Matériel: Le réacteur à hydroxyde de calcium (RAH)
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Pourquoi le RAH ?
La méthode la plus simple, la plus économique et la plus utilisée pour compenser la consommation des ions calcium (Ca++) et bicarbonates (HCO3-) par les coraux durs constructeurs de récifs est l'ajout d'eau de chaux, préconisé par Peter Wilkens depuis les années 80.
La fabrication d'eau de chaux consiste à mélanger de l'hydroxyde de calcium et de l'eau, agiter la solution puis la laisser reposer pour permettre la décantation du lait de chaux afin de n'introduire que le surnageant (la partie claire : l'eau de chaux) dans le bac.
Cette méthode, bien que tout à fait efficace, présente des inconvénients "pratiques" :
* L'eau de chaux réagit avec le gaz carbonique (CO2) atmosphérique. On peut donc difficilement faire des réserves car la solution n'est pas stable dans le temps. Cela oblige à préparer l'eau de chaux par petites quantités et souvent.
* L'eau de chaux, une fois préparée, nécessite un temps de repos de plusieurs heures afin de décanter, ce qui est peu confortable pour le préparateur
Pour contourner ces difficultés, le réacteur à hydroxyde de calcium a été mis au point. Il permet la préparation automatique d'eau de chaux, et son injection dans le bac. On se contente de recharger le réacteur en hydroxyde de calcium une fois par semaine environ.
Le principe
Photo, Julien THEODULE
Le réacteur à hydroxyde est un récipient hermétique où l'on place de l'hydroxyde de calcium en poudre qu'on mélange avec de l'eau osmosée. Il est alimenté par de l'eau osmosée.
Périodiquement, le brassage dans le réacteur va mettre en suspension l'excédent d'hydroxyde (pâte blanche au fond du réacteur) afin de saturer l'eau de chaux qui a tendance à s'appauvrir en ions Ca++ au fur et à mesure de l'arrivée de l'eau "neuve".
L'eau entrant dans le réacteur (généralement dans le tiers inférieur de celui-ci) pousse l'eau présente hors du réacteur par légère surpression. Cette eau, qui est prise généralement dans le haut du réacteur a une forte teneur en calcium et va directement dans le bac.
Grâce à la conception des réacteurs à calcium (par exemple au système de brassage périodique et à l'emplacement de l'aspiration de la pompe pour le visio réacteur à fond sphérique de Mars), le lait de chaux (eau de chaux très concentrée avec des particules d'hydroxyde de calcium en suspension qui la rend opaque) reste dans le tiers inférieur du réacteur, et donc n'arrive pas jusqu'au bac ; seule l'eau de chaux (partie claire) , qui se trouve dans la partie supérieure du réacteur, est acheminée vers la sortie.
La chimie
La solubilité de l'eau de chaux permet de dissoudre 1.5 g d'hydroxyde de calcium par litre d'eau.
La solution apporte 0.814 gramme de calcium par litre de solution saturée pour un pH de 12.45 à 25°C
L'hydroxyde de calcium est de formule Ca(OH)2.
Lors de son mélange avec l'eau, on obtient :
Ca(OH)2 => Ca++ + 2 OH-
La production des ions OH- déplacent les équilibres vers un pH plus basique, ce qui est un avantage pour le bac (précipitation des phosphates, lutte contre l'acidité du bac, …)
Concernant le CO2, on distinguera 2 cas :
Dans le réacteur : il doit en être totalement exclu. En effet, sa présence ferait réagir la solution en précipitant le calcium sous forme de carbonate de calcium insoluble CaCO3 (rappelons que le corail ne peut utiliser que l'ion calcium Ca++ en solution)
Dans l'eau du bac : il doit être présent, car l'arrivée des ions hydroxyde OH- va permettre la formation de bicarbonate (composante de la dureté carbonatée ou KH) selon l'équation :
CO2 + OH- <=> HCO3-
La consommation du CO2 va en outre permettre de remonter le pH du bac.
Le pH élevé de la solution, ainsi que le pH basique du bac, déplace l'équilibre en faveur de l'ion carbonate
HCO3- + OH- <=> CO3-- + H2O
Avec les ions Ca++ et CO3-- en solution, le corail dispose alors des principales matières premières à la calcification ; il va donc favoriser la formation de carbonate de calcium au sein de sa matrice :
Ca++ + CO3-- => CaCO3
Les problèmes liés à l'administration (précipitations, etc ….) peuvent s'expliquer par le fait que pour un ion calcium produit, 2 OH- sont générées
( Ca(OH)2 => Ca++ + 2 OH-) ;
il faudra donc deux molécules de CO2 pour produire l'ion bicarbonate comme suit :
( Ca++ + 2 OH- ) + 2 CO2 => Ca++ + 2 HCO3-
* l'ajout dans une zone ou le CO2 n'est pas disponible en assez grande quantité (car il a déjà été consommé (renouvellement de l'eau trop lent), ou bien dégazé, etc .. .) se traduira par la formation de carbonate de calcium CaCO3 insoluble (précipitation)
( Ca++ + 2 OH- ) + CO2 => Ca++ + CO3-- + H2O => CaCO3 + H2O
* l'ajout d'une trop grande quantité d'eau de chaux localement et trop rapidement, aboutira au même problème (formation de CaCO3 ) :
( Ca++ + 2 OH- ) + Ca++ + 2 HCO3- => 2 Ca++ + 2 CO3-- + 2 H2O => 2 CaCO3 + 2 H2O
Comme expliqué dans la base de connaissance supplémentation, l'ajout doit s'effectuer lentement (au goutte à goutte) dans un endroit brassé pour mélanger les composants, et où le débit d'eau est important afin de renouveler les composants et évacuer les produits des réactions. Signalons à ce titre que la décantation n'est pas toujours le meilleur endroit répondant à ces critéres, d'abord en raison du faible volume d'eau, ensuite par le faible débit qui la traverse, et enfin par la présence de l'écumeur qui dégaze le CO2 de l'eau.
Le respect de ces précautions permet d'assurer la disponibilité de l'ion Ca++ dans le bac, et d'éviter sa précipitation sous forme de carbonate de calcium.
La fabrication
Diverses marques commercialisent des réacteurs à hydroxyde de calcium de bonne qualité et si vous n'êtes pas bricoleur, plusieurs types de RAH sont disponibles à la vente chez nos partenaires. Il reste néanmoins que des modèles performants peuvent être construits par l'aquariophile à l'aide de plans disponibles sur Internet. (on citera en particulier le modèle de Mars : le visio réacteur à fond sphérique
Photo, Julien THEODULE
Une grande majorité d'aquariophile étant équipés avec ce modèle, on le trouve également à la vente dans certains magasins de VPC, ou encore on trouve des kits afin de le construire soi-même.
Son principe se base sur un corps transparent qui permet d'apprécier l'opacité de la solution (pour éventuellement en déduire son rechargement) et un fond sphérique facilitant le brassage de la pâte d'hydroxyde.
L'utilisation
Il est important de rappeler qu'un RAH peut normalement entretenir tout seul le taux de calcium des bacs récifaux sans difficulté, et ceux jusqu'à un volume de 1000 litres très chargé en coraux durs !
Un problème dans le maintien du taux de calcium dans le bac avec un RAH doit remettre en question l'utilisation du RAH. Il existe en effet bon nombre de facteurs aboutissant à un fonctionnement non optimal du réacteur.
Les conseils suivants doivent permettre un check-up des principaux cas de mauvaise utilisation :
(a) La connectique
Qu'est-ce que l'osmolation ?
Le bac récifal évapore classiquement 1% de son volume par jour, dans le cas de bacs non couverts (ce qui devrait être le cas de tous les bacs récifaux ). Divers procédés permettent de compléter cette évaporation, qui est dommageable pour les occupants à cause de la salinité qui augmente.
Photo, Julien THEODULE
L'aquariophile peut ainsi rajouter la quantité d'eau osmosée adéquate tous les soirs, mais une façon plus confortable de pallier à ce phénomène est la mise en place d'un osmolateur. Il s'agit d'un système incluant un capteur flottant qui va détecter un niveau d'eau trop bas. Dans ce cas, il active une pompe placée dans la réserve d'eau osmosée, qui injecte de l'eau dans le bac. Dès que le volume d'eau injecté est suffisant pour faire remonter le capteur, la pompe s'arrête.
- Ce système peut avantageusement être couplé au réacteur à hydroxyde de calcium. En effet, en cas de détection de niveau trop bas, le capteur déclenche la pompe qui envoie l'eau osmosée vers le réacteur . La sortie du réacteur se fera vers le bac, avec l'eau de chaux en lieu et place de l'eau osmosée. Cette utilisation a l'avantage de compléter exactement l'évaporation, mais selon le placement du capteur (dans un compartiment de grand volume, …), la durée de l'osmolation peut être longue, et donc la quantité d'eau de chaux déversée localement peut être trop importante, entraînant des précipitations comme nous l'avons indiqué au paragraphe " chimie ".
- Une autre façon d'injecter est de considérer qu' activité photosynthétique et respiration sont responsables d'un pH plus faible la nuit que lors de la journée. Le taux de CO2 étant responsable de cela, il est préférable d'injecter la nuit, alors que le taux de CO2 est maximal. Cette méthode, théoriquement intéressante, est souvent limitée lorsqu'elle est couplée à l'osmolation, par le fait que l'évaporation n'est pas compensée durant toute la journée, ce qui entraîne une très longue injection d'eau de chaux dès que le signal " nuit " est envoyé, afin de revenir à un niveau de référence.
Quoiqu'il en soit, les osmolations doivent être les plus courtes possibles, mais les plus fréquentes possibles. Il convient donc de placer le capteur dans un compartiement de volume faible (décantation par exemple) afin qu'une baisse de niveau soit tout de suite détectée, et rapide à compenser.
- On peut également découpler l'osmolation de l'injection d'eau de chaux. On réglera alors le débit du réacteur au goutte à goutte (par exemple une goutte par seconde), en s'assurant que le volume injecté ne dépasse pas l'évaporation. Le système d'osmolation marchera ainsi en parallèle (et se déclenchera beaucoup moins souvent).
Cette méthode a l'avantage de la régularité et de la constance (pas de longues injections avec risque d'augmentation locale du pH ou/et de précipitations), le seul reproche pourrait être que la totalité de l'eau évaporée n'est pas complétée par de l'eau de chaux, donc une perte de calcium, qui peut être très minime suivant les réglages de débits (il reste possible de dédoubler les circuits afin d'avoir et goutte-à-goutte et osmolation passant par le RAH).
L'injection doit avoir lieu dans un endroit brassé, de fort débit, et avec une teneur significative en CO2. Elle doit de plus être lente, le goutte-à-goutte restant l'idéal.
Les raccords entre les différents éléments seront en tuyaux à air (transparent de faible diamêtre), ce qui se justifie par les volumes déplacés et pour minimiser la présence d'air dans le circuit.
Le tuyau qui sort du RAH sera en tuyau à air afin de retenir l'eau par capillarité dans le conduit pendant les phases de repos (pas d'injection). Dans le cas contraire, le tuyau se viderait dans le bac, et l'air pourrait remonter jusqu'au réacteur.
Un anti-retour sera placé entre le RAH et la pompe située dans la réserve d'eau osmosée, afin d'éviter la mauvaise surprise de voir le réacteur se vider dans la réserve ou dans le bac selon la hauteur des divers éléments (RAH, sortie du RAH, hauteur d'eau dans la réserve, etc ). Le tuyau qui sort du RAH ne trempera pas dans l'eau du bac, afin d'éviter les phénomènes de succion qui conduirait aux mêmes désagréments.
Toute fuite d'eau sera traquée et colmatée. En effet, de l'eau qui suinte signifie une mauvaise étanchéité du réacteur, et peut signifier que de l'air peut pénétrer à l'intérieur du RAH.
(b) Le rechargement
Quand recharger ?
On peut distinguer 3 modes opératoires :
- Il convient quoiqu'il arrive de recharger son réacteur lorsqu'on n'aperçoit plus de masse blanche au fond, soulevée lors du brassage interne. Ceci indique que le réacteur est vide, et qu'une mesure de l'eau en sortie indiquerait sûrement un taux de calcium nulle ou faible.
- On peut tester périodiquement l'eau de sortie : la teneur en calcium doit être de plus de 800 mg/l ; on peut également tester le pH qui devra être de 12.4. A 12.2, on pourra conclure que la concentration en hydroxyde de calcium a déjà chuté de moitié.
- On videra et rechargera son réacteur toutes les semaines, quelles que puissent être les autres constatations.
En effet, il vaut parfois mieux jeter un peu d'hydroxyde que de passer 3 jours avec un réacteur inefficace. De plus, voir des dépôts blancs au fond du RAH n'est pas un gage de solution saturée en hydroxyde de calcium, car il peut s'agir de la précipitation de CaCO3 et non de l'hydroxyde en excès. En effet, l'eau d'alimentation du RAH contient un peu de CO2 dissout, qui à la longue précipite le mélange. En changeant le contenu du réacteur toutes les semaines, on s'affranchit de ce problème éventuel. Enfin, signalons que la pureté de l'hydroxyde n'est jamais égale à 100% et différents composants peuvent précipiter dans le réacteur.
Comment recharger ?
Photo, Hervé ROUSSEAU
Apres avoir vidé le réacteur, on le remplira d'eau osmosée, quasiment jusqu'à ras bord. On mettra ensuite la poudre d'hydroxyde de calcium, à raison de 4 cuillères à soupe par exemple. On pourra l'acheter en sachet pour pouvoir mettre exactement la même dose à chaque fois. Il conviendra de porter des gants et de mettre un masque (de peintre) et afin de ne pas respirer des poussières d'hydrodyde de calcium (matière alcaline corrosive).
On refermera prestement le réacteur, afin de minimiser le temps de contact entre le mélange et l'air ambiant (le CO2 atmosphérique modifie le mélange). Après avoir remis en place les divers tuyaux, on ouvrira l'arrivée d'eau afin de chasser l'air contenu dans le réacteur. De plus, on déclenchera un cycle de brassage afin d'homogénéiser le mélange.
Enfin, on mettra de l'eau osmosée dans sa décantation afin que le réacteur ne soit pas sollicité tout de suite (dans le cas ou il est branché sur l'osmolation) et que le lait de chaux ait le temps de descendre dans le réacteur. En effet, sa concentration en hydroxyde de calcium est trop importante pour un usage classique, et il est préférable de n'injecter que l'eau de chaux dans le bac, afin de faciliter son administration.
L'air enfermé
Dans la quête obsessionnelle de la non-précipitation du mélange, on cherche à minimiser le CO2 dans le réacteur. On peut alors se poser la question de l'air qui reste coincé sous le bouchon du RAH lors du rechargement.
Certains ont bricolé un troisième trou dans le bouchon du RAH, permettant d'évacuer l'air. Il semble néanmoins que cette précaution soit superflue, car la quantité de CO2 résiduelle sous le bouchon est extrêmement faible ; certes elle fera bien précipiter une toute petite partie de l'hydroxyde, mais ce phénomène est très négligeable. L'important est que cet air ne soit pas renouvelé.
(c) Le brassage
Le brassage du réacteur est nécessaire pour que l'eau de chaux injectée au bac soit toujours saturée en ion calcium Ca++. En effet, l'eau osmosée entrant dans le réacteur remplace peu à peu l'eau de chaux, qui donc se dilue. Le brassage remet l'hydroxyde de calcium en suspension, et resature l'eau de chaux par contact. Il doit donc être assez puissant, et assez fréquent.
Il apparaît également que l'eau osmosée est moins dense (plus légère) que l'eau de chaux, elle-même moins dense que le lait de chaux. Dans le cas d'un brassage défaillant, il peut donc se créer une zone d'eau très peu saturée (voire pure) en haut du réacteur. Sachant que l'eau à injecter au bac est prise dans le tiers supérieur (voir complètement en haut ) du réacteur, on comprend que le brassage devra alors être plus fréquent, et dépendant du débit du réacteur.
Il est également intéressant de prolonger l'arrivée d'eau en insérant un tuyau souple dans le tube PVC, de taille adéquate pour atteindre le fond du réacteur. L'eau osmosée passera ainsi forcément au contact du lait de chaux au lieu de remonter directement vers le haut du réacteur.
Photos, Julien THEODULE
Dans tous les cas, testez l'eau de sortie et adaptez le brassage en conséquence.
On prendra également garde à ne pas trop brasser. En effet, la pâte d'hydroxyde abîme la pompe qu'il faut parfois changer (tous les 2-3 ans), et le brassage favorise (dans une faible mesure) la précipitation de l'hydroxyde de calcium.
(d) L'entretien
L'entretien du réacteur aura lieu périodiquement, idéalement toutes les semaines ou deux semaines, par exemple. Il est nécessaire car les précipitations empêchent la vision de l'intérieur du réacteur (quand elle est prévue) et endommagent la pompe sur la durée. Un entretien périodique est très rapide, alors que le décollage d'un énorme bouchon de CaCO3 annuel peut être une vrai galère.
Pour ce faire, on rincera le réacteur à l'eau du robinet, autant de fois qu'il le faut pour éliminer le maximum de chaux, puis on le remplira à l'eau et on ajoutera une dizaine de ml de vinaigre, ou d'acide chlorhydrique. On met la pompe de brassage en route et on laisse tourner jusqu'à ce que tout soit propre (une dizaine de minutes par exemple).
Les chiffres
Ces chiffres sont donnés à titre d'exemple indicatif. Il est évident que selon qu'on soit branché sur l'osmolation ou non, le débit de sortie peut être différent. De même, le temps et la fréquence de brassage sont à adapter à votre volume, utilisation et consommation en calcium.
Le pH de sortie : 12.4
Le taux de calcium en sortie : plus de 800 mg/l
Le taux de KH en sortie : 0 ! (attention : le KH théorique, à savoir le produit des concentrations en ions carbonate et bicarbonate, est effectivement nul. Néanmoins, les tests KH du commerce mesurent également d'autres ions dont les OH- ; la mesure ne sera donc pas nul en pratique)
Le rechargement en hydroxyde de calcium : toutes les semaines
La quantité : 4 cuillères à soupes
L'administration : 1 à 3 gouttes par seconde, dans un endroit brassé / fort débit, en permanence
Le brassage interne : 2 minutes toutes les 1h30
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Article publié le 16/01/2004 par Julien Théodule
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