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Autor Tema: Análisis del sistema de CO2 con bicarnobato y ácido citrico  (Leído 3024 veces)

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Desconectado Swamis

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Análisis del sistema de CO2 con bicarnobato y ácido citrico
« en: Febrero 16, 2016, 12:38:29 pm »
En primer lugar y ante todo decir que soy un novato y no tengo ninguna experiencia previa en acuarios plantados y por lo tanto no pretendo comparar este sistema con el sistema de bombonas o con el de levaduras ya que este es el único que he usado. De todas formas la información que he encontrado online acerca de él no es demasiada y con errores de bulto, por lo que pienso que puedo aportar algo al tema. El motivo por el que me he decidido por el que he decidido utilizar este sistema es que creo que un acuario es una herramienta educativa magnifica para desarrollar la curiosidad de los niños y me parece que el sistema del ácido cítrico y bicarbonato es el más entretenido para los niños. De hecho al mío le encanta ayudarme a preparar las soluciones, cebar el sistema, abrir las válvulas,… Asi que vamos alla con el análisis.

Lo primero de todo el coste de la instalación. Yo lo compre todo a tráves de Aliexpress y pague: 19.63$ por el sistema D301 DIY CO2 generatos, 1.97$ por tubo de silicona de 6mm y 3.68$ por cuentagotas de vidrio y 3.72$ por un difusor de vidrio. Luego además yo tenía un regulador profesional que no utilizaba y he reutilizado que no se cuánto cuesta, pero seguro que bastante más, aunque hay válvulas de aguja por 6$ o menos, así que en coste de todo el equipo rondaría los 30€. Esta segunda valvula no es imprescidible, pero como explicare ayuda a regularlo mejor.

Respecto al funcionamiento es muy sencillo y se puede ver en el esquema que ahora no me deja subir, pero que intentare colgar esta tarde. En una botella de refresco se prepara una solución de ácido cítrico y en otra una solución de bicarbonato. Se conectan las botellas al sistema (la de ácido al tapón con el manometro y la otra al tapón con la válvula de aguja incorporada). Luego de un cebado inicial sube la presión dentro de las botellas y es esta presión la que regula el flujo de ácido cítrico.

La reacción química que tiene lugar es la siguiente. Tres moléculas de bicarbonato sódico más una de ácido cítrico generan una molécula de citrato sódico, tres de dióxido de carbono y tres de agua.

3NaHCO3 +  C6H807  = Na3C6H5O7 + 3  CO2 + 3 H20

El peso molecular del bicarbonato sódico (84 g/mol) es algo menos de la mitad del  ácido ascórbico (192.1 g/mol), pero como se necesitan tres moléculas de bicarbonato por una de ácido se necesitan solamente unos 76 gramos de ácido por cada 100 gramos de bicarbonato.

100g bicarbonato/(84g/mol)=1,19moles bicarbonatox(1mol cítrico/3moles bicarbonato)=
0,397moles cítricox(192,1g/mol)=76,2gr ácido cítrico.

Esto para el ácido cítrico puro o anhidro, el ácido ascórbico se puede encontrar en forma de monohidrato (210,1 g/mol) por lo que en este caso la cantidad de ácido que se necesita es de 83 gramos de ácido cítrico monohidrato.

En cuanto al rendimiento, como se producen 3 móleculas de CO2 (44gr/mol) por cada molecula de bicarbonato: 1000g bicarbonato / (84g/mol) x 3 x (44gr/mol) = 1571gr CO2. El kilo de bicarbonato me salio a 3,7€ y 800g de ácido cítrico a 4,5€ (5,61€/Kg) por lo que el kilo de CO2 sale a (3,7€+4,5€)/1,571kg = 5,21€, y habría que añadir 3,5€ de gastos de envio. No sé si esto es caro o barato, aunque también es verdad que el precio por kilo es menor si por ejemplo compramos 10kg en lugar de 1kg.

Hay quien intenta la reacción sustituyendo el ácido cítrico por vinagre, el cual contiene ácido ácetico (60g/mol). En este caso la reacción una molécula de acético reacciona con una de bicarbonato por lo cual se necesitarían 72 gramos de ácido acético, y como el porcentaje de acético en el vinagre es como mucho del 5% es necesario al menos 1400mL de vinagre por cada 100 gramos de bicarbonato. Un volumen demasiado grande para que sea práctico.

NaHCO3 + CH3COOH = CH3COO-Na+ + CO2 + H2O

Otra posibilidad es la de usar Salfuman, que no es otra cosa que una solución de ácido clorhídrico (36,5gr/mol) al 37%.  En este caso también reacciona una molécula de bicarbonato con otra de clorhídrico para dar cloruro sódico (sal común), dióxido de carbono y agua. En este caso se necesitarían unos 117 gramos (densidad de 1,17 gr/mL) lo que supone unos 100mL de Salfuman. En este caso el problema es que el Salfuman concentrado es altamente corrosivo, pero diluyéndolo en agua quizás sea una buena combinación, aunque no sere yo quien prueba con niños en casa. Además, el clorhídrico no solo es un ácido bastante más fuerte que el cítrico sino que debido a que se necesita una molecula de ácido por cada molecula de bicarbonato la concentración de ácido en la solución será el triple que la del cítrico.

NaHCO3 + HCl = NaCl + CO2 + H2O

Respecto a los volúmenes recomendados son 600mL para el ácido cítrico y 200mL para el bicarbonato, aunque no entiendo porque. Aún asi la primera prueba la realicé con los volumenos recomendados.

La solubilidad del ácido cítrico es de unos 150g /100mL así que no hay ningún problema para disolver 150gramos de ácido en los 600mL de agua recomendados, aunque es un proceso bastante endotérmico por lo que es recomendable usar agua tibia. En cambio la solubilidad del bicarbonato sódico es de solamente unos 96g/L por lo que en 200mL solamente se disolverán algo menos 20gramos de bicarbonato, lo cual no supone ningún problema ya que al reaccionar con el ácido que es inyectado desde la botella A se forma citrato sódico, que tiene una solubilidad de 77g/L y CO2 que aunque es muy poco soluble es un gas. De esta forma poco a poco se ira disoviendo los 200 gramos de bicarbonato según este va reaccionando con el ácido. El pH de una solución de citrato sódico es básico por lo que siempre podemos añadir unas gotitas de indicador de pH a la botella B para saber si se ha agotado ya que en exceso de ácido el pH bajara por debajo de 6,4 (pKa; 1=3,15, 2=4,77, 3=6,4).

El dióxido de carbono es poco soluble en agua y escapa en forma de gas. Cuando la válvula está abierta el CO2 sale por ella disminuyendo la presión lo que crea una diferencia de presión con la botella A que empuja más ácido cítrico a la botella B. Al cerrar la válvula la reacción sigue ocurriendo hasta que se iguala la presión entre ambas botellas evitando la entrada de más ácido en la botella B.  Al abrir de nuevo la válvula se produce de nuevo una diferencia de presiones entre las botellas reactivando la reacción. El sistema es genial por su sencillez, pero precisamente es aquí donde tiene su punto débil cuando se quiere automatizar. El caso es que al cerrar la salida de gas por ejemplo con una electroválvula la reacción no se para hasta que se igualan las presiones en ambas botellas y además reacciona todo el ácido que ya está en la botella del bicarbonato. En la práctica esto hace que cada vez que cerremos la salida de CO2 suba ligeramente la presión y no siempre igual. A veces apenas sube y a veces sube varias décimas de golpe. El sistema aguanta presiones elevadas de 3 – 4 bars, o incluso más, debido a lo que acabo de mencionar cuanto más alta sea la presión más bruscos e incontrolables se vuelven los cambios de presión al cerrar la válvula. Además, al aumentar la presión es más difícil de controlar la salida de CO2 con la válvula de aguja ya el cambio de presión es grande. Una segunda válvula a cierta distancia de la primera, que por cierto es una mierda, facilita la regulación pero llega un momento en que lo mejor es bajar la presión. Lo ideal sería tener una válvula de escape (que se podría conectar a un segundo difusor para aprovechar el CO2) entre la botella de ácido y el manómetro, pero también funciona desenroscar el tampón con cuidado.

Y ya para terminar, decir que utilizando las cantidades recomendadas me ha durado la reacción unos 15 días a 1-2 gotas por segundo cerrando el CO2 por las noches y que en tres o cuatro ocasiones me ha subido la presión a un punto en el que me resultaba difícil regular el flujo y he tenido que desenroscar para reducirla. He visto que hay quien intenta, sin demasiado éxito, duplicar las cantidades de reactivos para aumentar el tiempo de funcionamiento. No obstante, basándome en esta primera experiencia y en lo que he comentado anteriormente yo voy a reducir las cantidades y también concentraciones de los reactivos con la idea de trabajar a la mínima presión posible y que la reacción sea lenta. Para ello he preparado una solución con 80gr de ácido cítrico y 150mL de agua destilada y otra solución de 100gr de bicarbonato y 600mL de agua y he puesto a funcionar el equipo a apenas 1bar de presión a ver si consigo que dure la semanita y quizás más. El rellenado lleva apenas 10 minutos una vez que sabemos cuántos vasos de chupito son 100 gramos y a mi no solo no me supone ningún inconveniente sino que es una actividad semanal para compartir con los niños, aunque entiendo que no a todo el mundo le de lo mismo. La semana que viene ya os dire que tal me ha ido.

Siento la chapa, pero he intentado decir todo lo que se me ha ocurrido por si a alguien le sirve de algo.
Intentare subir tambien alguna foto esta tarde del como lo tengo montado a ver que os parece.

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Re:Análisis del sistema de CO2 con bicarnobato y ácido citrico
« Respuesta #1 en: Febrero 16, 2016, 08:54:03 pm »
Esquema del sistema:


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Re:Análisis del sistema de CO2 con bicarnobato y ácido citrico
« Respuesta #2 en: Febrero 16, 2016, 09:02:52 pm »
Y algunas fotos del montaje...

Las botellas con manómetro y válvula de salida con regulador


Un segundo regulador antes del cuentagotas


El cuentagotas con antiretorno


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« Última modificación: Febrero 16, 2016, 09:13:18 pm por Swamis »

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Re:Análisis del sistema de CO2 con bicarnobato y ácido citrico
« Respuesta #3 en: Febrero 16, 2016, 09:15:08 pm »
Y el difusor



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Re:Análisis del sistema de CO2 con bicarnobato y ácido citrico
« Respuesta #4 en: Noviembre 21, 2016, 07:58:07 am »
En primer lugar y ante todo decir que soy un novato y no tengo ninguna experiencia previa en acuarios plantados y por lo tanto no pretendo comparar este sistema con el sistema de bombonas o con el de levaduras ya que este es el único que he usado. De todas formas la información que he encontrado online acerca de él no es demasiada y con errores de bulto, por lo que pienso que puedo aportar algo al tema. El motivo por el que me he decidido por el que he decidido utilizar este sistema es que creo que un acuario es una herramienta educativa magnifica para desarrollar la curiosidad de los niños y me parece que el sistema del ácido cítrico y bicarbonato es el más entretenido para los niños. De hecho al mío le encanta ayudarme a preparar las soluciones, cebar el sistema, abrir las válvulas,… Asi que vamos alla con el análisis.

Lo primero de todo el coste de la instalación. Yo lo compre todo a tráves de Aliexpress y pague: 19.63$ por el sistema D301 DIY CO2 generatos, 1.97$ por tubo de silicona de 6mm y 3.68$ por cuentagotas de vidrio y 3.72$ por un difusor de vidrio. Luego además yo tenía un regulador profesional que no utilizaba y he reutilizado que no se cuánto cuesta, pero seguro que bastante más, aunque hay válvulas de aguja por 6$ o menos, así que en coste de todo el equipo rondaría los 30€. Esta segunda valvula no es imprescidible, pero como explicare ayuda a regularlo mejor.

Respecto al funcionamiento es muy sencillo y se puede ver en el esquema que ahora no me deja subir, pero que intentare colgar esta tarde. En una botella de refresco se prepara una solución de ácido cítrico y en otra una solución de bicarbonato. Se conectan las botellas al sistema (la de ácido al tapón con el manometro y la otra al tapón con la válvula de aguja incorporada). Luego de un cebado inicial sube la presión dentro de las botellas y es esta presión la que regula el flujo de ácido cítrico.

La reacción química que tiene lugar es la siguiente. Tres moléculas de bicarbonato sódico más una de ácido cítrico generan una molécula de citrato sódico, tres de dióxido de carbono y tres de agua.

3NaHCO3 +  C6H807  = Na3C6H5O7 + 3  CO2 + 3 H20

El peso molecular del bicarbonato sódico (84 g/mol) es algo menos de la mitad del  ácido ascórbico (192.1 g/mol), pero como se necesitan tres moléculas de bicarbonato por una de ácido se necesitan solamente unos 76 gramos de ácido por cada 100 gramos de bicarbonato.

100g bicarbonato/(84g/mol)=1,19moles bicarbonatox(1mol cítrico/3moles bicarbonato)=
0,397moles cítricox(192,1g/mol)=76,2gr ácido cítrico.

Esto para el ácido cítrico puro o anhidro, el ácido ascórbico se puede encontrar en forma de monohidrato (210,1 g/mol) por lo que en este caso la cantidad de ácido que se necesita es de 83 gramos de ácido cítrico monohidrato.

En cuanto al rendimiento, como se producen 3 móleculas de CO2 (44gr/mol) por cada molecula de bicarbonato: 1000g bicarbonato / (84g/mol) x 3 x (44gr/mol) = 1571gr CO2. El kilo de bicarbonato me salio a 3,7€ y 800g de ácido cítrico a 4,5€ (5,61€/Kg) por lo que el kilo de CO2 sale a (3,7€+4,5€)/1,571kg = 5,21€, y habría que añadir 3,5€ de gastos de envio. No sé si esto es caro o barato, aunque también es verdad que el precio por kilo es menor si por ejemplo compramos 10kg en lugar de 1kg.

Hay quien intenta la reacción sustituyendo el ácido cítrico por vinagre, el cual contiene ácido ácetico (60g/mol). En este caso la reacción una molécula de acético reacciona con una de bicarbonato por lo cual se necesitarían 72 gramos de ácido acético, y como el porcentaje de acético en el vinagre es como mucho del 5% es necesario al menos 1400mL de vinagre por cada 100 gramos de bicarbonato. Un volumen demasiado grande para que sea práctico.

NaHCO3 + CH3COOH = CH3COO-Na+ + CO2 + H2O

Otra posibilidad es la de usar Salfuman, que no es otra cosa que una solución de ácido clorhídrico (36,5gr/mol) al 37%.  En este caso también reacciona una molécula de bicarbonato con otra de clorhídrico para dar cloruro sódico (sal común), dióxido de carbono y agua. En este caso se necesitarían unos 117 gramos (densidad de 1,17 gr/mL) lo que supone unos 100mL de Salfuman. En este caso el problema es que el Salfuman concentrado es altamente corrosivo, pero diluyéndolo en agua quizás sea una buena combinación, aunque no sere yo quien prueba con niños en casa. Además, el clorhídrico no solo es un ácido bastante más fuerte que el cítrico sino que debido a que se necesita una molecula de ácido por cada molecula de bicarbonato la concentración de ácido en la solución será el triple que la del cítrico.

NaHCO3 + HCl = NaCl + CO2 + H2O

Respecto a los volúmenes recomendados son 600mL para el ácido cítrico y 200mL para el bicarbonato, aunque no entiendo porque. Aún asi la primera prueba la realicé con los volumenos recomendados.

La solubilidad del ácido cítrico es de unos 150g /100mL así que no hay ningún problema para disolver 150gramos de ácido en los 600mL de agua recomendados, aunque es un proceso bastante endotérmico por lo que es recomendable usar agua tibia. En cambio la solubilidad del bicarbonato sódico es de solamente unos 96g/L por lo que en 200mL solamente se disolverán algo menos 20gramos de bicarbonato, lo cual no supone ningún problema ya que al reaccionar con el ácido que es inyectado desde la botella A se forma citrato sódico, que tiene una solubilidad de 77g/L y CO2 que aunque es muy poco soluble es un gas. De esta forma poco a poco se ira disoviendo los 200 gramos de bicarbonato según este va reaccionando con el ácido. El pH de una solución de citrato sódico es básico por lo que siempre podemos añadir unas gotitas de indicador de pH a la botella B para saber si se ha agotado ya que en exceso de ácido el pH bajara por debajo de 6,4 (pKa; 1=3,15, 2=4,77, 3=6,4).

El dióxido de carbono es poco soluble en agua y escapa en forma de gas. Cuando la válvula está abierta el CO2 sale por ella disminuyendo la presión lo que crea una diferencia de presión con la botella A que empuja más ácido cítrico a la botella B. Al cerrar la válvula la reacción sigue ocurriendo hasta que se iguala la presión entre ambas botellas evitando la entrada de más ácido en la botella B.  Al abrir de nuevo la válvula se produce de nuevo una diferencia de presiones entre las botellas reactivando la reacción. El sistema es genial por su sencillez, pero precisamente es aquí donde tiene su punto débil cuando se quiere automatizar. El caso es que al cerrar la salida de gas por ejemplo con una electroválvula la reacción no se para hasta que se igualan las presiones en ambas botellas y además reacciona todo el ácido que ya está en la botella del bicarbonato. En la práctica esto hace que cada vez que cerremos la salida de CO2 suba ligeramente la presión y no siempre igual. A veces apenas sube y a veces sube varias décimas de golpe. El sistema aguanta presiones elevadas de 3 – 4 bars, o incluso más, debido a lo que acabo de mencionar cuanto más alta sea la presión más bruscos e incontrolables se vuelven los cambios de presión al cerrar la válvula. Además, al aumentar la presión es más difícil de controlar la salida de CO2 con la válvula de aguja ya el cambio de presión es grande. Una segunda válvula a cierta distancia de la primera, que por cierto es una mierda, facilita la regulación pero llega un momento en que lo mejor es bajar la presión. Lo ideal sería tener una válvula de escape (que se podría conectar a un segundo difusor para aprovechar el CO2) entre la botella de ácido y el manómetro, pero también funciona desenroscar el tampón con cuidado.

Y ya para terminar, decir que utilizando las cantidades recomendadas me ha durado la reacción unos 15 días a 1-2 gotas por segundo cerrando el CO2 por las noches y que en tres o cuatro ocasiones me ha subido la presión a un punto en el que me resultaba difícil regular el flujo y he tenido que desenroscar para reducirla. He visto que hay quien intenta, sin demasiado éxito, duplicar las cantidades de reactivos para aumentar el tiempo de funcionamiento. No obstante, basándome en esta primera experiencia y en lo que he comentado anteriormente yo voy a reducir las cantidades y también concentraciones de los reactivos con la idea de trabajar a la mínima presión posible y que la reacción sea lenta. Para ello he preparado una solución con 80gr de ácido cítrico y 150mL de agua destilada y otra solución de 100gr de bicarbonato y 600mL de agua y he puesto a funcionar el equipo a apenas 1bar de presión a ver si consigo que dure la semanita y quizás más. El rellenado lleva apenas 10 minutos una vez que sabemos cuántos vasos de chupito son 100 gramos y a mi no solo no me supone ningún inconveniente sino que es una actividad semanal para compartir con los niños, aunque entiendo que no a todo el mundo le de lo mismo. La semana que viene ya os dire que tal me ha ido.

Siento la chapa, pero he intentado decir todo lo que se me ha ocurrido por si a alguien le sirve de algo.
Intentare subir tambien alguna foto esta tarde del como lo tengo montado a ver que os parece.
Me encanta tu artículo. Cómo terminó la historia? Muchas gracias por compartir tus reflexiones.

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