Запалима ли е водородната вода? Малкият обем газ в бутилките
Бутилката за водородна вода използва електролиза, за да добави във водата разтворен водороден газ. Водородният газ действително е запалим, така че на пръв поглед това притеснение не е неоснователно. На практика е важно да се зададе по-конкретен въпрос: колко водороден газ произвежда една бутилка и дали това количество, при употреба според предназначението на бутилката, изобщо се доближава до концентрацията и условията, които литературата по водородна безопасност свързва с възпламеняването. Когато пресметнете действителните обеми, отговорът се свежда до аритметика, а не до интуиция, и числата са значително под прага, при който затворена бутилка на плота ви би представлявала опасност от пожар.
- Водородният газ се възпламенява във въздуха само в определен диапазон на концентрация, а при правилна употреба бутилката изобщо не се доближава до долната му граница.
- Обемът газ, който произвежда една бутилка, пресметнат въз основа на измерената в лаборатория концентрация на разтворения водород, е приблизително колкото няколко супени лъжици, а не колкото съдържанието на резервоар.
- За да възникне експлозия, са нужни както водород, така и окислител, например кислород, в затворено пространство; отворена, вентилирана бутилка в стаен въздух не създава такива условия.
Защо възниква този въпрос
Краткият отговор е, че малкото количество водороден газ, генерирано от бутилката и изпуснато в отворено помещение при предвидената употреба на продукта, не създава запалима смес. Самият водород е запалим елемент, както са запалими природният газ и бензиновите пари, и няма смисъл да се преструваме, че това не е така. По-полезният въпрос, на който тази статия всъщност отговаря, е колко газ има във всеки един момент и каква концентрация и среда биха били необходими, за да се възпламени той. Погледната така, физиката престава да бъде повод за безпокойство с отговор „да“ или „не“ и се превръща в лесно сравнение между малко, измерено количество и много по-висок праг.
Какво всъщност се случва в бутилката, когато произвежда водород
Вътре в бутилката електролизна клетка PEM/SPE разделя част от водните молекули, като от едната страна на мембраната се образува разтворен водород, а от другата — кислород и следи от озон. Пълният механизъм на електролизата е обяснен подробно другаде, така че тук е важно само да знаем какъв е резултатът: водородът се разтваря във водата, вместо да се събира като свободен газ. Предпазният пръстен на Core с автоматично обезвъздушаване е проектиран именно с оглед на тази разлика. Той позволява на страничните продукти кислород и озон да излязат от камерата, докато водородът остава разтворен във водата. Така клетката не натрупва водороден газ в затворено пространство, както би станало в резервоар под налягане.
Какво всъщност е необходимо, за да бъде нещо „запалимо“
Изследванията за безопасността на водорода определят запалимостта като диапазон, а не като единична точка на възпламеняване. Според Sandia National Laboratories общоприетата долна граница на запалимост на водорода във въздуха при разпространение на пламъка нагоре е 4% водород по обем. Този праг се повишава до приблизително 8,5–9,5% при разпространение на пламъка надолу или сферично заради ниската плътност на водорода (източник: Граници на запалимост на смеси от водород и въздух, Sandia National Laboratories). Общият диапазон на запалимост е приблизително от 4% до 74% водород във въздуха. Макар минималната енергия за възпламеняване на водорода да е много ниска в близост до средата на този диапазон, за възпламеняване на смес точно на долната му граница е необходима значително по-голяма енергия (източник: Информационен лист за безопасността на водорода, Министерство на енергетиката на САЩ). За достигане на която и да е точка в този диапазон е необходим и окислител. В същия информационен лист на Министерството на енергетиката се посочва, че в резервоар или друго затворено пространство, съдържащо само водород, не може да възникне експлозия; трябва да има и кислород — приблизително 10% чист кислород или 41% въздух — за да може сместа изобщо да стане експлозивна.
Разтворен водород във вода и свободен водороден газ във въздуха — защо долната граница на запалимост не се отнася за самата вода
Долната граница на запалимост описва водороден газ, смесен с въздух, а не водород, разтворен във вода. Чаша водородна вода на бюрото ви изобщо не представлява газово-въздушна смес, така че стойността от 4% не е приложима, докато част от разтворения водород не напусне водата и не попадне в околния въздух. Плаваемостта на водорода, малкият размер на молекулите му и високата му дифузивност означават също, че щом напусне водата, той се разсейва много бързо нагоре и навън, вместо да се задържа на едно място. Именно затова насоките за безопасност на водорода разграничават толкова ясно отворените, проветриви помещения от затворените съдове или оборудване.
Да пресметнем: колко газ всъщност отделя една бутилка
За да изчислим обема газ възможно най-точно, в този пример използваме независимо потвърдена лабораторна стойност, а не маркетинговата спецификация. На продуктовата страница на Core е посочен резултат „до 5000 PPB“, но това е заявеният от продавача максимум, а не измерена стойност. Докладът от независимата лабораторна сертификация на Hydrion Core и Pulse обхваща независимо изпитване от H2 Analytics чрез газова хроматография с калибрационни газове, чиято проследимост е свързана с NIST, както и анализ на безопасността на водата, извършен от SGS Silver State Analytical Laboratory. При теста в бутилка с вместимост 375 мл след 20 минути са измерени 9,00–9,14 мг/л разтворен водород. Струва си да отбележим и самия тестван обем от 375 мл, тъй като той се различава от камерата с вместимост 300 мл, посочена на продуктовата страница на дребно. В този пример използваме заедно тестваната стойност и тествания обем, вместо да смесваме двете.
При горната измерена стойност от 9,14 мг/л и пълния обем на бутилката от 375 мл (0,375 л) се получават общо около 3,43 мг разтворен водород. Моларната маса на водорода е 2,016 г/мол, така че 3,43 мг се равняват на приблизително 0,0017 мола. При стандартни температура и налягане един мол от който и да е газ заема 22,4 литра (източник: Закон на Авогадро, Chemistry LibreTexts), така че 0,0017 мола се равняват на приблизително 38 мл водороден газ, или около две и половина супени лъжици. Това е пример с изчисление при най-неблагоприятен сценарий: приема се, че всички молекули разтворен водород в бутилката напускат водата като газ в един и същи момент. При нормална употреба това не се случва — водородът остава разтворен и се приема с пиенето на водата, вместо да се отдели наведнъж.
Дори при този най-неблагоприятен сценарий с 38 мл газ, за достигане на долната граница на запалимост от 4% ще е необходимо целият този газ, без разреждане, да бъде затворен в пространство с под един литър въздух, тъй като 38 мл, разделени на 4%, дават общ обем на сместа от приблизително 950 мл. Това сравнение е хипотетично по замисъл: то описва затворен съд, съдържащ само този газ и малко количество въздух, а не начина, по който бутилката се отваря, използва или съхранява.
Защо при нормална употреба бутилката не създава такива условия
Между циклите бутилката за водородна вода се използва с отворена капачка, а по време на електролиза се затваря за кратко. Тя се използва в обикновен стаен въздух, а не като затворен съд под налягане, съдържащ чист водород. Всеки водород, който напусне водата, се разсейва почти незабавно нагоре в стайния въздух, вместо да се натрупва някъде до запалима концентрация, поради същите причини, свързани с плаваемостта и дифузивността, описани по-горе. Налягането, което понякога усещате при отваряне на капачката, и причината в основата на бутилката да има малък отвор за вентилация са механични особености, а не проблеми, свързани със запалимостта. Те са разгледани отделно в статиите за това защо бутилката съска или се отваря трудно и за какво служи отворът за вентилация на дъното.
Разумна, обичайна употреба
Нищо от казаното не променя начина, по който трябва да използвате или съхранявате бутилката: следвайте инструкциите към Hydrion Core и приемайте малкия, измерен обем газ по-горе като контекст, а не като причина да променяте навиците си. Важно е и твърдението да бъде формулирано точно. Коректното твърдение е, че обемът газ, който произвежда една бутилка при действително достигнатите от нея концентрации, е значително под количеството, необходимо за запалимост в затворен съд, а не че разтвореният водород не може да гори при никакви обстоятелства. Това разграничение запазва уверението обосновано от същите числа, които разгледахме току-що, вместо да прави общо твърдение, което надхвърля подкрепеното от доказателствата. За по-широк преглед на страничните ефекти, митовете и общата безопасност, отвъд конкретния въпрос за запалимостта, вижте статията Безопасна ли е водородната вода?. А ако искате да разберете какво всъщност измерват стойностите PPB в продуктите за водородна вода, статията PPB и PPM във водородната вода обяснява мерните единици зад използваните тук лабораторни стойности.