الفحم (بين النار والمياه قصة طويلة)

كتبه: محمد حسان – 23 نوفمبر 2021

كثيرا من رأينا النار تسري في أطراف قطع الفحم فتحترق شيئاً فشيئاً وتعلو معها طقطقة عيدان الحطب، فتتصاعد أضواء من بين ألسنة اللهب، لتبعث الدفء وتقاوم نسمات الهواء الباردة، ما يبعث في النفس متعة وسكينة، فنيران الفحم لها سحراً خاصاً في ليالي الشتاء الباردة، ولكن هل تعلم أن لهذا الفحم سحراً خاصاً أيضا داخل المياه؟ نعم لديه من السحر ما يكفي ليجعلنا نلقي نظرة فاحصة عليه وعلى فوائده داخل مياه الأحواض، فالفحم أو الكربون النشط دارت حوله حقائق وشائعات وأبحاث عديدة حول مدي فاعليته في إزالة الفضلات واللون والرائحة، فمن منا لم ينزعج بالشوائب والفضلات واللون الأصفر الذي قد يظهر في مياه أحواض أسماك الزينة، وبالتأكيد تولدت لديك الرغبة في التخلص من هذا الضيف الثقيل لتصفوا لك المياه وتصبح كريستالية، لتتمتع بمشاهدة أفضل للأحياء الجميلة.

ذكر ريتشارد هاركر في مقال جيد وقيم أن من أكثر الأسباب التي يتم ذكرها بشكل متكرر لاستخدام الكربون الحبيبي النشط (GAC) في أحواض أسماك الزينة هو إزالة ما يسمي بـ “Gelbstoff” أو المركبات التي تتسبب في اصفرار لون المياه، ويشير Bingman إلى أن هذه المركبات ذات اللون الأصفر تتراكم بمرور الوقت ويصعب إزالتها دون استخدام الكربون النشط.
وفي عام 1986 كتب ويلكنز وبيرخولز عن إمكانية استخدام الكربون النشط “لإزالة المواد التي لا يمكن أن تتحلل بيولوجيًا أو ما تسمى بالمادة الصفراء، وبعد مرور عشر سنوات أعاد فوسو ونيلسن (1996) هذه الفكرة بأن الغرض الرئيسي من مرشحات الكربون النشط هو إزالة أي أصباغ عضوية من الماء، والتي تعطي الماء لونًا أصفر.

وفي ذلك الوقت استجابت الشركات والموردين للتوجه العالمي باستخدام الكربون النشط من خلال تقديم أكثر من عشرين منتجًا من منتجات الكربون. لكن كان لدى الهواة القليل من التوجيه فيما يتعلق بالاختلافات الوظيفية بين أنواع المنتجات أو فعاليتها في إزالة المركبات والمواد العضوية.
باستثناء مقال نادر نشر في مجلة Aquarium Fish بقلم Timothy A.Hovanec (1993). وصف Hovanec مصادر وأنواع الكربون النشط واستعرض أداء أربعة أنواع مختلفة من الكربون، وقد وجد Hovanec أن الكربون المشتق من الفحم الحجري هو الأكثر فعالية في إزالة حمض التانيك من المياه.
ولاحقاً في مقال أحدث صرح Hovanec (1998) بشكل قاطع أن “أفضل كربون للاستخدام في تنقية المياه لإزالة المواد العضوية المذابة هو الكربون المستخرج من الفحم القاري”. كما علق على الانخفاض في استخدام كربون جوز الهند، مشيرًا إلى أن “كربون جوز الهند له حجم مسام غير مناسب لتصفية المواد المستهدفة من الماء.”
وبين ظهور مقال Hovanec الأول والثاني، نشر ستيفن سبوت وجاري آدامز دراسة تفحص قدرة الكربون النشط على إزالة المواد العضوية المذابة (DOC) في الأحواض البحرية، وتوصلوا إلى استنتاجات مختلفة ووجدوا أن الكربون المصنوع من الخشب الصلب كان أكثر فاعلية في إزالة المواد العضوية القابلة للتحلل، فيما كان الكربون من نوع فحم الأنثراسايت anthracite أقل فعالية.
وعلي الرغم من صعوبة التوفيق بين استنتاجات البحثين، اهتمت دراسة Hovanec بقدرة الكربون النشط في إزالة حمض التانيك من المياه العذبة، بينما اهتمت دراسة Spotte بقدرة الكربون النشط في إزالة المواد العضوية القابلة للتحلل من مياه البحر، وقد قارن المؤلفان الكربون النشط من مزيج مختلف من المصادر (قام كلا المؤلفين بفحص الكربون القائم على الفحم، لكن Spotte ركز على تقييم الكربون المعتمد على الفحم البني الليجنت، فيما قام Hovanec بتقييم الكربون القائم على الفحم القاري والذي يعد أعلي جودة من الفحم الليجنت).
وقد كان ترتيب Hovanec من الأكثر فاعلية إلى الأقل هو الفحم القاري يليه فحم جوز الهند والخشب، بينما كان ترتيب Spotte هو فحم الخشب يليه فحم جوز الهند والليجنت، ومما سبق يتضح أن هوفانيك يري أن فحم جوز الهند غير فعال في تنقية المياه، بينما يري سبوت أن فحم جوز الهند أقل فعالية من فحم الخشب، لكنه لا يزال قادرًا على إزالة نسب كبيرة من المواد العضوية.

وبما أن للفحم قدرة على امتصاص اللون أو الرائحة فكان من الضروري اجراء اختبارات معملية لمعرفة قدرة الأنواع المختلفة في الامتصاص، وكانت نتيجة التجارب أن جميع أنواع الكربون تمكنت من إزالة بعض اللون والمواد العضوية، لكن الفعالية تباينت بشكل كبير بين العلامات التجارية، فقد كان أعلى انخفاض تم الوصل إليه هو 88 وحدة لون، مما يزيل فعليًا أي لون في المياه، بينما كان الأدنى 21 وحدة، ومن الجدير بالذكر أن الاختبار وضح أن فلاتر الشراب أزالت 7 وحدات لونية فقط.
وكان من نتائج البحث أيضا أن ثلاثة من أفضل خمسة أنواع فحم كان أساسها الليجنت، فقد امتصت تلك الأنواع الخمس لونًا أكثر بكثير من أنواع الكربون القائم على الفحم القاري، فيما احتل الكربون الوحيد القائم على فحم جوز الهند المرتبة الثامنة، متفوقًا على العديد من الكربون القائم على الفحم القاري.
وكقاعدة عامة، كانت أنواع الفحم الحبيبي الناعم أقل فعالية في إزالة اللون، فثلاثة من أدنى أربع أنواع كانت على شكل حبيبات ذات أسطح ناعمة وصلبة، أما الأنواع ذات الكفاءة العالية كانت غير منتظمة الشكل وذات سطح خشن وغير ناعم.

وفي حين أن هناك العديد من العلامات التجارية للكربون تُباع للهواة إلا أن هناك عددًا محدودًا من أنواع الكربون القائم على الفحم القاري وغالبية العلامات التجارية المتاحة من الكربون القائم على فحم ال Lignite باستثناء عدد قليل من العلامات التجارية تستخدم فحم جوز الهند، وقد يكون هذا الأمر قد أثر على نتيجة الاختبارات، على سبيل المثال تم اختبار نوع واحد فقط من فحم جوز الهند وكان متوسط الأداء، ومع ذلك فقد تفوق على الفحم القاري، ويشير هذا إلى أنه لو كنا اختبرنا المزيد من تركيبات فحم جوز الهند فربما يكون هو الأفضل.

ويختلف سعر الفحم المتاح للهواية اختلافًا كبيرًا، لكن السعر يعتبر مؤشر ضعيف للفعالية فبعض أنواع الفحم قليلة السعر تفوقت على أنواع أغلي منها بثلاثة أضعاف، ويوضح الشكل السابق العلاقة بين الفعالية في إزالة اللون والكفاءة معبرًا عنها في التكلفة لكل أونصة (حوالي 30 جرام). وكما نري فالأنواع الموضحة في الربع الأيمن العلوي ازالت اللون بشكل فعال جدا وهي منخفضة السعر، وتقوم بذلك أيضا الأنواع الموجودة في الربع الأيمن السفلي وهي ذات تكلفة مرتفعة، أما الأنواع الموجودة في الربع الأيسر فهي ذات فعالية منخفضة رغم ارتفاع سعرها.

الفحم/الكربون في الأحواض البحرية:

يظهر في الصورة التالية أربعة أنواع من الفحم الذي قمنا باستخدامه اثناء التجربة السابقة، كربون من نوع Lifegard و Hydrocarbon2 وكربون من ESV وكربون من Seachem.

في الجزء السابق من المقال تناولنا قدرة الكربون النشط الحبيبي على إزالة المركبات العضوية ومسببات الاصفرار (Gelbstoff) من مياه أحواض أسماك الزينة. وفي هذا الجزء سنتطرق لبعض القضايا المتعلقة باستخدام الكربون في أحواض الشعاب المرجانية.

الأسلوب السلبي والنشط لاستخدام الكربون:

كان الأسلوب التقليدي لاستخدام الكربون هو وضعه في غرفة أو حاوية ويتم ضخ الماء مباشرة من خلاله، كما ذكر ذلك Delbeek (1990)، “في حوض مصمم بشكل صحيح، يُجبر الماء على التدفق عبر غرفة الكربون.” وتسمي تلك الطريقة بالأسلوب “النشط”.
وقد ذكر جوليان سبرونج 1995 في مجلة أسماك المياه العذبة والبحرية، طريقة أخري حيث قال “من الكافي للحفاظ على المياه خالية من مركبات الاصفرار إن نقوم بوضع أكياس الكربون النشط حيث تتدفق المياه من حولها، ولا يتم ضخ المياه بشكل مباشر عبر الكربون”. وتسمي هذه الطريقة بالأسلوب “السلبي” وتحدث سبرونج بالتفصيل عن النهج “السلبي” للفلترة بالكربون (Delbeek and Sprung 1994) قائلاً: “من خلال اتصال المياه المتدفقة بالكربون، ومن خلال خاصية الانتشار، سيتم امتصاص المواد العضوية وتقليل امتصاص الكربون للعناصر النذرة”. وبينما اعتمد العديد من الهواة على هذا النهج في استخدام الكربون، لم يتم تقديم أي دليل قوي يدعم تأكيدات سبرونج فيما يتعلق بالاستخدام السلبي للكربون – بخصوص أنه فعال في إزالة اللون وأقل في لإزالة العناصر النذرة من الماء.

ولاختبار ادعاءات سبرونج، قمت بإعداد حوضين مزودين بفلاتر الكربون، الأول – حوض الأسلوب “النشط” – تم إنشاؤه باستخدام الترتيب الموضح في الجزء الأول من هذا المقال، حيث تم استخدام 20 جرام من الهيدروكربون2، وهو كربون ليجنيت من شركة Two Little Fishies ، وقمت بوضعه في أنبوب أكريليك ليمر الماء عبر الأنبوب ويعود إلى الحوض مرة أخري.
تم إنشاء الحوض الثاني – الأسلوب “السلبي” – بطريقة مماثلة، باستثناء أنه بدلاً من وضع الكربون في أنبوب أكريليك، تم وضعه في كيس شبكي وبدلاً من استخدام مضخة لضخ المياه من خلال كيس الكربون، تم تثبيت المضخة على جانب الحوض لتدوير المياه في الحوض بحيث يتدفق الماء حول الكيس الشبكي.
وقد تم احضار المياه من حوض قديم بحيث كان لون المياه يمثل 100 وحدة لونية، وقمنا بأخذ القياسات للون بشكل دوري كل ساعة حتى يتم تقليل اللون إلى الصفر في الحوض الأول، بينما استمرت القياسات الدورية في الحوض الثاني لمدة 168 ساعة.

يوضح الشكل السابق نتائج الأربعين ساعة الأولى، حيث تم التخلص من المركبات المصفرة فعليًا في الحوض الأول (الأسلوب النشط) خلال خمس ساعات تقريباً، وخلال نفس الفترة كان الحوض الثاني (الأسلوب السلبي) مازال عند 70 بالمائة من اللون، وكما يوضح الرسم البياني استمر اللون في الانخفاض خلال الـ 24 ساعة التالية، لكن معدل الامتصاص انخفض وتوقف في النهاية عند حوالي 20 بالمائة من اللون الأصلي، وحتى بعد مرور سبعة أيام مازال الماء يحتوى علي لون أصفر، ونظرًا لأن نفس كمية الكربون في الحوض الأول تمكنت من التخلص من اللون بالكامل، فمن غير المحتمل أن يكون الكربون الموجود في الحوض الثاني قد تشبع، لشرح سبب توقف الكربون عن العمل، علينا أن نتعرف علي الآلية التي يعمل بها الكربون/الفحم.
من المهم أن تعلم أن الفحم هو مادّة ذات خصائص فريدة وعادةً ما يتم إنتاجه عن طريق حرق جزئي للمواد أو تفكيك المواد في الحرارة دون وجود الأكسجين، وعندما يحترق الخشب في الهواء الطّلق فإنه يحترق بشكل كامل وبالتالي فإن الكربون يتأكسد لغاز ثاني أكسيد الكربون، بالمقابل إذ تمّ تسخين الخشب في حاوية مغلقة أو إذا تم حرق الخشب وتغطيته بواسطة الرّمل والذي يقوم بمنع وصول الأكسجين إليه تحدث عملية تُدعى بالتحلل الحراري، والتي تقوم بدورها بتفكيكِ الخشب لمركباته الأساسية وانتاج الفحم المعروف لدينا ويٌقال في اللغة العاميّة أنه “يتفحّم”، ونحصل علي مكون كربوني مساميّ (ذو مسامات) دقيقة جدًا وذو مساحة سطح ضخمة، فإذا قمنا بقياسِ المساحة الإجمالية لجميع المسام سنجد أن مساحة السطح الخاصّة بالفحم يمكنها أن تصل إلى 2500 متر مربع لكل جرام، أي أكبر من مساحة خمس ملاعب لكرة السلة، كما أنّ طحن الفحم يزيد من مساحة سطحه ويُسهّل على المواد الأخرى التّلامُس معه.
وبسبب سطحه المسامي الضخم، يمتلك الفحم قدرة استثنائية على امتصاص المواد، والامتصاص هو عملية “تلتصق” فيها مادة معينة بمادة أخرى، بسبب التجاذب بين المادة الماصة والمادة التي يتم امتصاصها، مثل الماء الذي يتم امتصاصه بواسطة منشفة ويبقى عالقا بها، وتُعتبر قدرة امتصاص الكربون قوية جدا.
يزيل الكربون اللون والجزيئات العضوية من الماء من خلال خاصية الامتزاز، الامتزاز هو الارتباط الكيميائي للجزيئات المستهدفة بالكربون (Moe 1989). ويكون الكربون أكثر فعالية عندما يكون جافاً، ويكون أكثر “جاذبية” للجزيئات في هذه الحالة، ويحدث أكبر معدل امتصاص بعد وضع الكربون في المياه مباشرة ويصبح تدريجياً أقل فعالية مع مرور الوقت، ويعتبر الكربون سواء تم استخدامه بالنهج النشط أو السلبي فعال للغاية في بداية استخدامه.

الكربون النشط وإزالة العناصر النذرة:

التأكيد الثاني في مقال سبرونج كان حول احتمالية امتصاص العناصر النزرة بواسطة الكربون وقد كرر ذلك عدة مرات في مقاله، وانضم إليه لاحقا جون تولوك حيث قال “ذكر آخرون، بما فيهم عالم الأحياء المائية النرويجي الشهير ألف نيلسن، شكوكهم في أن الاستخدام المستمر للكربون النشط يمكن أن يؤدي إلى ابيضاض المرجان الصلب SPS إذا لم يتم تعويض العناصر النذرة مثل اليود وغيرها بشكل منتظم” (Tullock 1997)، ويعتبر اليود Iodine عنصرًا ثانويًا وليس عنصرًا نذر، وعند إضافته إلى مياه البحر سرعان ما يتحول إلى ايوديد iodide في الغالب.
وكالعديد من الجوانب في الهواية كنت بحاجة لتقييم أو التأكد من صحة هذا الافتراض، فقمت بإزالة ما يقرب من (20 لترًا) من الماء من حوض شعاب مرجانية تبلغ سعته (1100 لتر) وأضفت يوديد البوتاسيوم من شركة ESV حتى وصل قياس اليود في الماء 0.1 ملليجرام لكل لتر (مجم / لتر) بواسطة اختبار من شركة Seachem، وكان الغرض من زيادة تركيز اليوديد إلى هذا المستوى هو المبالغة في نسبة اليوديد لاكتشاف احتمالية امتزاز الكربون لليود بشكل واضح.
وكما فعلنا في التجربة السابقة قمت بتقسيم الماء علي حوضين، الأول يعمل بالأسلوب النشط (وضعت 20 جرامًا من الهيدروكربون 2 في أنبوب الأكريليك) وفي الحوض الثاني، تم وضع الكربون/الفحم في كيس شبكي، وتم تشغيل الحوضين لمدة 48 ساعة ثم تم قياس تركيز اليود باختبار Seachem بما يصل إلى ستة قياسات مكررة، وتم أخذ القياسات بكامل قوتها وبتخفيف 5:1 لمواجهة صعوبة تفسير اللون في الطرف الأعلى من المقياس، وبعد عمل الحوضين لمدة 72 ساعة، كان الاستنتاج الذي توصلت إليه هو أن استخدام الكربون له تأثير ولكن بشكل ضئيل على تركيزات اليوديد علي كلا الحوضين.

الكمية المناسبة لاستخدام الكربون/الفحم:

على مدار السنوات العشر الماضية من استخدام الكربون ستجد أن كل التوصيات والارشادات قد استندت إلى توصية واحدة منذ عام 1988 حيث أوصى ثيل Thiel بـ ثلاثة مكاييل (1.5 إلى 2 لتر) من الكربون لكل 200 لتر من المياه، دون توضيح وشرح لأساس هذه التوصية، ثم بعد ذلك استشهد Moe (1989) بـ Thiel فيما يتعلق بكمية الكربون، لكنه قدم التوصية أيضا بشكل غير مفهوم على أنها 34 أوقية (حوالى 1 لتر) دون ذكر ما إذا كان هذا هو حجم أو وزن الكربون، ثم في عام 1990 استشهد Delbeek أيضًا بـ Thiel لكنه عدل الكمية إلي 36 أوقية، وكرر Delbeek and Sprung (1995) نفس التوصية مرة أخرى.
ولا توضح أي من المراجع التي تشير إلى توصية ثيل ما إذا كانت تتحدث عن حجم الكربون أم الوزن، حيث يتم تحويل ثلاثة مكاييل إلى ستة أكواب أو 48 أوقية من حيث الحجم، لذا فإن التوصيات من 34 إلى 36 أوقية تبدو منخفضة إذا كانوا يقومون بتحويل توصية Thiel الأصلية.
ويعد تحويل الحجم الأصلي البالغ ثلاثة مكاييل إلى وزن أمراً أكثر صعوبة، لأن وزن حجم معين من الكربون يعتمد على كثافة الكربون نفسه، فقد كان وزن ثلاثة مكاييل من أحد أنواع الفحم القاري التي اختبرتها حوالي 480 جرام، في حين كان وزن ثلاث مكاييل من فحم الليجنيت ما يقرب من 850 جرام، وكان وزن فحم جوز الهند متوسط بين هذين النوعين.
يشير Delbeek and Sprung أيضًا إلى توصية Wilkens and Birkholz (1988) التي أوصت بـ 500 جرام لكل 100 لتر، مشيرًا إلى أن هذه الكمية من الكربون “تكافئ تقريبًا (وفقًا لتوصية Thiel).” التوصية التي تبلغ 500 جرام تصل إلى 31 أوقية، لذلك يبدوا أن التوصيات منذ Moe استندت إلى وزن الكربون. نظرًا لأن ألبرت ثيل كان من أشد المدافعين عن فحم جوز الهند، لذلك فإن اقتراحه بثلاث مكاييل من الكربون يقصد بها الوزن وهو ما يقارب 20 إلى 25 أوقية من الكربون، وهو أقل بكثير مما دعا إليه المؤلفون الآخرون.
وبين توصيات Hovanec (1993) لاستخدام الفحم القاري وتوصيات Delbeek and Sprung (1994) لاستخدام 36 أوقية من الكربون قد يجد الهاوي نفسه يتعامل مع ثلاثة لتر من الكربون لكل 200 لتر من الماء. وقد ذكر Delbeek and Sprung (1994، الصفحة 113)، ملاحظة مفادها “على الرغم من أن هذه التوصية تبدو مفرطة في استخدام الفحم، إلا أنه يمكن للهاوي استخدامها كحد أعلى والعمل على تقليلها”.
كما يوصي Spotte (1992) بـ 1 جرام من الكربون لكل لتر مياه، وهو مايمثل خمس ما اقترحه المؤلفون الآخرون، ويبدوا أن ألبرت ثيل قد أعاد التفكير في توصيته الأصلية التي استمرت ل 10 سنوات، فهو الآن يقترح ثلاث ملاعق كبيرة من الفحم لكل 200 لتر من المياه، أي حوالي واحد على ثلاثين من توصيته الأصلية.
ولكي نفهم تأثير الكمية بشكل أفضل على إزالة اللون الأصفر، قمت بتشغيل ثلاثة أحواض مختلفة باستخدام 60 جرامًا و30 جرامًا و15 جرامًا علي التوالي من الكربون القائم على الفحم القاري من انتاج شركة ESV وسعة الحوض 200 لتر.

كما يوضح الرسم البياني، فإن كمية الكربون المستخدمة كان لها تأثير على معدل إزالة اللون، ولكن ليس بالدرجة التي قد تتصورها، فقد أزالت أكبر كمية من الكربون (60 جرام) أكبر نسبة من اللون، ولكن كلفنا ذلك أربع أضعاف وزن الكربون لإزالة ضعف اللون، أقل كمية من الكربون (15 جرام) استطاعت إزالة 50 وحدة من اللون في سبع ساعات، وهي نسبة أكثر بكثير مما هو ضروري بالنسبة لحوض متوسط، ويشير هذا إلى أن الاستخدام الأكثر كفاءة للكربون هو عبر استخدام أقل كمية ضرورية من الكربون.
ومن المحتمل أن تكون توصية Thiel الحالية بـ 3 ملاعق كبيرة لكل 200 لتر مياه هي كل ما نحتاجه للحفاظ على أحواض الشعاب المرجانية نقية وخالية من اللون الأصفر، كما يوصي Thiel أيضًا باستخدام الكربون لمدة 12 ساعة في الأسبوع ثم إزالته، وهذه أيضا نصيحة جيدة، فالأحواض الجيدة خاصةً التي تحتوي على بروتين سكيمر قوي، لا ينبغي أن تستخدم الكربون/الفحم لمدة أكثر من 12 ساعة أسبوعياً، لكن قد تحتاج لتشغيله لفترات أكثر من ذلك في حالات الطوارئ.
وللأسف لم يذكر ثيل معدلات دوران المياه المطلوبة عبر الكربون/الفحم، ومن الجدير بالذكر هنا أنه يجب علينا تجنب استخدام الفحم داخل فلاتر الباور لأنها تقوم بنقل الماء عبر الكربون بمعدل أسرع بكثير مما توصي به الأبحاث، وتشير الدلائل إلى أن معدل الامتصاص ينخفض عندما تتجاوز سرعة الماء عبر الكربون 65 مليلترًا في الدقيقة، أي ما يقرب من 4 لتر في الساعة، ويوصي Spotte بعدم تدوير أكثر من حجم الحوض عبر الكربون مرة واحدة يوميًا.

وإذا جمعنا إرشادات Thiel (12 ساعة/اسبوع) جنبًا إلى جنب مع اقتراح Spotte، نجد أن معدل التدفق يبلغ حوالي 15 لتر في الساعة لحوض بسعة 200 لتر.

خلاصة:

الكربون النشط الحبيبي هو أداة قيمة لهواة الأحواض البحرية والعذبة، ويمكن أن يلعب دورًا مهمًا في الحفاظ على حوض سليم، ومع ذلك فإن النهج التقليدي في استخدام الكربون كان مضللاً نوعاً ما، فالاستخدام الأمثل للكربون يمكن تحقيقه باستخدام الكربون بشكل دوري فقط، حيث سيؤدي مرور المياه ببطء خلال كميات صغيرة من الكربون إلى إزالة كميات كبيرة من اللون، كما يجب علينا تجنب استخدام النهج السلبي للكربون، وكذلك تجنب استخدام الكربون خلال فلاتر الباور power filter كبيرة الحجم.

مع تحيات موقع هوايتي