自作ＣＯ２発生器（化学反応式）

水草水槽に添加する二酸化炭素をクエン酸と重曹の化学反応で作り出すＣＯ２発生器ができないものかと実験をしてみました。

ネット検索をしてみても化学反応でのＣＯ２添加装置を自作されている方はほとんどおられないようです。クエン酸＋重曹＋水で簡単に二酸化炭素（ＣＯ２）が発生するのですが少量のＣＯ２を発生させ続けることが難しいのが原因のようです。
こうなってくると工作好きなおっさんは妙に燃えるのです。
長期間メンテフリーなこと、コストを抑えること、ＣＯ２ストーンが使えることを条件として考え始めたのは数年前…　その後徐々に材料を買い揃えたものの,アイデアは頭の中にあったのですが必要に迫られていないのでテンションが上がらず製作にはとりかかっていませんでした。
ところが最近化学反応でのＣＯ２添加の記事を書かれているサイトを見つけたのが刺激になり製作にとりかかったのですがやはりＣＯ２は安定して発生してくれません。あーでもないこーでもないと色々と試して何とかそこそこのものができたのですが発生量が安定しない時があったり微量の添加時に発生が止まってしまうことがあったり夜に止めていて翌朝コックを開けても発生が始まらなかったりとまだまだ未完成な部分もありメンテフリーとは言えないのですが解決策が浮かばず頭打ち状態です。でも今の状態でも発酵式に比べてメリットもある部分もあるので、皆さんの意見やアイデアも聞けるかと思い記事にしてみました。

水草水槽にＣＯ２を添加するのに高圧ボンベを使用する場合、初期投資が高額になるなどの理由で発酵式でのＣＯ２添加をされている方も結構おられますよね。私もメイン水槽から遠い場所に置いた水槽で必要なときに発酵式でＣＯ２を添加することがあるのですが発生が安定しなかったり冬場の温度確保が大変だったりします。
化学反応（発泡する入浴剤をイメージして下さい）なら発酵と違って温度はに気を使わなくても済みます　でも反応が激しいので容器の破裂事故も考えに入れなくてはなりません。
微量の水溶液を一定間隔で滴下すれば良いわけですが加圧されているところへ滴下しないといけないので機材が無いと制御が難しそうです。他に方法は無いものかとなんやかんやと試行錯誤をしてたどり着いたのが今回の方法です。

動作原理
ちょっと複雑なのでじっくり読んでくださいね。





クエン酸ボトル（Ａ）から重曹ボトル（Ｂ）にクエン酸水溶液が滴下され重曹と反応して発生した二酸化炭素が水槽に供給されます。

ボトルＡにクエン酸水溶液を入れボトルＢには重曹（粉のまま）を入れます（ボトルＡに繋がっているサブタンクは反応を安定させるためのものです）
ボトルＢにクエン酸を滴下するとＣＯ２が発生して圧力が上がりチューブｄよりスピコン、逆流防止弁経由で水槽内のＣＯ２ストーンにＣＯ２が供給されるとともにチューブｃを介してＣＯ２がボトルＡに流れ込むのでボトルＡの圧力も同時に上がります（圧力はＡ＝Ｂ）。ボトルＢから水槽へＣＯ２が出て行くのでボトルＡとボトルＢの間に圧力差が出来ます（Ａ＞Ｂですね）。
チューブｃは逆流防止弁が取り付けてあり、Ｂ→Ａの一方通行なのでボトルＡのクエン酸がチューブｂを通ってボトルＢに滴下されます。チューブｂにはボトルＢ内に逆流防止弁（Ａ→Ｂ）がレスポンスを上げるために取り付けてあります。
ボトルＢにクエン酸が滴下されると反応が起こりＣＯ２が発生してボトルＢの圧力がで再び上がり　後はこの繰り返しでＣＯ２が発生し続けます。きわめてシステマチックでオートマチックでしょ！動力源を必要としないのでどこにでも置けます。
スピコンは水槽への添加量を調節するとともにボトルＢの圧力を保つのに必要なので必ず取り付けて下さい。


材料
５００ｃｃ炭酸水用ペットボトル　３本
５ｍｍパイプ（今回はタミヤプラパイプを使用）
４．５ｍｍパイプ（水作パイプピタッと）
６ｍｍシリコンチューブ
逆流防止弁（スドーＣＯ２チェックバルブ　Ｓ－５７０）　２個
クエン酸
重曹
スピードコントローラー
６ｍｍ耐圧チューブ
ＣＯ２用逆流防止弁
ＣＯ２ストーン

☆寸法が指定されているパーツや商品名が明記されているものはこのシステムの重要なパーツですので指定のものを必ず準備して下さい。


作り方



５ｍｍパイプを３ｃｍにカットしたものを６本、４．５ｍｍパイプを５ｃｍにカットしたものを１本準備します。切り口は面取りをしておかないとシリコンチューブを傷つけることがあります。
☆それぞれのパイプの直径は重要事項です。必ず指定のサイズのパイプを使用して下さい。

ペットボトルの蓋に穴を開けます
・サブタンク用　５．８ｍｍのドリルで穴を１つ開けます
・クエン酸ボトル用　５．８ｍｍのドリルで穴を２つ、５，５ｍｍドリルで穴を１つ開けます。
・重曹ボトル用　５．８ｍｍのドリルで穴を３つ開けます。

開けた穴にシリコンチューブを被せたパイプを通してジョイントを作ります。ちょっとでもＣＯ２が漏れると機能しないので必ず指示してある大きさの穴をドリルで開けてください。もちろんシリコンチューブは必ず本物のシリコン製のチューブを使ってください。シリコンタイプ（塩ビ製）じゃありませんよ！。
クエン酸ボトル用の５．５ｍｍの穴は４．５ｍｍパイプ用です。このパイプは後で述べますが安全弁の役割も兼ねているので必ず外径が４．５ｍｍのパイプを使って下さい。
蓋の加工方法はこちらをご覧下さい。






上の写真はクエン酸ボトルのキャップ部分です。チューブｂはクエン酸を吸い上げる為のものなのでチューブの先はボトルの底に届いています。



↑こちらは重曹ボトル（Ｂ）のキャップ部分です。一番左のチューブｂはボトル内で逆流防止弁を下向き（Ａ→Ｂの一方通行）に取り付けてあります。この逆流防止弁の先からポタポタとクエン酸溶液が滴下されます。
それぞれのボトルにチューブや逆流防止弁を上の写真を参考にして間違わないように接続します。

☆ボトルＡのサブタンクへのチューブａをつなぐジョイント（パイプピタッと）は安全弁を兼ねています。
必ず下の画像のようにシリコンチューブをジョイントにきっちり１ｃｍ差し込みます。
ちょっとの圧力で外れるようならもう少し深く差し込みます。
１～２ｋｇ／ｃｍ２の圧力でプシュッと外れて破裂事故をふせぐので必ず指定どおりに接続して下さい。




圧力がかかっている時にボトルＢより水槽側でチューブが外れるとボトル間のバランスが崩れ、クエン酸水溶液が一気にボトルＢに流れ込んだりするので事故の原因になることがあります。
必ずこの場所で外れることが事故を防ぐ条件となります。
必ず指示通りに製作して下さい。
圧力がかかっているときにジョイントを外したり分解する時には必ず最初にボトルＡの圧力を抜いてください。とにかく分解するときはまず最初にボトルＡのキャップを緩めることから始めて下さい。

ボトルが倒れると破裂事故も考えられるので３本を束ねてくくったりまとめて容器に入れたりして倒れない工夫をしておきます。

使い方
ボトルＡにクエン酸１００ｇと水を２００ｃｃを入れて完全に溶かしておきます。
ボトルＢに重曹を３００ｇ～４００ｇを入れます（水は入れません）
チューブｄにコック、スピコン、逆流防止弁、カウンター、ＣＯ２ストーンを取り付けます。
各ボトルのキャップがしっかり締まっているのを確認してからボトルＡとサブタンクを同時にゆっくり握ってボトルＢの中にクエン酸溶液を数滴、滴下します。しばらく様子を見てＣＯ２ストーンから泡が出てこなかったら再度ボトルを握ります。泡がＣＯ２ストーンより出てきたらスピコンで泡の量を調節しながら安定するまで様子を見ます。
これでＣＯ２は発生し続けます。


補足と問題点
・新しくセットしてしばらくは調子がいいのですが、ボトルＢに水が溜まるにつれて反応が弱くなっていきます。生成物のクエン酸ナトリウムが重曹が水に溶けるのを邪魔しているのかも知れません。

・コックを閉じて添加を停止してしばらくしてから再度コックを開けるとＣＯ２が発生しないことがあります。原因はよく分からないのですがボトルＡのクエン酸水溶液にＣＯ２が溶けてボトルＡの圧力が下がるのが原因ではないかと推測しています。ごく微量の添加時にも同じような現象が起こることがあります。

・夜、ＣＯ２を出したままにしておいても朝になると添加が止まっていることがあります。夜の急激な気温の低下でボトルＡの圧力が下がるのが原因のようです。夏だと発生が続くかも？　温度は一定なら低くても大丈夫ですが温度の変化の影響は受けるようです。

・反応が進むとボトルＢに水が溜まり反応が弱くなります。溜まった水を捨てるとしばらくは元気に泡が出ますがまたすぐに弱くなります。圧力が抜けてしまうので再起動に多量のクエン酸を必要とするので頻繁に水を捨てているとクエン酸をたくさん使ってしまいます。

・本来ならボトルＢと水槽の間に（チューブｄ）安全対策としてキャッチタンクを取り付けるのですがこれを取り付けるとタンクＢのサブタンクとしても機能するのでタンクＢの容量が増えることになり、その結果圧力が下がるのが遅くなってボトルＡの微妙な圧力低下などでボトルＡＢ間の圧力差が出ずＣＯ２の発生が止まってしまうことがあり、今回はキャッチタンクは取り付けていません。必ず倒れないように対策をしてください。

・今回はこちらのショップでクエン酸と重曹を購入しました。両方とも買えるので運賃が節約できます。価格も安いうえ１ｋｇ単位で購入できます。代金も後払いです。
クエン酸１ｋｇと重曹を２ｋｇ買って運賃なども含めて￥１６００ほどでした。これをすべて反応させると（重曹がちょっと余りますが）二酸化炭素が６８７ｇ発生する計算になります。小型のＣＯ２ボンベ９本分に相当するので結構な量です。

・今回使っている逆流防止弁はちょっと高価でショップでもあまり見かけませんが、微妙な圧力差で動作しているこのシステムでは他の逆流防止弁だと抵抗が大きいのでＣＯ２発生器がうまく動作しません。本来の使用方法ではないクエン酸水溶液の逆流防止にも使っていますがアクリルとシリコンゴムでできているのと　もし壊れてもそれほど問題ではない場所なので大丈夫かな…と勝手に判断しています。

・今回の反応式です

３ＮａＨＣＯ３＋ＨＯＯＣＣ（ＯＨ）（ＣＨ２ＣＯＯＨ）２
→　Ｃ３Ｈ４（ＯＨ）（ＣＯＯＮａ）３＋３ＣＯ２＋３Ｈ２Ｏ

３重曹と１クエン酸で１クエン酸ナトリウムと３炭酸ガスと３水　が生成されます。
分子量はクエン酸が１９２、重曹が８４、二酸化炭素が４４です。
クエン酸１つに対して３つの重曹が必要なので、クエン酸と重曹の重量比は１９２：２５２≒１：１．３です。
重曹の約半分の重さの二酸化炭素（ＣＯ２）が得られます。
クエン酸が１００ｇに対して重曹は１３０ｇですね。重曹は水に溶けにくいので今回はかなり多めに使っています。
久しぶりに化学式とにらめっこをしました。すっかり忘れ去っていました。考えたら考えるほど頭がこんがらがってしまいました。計算に間違いがあればご指摘ください。

・反応が弱くなってきたら重曹ボトルに溜まった水を捨てると復活しますが圧力が抜けてしまうので再起動するのにそれなりのクエン酸を消費します。何度も再セットすると結構な量を消費します。

・ペットボトルがどれぐらいの圧力に耐えられるのか調べていたら、実験系のサイトでペットボトルロケットに０．８Ｍｐａまで加圧している記事がありました。結構な圧力まで耐えられるようです。今回のＣＯ２発生器は０．２Ｍｐａ以下で考えているのでトラブルが無ければ大丈夫なはずですがずっと加圧状態になるのでキズやへこみが無いかしっかりチェックしてから使ってください。

・発酵式に比べて温度の影響を受けない（温度変化の影響は受けますが）うえ化学反応なので一応制御ができます。どちらかというと微量の添加は苦手です（ＡＤＡのカウンターで１秒間に１滴以下）。分岐して２つの水槽に添加することも可能ですが起動時のスピコンの調節が微妙です。どっちみちスピコンが２個必要なのでもう１セットを作った方が手っ取り早いかも。

・現在の課題は微量な添加でも長時間安定して供給できるようにすることと夜間ＯＦＦにしても翌朝確実に再起動出来るようにすることです。　今のところ長時間のＯＦＦは苦手なので電磁弁での制御は微妙です（朝、再起動しない）。電磁弁が使えれば小型ＣＯ２ボンベと比べてもメリットが出るのですが。

・重曹が粉のうちはレスポンスが良いので安定しているのですが重曹ボトルに水が溜まってくると反応が急に弱くなります。何とかしたい弱点の一つです。上の式を見れば分かるようにＣＯ２と同時にＨ２Ｏ（水）が生成されるので思っている以上の速さで水が溜まります。

・圧力がかかっているときはペットボトルを上から覗かないてください。チューブが外れて飛んできたり中身が噴出することがあるかも知れませんので。

・ペットボトルの蓋は上記の方法で必ずシリコンチューブ（外径６ｍｍ、内径４ｍｍ）を使って製作してください。エアー用ジョイントを接着剤やシーラントで接着する方法では接着部分が外れてＣＯ２漏れの原因となることがあります。


このＣＯ２発生器はまだまだ実用的とは言えません　何かを思いついても検証をするのに時間が必要なのでなかなか先に進めません。進歩があったら報告させていただきます。

☆補足
この記事を書いた時点ではまだ実験段階で未完成でしたが　その後バージョンⅡ＆Ⅲを経て「実用版」にたどり着いています。

長い記事になりますが順を追って読んでいただけるとありがたいです。


続編はこちら

その続編（ＣＯ２発生器Ⅲ）はこちら

そのまた続編の実用版はこちら


製作される前に必ずこちらをお読み下さい。

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