Le Réacteur à calcaire

Que savoir sur le réacteur à calcaire (RAC) (calcium reactor) ? Cet équipement est largement utilisé en aquarium récifal pour maintenir le calcium et l’alcalinité indispensables à la calcification des coraux, et plus globalement à la croissance des organismes marins calcificateurs. Malgré l’essor des méthodes alternatives, il demeure un équipement central pour la supplémentation régulée et continue en calcium et carbonates.

Chez les aquariophiles il suscite toujours de nombreuses interrogations : sur son principe de fonctionnement, ses particularités, son utilisation, les réglages, le choix du modèle, des accessoires et des consommables. Partant du principe qu’un système est mieux exploité quand il est compris, cet article, volontairement développé, tente de lever les doutes et propose un principe d’utilisation novateur basé sur la chimie et en partie sur l’expérience des utilisateurs.

1. Généralités

1.1. Objectif du RAC

Le réacteur à calcaire (RAC) permet de supplémenter l’eau en calcium et carbonates en poursuivant deux objectifs essentiels :

1. Assurer la disponibilité biologique du calcium et des carbonates.
   Les organismes calcificateurs marins puisent dans l’eau les éléments indispensables à la biominéralisation de leurs structures minérales : squelettes (coraux), coquilles (mollusques), tests (échinodermes), ainsi que certaines structures minéralisées de la microfaune et de la méiofaune.
   Le squelette de nombreux coraux est constitué majoritairement de carbonate de calcium (CaCO₃). Les scléractiniaires (SPS), forment un squelette continu et massif. Certains coraux dits « mous » (octocoralliaires), minéralisent des spicules ou sclérites, petits éléments squelettiques calcaires inclus dans les tissus, contribuant au maintien de la colonie.
   Le RAC vise ainsi à maintenir dans l’eau des formes biodisponibles de Ca²⁺ et de carbonates, sans chercher à forcer la calcification, mais en évitant toute limitation chimique.
2. Maintenir l’équilibre chimique et la stabilité de l’eau de mer
   En dissolvant un matériau calcaire, le RAC apporte le calcium et l’alcalinité selon une stœchiométrie stable, proche de celle de l’eau de mer.
   Cet apport continu permet de compenser la consommation réelle du bac : préserver l’équilibre ionique de l’eau ; maintenir la capacité tampon (KH) et conserver un état de saturation naturel en CaCO₃.
   Le RAC contribue ainsi, au-delà de la simple supplémentation, à la stabilité globale de la chimie de l’eau de mer nécessaire au bon fonctionnement de l’aquarium récifal.

L’aquariophile doit donc pourvoir a leurs besoins de plus en plus importants au fur et à mesure de leur croissance. Le RAC est un moyen performant permettant d’assurer cette supplémentation continue.

1.2. Principe de fonctionnement

Le carbonate de calcium (CaCO₃) est peu soluble dans l’eau. Le principe du RAC repose sur la dissolution contrôlée de ce média solide en ions calciums Ca²⁺ et en ion bicarbonates 2HCO₃^– par injection de dioxyde de carbone (CO₂) acide. Le pH du réacteur détermine la capacité de dissolution du média, tandis que le débit d’effluent détermine la quantité d’alcalinité apportée à l’aquarium.

1.3. Réactions dans le RAC

Le gaz carbonique CO₂ abaisse le pH interne qui déplace l’équilibre carbonaté et permet, en présence d’eau H₂O, la dissolution du CaCO₃, selon la réaction globale :

CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca²⁺ + 2HCO₃^–  [Equation 1]

La dissolution libère à la sortie du réacteur un effluent enrichi simultanément en ions calcium Ca²⁺ et en ions hydrogénocarbonates (bicarbonates) HCO₃⁻ représentant l’essentiel de la dureté carbonatée (KH). Cette réaction est déterminante car elle délivre exactement 1 mole de calcium et 2 moles de bicarbonates. Ainsi calcium et alcalinité sont libérés dans un ratio fixe, identique à celui consommé par les organismes calcificateurs.
Cet effluent enrichi est ensuite injecté dans l’aquarium où il compense la consommation.

L’équation montre les apports principaux des médias calcaires : calcium Ca et bicarbonates HCO₃^–. De plus, les substrats calcaires sous forme aragonite apportent des éléments secondaires selon leur origine : strontium (Sr) associé au réseau squelettique, magnésium (Mg) en faible proportion, baryum (Ba), lithium (Li), fluor (F), et quelques métaux traces : fer, manganèse, zinc… .
Ces apports sont directement proportionnels à la quantité de CaCO₃ dissoute. Le RAC contribue donc au maintien ces oligo-éléments. Mais non pilotables individuellement, il ne garantit ni leur équilibre, ni leur réponse aux besoins biologiques. Les organismes assimilant les éléments dans des ratios variés, des dérives s’installent naturellement. Il convient de les ajuster après des analyses ICP.

1.4. Pourquoi piloter par le KH et non le Calcium

Le RAC libère essentiellement des carbonates et du calcium dans un ratio fixe. Il pourrait être piloté avec l’un ou l’autre de ces éléments. Pourtant sa gestion ne s’intéresse qu’aux carbonates (KH). Ce choix s’avère pertinent pour des questions chimiques, métrologiques et biologiques :

• Consommation : Pour 1 mole de Ca²⁺ consommée, ce sont 2 équivalents d’alcalinité qui disparaissent. La calcification consomme deux fois plus de KH que de calcium. Le calcium étant plus présent, une consommation normale représente moins de 0,5 % du calcium et 5 à 15 % du KH. Le KH est donc épuisé bien avant le calcium, son suivi est plus pertinent.
• Polyvalence : L’alcalinité intègre de nombreux aspects : calcification biologique, précipitations abiotiques, apports acides (CO₂, nitrification), il exprime aussi la capacité tampon vis-à-vis des acides, dominée par : les bicarbonates HCO₃⁻ (majoritaires), les carbonates CO₃²⁻ (minoritaires) et des Le calcium n’intervient que dans la calcification : il n’est pas affecté par la respiration, le CO₂, la nitrification. Il varie lentement. dès lors une dérive du KH peut survenir sans variation notable du Ca.
• Réactivité : l’alcalinité réagit en quelques heures à un déséquilibre et immédiatement aux variations de réglage d’un RAC. A contrario, le calcium réagit sur plusieurs jours, parfois semaines.
• Détection des variations : la précision de mesure du KH est ± 0,1 dKH alors que celle du Ca est ± 10 à 20 mg/L. Ainsi, une variation journalière du KH (0,5 à 2,5 dKH/j) est plus facilement détectable que celle simultanée du Ca (2–10 mg/L/j), noyée dans l’erreur de mesure. Le calcium n’est pas un bon traceur à court terme.

1.5. Mesure de l’alcalinité KH en dKH

Le système carbonaté en eau de mer

Pour mémoire, en eau de mer le carbone inorganique dissous (Dissolved Inorganic Carbon – DIC) se répartit entre quatre formes chimiques dont les proportions dépendent directement du pH :

CO₂(aq) ⇌ H₂CO₃ ⇌ HCO₃^– ⇌ CO₃^2-  [équation 2]
Dioxyde de carbone dissous ⇌ Acide carbonique ⇌ Bicarbonate ⇌ Carbonate

Dans la plage de pH des récifs coralliens (≈ pH 7,8 à 8,4), le système carbonaté est dominé par les ions dihydrogénocarbonate (bicarbonate) (HCO₃⁻), qui représente environ 85 à 95 % du DIC. Les ions carbonate (CO₃^2-) ne constituent qu’une fraction minoritaire (5 à 15 %), bien qu’ils jouent un rôle clé dans la précipitation du carbonate de calcium.

L’alcalinité : KH

L’alcalinité exprime la capacité de l’eau à neutraliser un apport acide, autrement dit son pouvoir tampon vis-à-vis des variations de pH. En eau de mer, cette alcalinité est assurée quasi exclusivement par le système carbonaté : bicarbonates et carbonates, bien moins par les borates et marginalement par des hydroxydes. L’alcalinité représente ainsi la réserve alcaline totale disponible pour amortir les variations de pH et alimenter les processus de calcification.

En aquariophilie marine, le terme générique "carbonates" ou KH est toutefois utilisé pour désigner l’ensemble du système carbonaté mesuré. Il inclut sans distinction : bicarbonates, carbonates et les borates souvent ignorés par l’aquariophile, bien que leurs rôles chimiques et biologiques soient différents.

Depuis des millions d’années, les organismes calcificateurs marins (coraux, mollusques, échinodermes, algues calcaires, micro-calcificateurs) se sont adaptés à un milieu où les bicarbonates sont majoritaires. Ils prélèvent donc principalement du bicarbonate HCO₃^– dans l’eau. Leur métabolisme interne convertit ensuite ce bicarbonate en carbonate (CO₃^2-) au site de calcification, permettant la formation du carbonate de calcium (CaCO₃) selon la réaction simplifiée :

Ca²⁺ + CO₃^2- → CaCO₃(s)   [Equation 3]

Mesure de l’alcalinité : dKH

Mesurer l’alcalinité revient à mesurer la charge alcaline totale portée par l’eau, selon plusieurs unités :

• meq/L : c’est l’unité de référence chimique directement liée aux équilibres acide–base, unité la plus rigoureuse.
  1 meq/L = 1 mmol de charge négative/L = 2,8 dKH.
• dKH : le degré allemand de dureté carbonatée (deutscher Karbonathärte). Le terme dureté est impropre, en effet cette mesure n’implique pas le calcium ni le magnésium contribuant à la dureté totale de l’eau. Il est cependant adopté en aquariophilie comme unité pratique de mesure de l’alcalinité. Par extension, en aquariophile marine le terme KH désigne l’alcalinité, et le dKH son unité de mesure. C’est l’outil de dimensionnement et de pilotage des réacteurs à calcaire.
  1 dKH = 0,357 meq/L = 17,848 mg/L CaCO₃ équivalent.

2. RAC vs autres méthodes

Parmi toutes les méthodes de supplémentation en calcium et carbonates, trois tendances se détachent : le réacteur à calcaire (RAC), la méthode Balling et ses variantes et puis le réacteur à hydroxyde de calcium (RAH). Le tableau 1 pourra guider l’aquariophile débutant afin de choisir celle correspondant à son aquarium et sa maintenance.

Tableau 1 : Comparatif de méthodes de supplémentation en Ca et KH

Critère	RAC	Balling	RAH
Principe	Dissolution de calcaire par injection de CO₂, libérant Ca²⁺, HCO₃⁻ et des éléments traces	Microdosage de solutions de calcium, KH et sels sans NaCl	Dissolution d’hydroxyde de calcium dans l’eau osmosée d’appoint, apportant Ca et KH.
Éléments fournis	Ca, KH, Mg et oligos selon le média	Ca, KH, Mg et oligos selon formule	Ca et KH uniquement
Capacité d’apport	Très élevée	Élevée	Limitée
Ajustement	Lent (CO₂ et débit)	Très rapide et précis (%, débit)	Limité par le volume d’évaporation
Stabilité	Stable si pH et injections CO₂ fiables	Stable si fiabilité pompes doseuses	Variations en fin de recharge
Mise en œuvre	Complexe (CO₂, débit)	Simple (microdosage), calcul	Simple
Consommables	Bouteilles CO₂, média calcaire	Solutions commerciales ou DIY	Hydroxyde de calcium
Coût initial	Élevé	Faible à moyen	Faible
Coût fonctionnement	Faible	Élevé	Très faible
Recharge, autonomie	Peu fréquente ≈ 6 mois	Régulière ≈ mois	Fréquente ≈ semaine
Influence sur pH	Peut abaisser le pH si inadapté	Neutre à légèrement positif	Relève le pH
Apport d’oligoéléments	Oui (selon le substrat)	Oui si ajoutés dans les solutions	Non
Dérive ionique	Très faible	Possible accumulation de NaCl	Aucune
Ratio Ca / KH	Fixe (stœchiométrique)	Décorrélé, ajustable	Fixe (stœchiométrique)
Vitesse de correction	Lente	Rapide	Lente
Risque surdosage	Faible	Plus élevé	Faible à modéré
Risque carence	Possible si sous-dimensionné	Faible si bien réglé	Possible si évaporation insuffisante
Adapté aux bacs	Gros volumes, forte consommation	Tous volumes	En complément, faible consommation

3. RAC : le matériel

Le réacteur à calcaire est plus qu’un simple récipient en plastique. Il s’agit d’un dispositif de dissolution contrôlée d’un matériau carbonaté, solide, par circulation d’eau et injection de CO₂. Il comprend un ensemble de modules fonctionnels interdépendants (figure 1) :

3.1. Le réacteur

Pièce centrale du système, le réacteur inclut plusieurs éléments :

3.1.1. Chambre de réaction

La chambre de réaction, ou corps du réacteur, contient le média calcaire. Elle comprend :

• Un corps cylindrique en plastique (acrylique, PVC) transparent, étanche, résistant à une légère surpression. Son volume est supérieur ≈20 à 30 % au volume utile de substrat.
• Un large couvercle étanche permet l’introduction du média et le passage d’une brosse pour un nettoyage annuel.
• Un diffuseur interne : une grille support de substrat ou autre système assurant la répartition de l’eau remontant dans la colonne de substrat. Certains équipements disposent d’une vanne optionnelle de réglage du débit de recirculation.
• Une entrée et sortie d’eau.
• Une purge haute (dégazage). Un orifice de sortie situé dans la partie la plus haute de la chambre de réaction permet de :
  • Purger l’air inclus dans la chambre lors de la mise en service du réacteur (et seulement à ce moment). L’eau sous légère pression repousse ce dernier en partie haute, le remettant continuellement en circulation dans le RAC. Il est alors indispensable de l’évacuer à la mise en eau. Le tube de sortie dispose d’une micro vanne ON/OFF de type irrigation. Le RAC étanche, avec une bonne dissolution du CO₂, sans admission d’air (fuite, cavitation de la pompe de recirculation…) ne nécessite pas d’être purgé ultérieurement.
  • Récupérer le gaz non dissous en partie haute pour le réinjecter dans le circuit. Ce principe est apparu avec les premiers réacteurs sous-dimensionnés qui injectaient excessivement du CO₂ sans le dissoudre totalement. L’optimisation du RAC et de ses réglages rendent généralement ce dispositif inutile.
  • Un orifice destiné à la sonde de pH interne.
• Une connexion d’entrée de CO₂.

3.1.2. Recirculation interne

Objectifs

Une pompe assure la recirculation interne de l’eau acidifiée en boucle fermée. L’arrivée de CO₂ se connecte généralement à son aspiration. Le refoulement se situe de préférence en bas du réacteur. L’acidification de l’eau et la présence de particules de calcaire ne s’avèrent pas un problème majeur pour la pompe dont la durée de vie peut dépasser 10 ans.

La recirculation interne de l’eau acidifiée a plusieurs missions :

• Mise en contact permanente de l’eau acidifiée avec le média calcaire.
• Homogénéisation rapide du pH dans tout le volume du RAC, sans zone mortes. Le pH mesuré dans un RAC n’est représentatif que si la recirculation est suffisante.
• Remise en suspension des fines particules de calcaire, limitant ainsi le colmatage.
• Décorrélation de la dissolution du débit d’effluent vers l’aquarium.

Temps de contact et débit de pompe

Le temps de contact nécessaire n’est pas un paramètre critique, il est toujours obtenu dans la pratique. En effet, la dissolution du CaCO₃ en présence de CO₂ est une réaction rapide, de l’ordre de quelques secondes.

Le débit de la pompe doit cependant être suffisant afin d’assurer des passages multiples indispensables pour : entretenir la dissolution ; assurer un brassage homogène du média ; éviter les zones mortes ; évacuer les fines (boues) pouvant obstruer la circulation ; compenser les pertes de charge liées au colmatage, à la granulométrie du substrat et à la géométrie du réacteur. Les pertes de charge sont essentiellement liées à la granulométrie et la structure du substrat (porosité de la masse de média). Elles représentent de 60 à 80 % du débit nominal. En pratique, un débit de l’ordre de 150 à 200 fois le volume de substrat s’avère suffisant. Le Calculateur RAC détermine le temps de contact et le turn over de l’eau de circulation.

Exemple : un débit de recirculation de 2500 l/h pour 13 l de substrat, soit un turn-over supérieur à 200 compte tenu de la porosité, assure un temps de contact > 7 s par passage. Un contact de 12 minutes est largement suffisant au regard de la cinétique de dissolution du CaCO₃, tout en garantissant un renouvellement efficace de l’eau au sein du lit de média.

3.1.3. Circuit de circulation de l’effluent

La circulation assure l’apport de Ca et KH dans l’aquarium. Le circuit de l’effluent comprend :

• Une pompe de circulation d’effluent : son débit doit être régulier et supérieur au besoin réel d’une part pour compenser la perte de charge liée à la longueur des tuyaux et la hauteur du RAC. Une vanne précise ou une pompe péristaltique assurent un débit régulier. Couteuse et limitée dans une marge de débit, il est préférable d’évaluer précisément le besoin de l’installation.
• Tuyaux entrée/sortie d’effluent : la régularité du débit s’avère souvent un problème avec du tubing 6 mm. Un diamètre plus important ≈ 8 mm limite l’impact du dépot de biofilm sur le débit.
• Vanne de débit sortie : permet le réglage précis du débit d’effluent en l’absence de pompe doseuse.
• Débitmètre d’effluent : Le débit initial se réduit parfois dans le temps du fait des biofilms, encrassements, obturations… que ce soit pour le régler ou le vérifier, le débitmètre est un organe essentiel de gestion du RAC. Il doit être visible au premier coup d’œil, régulièrement nettoyé (tous les 3 à 6 mois) des dépôts de sels et concrétions, puis calibré en mesurant le volume ou le poids débité durant 1 mn. Un débitmètre DIY fiable peut se réaliser à partir d’une seringue de taille adaptée, dont on ajuste l’orifice de sortie, et que l’on gradue après calibrage.

3.1.4. Compte bulle

Le compte bulle consiste en une petite chambre transparente à laquelle se connecte l’arrivée du gaz CO₂ en partie basse. Il permet de visualiser l’arrivée du gaz. Quand il est utilisé pour comptabiliser le volume de gaz injecté en bulles/seconde, et pas seulement comme témoin d’arrivée de gaz, il est alors un organe essentiel de la gestion du RAC.

3.1.5. Chambre secondaire de dégazage

Elle consiste en un récipient placé entre la sortie d’effluent et l’aquarium. Il contient également du média calcaire mais ne reçoit pas de CO₂. Il ne s’agit pas exactement de dégazer mais de post-dissoudre le CO₂ résiduel n’ayant pas réagi dans le réacteur, et de rehausser légèrement le pH pour améliorer le rendement. Ce concept est apparu pour résoudre le problème d’acidification progressive de l’aquarium par les premiers RAC inadaptés. Leur optimisation rend aujourd’hui ce module inutile.

3.1.6 Réacteurs du commerce

Le commerce propose des références variées (figure 5).

En marge des RAC au fonctionnement classique développé dans cet article, la marque DaStaCo se distingue par des méthodes de régulation et d’automatisation particulières en utilisant un média de grosse granulométrie propre au fabricant. Ce modèle ne régule pas le pH et ne nécessite pas de sonde. Il fonctionne par saturation en CO₂ à pH interne bas (~ 6,0), auquel des réactions : augmentation du pouvoir tampon, équilibre gaz-liquide… équilibrent la consommation de CO₂. Les injections régulières de CO₂ utilisent un flotteur détectant le volume de CO₂ non dissous et commutent une vanne. La quantité d’alcalinité produite est uniquement réglée par le débit de la pompe péristaltique de circulation d’effluent. Ce système dit à "contrôleur central intelligent" utilise un calculateur qui pilote une électrovanne d’injection de CO₂ pour conserver le régime de saturation. Ce faisant, le calculateur permet d’autres fonctionnalités : détection de non circulation d’eau, bouteille de CO₂ vide, accumulation anormale de gaz… et déclencher des alarmes LED et sonores.

Préconisations commerciales… attention !

Les réacteurs à calcaire sont généralement préconisés pour un volume d’aquarium. Cette donnée, bien que pratique, ne repose pas sur des critères physico-chimiques et doit être interprétée avec précaution. En effet, les fabricants dimensionnent leurs modèles selon certaines hypothèses (variables entre fabricants) : consommation alcaline moyenne, dissolution maximale du média, fonctionnement continu à pH interne bas, charge biologique standard. Or, la consommation réelle dépend fortement : de la densité et du type d’organismes calcificateurs (SPS, algues calcaires, bénitiers…), de la vitesse de croissance, de la cinétique biologique du bac, des conditions de nutrition et d’éclairage, de la capacité réelle du média à se dissoudre sans colmatage…

Le volume du bac ne constitue donc pas, à lui seul, un indicateur pertinent de choix d’un réacteur à calcaire. À volume égal, deux aquariums peuvent consommer une alcalinité quotidienne variant aux extrêmes dans un rapport un à cinq. Dans un RAC de gros volume, l’effluent se charge davantage en Ca²⁺ et HCO₃⁻ avant de sortir. A contrario un réacteur sous dimensionné doit compenser ces apports par un pH interne plus bas et un débit d’effluent plus élevé avec des risques d’acidification de l’eau.

Des préconisations trop optimistes, laissent peu de marge d’évolution et conduisent parfois à des modèles sous-dimensionnés, inadaptés aux aquariums densément peuplés de coraux et d’autres organismes calcificateurs (bénitiers…). Cette situation impose des régimes de fonctionnement "agressifs" avec un risque d’acidification de l’eau, que nous développerons. Cependant, la dissolution étant limitée au-delà d’un pH, augmenter le volume de substrat (du RAC) au-delà du nécessaire n’apporte rien.

A titre d’information, le tableau 2 reprend les caractéristiques de quelques réacteurs. Les recommandations n’engagent que le fabriquant. Le Calculateur RAC permet de sélectionner sans risque un modèle correspondant au besoin. N’hésitez pas à confronter les données.

Tableau 2 : Caractéristiques de RAC Deltec

Modèle	Poids calcite (kg)	Volume bac (l)	Diamètre mm	Hauteur mm	Volume chambre litres
PF90	1,4	500	90	510	≈ 1,4 (2/3)
PF110	2,2	1000	110	560	≈ 2,2 (2/3)
PF140	3,6	2000	140	560	≈ 3,6 (2/3)
PF180	6	3000	180	560	≈ 6,0 (2/3)
PF1001	34	5000	200	1080	≈ 29,8
CRTT 1500	5,5	1500	125	590	4,0
CRTT 3000	13,5	3000		590	10
CRTT 10000	30	10000		920	30

3.2. Système d’approvisionnement en CO₂

La supplémentation en Ca et KH est un point critique de la maintenance récifale. Tous les équipements, sans exception, doivent être de qualité et fiables. La chaîne d’approvisionnement en dioxyde de carbone se compose des éléments suivants :

3.2.1. Bouteille de CO₂

Elle contient du CO₂ liquéfié à 50 – 60 bar à 20°C.

• Contenance : le poids en charge (ex. 10 kg) détermine la masse du gaz inclus. Il se présente à 90 – 95% sous forme liquide, le reste étant sous forme gazeuse. La pression interne varie légèrement selon la température : ≈ 57 bar à 20°C, ≈ 64 bar à 25°C, et reste stable tant que la bouteille contient du gaz liquéfié.
  Le tableau 1 estime la contenance nécessaire pour un an d’utilisation selon le volume d’aquarium et la consommation.
• Evaluer la réserve de gaz :
  • Lorsque le CO₂ liquide s’est vaporisé il ne reste plus que du gaz. Alors la pression chute régulièrement durant 3 à 6 semaines. Il est temps de changer la bouteille.
  • Un système DIY de pesée en continu peut utiliser 4 jauges de contraintes avec compensation de température pour une résolution de ±10 g de CO₂ .
• Raccord : en Europe le filetage est à droite type C W21,8 x 1/14".
• Sécurité : Les bouteilles rechargeables sont soumises à une requalification sous pression, généralement tous les 10 ans. La date de dernière épreuve est gravée sur la bouteille. Hors délai la bouteille peut être refusée au remplissage. Les bouteilles consignées appartiennent à un circuit de vérification, parfois repéré par une large bande de couleur. Elles sont de ce fait toujours à jour.
• Achat, consigne : la bouteille peut être achetée, il est alors compliqué de rejoindre un circuit de rechargement. Le plus simple est d’acheter une bouteille consignée, sans loyer ni ré épreuve à gérer. Le montant pour une bouteille de 10 kg est de l’ordre de 40 € la consigne vide, et 20 € chaque recharge.
• Où se fournir : le particulier n’a pas accès aux fournisseurs de gaz industriels (Air Liquide, Messer, Linde, etc.) mais peut s’approvisionner chez les fournisseurs de gaz ; les brasseries et certains bars à bières (ex. V and B) ; les magasins spécialisés en aquariophilie ; les grossistes et discounters alimentaires (Metro, Aldi…).

3.2.2. Le système de détente du gaz

Il se compose dans l’ordre depuis la bouteille de CO₂ des éléments suivants :

1. Manomètre haute pression : le manomètre haute pression indique la pression interne mais n’est pas n’un indicateur de quantité. il permet seulement de connaitre le changement de la phase liquide / gazeuse évoquée.
2. Détendeur : Le détendeur abaisse la pression du CO₂ à celle de service ≈ 1 à 2 bars. Les modèles généralement à membrane sont plus souples que ceux à piston. La qualité est primordiale, elle conditionne la stabilité des injections qui doivent être stables pour un dosage fin et continu à très faible débit. Les modèles à double étage détendent à une pression intermédiaire permettant encore plus de souplesse.
3. Manomètre basse pression : mesure la pression de sortie de 0,8 à 1,5 bar qui retombe à zéro à la fin de chaque injection.
4. Électrovanne : toujours indispensable pour assurer l’ouverture tout ou rien du circuit. De type "normalement fermée" elle évite une forte acidification du RAC en l’absence de courant, quel que soit le mode de fonctionnement :
   • Si le RAC est piloté par le pH la tension de fonctionnement 12, 24 V correspond à ce que permet le régulateur de pH qui pilote l’ouverture et la fermeture de la vanne.
   • Si le RAC est piloté au compte bulle, l’électrovanne ne sert qu’à la sécurité de fonctionnement et se branche sur le circuit dédié au RAC, éventuellement via une prise commandée 230 V.
5. Vanne micrométrique à pointeau : intégrée d’office après l’électrovanne sur certains détendeurs, elle permet un réglage très fin du débit maxi de CO₂. Il s’agit d’un élément essentiel de la gestion du RAC pour :
   • Régler manuellement le débit de CO₂ exprimé en bulles/secondes.
   • Réaliser des injections douces avec régulateur de pH dans une amplitude de 0,05pH.

3.2.3. Accessoires

• Système anti-retour : indispensable, surtout quand la bouteille n’est pas surélevée par rapport au RAC.
  • Le clapet anti retour : empêche toute remontée d’eau ou d’humidité depuis le RAC, source d’oxydation de la micro vanne, de l’électrovanne ou du détendeur. Il se positionne au plus près du RAC, après la vanne micrométrique pour ne pas nuire à sa sensibilité.
  • Une double boucle du tuyau au-dessus du RAC est une assurance supplémentaire en cas de fuite du clapet antiretour.
• Compte-bulles :
  • Indispensable pour visualiser la régulation manuelle du débit en bulles/secondes.
  • En présence d’un régulateur de pH il permet de vérifier l’arrivée du gaz.
• Tubes : en polyuréthane ou éventuellement en PVC souple, généralement de diamètre 4/6 mm. Le silicone est exclu du fait de sa forte perméabilité aux gaz.

3.3. Régulation du pH

La régulation du pH a pour but, avec le débit d’effluent, de gérer l’apport en calcium et carbonates. Elle peut se réaliser avec un simple compte bulle, plus automatiquement avec une régulation du pH.

3.3.1. Compte bulle

Il consiste en une petite chambre transparente partiellement immergée d’eau du RAC dans laquelle on observe la remontée de bulles de gaz. La vanne micrométrique règle le débit. On a l’habitude de l’exprimer en nombre de bulles par seconde bien que le réglage se déduise d’un comptage sur une période plus longue, une minute. Il s’agit d’un système simple, fiable, peu coûteux et relativement stable, mais dépendant de variations externes : pression dans la bouteille, colmatage, présence d’eau dans le circuit de gaz et température. Non pilotable, il nécessite une attention régulière du KH en sortie de RAC et du bac.

3.3.2. Régulation du pH

Il consiste en un ensemble indissociable contrôleur et sonde dont dépendent les performances. Ainsi l’étalonnage se fait toujours pour chaque couple régulateur + sonde.

Le régulateur de pH

Le contrôleur électronique pilote l’électrovanne assurant des injections du CO₂ quand le pH dépasse une consigne. Ce système automatise la régulation, prenant en compte des variations externes (pression bouteille, température…), et réduit ainsi le risque de dérive du pH interne. Il s’agit cependant d’une régulation binaire qui génère une variation du pH interne dans une certaine plage. Cette dernière doit être la plus faible possible pour un fonctionnement en souplesse, comme on le verra.
De nombreux régulateurs ne sont pas adaptés au RAC, organe critique de la maintenance récifale. Son choix doit être réfléchi. L‘article Mesurer le pH en aquariophilie récifale développe le sujet.

L’équipement doit ici répondre à quelques critères essentiels :

• Bonne qualité électronique, fiable dans la durée dans une ambiance parfois saline à proximité d’équipements potentiellement parasites (chauffage, alimentations à découpage, ozoniseur…).
• Consigne au point pH haut : l’injection de CO₂ se déclenche au point haut maximum du pH.
• Résolution de l’affichage 0,01 pH ;
• Exactitude < 0,05 pH ;
• Etalonnage facile, voire automatique en 2 points pH 7 et 9 (ou pH 10) ;
• Le réglage de l’hystérésis, seuil de déclenchement au-delà de la consigne, n’est pas indispensable compte tenu de l’inertie des réactions.
• Le câble de connexion à l’électrovanne dont la tension de fonctionnement et la broche correspondent aux spécifications du fabricant.
• L’alimentation basse tension permet le fonctionnement 24/7.
• D’autres fonctions sont optionnelles selon le besoin (connexion wifi, enregistrement des mesures, alertes…).

Autres options de régulation

Des ordinateurs de gestion d’aquarium tels que Apex neptune, GHL – ProfiLux… réunissent les conditions pour la régulation.

3.3.3. La sonde de mesure pH

Placée dans la chambre du RAC, c’est un organe essentiel qui conditionne la fiabilité de la mesure. Sa qualité dépend de la stabilité électrochimique, de la cinétique de réponse et de la résistance à l’usure. L’article Mesurer le pH en aquariophilie récifale détaille les conditions d’utilisation, d’étalonnage et de conservation pour allonger la durée de vie.

Dans le cadre d’un réacteur à calcaire quelques caractéristiques s’imposent :

• Corps en verre ou en matériau composite,
• Sonde combinée, avec deux électrodes l’une pour la mesure et l’autre comme référence de mesure,
• Connexion au contrôleur pH, en général avec prise BNC.
• Câble de longueur adaptée, en général 1,5 m, 3 m, voire plus.
• Usure : le bulbe (verre spécial) et jonction externe (céramique) protégés.
• Qualité électrochimique, électronique, cinétique sont fortement liées au coût. Sans tomber dans des produits exotiques parfois inutilisables à l’achat, des sondes de 30 à 80€ pourront donner satisfaction.

4. Substrats calcaires

Le substrat du réacteur à calcaire fournit, par dissolution acide contrôlée les minéraux nécessaires à la calcification et parfois des oligoéléments à taux variables selon leur origine. Leurs caractéristiques physiques (composition, structure, granulométrie), mécaniques (abrasion) sont également des facteurs qui influencent leur efficacité à de nombreux niveaux (chimique, hydraulique, maintenance.

4.1. Types de substrats

• CaCO₃ synthétique : produit par précipitation chimique contrôlée, ce carbonate de calcium cristallisé sous forme de calcite est très pur (99–100 % de CaCO₃ ), peu poreux. Il est chimiquement prédictible mais mécaniquement et hydrauliquement moins performant que l’aragonite biogène. Proposé en granulométries variées 2, 4, 6, 8, 12, 16 mm, il est facilement disponible à coût modéré. Sa nature dense, cassante, produit des particules d’autant plus fines (boues, colmatage) que la granulométrie est faible.
• ARM (Aragonite Reactor Media) : issu de dépôts marins fossilisés (coraux, mollusques…). Constitué essentiellement de CaCO₃ aragonite, selon les sources il peut contenir des minéraux divers en faible proportions : Mg, Fe, Si, Mn, Al… il est plus dense que les fragments de coraux et se présente sous forme de blocs concassés en 3 classes de granulométries : ARM standard : ~ 3–5 mm ; ARM coarse : ~ 8–12 mm ; ARM extra coarse : ~ 12–20 mm. Sa structure compacte génère peu de fines.
  L’ARM est plus soluble que la calcite. Chimiquement aussi soluble que les fingers de coraux, sa surface spécifique réduite rend sa dissolution plus lente et nécessite finalement un pH plus faible pour une dissolution identique. Moins disponible, il est plus coûteux que le synthétique.
• Fragments de coraux : aussi nommés “fingers” du fait de leur forme allongée, il s’agit de bris de squelettes de coraux. Branches (“fingers”) Composés de CaCO₃ sous forme aragonite biogène, on y retrouve tous les constituants biominéralisés par le corail dans des ratios naturels : Ca, carbonates, Mg, Sr et des oligoéléments métalliques à l’état de traces liés à l’environnement de croissance.
  La législation CITES règlemente le prélèvement in situ et les tailles importées à 3 cm maximum. Il est donc moins commercialisé. Les fragments sont généralement proposés en tailles approximatives : 3, 5, 10, 20 et 30 mm. Leur forme et leur structure hautement poreuse réunissent de nombreux avantages : hydraulique fluide, peu de colmatage, dissolution rapide au cœur du squelette permettant un pH plus élevé que l’ARM et une utilisation "douce". Il a la faveur des récifalistes exigeants.
• Substrats avec magnésium : utiliser le RAC pour maintenir un taux de Mg s’avère une fausse bonne idée. Le magnésium se dissout à pH plus bas que le carbonate de calcium et sera consommé prioritairement, sans que l’on puisse maitriser la quantité de l’un et de l’autre, le ratio Ca/KH étant modifié. Une supplémentation Mg séparée est préférable.
  • Dolomite CaMg(CO₃)₂ : c’est la forme la plus fréquente. La dolomite se dissout à pH bas (≈ 5,5 – 6) et peu dans des RAC réglés au-dessus de 6,5.
  • Coquille d’huître : constituées de 95 à 97 % CaCO₃ sous forme aragonite, elles contiennent également 1 à 3 % de matrice organique (protéines, polysaccharides) et des traces de Mg, Sr, Na et autres éléments mais aussi des métaux traces polluants selon leur provenance. Ces éléments peuvent être relargués avec les risques associés pour l’aquarium récifal.

Quelle que soit leur provenance, ces substrats nécessitent tous une supplémentation en oligoéléments après tests ICP.

Tableau 4 : Bilan comparatif des substrats calcaires pour RAC

Critère	CaCO3 synthétique (calcite)	ARM (aragonite fossile)	Bris de coraux (aragonite biogène)
Pureté chimique CaCO3	★★★★★	★★★★	★★★
Autres éléments Mg, Sr oligos	★	★★★★★	★★★★
pH de solubilité en RAC	6,3 à 6,7	6,5 à 6,85	6,7 à 7,05
Solubilité à pH égal	★★	★★★★	★★★★★
Surface utile effective	★★	★★★	★★★★★
Circulation hydraulique	★★	★★★★	★★★★★
Stabilité mécanique	★★	★★★★★	★★★
Absence de boues, colmatage	★	★★★★★	★★★★★
Régularité de dissolution	★★★	★★★★	★★★★★
Rendement (KH délivré / masse)	★★	★★	★★★★★
Disponibilité	★★★★★	★★★★	★
Maintenance	★★	★★★★★	★★★★★
Modélisation (calcul)	★★★★★	★★★★	★★★
Polyvalence	★★★	★★★★	★★★★★

4.2. Impact des caractéristiques physiques du média

Le bref inventaire des caractéristiques ci-dessus dévoile que leur performance ne dépend pas seulement de la constitution chimique. Les caractéristiques physiques jouent un rôle tout aussi essentiel dans la performance du réacteur.

• Granulométrie : la finesse assure une grande surface spécifique pour la dissolution. Pour autant cette finesse peut engendrer une perte de charge, réduire la circulation de l’eau et avec elle la dissolution du média. Des formes plus grossières proposent une moindre surface d’échange, compensée par une meilleure circulation interne.
• Forme : les formes variées laissent des espaces libres tandis que celle sphériques se tassent. N’hésitons pas à recycler les squelettes variés de nos coraux malheureusement morts.
• Solidité : l’abrasion génère plus facilement des particules fines à l’origine de boues qui obstruent la colonne et forme des poches gazeuses stagnantes.
• Porosité : elle assure une grande surface spécifique et permet des échanges à cœur. Les bris de coraux sont de ce fait plus efficaces que l’ARM de composition similaire, le pH de dissolution est réduit pour une même production de Ca, KH.

Le choix d’un substrat dépend de nombreux facteurs parfois contradictoires. Le but étant le même : une dissolution maitrisée sans impact négatif telle que l’acidification de l’eau. Il en résulte pour le calculateur RAC, l’adoption de coefficient de rendement pour évaluer les consommations. Les bris de coraux s’avèrent le premier choix.

5. Paramétrages du RAC

Le fonctionnement optimal d’un RAC vise à couvrir la consommation quotidienne en Ca et KH du bac sans l’acidifier avec une consommation de CO₂ réduite. Il n’est pas conçu pour corriger une dérive importante à traiter par une complémentation ciblée.
Les paramètres essentiel du réglage sont :

• Le pH du réacteur : il contrôle principalement la capacité de dissolution du média.
• Le débit de l’effluent : il contrôle la quantité de carbonate exportée vers l’aquarium

5.1. Notions générales de paramétrage

Avant d’aborder le réglage, passons en revue des notions générales permettant une meilleure compréhension.

5.1.1. Impact du pH interne

Le carbonate de calcium a une solubilité très faible, quelques mg/l, au pH de l’eau de mer. Au contraire il a plutôt tendance à précipiter. Mais en milieu acide avec l’apport de CO₂ il n’existe plus de limite de solubilité. La quantité dissoute dépend du pH.

• pH trop élevé : le pH maximal à partir duquel le CaCO₃ peut commencer à se dissoudre est de l’ordre de pH 7,6. Á pH élevé la dissolution est inefficace ou trop lente.
• pH trop bas : l’alcalinité peut atteindre des valeurs extrêmes > 100 dKH, avec du colmatage, un dégazage excessif du CO₂, une dissolution non linéaire…

Dans la pratique le pH interne varie selon le substrat entre 7,0 pour obtenir une légère dissolution avec les formes de CaCO₃ les plus solubles et 6,3 une acidité très agressive.

5.1.2. Impact du débit de l’effluent

Pour un pH donné, la quantité d’alcalinité apportée dépend aussi du débit de l’effluent.

5.1.3. Régimes de fonctionnement : pH vs débit

On le comprend : il existe de nombreux réglages de pH interne et débits permettant d’atteindre l’objectif d’alcalinité dans l’aquarium, entre des limites conditionnées par la nature et la porosité du substrat comme nous l’avons abordé. Le réglage du RAC ne vise donc pas une valeur de dKH en sortie mais un équilibre cinétique contrôlé entre pH et débit.
Ainsi deux régimes de fonctionnement opposés (identifiés doux et agressif dans le calculateur) selon la valeur du pH interne, permettent d’atteindre un même objectif de KH bac, mais avec des impacts différents.

Régime "agressif" : pH bas et débit faible

C’est la méthode utilisée à l’origine des premiers RAC en récifal. Elle permettait de produire un effluent à très forte alcalinité 35 à 50 dKH avec n’importe quel média… et de vendre des petits RAC destinés à de gros volumes. Un sous dimensionnement qui présente des risques :

• Rendement CO₂ faible (surconsommation)
• Effluent très acide entrainant l’acidification du bac.
• Sensible aux dérives (colmatage, sur-acidification),
• Peu tolérant aux variations de débit.
• Dissolution non stœchiométrique, une surproduction de CO₂ dissous sans gain proportionnel en alcalinité.

Ce type de RAC ne convenait qu’aux aquariums peu densément peuplés en organismes calcificateurs.

Régimes "commerciaux" agressifs

Les fabricants proposent parfois une approche simple pour l’utilisateur, très simplifiée, voire simpliste, qui fait abstraction du besoin réel et qui peut conduire, avec les valeurs de base recommandées (pH ≈ 6,5 ; débit effluent 1 goutte toutes les 2 s ; objectif ≈ 35 à 50 dKH…) à un débit trop faible imposant un très faible pH et l’acidification du bac, ou bien un débit qui dépasse la capacité du réacteur. Le temps de contact devenant trop court le KH de l’effluent chute malgré l’augmentation de CO₂. Le mal est fait : il faut changer pour un RAC plus volumineux.

Régime "doux" : pH haut et débit élevé

Cette approche actuelle consiste à générer un pH interne haut (pH 6,7 – 6,9), proche du seuil de dissolution (tableau 2). La dissolution à alcalinité moyenne 15 à 25 dKH est alors entretenue par une surface spécifique élevée

et un flux alcalin à haut débit.
Cette méthode présente de nombreux avantages :

• Excellent rendement CO₂.
• Effluent peu acide avec un impact pH bac minimal
• Très grande stabilité.
• Pas de dégazage en sortie.
• Compatible avec bacs très chargés en calcificateurs

Et quelques inconvénients :

• Dépend fortement de la qualité du média.
• Rendement volumique plus faible.
• Réacteur plus volumineux.
• Moins tolérant à une baisse de débit ou à un média colmaté.

Ce régime convient aux bacs très consommateurs avec une stabilité ionique et pH maitrisé. C’est un régime rationnel, qui couvre le besoin avec un minimum de risques.

5.2. Dimensionner le RAC

Le dimensionnement d’un réacteur à calcaire consiste à déterminer son volume pouvant contenir le média nécessaire pour couvrir la consommation en alcalinité.
Il met en jeu de nombreux paramètres, interagissant entre eux, dont on ne peut appréhender tous les effets. Aussi, si l’estimation repose sur des relations physiques et chimiques, elle fait aussi appel à des règles issues de l’expérimentation. L’objectif n’est donc pas d’obtenir une valeur exacte, mais un ordre de grandeur fiable permettant de choisir un réacteur adapté en fonction des objectifs, sans risque d’acidification de l’eau. Le Calculateur RAC permet de dimensionner le réacteur sans procéder aux calculs qui suivent.

Le processus de dimensionnement suit les étapes suivantes :

1. Déterminer la consommation du bac
2. Déduire la consommation en alcalinité
3. Evaluer la quantité de média nécessaire
4. Dimensionnner le réacteur pouvant contenir ce volume

5.2.1. Déterminer la consommation du bac

Selon le cas, on peut souhaiter acquérir un RAC pour un usage à long terme répondant aux besoins futurs, ou bien évaluer une situation actuelle pour affiner les réglages.

Mesurer le besoin actuel

Il s’agit ici d’estimer la consommation actuelle, pour un premier réglage ou pour l’améliorer. Le réglage sera affiné selon l’évolution de la densité des calcificateurs (acquisitions, croissance, élagages…). Connaissant le besoin journalier du bac ΔKH_bac (dKH/j) , on pourra déduire l’apport horaire nécessaire en carbonates et procéder aux réglages.

La mesurer se réalise précisément en stoppant momentanément tout apport de carbonates :

1. Stabiliser le bac à une valeur cible au-dessus de la limite basse (eau de mer), vers 8 – 9 dKH.
2. Mesurer le KH à une heure précise (dKH1) en respectant le mode opératoire, avant la reprise de l’éclairage.
3. Arrêter toute compensation KH (Balling, RAC, buffer) pendant la mesure.
4. Maintenir : même photopériode, nourrissage inchangé, écumage et brassage constants durant 24 à 48 heures.
5. Mesurer le KH (dKH2), à la même heure, au même endroit, avec le même lot de test .
6. Calculer la consommation journalière du bac ΔKH_conso (dKH/j) = (dKH1 – dKH2) / nombre de jours.
   Exemple : pour une valeur initiale 8,7 dKH qui tombe à 7,5 dKH après 24 h d’arrêt, la consommation du bac ΔKH_conso = (8,7-7,5) / 1 j = 1,2 dKH/j.

Calculer le besoin futur

La croissance des coraux suit une relation sigmoïde, avec une phase exponentielle avant sa stabilisation. Autant dire qu’elle peut vite s’accélérer, pouvant évoluer entre 0,5 et 2,5 dKH/j. Il est préférable de l’anticiper avec l’acquisition d’un RAC qui ne sera pas vite dépassé. Pour ce, la série de calculs qui suit n’est donnée qu’à titre informatif : le Calculateur RAC permet d’estimer la consommation de l’aquarium selon la densité de population et son niveau de développement.

5.2.2. Consommation en alcalinité du bac

La consommation journalière en alcalinité ΔKH_conso étant établie en dKH, il est nécessaire de la convertir en masse de carbonate de calcium dissoute M_CaCO3 selon sa définition chimique : 1 dKH correspond à 17,848 mg de CaCO₃ par litre d’eau.

Equation 4

$M_{\mathrm{CaCO3}}\mathrm{/j}=\mathrm{0,01786}\times V_{\mathrm{bac}}\times {\mathrm{\Delta KH}}_{\mathrm{conso}}$

MCaCO3/j : masse de CaCO₃ consommée par jour (g/j) Vbac : volume de l’aquarium (L) ΔKHconso : consommation alcaline journalière du bac (dKH/j).

Exemple : un bac de 1000 L consommant une alcalinité 1,5 dKH/j, consomme 1000 L x 17,848 mg/L ≈ 26,8 g de CaCO₃ par jour
Cette valeur représente la quantité de calcaire que le RAC doit dissoudre quotidiennement.

5.2.3. Quantité de média nécessaire

Consommation du média dans le RAC

Dans un système bien réglé, cette approche donne une valeur proche de la réalité. Cependant, dans un RAC réel, la dissolution du média dépend fortement des conditions internes, en particulier du pH, mais aussi de la recirculation, de la granulométrie et de la surface réactive du média.
La dissolution répond à des lois physiques et physico-chimiques couplées, toutefois limitées dans ce milieu très fermé par le seuil de dissolution (pH élevé) et l’effet tampon des carbonates s’accumulant. Sa courbe prend une forme sigmoïde (en forme de S) (figure 13) caractérisée par un facteur dissolution du média D_media.

Avec un média en aragonite :

• pH < 6,5 → D_media ≈ 1,29 : la saturation du milieu carbonates se traduit par un plafond de dissolution. La réduction du pH n’apporte que peu de calcium et carbonates, le RAC perd de son efficacité avec un risque très élevé d’acidification.
• pH 6,5 à 7,0 : zone efficace à forte variation,
  le pH contrôle l’attaque acide (cinétique), la dissolution augmente de manière exponentielle
  • pH 6,5 à 6,8 → D_media) ≈ 1,27 : à pH interne bas la dissolution augmente, le KH est obtenu avec moins de média, un RAC moins volumineux, cependant le risque d’acidification augmente dans un régime agressif.
  • pH 6,8 à 7,0 → D_media) ≈ 1,0 : le rendement est optimal avec peu de risque d’acidification, un régime de fonctionnement doux, efficace.
• pH > 7,1 → D_media ≈ 0,7 : la dissolution se réduit drastiquement jusqu’à devenir inexistante.

Le Calculateur RAC permet de simuler l’impact du pH interne sur le volume de média. L’expérience montre qu’un pH ≈ 6,75 à 6,95 permet des réglages optimisés.

• Masse de média consommée : elle se déduit directement de la masse de CaCO3 dissoute affectée du facteur de dissolution D_media

• Volume de média consommé : il dépend de la masse volumique apparente ρ_media du média choisi. Ex. ρ fingers 30 mm = 0,85 kg/L.

Média nécessaire dans le RAC

Volume de média

Le volume de média diminuant, la capacité du RAC se réduit. Il doit cependant rester efficace jusqu’à la prochaine recharge réalisée 2 à 3 fois par an. Quand le RAC répond à 100% du besoin, le volume de recharge représente expérimentalement ≈ 40% du volume total. Le volume de recharge étant déduit de la consommation quotidienne ci-dessus durant la période (T) entre recharges, on en déduit le volume de média nécessaire dans le RAC.

Le calcul du volume du média V_media selon l’équation 6 reste une approximation, mais l’expérience montre qu’elle est très réaliste.

Equation 6

$V_{\mathrm{media}}=\frac{M_{\mathrm{CaCO3}}\cdot T_{\mathrm{recharge}}}{1000\cdot f_{\mathrm{recharge}}\cdot {\rho }_{\mathrm{media}}\cdot D_{\mathrm{media}}}$

Vmedia : volume de média necessaire (L). MCaCO3 : masse de CaCO₃ à fournir chaque jour (g/j). Trecharge : durée entre deux recharges de média (L) frecharge : fraction du média constituant la recharge (ex. 0,4). ρmedia  : masse volumique apparente du média (kg/L). Dmédia : facteur de dissolution du média selon pH.

Exemple : L’aquarium consomme 26,8 g/j de CaCO3. Le volume de média constitué de fingers de masse volumique apparente 0,75 kg/L représente 40% du média total entre les recharges espacées de 6 mois (180 j). Au pH d’utilisation, le facteur de dissolution du média est 1,2. Volume de média nécessaire Vmedia ≈ (26,8 x 180) / (1000 x 0,40 x 0,75 x 1,2) ≈  13,0 L de média.

Poids du média en charge

La masse du média dépend de sa masse volumique apparente ρ_media, très variable selon ses caractéristiques : vides entre grains ; tassement du lit ; granulométrie ; forme des grains… de 0,75 g/L pour des fingers de 30 mm à 1,55 g/L pour de la calcite en granulés de 2 mm.

Equation 7

$M_{\mathrm{media}}=V_{\mathrm{media}}\times {\rho }_{\mathrm{media}}$

Vmedia : volume de média dans le RAC en charge (L) Mmedia : masse de média dans le RAC en charge (Kg) ρmedia : masse volumique apparente du média (kg/L)

Pour compléter notre exemple : la masse de 13,0 L de finger 30 mm de masse volumique apparente 0,75 kg/L, nécessaires pour remplir le RAC est égale à 13,0 x 0,75 = 9,8 kg.

5.2.4. Dimensionner le volume du réacteur

La chambre du réacteur V_RAC réserve à son sommet un espace libre, sans média, pour la mesure du pH, la fermeture, les connexions (dégazage, effluent…). Un excédent de 10% suffit en général.

Notre exemple conduit à choisir un RAC de volume interne V_RAC : 13,0 x 1,1 = 14,3 litres.

5.3. Réglages du RAC

Le réglage consiste à équilibrer deux paramètres couplés :

• Le pH interne du RAC (injection de CO₂).
• Le débit d’effluent en sortie du RAC (pompe doseuse ou vanne).

L’objectif est que la quantité de CaCO₃ dissoute par jour compense exactement la consommation du bac, tout en conservant un pH interne relativement élevé pour un fonctionnement « doux ».

Les réglages du pH et du débit peuvent se réaliser par approximations successives selon le test KH dans le bac. Leur calcul anticipé permet cependant de procéder de manière plus pertinente. Tous les calculs qui suivent sont intégrés dans le Calculateur RAC. Il permet de débuter le réglage avec des valeurs cohérentes.

La méthode décrite ici donne la priorité au pH, ce dernier ne devant jamais être en dessous d’un seuil critique d’acidification de l’eau. La consommation du bac étant déjà connue au chapitre précédent.

Le réglage du RAC se résume à :

1. Régler le pH interne le plus élevé possible, compatible avec le substrat.
2. Fixer une élévation d’alcalinité de l’effluent (ΔKH effluent).
3. Calculer puis régler le débit d’effluent correspondant.
4. Ajuster finement le débit pour stabiliser le KH du bac.
5. Réajuster le pH si besoin.

5.3.1. Régler le pH interne

Le pH détermine la vitesse de dissolution du média et donc la quantité d’alcalinité poduite par le média. Dans l’approche d’un régime "doux" avec pH haut et débit élevé, viser une valeur proche (0,1 à 0,2 pH en dessous) du seuil de dissolution (tableau 4). Par exemple : pH 6,9 avec des fingers de coraux. Plus tard, une fois l’objectif de KH atteint et stabilisé dans l’aquarium, on pourra affiner le pH interne le plus haut possible pour réduire la plage de variation de pH de l’eau et la consommation de CO₂ .

5.3.2. Fixer l’élévation d’alcalinité du KH de l’effluent

L’apport quotidien d’alcalinité  (KH_total) au bac dépend de l’augmentation d’alcalinité produite par le RAC (ΔKH_effluent). Dans un régime doux on cible une élévation de l’alcalinité entre bac et sortie de RAC : ΔKH_effluent≈ 3 à 5 dKH.

Equation 7

KHeffluent = KHbac + ΔKHeffluent

KHeffluent : alcalinité de l’effluent en sortie de RAC (dKH) KHbac : alcalinité du bac (dKH) ΔKHeffluent : augmentation alcaline dans le RAC (dKH).

Exemple si l’alcalinité du bac est 8 dKH_bac, alors régler l’alcalinité de l’effluent KH_effluent à 8 + 4 = 12 dKH_effluent.

5.3.3. Calculer puis régler le débit d’effluent

L’apport quotidien d’alcalinité  (KH_total) au bac dépend de l’augmentation d’alcalinité produite par le RAC (ΔKH_effluent) mais aussi du débit de l’effluent (Q_effluent). Le réglage consiste à ajuster le débit pour obtenir une alcalinité raisonnable. C’est à dire plus basse que ce qui était historiquement conseillé, pour minimiser les risques de précipitation et d’acidification de l’eau.

Le débit de l’effluent en sortie de RAC en fonction de son KH se formule par l’équation :

Equation 8

$Q_{\mathrm{effluent}}=\frac{{\mathrm{\Delta KH}}_{\mathrm{conso}}.V_{\mathrm{bac}}}{\mathrm{24}.{\mathrm{\Delta KH}}_{\mathrm{effluent}}}$

Qeffluent : débit d’effluent (L/h) ΔKHeffluent : augmentation KH effluent dans le RAC (dKH) ΔKHconso : consommation alcaline journalière du bac (dKH). Vbac : volume du bac (L)

5.3.4. Ajuster finement le KH par le débit effluent

Ces premières étapes permettent de dégrossir le réglage dans un régime doux. Les paramètres en jeu étant nombeux et interdépendants, il faudra certainement ajuster l’apport de KH en sortie de RAC pour obtenir l’alcalinité souhaitée dans l’aquarium. Ceci se réalise finement, principalement via le débit d’effluent Q_effluent, et non par le pH interne qui n’influence que la concentration de l’effluent.

Le Calculateur RAC permet de simuler l’impact de différents débits d’effluent Q_effluent sur le KH_effluent en sortie de RAC.

5.3.5. Réajuster le pH si besoin

Le débit constitue le réglage principal : il permet d’ajuster finement l’apport total d’alcalinité. Le pH interne positionne plutôt la plage de fonctionnement : il fixe la concentration de l’effluent.
Le pH nécessite parfois un réajustement, toujours aussi élevé que possible, quand le débit sort d’une zone raisonnable, anormalement élevé ou faible ou ne permet pas d’atteindre l’objectif :

• Le débit est excessif : si le KH du bac reste insuffisant malgré un débit d’effluent déjà élevé, cela signifie que l’effluent est trop peu enrichi en alcalinité. Autrement dit, la dissolution du média est trop faible pour la consommation du bac. Il faut alors abaisser légèrement le pH interne du RAC (augmenter l’injection de CO₂ ) afin d’augmenter la dissolution du CaCO₃. Le KH de l’effluent augmente alors, ce qui permet de réduire le débit nécessaire pour atteindre le même apport d’alcalinité.
• Le débit est trop faible : si l’alcalinité du bac augmente alors que le débit d’effluent est déjà très faible, ou si l’on a des difficultés à contenir l’acidification de l’eau, cela signifie que l’effluent est trop concentré. La dissolution du média est trop importante par rapport aux besoins du bac. On peut alors augmenter légèrement le pH interne du RAC (réduire l’injection de CO₂) afin de diminuer la dissolution du média. Le KH de l’effluent diminue, ce qui permet d’augmenter le débit d’effluent tout en conservant un apport total d’alcalinité adapté.

5.4. Quand faire fonctionner le RAC

Dans cet article, les consommations sont exprimées en équivalent CaCO₃, ce qui correspond à la quantité de carbonate de calcium formée lors de la calcification des organismes.
Les coraux consomment principalement calcium (Ca) et alcalinité (KH) pendant la photopériode. Cependant la consommation nocturne reste significative : elle représente environ un tiers de la consommation totale. Il ne faut donc pas arrêter le RAC la nuit.

Réduire son fonctionnement nocturne pour limiter la baisse du pH du bac peut sembler logique, mais c’est une fausse bonne idée. Le volume d’eau de l’aquarium constitue un réservoir alcalin important qui amortit naturellement les variations. Le RAC participe justement à maintenir cette réserve tampon. De plus, arrêter le RAC perturbe l’équilibre interne du réacteur (pH et dissolution du média). Pour ces raisons, le RAC doit fonctionner en continu (24 h/24) afin de garantir la stabilité chimique de l’aquarium.

6. Consommations

La connaissance des consommations permet d’évaluer les besoins à l’achat et en réapprovionnement des consommables : média calcaire (CaCO₃) et de dioxyde de carbone (CO₂ ). Dans un réacteur à calcaire leurs consommations sont liées par la stœchiométrie de la dissolution (équation 1). Le Calculateur détermine le besoin annuel et entre deux recharges.

6.1. Consommation du média

La masse de CaCO₃ consommée chaque jour, définie par l’équation 4, permet d’estimer le besoin sur plusieurs jours ou verifier la durée d’une recharge.

6.2. Consommation du CO₂

Calcul théorique

La consommation de CO₂ est gouvernée par la quantité de CaCO₃ dissoute. L’équation 1 montre qu’1 mole de CaCO₃ dissoute (100,1 g/mol) consomme 1 mole de CO₂ (44,0 g/mol). Masse CO₂ = masse CaCO₃ × 44,0/100,1 ≈ 0,44 × masse CaCO₃.

Exemple : si le RAC dissout le média à raison de 28.6 g/l/j alors il emploierait théoriquement une masse de CO₂ = 28,6 x 44,0 / 100,1 = 12.6 g CO₂/j.

Consommation pratique, rendement CO₂ : η

Le calcul présenté donne une consommation théorique minimale de CO₂ correspondant à la réaction chimique. La consommation réelle de dioxyde de carbone est cependant supérieure à la quantité strictement nécessaire à la dissolution du carbonate de calcium en raison de l’export d’une fraction du CO₂ vers l’aquarium sous forme dissoute via l’effluent. Cet export a des effets favorables et parfois défavorables pour l’aquarium.

• Export efficace : une partie du CO₂ injecté est temporairement présente sous forme de CO₂ (aq) et d’acide carbonique H2₂CO₃. Elle participe bénéfiquement à l’équilibre carbonaté du système, peut être consommée par la photosynthèse et contribue au pH diurne. Cette fraction ne constitue pas une perte au sens chimique.
• Export non valorisé (acidifiant) : une autre fraction du CO₂, sous forme de gaz non dissous ou d’excès lié à un pH interne trop bas, n’est pas exploitée dans la chimie du bac. Elle est en partie éliminée par dégazage et contribue pour le reste à une acidification progressive de l’eau, sans production proportionnelle d’alcalinité.

Le rendement η_CO2 traduit l’efficacité de conversion du CO₂ injecté en alcalinité utile. Il dépend de la valeur du pH interne du réacteur, de la nature chimique du substrat (calcite, aragonite), de sa porosité (ARM, fingers de coraux) et des cinétiques de dissolution associées. Le calculateur prend en compte des rendements η_CO2 en relation avec la consommation KH du bac, le KH de l’effluent et le pH du bac :

• η_CO2 < 0,35 – Critique : le pH interne est trop bas, le CO₂ en excès est massivement perdu.
• η_CO2 de 0,35 à 0,50 – Acidifiant : un excès de CO₂ est non converti, typique des régimes à pH < 6,4 avec tendance à l’acidification du système.
• η_CO2 de 0,50 à 0,65 – Standard : production d’alcalinité efficace, export majoritairement utile RAC fonctionnel.
• η_CO2 de 0,65 à 0.75 : Optimisé : bon équilibre dissolution / export, faible dérive pH du bac. C’est une cible raisonnable.
• η_CO2 > 0,75 – Dissolution lente : la conversion est lente mais efficace, souvent associée à un pH élevé, un fort débit d’éluat, un substrat très poreux.

Les régimes de pH et les classes de rendement η_CO2 sont corrélés mais non équivalents : un pH interne modéré associé à un fort débit peut présenter un η_CO2 supérieur à un fonctionnement plus acide. Le calculateur utilise l’équation 9, simplifiée, de la consommation journalière en CO₂  en fonction de la conso en CaCO₃ ou de l’alcalinité en dKH dans le volume du bac :

Equation 9

$$M_{\text{CO2}}={\eta }_{\text{CO2}}\cdot 0.44\cdot M_{\text{CaCO3}}$$ $$M_{\text{CO2}}={\eta }_{\text{CO2}}\cdot 7.876\cdot {\mathrm{\Delta KH}}_{\text{conso}}\cdot \frac{V_{\text{bac}}}{1000}$$

MCO2 : masse de CO2 consommé (g) ηCO2 : rendement CO2 MCaCO3 : conso. journalière dans le volume du bac (g) ΔKHconso : consommation quotidienne du bac (dKH/j/L) Vbac : volume du bac (L)

6.3. Consommations pratiques

Compte tenu des rendements, le calculateur RAC donne un ordre de grandeur des besoins en consommables : média CaCO₃ et gaz CO₂, sur une période déterminée ou annuelle (tableau 7). Quand le pH diminue on constate que :

• La réduction de la consommation de média est faible compte tenu du risque croissant d’acidification du bac.
• La consommation de CO₂ augmente drastiquement, de manière exponentielle, à chaque réduction du pH.

Tableau 7 : Consommations estimées en aquarium
1000 L

Consommables	pH RAC	1,0 dKH	1.5 dKH	2 dKH
Média (kg/an)	6,9	5,9	8,8	11,8
	6,7	5.1	7,6	10,2
	6,5	5,0	7,5	10,1
Gaz CO₂ (kg/an)	6,9	5,4	7,2	8,9
	6,7	6,9	8,9	10,8
	6,5	9,3	11,5	13,8

Calculateur RAC

Le calculateur permet des usages multiples :

• Déterminer le type de RAC adapté au besoin.
• Choisir les réglages appropriés pour fonctionner en un régime doux.
• Evaluer les consommations en média calcaire et en CO₂ pour une période choisie.

 

L’analyse de la consommation d’alcalinité permet ici de relier directement le fonctionnement du réacteur à calcaire à la chimie du système carbonate. Le réglage du RAC peut alors être compris comme un simple équilibre entre dissolution du média, débit d’effluent et besoins de calcification du bac. Cette approche permettra peut être de rendre au réacteur à calcaire la place qu’il mérite en aquariophilie récifale.

En savoir plus

• Calcium and Alkalinity, Randy Holmes-Farley – Reefkeeping.com
• Chemistry And The Aquarium: Solving Calcium And Alkalinity Problems Randy Holmes-Farley – Reefs.com
• Calcium Reactors… In, Out and Everything in Between, Jose Dieck
• A guide to using calcium reactor, Simon Huntington – Reefkeeping
• The kinetics of calcite dissolution in CO2–water systems, L. N. Plummer
  et all – February 1978 American Journal of Science 278

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