ph值降低的原因和对策

cuihaowei · 发表于 2012-9-12 01:49:33

原文作者：Randy
原文标题：Low pH: Causes and Cures
原文连接：http://reefkeeping.com/issues/2004-09/rhf/index.htm
刊  号：Reefkeeping [0409]
翻译者：yangsha

水族箱内的ph值对生物的健康有着极为重要的影响。有很多因素能导致ph值下降，甚至超出生物所能承受的范围。例如，非常低的ph值会直接抑制珊瑚和藻类的钙化过程，严重时会导致硬骨珊瑚骨骼发生溶解。因此，ph值是一个必须监控的参数。监控ph值只是开始，ph值的持续降低是水族系统内最让人头疼的问题之一。本文将详细阐述为什么ph值会降低，以及最佳的应对策略。对于ph值过高的朋友，请参考我之前的文章 previous article。

什么是ph值

这一段我们帮助鱼友们理解什么是ph值。只关心如何提高ph值的朋友们可以略过这一段。

海水中ph值有很多不同定义。大多数鱼友使用的是由国家标准委员会的提出的定义：

1. pH = -log aH

等式中aH 代表溶液中氢离子的活性。活性代表着化学意义上的自由氢离子，因此，ph值就是溶液中自由氢离子的表示方法。氢离子在海水中式部分游离的，(并不是真正的游离，因为其和水分子结合形成H3O+) 还有些与其它离子结合。这就是为什么化学家用活性代替浓度的用意所在。一般情况下，海水中的H+ 有73%左右以氢离子形式存在，与硫酸根结合的氢离子占25%，其它含量很少。以H+/F- 形式存在的只占极微小的一部分。这些离子的活性还影响着测量的校准值，因此，测量海水中的ph值需要单独的校准。其它的标准不必考虑，因为鱼友们所用到的几乎都是国家标准中所指的ph值。

为了更加直观的理解水族箱内的ph值，大家可以简单的认为ph值就是水中氢离子的浓度：

2. pH = -gHlog[H+]

gH 是一个氢离子活性系数，由于它一般是常数，我们可以忽略它。(for those interested, gH = 1 in pure fresh water and ~0.72 in seawater). 在某种意义上，鱼友只需知道ph值是溶解在水中的氢离子的浓度，其值为一个对数值。形象点说，ph=6的水中，氢离子浓度是ph=7的水中氢离子浓度的10倍，是ph=8水中的氢离子浓度的100倍。因此ph值的微小变化意味着水中氢离子浓度的巨大变化。

3. 为什么要监测ph值？

有很多理由大家必须监测水中的ph值。其中之一是海洋生物只在特定的ph值范围内生存。每种生物最适合的ph值范围不同，对于一个包含许多生物种类的水族箱来说，很难界定怎样的ph值范围是最合适的。天然海水的ph值范围从8.0-8.3，尽管如此，我们也不能说这个是最适合的。但是早在80年前，研究人员就证明了ph值下降到7.3就会对鱼类产生不良影响。目前的研究为一些生物提出了适合的ph值范围标准，但相对于鱼友们广博的喜好，这些种类似乎太少了。另外，ph值对生物的影响有时是直接的，有时是间接的。例如，铜离子和镍离子的毒性会随着ph值变化而变化。因此，即使是饲养相同的生物，不同水族箱最适合的ph值也有可能不同。

4. 水中起始二氧化碳浓度高，提高碱度后ph值变化。

无论怎样，ph值的变化都会给生物带来一些最基本的影响。其中最主要的是钙化，钙化的过程受到ph值的影响最为严重，ph下降，钙化速度也会明显下降。基于这一事实和许多鱼友的实际经验，我们可以认定一个ph变化的可接受范围，以及最糟糕的底线。

5. 礁岩系统中可以接受的ph范围是多少？

礁岩系统的ph适合范围是大家的经验性结论并没有科学实验支持，依据个人观点有所不同。而且最佳值范围也总说纷纭。因此，我们统一可接受的ph值范围要比统一最佳范围简单的多。尽管水族箱可以在很大的ph值范围内运行，我还是推荐自然海水的ph值8.2左右。我的个人观点是，ph值从7.8-8.5对于大多数生物都是可以接受的。

碱度至少保持2.5 meq/L,，当ph值在较低范围时，碱度最好再高些。这个结论是基于很多鱼友在ph值7.8-8.0之间的成功饲养经验，应为这些成功的鱼友大多使用碳酸钙/二氧化碳（钙反应器），以降低ph值的同时碳酸盐碱度维持高水平。(不小于 3 meq/L.) 这种情况下，低ph值对钙化的影响可以被高碱度所抵消。低ph值对需钙化形成骨骼的生物会产生影响，使其不能获得足够的碳酸钙。增加碱度对这种消极影响的抵消将在下文中详细介绍。
钙离子的浓度至少在 400 ppm。当ph值降低时，钙化作用的减弱比钙离子浓度降低的影响更严重。当钙离子浓度、ph值和碱度同时降低到底线是非常危险的。因此，如果在使用钙反应器ph值很难提高的情况下，至少保证钙离子浓度可以接受(~400-450 ppm)。相反，当ph升高超过8.2时，会增加非生物性沉淀增加，如碳酸钙，从而导致钙浓度和碱度降低，加热器和水泵叶轮上会增加沉积。如果ph值高于8.4（使用石灰水时会经常发生），此时保持钙浓度和碱度值是非常重要的。(既不能太低，产生抑制钙化反应效应，也不能太高，在水泵和管线内形成沉淀。)
二氧化碳和ph值

水族箱内的ph值与溶解在水中的二氧化碳量有直接关系，同时也与碱度有直接联系。事实上，当海水在通气状态下，并经过充分混合，ph值完全由水中溶解的碳酸盐碱度决定。碱度越高，ph值越高。图1表示了海水中通入空气后碱度、二氧化碳和ph值关系。室内情况下，二氧化碳浓度会稍高些。很明显，在给定碱度的情况下，溶解的二氧化碳越多，ph值越低。水族箱内二氧化碳过量会导致ph值降低。

图1. 当通入含有正常、增多二氧化碳的空气后，碱度和ph值关系。绿色的点表示为自然海水通入正常空气。曲线上其它点位认为提高或降低碱度的结果。

下面有个简单的方式去理解。二氧化碳在空气中以气体形式存在，而溶解在水中则以碳酸形式存在。

2.  CO2  +  H2O  à  H2CO3

当完全溶解的情况下，碳酸的含量不是由ph值决定的，而是由通入的二氧化碳量决定（有时会受到温度和盐度的影响）。因此，对于水中溶解二氧化碳较多的水族箱，或周围空气中二氧化碳含量高的水族箱，过量的二氧化碳势必导致溶解的碳酸增多，ph值下降。

海水中溶解的碳酸、重碳酸盐、碳酸盐一般是相互平衡的：

3.  H2CO3  ßà H+  + HCO3- ßà  2H+  +  CO3–

等式4中显示，如果溶解的碳酸过多，会分解形成氢离子和碳酸氢根离子，和进一步分解形成氢离子和碳酸根离子。由于氢离子的过度增多，ph值会下降。如果海水中二氧化碳严重过量，ph值可能降低到4-6。用我水族箱内的海水通入一个大气压的二氧化碳，ph值可以降低到5.0，虽然这种情况在水族箱内有各种物质缓冲不可能发生。同样情况，在水中加入霰石（碳酸钙晶体，与珊瑚骨组成物质相同），ph值会升高到5.8。

图片2-5 显示了一些提高ph值的方法。例如，如果水族箱内碱度为 3 meq/L (8.4 dKH) ，ph值为 7.93，水体中一定有过量二氧化碳溶解，否则，ph值应超过8.3。提高ph值的方法包括：

向海水中通入正常空气，挤出溶解的多余的二氧化碳，会形成如图片3中绿线的情形，ph值会升高到8.3。这种效果也可以通过配置藻缸，利用巨藻吸收多余的二氧化碳控制ph值，尽管这种方法很难将ph值提高的8.3。
提高碱度，虽然溶解性二氧化碳依然过多，但ph值也可以到达图4中绿线的情况，即ph值8.1 碱度 4.5 meq/L (12.6 dKH).
注入石灰水，以沉淀多余的二氧化碳，同时升高碱度可以达到图片5中绿色曲线的效果。Ph值超过 8.4 并且碱度4 meq/L (11.2 dKH).

图 2 与图片1中的曲线相似。显示碱度值为3 meq/L (8.4 dKH)时ph值比较。正常气体通入后ph值明显高于过量二氧化碳气体通入的效果。

图3  与图1相似水中二氧化碳含量起始浓度高，向其中融入空气后的效果。

图 4 水中起始二氧化碳浓度高，提高碱度后ph值变化。

cuihaowei · 发表于 2012-9-12 01:51:20

图片 5 加入石灰水后ph值和碱度都有升高。
为什么ph值会发生昼夜变化？

水族箱内ph值的昼夜变化是生物光合作用造成的。光合作用是生物将二氧化碳转化为碳水化合物和氧气的过程。反应为方程式为:

5. 6CO2 + 6H2O + light à C6H12O6 (carbohydrate) + 6O2

因此，白天会消耗很多二氧化碳。如果消耗量大，会导致二氧化碳不足，ph值升高。

同时，生物还有呼吸作用。碳水化合物会转化为能量、二氧化碳和水，与光合作用的方程式正好相反:

6. C6H12O6 (carbohydrate) + 6O2 à 6CO2 + 6H2O + energy

此过程在水族箱内每时每刻都在发生，从而产生二氧化碳降低ph值。

这两种反应的综合结果是白天水族箱的ph值高，夜间降低。一般浮动范围为ph值为0.5。理论上，在ph值降低时适当通入空气，在ph值升高时适当通入二氧化碳可以有效的稳定ph值。实际维护过程中，不可能实现完美，ph值在日间和夜间都会有所波动。

除了通气外，水中化学物质的缓冲作用也能稳定ph值。高碳酸盐碱度能够有效维持ph值稳定。硼酸和硼酸盐也能防止ph值波动。这两种物质分别有助于保持ph高于8.5或低于7.8。在之前的文章中 previous article，我已经讲述了各种缓冲剂的效果和ph值日波动的详细情况。

解决ph值问题

下文将为你提供解决ph问题的建议。这些建议也可帮助你将已经在正常范围内的ph值调整到天然海水值。开始之前有些要注意的事项。

确定ph值是否有问题。有些时候错误的测量值使大家归咎于水族箱内水质的问题。尤其是进行ph值测量时，更常见。如果使用电子ph表，失误会减少些。无论什么测量方法都有出错的时候，我想谁也不愿意将原本不错的水质调整到很差，只是因为测试表的误差。因此，在采取任何行动之前，要确认ph值的准确，这里有两篇文章是关于ph值的精确测量问题。
Measuring pH with a Meter
A pH calibration or verification fluid using grocery store borax.
努力发现ph值问题的成因。如果ph低是由于室内空气中二氧化碳含量过高，那么增加爱通气不会有任何效果。改变方法会有奇效。
ph值低问题成因

低ph值是指ph值低于7.8。也就是说，一天内，任何一个时间内ph值低于7.8都属于ph低问题范围内。当然，如果ph值达到7.9，大多数人已经开始着手了，只是没那么紧迫。很多情况可以导致ph低，因此，应对方法也不尽相同。最后，也有可能多种因素同时存在。

解决问题的第一步是探寻为何会发生问题。有可能是因为：

使用钙反应器。
碱度低。
水族箱周围空气中二氧化碳浓度高，导致非正常通气。不要被误导，所谓水族箱必须被充分的通气，因为水面有汹涌的波纹一样可以完成气体交换。平衡二氧化碳的浓度远比简单的通入氧气更难。如果二氧化碳平衡得很好，日间和夜间甚至不会出现ph值浮动。因为大多数鱼友的水族箱都会出现ph值夜间波动，他们通常被解释为通气不足。
水族箱内溶解性二氧化碳过多。因为室内空气中可能就存在二氧化碳过多的问题。
循环良好，但多余营养物质通过氮循环产生更多的酸，有机物分解产生二氧化碳。
通气测试

上面的问题需要确诊。第3条和第4条非常接近，这里有个方法来区分。取一大杯缸内海水测量其ph值。使用世外空气通气1小时。Ph值应该上升。然后再取一杯海水，用室内空气打气一小时，如果ph值也上升，说明是水族箱内本身溶解了过量的二氧化碳。如果ph值没有上升，那么室内空气中的二氧化碳含量过多，那么随你怎么通气都不会有效果。

PH值问题解决办法

有些解决办法是相对于某种起因的，因此在下面详细说明。当然也有些万金油的方法。如使用ph值调节添加剂。在使用添加剂后添加三分之二量的石灰石，可以有效提升ph值而不提升碱度，并保持钙的浓度。

单独使用缓冲剂只能稍稍提升ph值，同时导致碱度提升。而大多数缓冲剂包装上并没有标注这一特性。往往结果是ph值没有迅速提升，而碱度增加的很多。

其它两种有效方法是设置藻缸，吸收二氧化碳和使用新鲜空气通气。

使用钙反导致的ph值降低应对策略

水族箱内ph值低最常见的问题就是由于使用钙反。这种反应器使用二氧化碳的酸性溶解碳酸钙，其结果是向水族箱内增加了酸性物质。理想状态下，二氧化碳在与碳酸钙反应过后被释放。而事实是，这个过程非常不完美，大多数使用钙反应器的水族箱都会出现ph值低的问题。

下面的解决方法是针对正确设置的钙反，设置不好的钙反降低ph值的效果更明显。如何设置钙反应器已经超出了本文的讨论范围。

应对策略有很多。其中之一是使用两段式钙反。让水流返回水族箱前经过第二个碳酸钙仓。溶解多余的碳酸钙能起到提升ph值的作用，同时提高出水的钙离子浓度和碱度。这种方法对于提高出水的ph值很有效，但对于整个水族箱的海水作用不大，因此不能完全解决ph值低问题。

第二种方法是在出水进入水族箱前通气。目的是在水回流到水族箱内之前逼出其中多余的二氧化碳。这个方法是理论性的，但实际操作中没有时间和空间完成这个动作。此方法的另一个问题是，如果真的对提高ph值有效，会导致过饱和的碳酸钙沉淀，阻塞该钙反应器，从而降低钙反效率。

最后也是最有效的方法是将钙反后的水进行提升碱度处理，从而提高ph值。可以使用石灰水。这里石灰水并不是用来提供大量的钙离子或碱度，而是用于吸收多余的二氧化碳，从而提升ph值。石灰水用量也不必达到保持钙离子和碱度的用量。石灰石添加时间也可以选择在夜间或清晨，ph值最低的时候。也可以配合ph值控制器使用，在需要，及低于7.8时添加。

由室内二氧化碳浓度高导致的ph值低的对策

室内二氧化碳浓度高通常也会导致ph值降低。人类和宠物的呼吸，使用天燃气，使用钙反都可能导致室内二氧化碳浓度高。室内二氧化碳的含量会很容易达到室外2倍以上，这可能直接导致水族箱ph值低。新手和通风不好的地方会常会遇到。至少我家里还没发生这个问题。

许多鱼友发现，打开水族箱附近的窗户可以在1-2天内提高ph值。但居住在寒冷地区的朋友们不可能随时通风。有些鱼友把蛋分通气管链接到室外，使用户外空气进行蛋分。给这些朋友一个忠告，室外空气中含有杀虫剂等化学物质很多，最好在进气口设置活性炭吸附。

最后，使用石灰水是一个很好的选择。石灰水可能会非常有效，因为在这种情况下，水族箱几乎不可能有ph值超高的情况。石灰水是常用的水族碱度补充剂，在提升ph值方面有强大功效，其它添加剂也有作用。例如，以碳酸盐为主要成分的补充剂在这种情况下也很有用，重碳酸盐效果不好。如 the original B-ionic 要比the newer version (Bicarbonate B-ionic)更好。home brews, 碳酸钠或干燥过的碳酸氢钠比普通的碳酸氢钠效果更好。

低碱度导致的ph值低

低碱度同样可以导致ph值低。如碱度补充不足以弥补钙化消耗，就会出现ph值降低问题。解决方法是增加碱度。(图4所示).

ph值急速下降应对策略

上述所说均为ph值缓慢下降的情况。有时会发生ph值急速降低的问题，了解一下解决办法也无妨。大多数鱼友不会像我一样，将一大堆干冰投入底缸，看看到底会发生什么。当然是ph值降低。。降低。。再降低。很快会降至5，足以杀死所有海洋生物。当然实验室不能放生物。

这个例子更像是载有二氧化碳的设备在水族箱内发生泄漏。大多数情况下，我建议大家除了大量通气逼出二氧化碳外不做任何处理。也许还要打开窗子，以确保气体交换所使用的空气中二氧化碳浓度正常。水族箱会在一天内恢复正常。如果尝试添加各种ph提升试剂，当二氧化碳彻底排除时，可能会面临高ph值的风险。

如果是无机酸导致的ph值降低， (如盐酸), 那么碳酸盐碱度会崩溃。我建议先测量碱度，然后使用碳酸盐碱度补充剂，使碱度返回到正常范围 ( 2.5 to 4 meq/L; 7-11 dKH)。最终的结果应该是ph值升高，通过使用添加剂，ph值会很快升高。有些试剂如小苏打会产生二氧化碳，ph值上升会较慢，直到水中多余的二氧化碳被排除。

如果是醋或其它有机酸导致的ph值降低，应对方法与应对无机酸的方法一致。因为醋酸氧化会产生二氧化碳和氢氧根离子，所以要慎用或不用碱度添加剂。因为其反应过程就会提高碱度。如果添加剂使用过度，最后的结果很可能是双超高。

总结

Ph值是水族化学中大家最熟悉的参数。它对生物的健康有十分重要的影响。大家最好将ph值控制在可接受的范围内。本文提供了一系列应对低ph值的方法，以及诊断自己水族箱ph值低原因的知识。祝大家玩得愉快。

参考文献：

1. Hydrogen-ion concentration of sea water in its biological relations. Atkins, W. R. G. J. Marine Biol. Assoc. (1922), 12 717-71.

2. Water quality requirements for first-feeding in marine fish larvae. II. pH, oxygen, and carbon dioxide. Brownell, Charles L. Dep. Zool., Univ. Cape Town, Rondebosch, S. Afr. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. (1980), 44(2-3), 285-8.

3. Chondrus crispus (Gigartinaceae, Rhodophyta) tank cultivation: optimizing carbon input by a fixed pH and use of a salt water well. Braud, Jean-Paul; Amat, Mireille A. Sanofi Bio-Industries, Polder du Dain, Bouin, Fr. Hydrobiologia (1996), 326/327 335-340.

4. Physiological ecology of Gelidiella acerosa. Rao, P. Sreenivasa; Mehta, V. B. Dep. Biosci., Saurashtra Univ., Rajkot, India. J. Phycol. (1973), 9(3), 333-5.

5. Studies on marine biological filters. Model filters. Wickins, J. F. Fish. Exp. Stn., Minist. Agric. Fish. Food, Conwy/Gwynedd, UK. Water Res. (1983), 17(12), 1769-80.

6. Physiological characteristics of Mycosphaerella ascophylli, a fungal endophyte of the marine brown alga Ascophyllum nodosum. Fries, Nils. Inst. Physiol. Bot., Univ. Uppsala, Uppsala, Swed. Physiol. Plant. (1979), 45(1), 117-21.

7. pH dependent toxicity of five metals to three marine organisms. Ho, Kay T.; Kuhn, Anne; Pelletier, Marguerite C.; Hendricks, Tracey L.; Helmstetter, Andrea. National Health and Ecological Effects Research Laboratory, U.S. Environmental Protection Agency, Narragansett, RI, USA. Environmental Toxicology (1999), 14(2), 235-240.

8. Effects of lowered pH and elevated nitrate on coral calcification. Marubini, F.; Atkinson, M. J. Biosphere 2 Center, Columbia Univ., Oracle, AZ, USA. Mar. Ecol.: Prog. Ser. (1999), 188 117-121.

9. Effect of calcium carbonate saturation state on the calcification rate of an experimental coral reef. Langdon, Chris; Takahashi, Taro; Sweeney, Colm; Chipman, Dave; Goddard, John; Marubini, Francesca; Aceves, Heather; Barnett, Heidi; Atkinson, Marlin J. Lamont-Doherty Earth Observatory of Columbia University, Palisades, NY, USA. Global Biogeochem. Cycles (2000), 14(2), 639-654.