為何二氧化碳擴散筒會積氣？
我們先看看換水時二氧化碳擴散筒內的變化。
1.
不論是我在 1325 公升、833 公升大缸或我自己的水族缸，
二氧化碳都是透過沉水馬達（Power Head）推送水流至擴散筒內。
2.
在換水期間，
水族缸底層的水被抽入擴散筒內。
3.
由於換水時在水族缸內並無水流，
缸底水中的二氧化碳濃度增加。
這造成了二氧化碳擴散筒內的氣泡，
變得表較大且速度很快，
幾分鐘以後就超出了擴散筒所能溶解大氣泡的能力。
4.
當我重新啟動水族缸的主要水流循環時，
擴散筒內堆積的氣泡很快地就會移除了。
我知道新換的水內含有很高濃度的二氧化碳，
但擴散筒內的氣體累積，
呈現出不同的問題。
鋼瓶內的二氧化碳純度是非常高的，
高到不足以造成這樣的快速氣體累績，
如果二氧化碳不易溶解於溶液之中，
那為何氣泡在換水期間的累積是如此的快速，
而當和水族缸的新水混合時卻又迅速消失？
傳統的二氧化碳擴散觀念追求溶解率，可是二氧化碳擴散筒越用就越積氣，會是達到飽和狀態了嗎？
如果擴散筒內的氣體實在很難溶解，
那為何混入水族缸新水時就能迅速溶解，
而缸底的舊水就不會？
為何水族缸的新水注入停止後，
氣體的累積就會那麼快速？
鋼瓶中的二氧化碳純度約為 99.98%，
而根據法規必須要有 99.90% 的純度。
我們能夠透過前置過濾器來移除大部分的其他潛在氣體。
然而，
如此少的 0.1% 些微氣體，
無法解釋擴散筒內所見到的氣體堆積速率。
如果所有其他的氣體都不容易溶解於水族缸的水中，
那麼在新水重新注入水族缸底層時，
這些氣體的溶解度也應維持不變，
但事實上並非如此。
或許二氧化碳很快就達到了飽和能度，
可是二氧化碳在溶液中的飽和濃度為 1500 ppm，
雖然有可能，
但可能性極小。
可能是濃度增高了，
二氧化碳擴散筒的能力和效率就明顯下降了。
然後我們就看到反應器內的氣體增加。
水族缸的二氧化碳濃度很低時，
二氧化碳的溶解速度就會很快，
但在濃度高時則不然。
缸底水中的其他氣體，
並不足以造成這個效果。
以細化氣泡方式提供水草二氧化碳，完全不需要顧慮溶解率的問題，水草的生長也比較好。
這幾乎都是二氧化碳造成的，
二氧化碳就算在較高濃度時，
也無法在幾秒鐘內溶解於水中。
溶解需要好幾分鐘的時間，
而非幾秒鐘而已。
這些氣體似乎主要就是二氧化碳，
而且在較高濃度時的溶解速度，
沒法像在較低濃度時那麼快﹒。
因此我針對擴散筒內的變化速率進行了測量。
當缸水停止流動時，
缸底的二氧化碳濃度就會上升，
攀升至離二氧化碳飽和濃度不遠了。
由於缸底循環了二氧化碳擴散筒內的水，
而過濾器的吸水口幾乎都位於缸底，
如果在水族缸內的酸鹼值是 6.5，
通常缸水流經過濾器後的 pH 會是 6.3。
當過濾器剛關閉時，
水位會下降 5 公分﹒，
大約經過了一個小時，
裏面會塞入了大量的氣體，
約每兩分鐘就有 500 ml，
那會水位會遭氣體推擠降低幾公分呢？
約 25 公分。
如此大量的氣體，
不能歸咎於鋼瓶內的二氧化碳純度不足。
酸鹼值在 30 分鐘後下降至約 5.6 至 5.7，
再過了 30 分鐘後進一步下降至 pH 5.5。
為什麼會這樣？
我想，
根據很多人的說法，
二氧化碳在幾秒鐘內應該就能溶解在水中了。
為什麼？
二氧化碳擴散筒用越久就積越多氣，這會是鋼瓶內的二氧化碳氣體純度不夠造成的嗎？
完全是兩碼子事。
這些人把低二氧化碳濃度時的氣泡緩慢上升，
拿來和高二氧化碳濃度時的二氧化碳爆發性增加做比較。
氣體或任何化學物質的流動，
都要遵守斐克第一擴散定律（Fick's first law of diffusion）：
J = -DA Δc/Δx
其中，
J 為擴散通量（定義為單位時間內垂直通過單位橫斷面積的質量）
D 為擴散係數
A 為薄膜或橫斷面的面積
Δc 為薄膜或橫斷面兩端的濃度差
Δx 為薄膜橫斷面的厚度
由於反應器內的氣體濃度會改變，
而且改變非常的大，
在那五公分的空間中，
無法再溶解出更多的氣體了，
於是內部的氣體差距增加了。
這減緩了氣體擴散至水中的速率。
這必須用斐克第一擴散定律來解釋。
那麼，
當我重新啟動過濾器的時候，
會發生甚麼事？
當水位從下降 25 公分回升至不到 5 公分時，
過濾器內的氣泡快速的溶解於水中（約 4-5 分鐘）。
有哪些改變？
就只有濃度改變了。
從斐克第一擴散定律來看，
無法改變的有：
D（擴散係數）、A（薄膜或橫斷面的面積）和 Δx（薄膜橫斷面的厚度）。
而實際上大幅改變的因子是：
Δc（薄膜或橫斷面兩端的濃度差）。
沒有水流帶動散播的二氧化碳擴散筒，積氣的速度更快。
所以這裏面還有其他的問題，
根據某些水族愛好者的說法，
二氧化碳溶解於水中的飽和濃度約為 1500 ppm。
這的確是事實，
可是他們忘了此一說法中的一個非常重要因子：
去氣率（Degassing rate）。
如果我們用的是很不錯的乾溼過濾器且有通氣，
我能夠在水中溶解大量的氣體而不會令二氧化碳濃度上升太多，
二氧化碳的確溶解了，
但絕對不會累積。
在一個並非使用乾溼過濾器且盡量減少排氣的系統，
其結果就截然不同了，
既使氣體和缸子的容量都是一樣的，
我們假設除了去氣率以外，
其他的部分都是類似的。
如果氣體無法溶解，
那麼有進，
就要有出。
所以我們說，
二氧化碳溶解於水中的最大濃度，
理論上會發生在封閉的系統中，
但事實上卻不然。
我們的水族缸排出二氧化碳氣體，
就像是斐克第一擴散定律一樣，
水中的濃度越高，
擴散出水面的速率就越快。
所以二氧化碳濃度並不容易達到 1500 ppm，
至少在我自己的缸子中，
都距離非常的遙遠。
乾溼過濾器和二氧化碳擴散筒也很類似，
隨著水中濃度的增加，
排氣的速率也會加快。
如果我們突然添加新鮮的水，
這些氣體就會快速溶解回溶液之中。
二氧化碳在水中的溶解，實際上很難達到飽和濃度，況且水草也較偏好氣態的二氧化碳。
因此，
斐克第一擴散定律可運用於溶解和排氣雙向反映。
由於去氣率在每個缸子可能差異很大，
這是個比較難準確描述的問題。
氣體在溶液中的累積和排氣，
也不是呈現線性關係，
會隨著時間的增加而呈指數型的變化，
會變得越難達到 100% 的飽和濃度。
再強調一次，
斐克第一擴散定律就可以預測此事。
那麼氧氣呢？
氧氣很難溶解於水中。
由於水中的溶氧本來就不高，
因此沒有足夠的量足以造成底層水實驗中擴散筒內的劇烈變化。
我們能夠利用冰水和底層水，
這造成水中溶氧量的過飽和，
看看擴散筒內是否會排出氧氣。
然後在重新打開過濾機之前，
先幫水族缸加溫。
我不認為水中有足夠的氧氣能讓我見到擴散筒排氣，
讀者可能會認為在一天之中，
水中溶氧量要達到超過 100% 需要好幾個小時。
同樣的道理，
當有些氣體溶解於溶液之中時，
就有些氧氣排掉了。
但 1-2 ppm 要和 50 ppm 相比？
這個差距可就大多了，
氧氣卻只變化了 1-2 ppm。
比起宣稱二氧化碳能夠在幾秒鐘內就神奇的溶解於水中，
認為二氧化碳只要在點燈的時候添加，
就能輕易地有這麼大的變化，
可說是更符合邏輯的說法。