natuurlijk evenwicht tussen de atmosfeer en water. Dit natuurlijk evenwicht wordt naast het gehalte aan kooldioxide in de atmosfeer voornamelijk bepaald door de temperatuur van het water.

We konden het al lezen, hoe hoger de temperatuur des te minder kooldioxide kan er in water oplossen. Ook de hoeveelheid opgeloste zouten bepalen hoeveel CO2 er in water kan oplossen. Hoe zouter en warmer het water, des te minder CO2 er vanuit de atmosfeer in opgelost kan worden. In de grafiek hieronder is dat goed te zien. In zeewater is CO2 minder goed oplosbaar.

Bij temperaturen rond de 25 ‘C zal er bij een evenwicht in CO2 tussen water en atmosfeer zo rond de 0,5 mg/ltr kooldioxide opgelost zijn. Dat is natuurlijk niet echt veel. In natuurlijke wateren zit er meestal meer CO2 in het water opgelost dan die 0,5mg/ltr.

Tijdens een grootschalig onderzoek in maar liefst 1835 natuurlijke wateren over de hele wereld bleek maar 10% precies in evenwicht te zijn met de atmosfeer (dus ca. 0,5 mg/ltr), 3% zat onder het natuurlijke evenwicht en maar liefst 85% zat boven het natuurlijke evenwicht. Bij de wateren die meer CO2 hadden dan het natuurlijk evenwicht bleek dit gemiddeld 3x zo hoog te zijn. (Bron: Limnology Lake and River ecosystems)

Die 85% heeft dan een gemiddeld CO2 gehalte van 3×0,5= 1,5 mg/ltr. Niet bepaald veel voor onze begrippen maar toch, de meeste natuurlijke wateren zijn oververzadigd met CO2.

Deze zeer lichte oververzadiging wil niet zeggen dat er niet meer veel meer dan 1,5mg/ltr CO2 in water opgelost kan worden. Integendeel!!. Als de atmosfeer uit pure CO2 zou bestaan dan kan er wel zo’n 1500 mg/ltr CO2 in het water opgelost worden. Door die goede oplosbaarheid in het water kunnen de apparaten om CO2 op te lossen dan ook relatief klein en simpel gehouden worden. Met zuurstof bijvoorbeeld is dat veel moeilijker. Een goed voorbeeld van de goede oplosbaarheid van CO2 is natuurlijk de frisdrank. Onder druk kan er helemaal veel CO2 in het frisdrankwater opgelost worden. In de grafiek hierboven is dat goed te zien.

Over onze atmosfeer en het CO2 gehalte

We hadden al eerder genoemd dat er bij een evenwicht van 0,036% CO2 in de atmosfeer we ongeveer 0,5 mg/ltr CO2 in ons water krijgen. Hebben we meer CO2 in de atmosfeer dan hebben we ook meer dan 0,5 mg/ltr in ons water zitten.

Dan is het altijd wel interessant om te kijken of onze atmosfeer wel altijd 0,036% CO2 bevat. Gelukkig heb ik op m’n werk de beschikking over een digitale CO2 meter en da’s dan altijd leuk om wat metingen te doen.

Nou buiten gaf de meter al niet de gewenste 0,036% aan. Dat was 0,045% (450 ppm, parts per million). Een foutje in de meter? Nou dat niet, het is nl. niet zo dat het CO2 gehalte in de atmosfeer precies die 0,036% is. In de zomer wordt in onze streken door de biomassa veel CO2 opgenomen en ligt het gehalte wat lager, in de herfst, winter e.d. ligt de CO2 opname een stuk lager (bomen hebben dan immers geen bladeren meer, activiteit ligt lager door temp.) en is ook het CO2 gehalte wat hoger dan die 0,036%. Ja we zien zelfs een duidelijk verschil in CO2 concentratie tussen stad en platteland. (zo’n 20 ppm verschil). We zien het, ook die evenwichtswaarde van 0,5 mg/ltr in het water is geen keiharde waarde.

Kijken we in onze huizen zelf dan is de concentratie ook vaak hoger dan die gemiddelde 0,036%. Ik heb waarden gemeten in slecht geventileerde ruimten van 0,15% (1500 ppm). Waar m’n grote bak staat meet ik een waarde van 0,0792% (792 ppm, zie plaatje). Vaak zitten we in onze huizen rond de 0,04-0,1%. Dan zou er al bijna 1 mg/ltr CO2 in het water zitten bij evenwicht.

Meten we onder de lichtkap dan zien we de waarden nog wat hoger liggen. Bij m’n kleine lange bak, zonder extra CO2 erop lag de CO2 concentratie in de lucht op 0,1%, dat zou bij beluchting (met lucht uit de kap) een evenwichtswaarde van 1,5 mg/ltr geven.

Van dat gegeven heb ik dan ook gebruik gemaakt bij een wat aparte vorm van bio-CO2. Namelijk het bosgrond-bio-CO2 systeempje. Bosgrond produceert namelijk terwijl het wordt afgebroken redelijk wat CO2 Door dat in een vat te stoppen en via een luchtpompje de lucht van dat vat in het aquarium in te brengen kun je een simpel bio-CO2 systeem maken dat minder onderhoud vergt dan een systeem met gist, en aanzienlijk langer kan blijven staan. Het haalt niet de hoge CO2 waarden van een gistingssysteem, maar het combineert wel twee belangrijke zaken! Voldoende lucht en voldoende zuurstof! Ik maak daarover nog wel eens een separaat artikeltje.

Over CO2 en een zelfregelende diffusor

Wat hebben we nu dus gevonden……:

• 0,035% CO2 in de atmosfeer geeft in ’t water 0,5 mg/ltr.
• 4% CO2 geeft 60 mg/ltr.
• 100% CO2 geeft 1500 mg/ltr.