Είναι εύφλεκτο το νερό υδρογόνου; Εξηγούνται οι μικροσκοπικοί όγκοι αερίου στα μπουκάλια

Ένα μπουκάλι νερού υδρογόνου χρησιμοποιεί ηλεκτρόλυση για να προσθέσει διαλυμένο αέριο υδρογόνο στο νερό σας, και το αέριο υδρογόνο είναι πράγματι εύφλεκτο, επομένως η ανησυχία δεν είναι παράλογη εκ πρώτης όψεως. Αυτό που έχει σημασία στην πράξη είναι ένα πιο συγκεκριμένο ερώτημα: πόσο αέριο υδρογόνο παράγει πραγματικά ένα μπουκάλι και αν αυτή η ποσότητα, όταν το μπουκάλι χρησιμοποιείται όπως έχει σχεδιαστεί, πλησιάζει ποτέ τη συγκέντρωση και τις συνθήκες που η βιβλιογραφία για την ασφάλεια του υδρογόνου συνδέει με την ανάφλεξη. Όταν υπολογίσετε τους πραγματικούς όγκους, η απάντηση γίνεται θέμα αριθμητικής και όχι διαίσθησης, και οι αριθμοί είναι πολύ χαμηλότεροι από το όριο που θα καθιστούσε ένα κλειστό μπουκάλι στον πάγκο σας κίνδυνο πυρκαγιάς.

• Το αέριο υδρογόνο αναφλέγεται όταν αναμειγνύεται με τον αέρα μόνο μέσα σε ένα συγκεκριμένο εύρος συγκέντρωσης, και ένα μπουκάλι που χρησιμοποιείται σωστά δεν πλησιάζει ποτέ το κατώτερο όριό του.
• Ο όγκος αερίου που παράγει ένα μπουκάλι, αφού μετατραπεί από τη συγκέντρωση που μετρήθηκε στο εργαστήριο, είναι περίπου δυο κουταλιές της σούπας, όχι ένας ολόκληρος όγκος δεξαμενής.
• Για να προκληθεί έκρηξη χρειάζονται τόσο υδρογόνο όσο και ένα οξειδωτικό, όπως το οξυγόνο, σε κλειστό χώρο· ένα ανοιχτό μπουκάλι με εξαερισμό, σε αέρα δωματίου, δεν δημιουργεί τέτοιες συνθήκες περιορισμού.

Γιατί τίθεται αυτό το ερώτημα

Η σύντομη απάντηση είναι ότι η πολύ μικρή ποσότητα αερίου υδρογόνου που παράγει ένα μπουκάλι, όταν απελευθερώνεται σε ανοιχτό δωμάτιο όπως προβλέπεται να χρησιμοποιείται το προϊόν, δεν δημιουργεί εύφλεκτο μείγμα. Το υδρογόνο είναι από μόνο του εύφλεκτο στοιχείο, όπως είναι εύφλεκτα και το φυσικό αέριο και οι ατμοί βενζίνης, και δεν υπάρχει λόγος να προσποιηθούμε το αντίθετο. Το χρησιμότερο ερώτημα, και αυτό στο οποίο απαντά πραγματικά το άρθρο, είναι πόσο αέριο υπάρχει κάθε στιγμή και ποια συγκέντρωση και συνθήκες θα απαιτούνταν για να αναφλεγεί αυτό το αέριο. Έτσι διατυπωμένο, το ζήτημα της φυσικής παύει να είναι ένας φόβος που απαιτεί απάντηση «ναι» ή «όχι» και γίνεται μια απλή σύγκριση ανάμεσα σε μια μικρή, μετρημένη ποσότητα και σε ένα πολύ υψηλότερο όριο.

Τι κάνει πραγματικά το μπουκάλι όταν παράγει υδρογόνο

Στο εσωτερικό του μπουκαλιού, μια κυψέλη ηλεκτρόλυσης PEM/SPE διασπά ένα μέρος των μορίων του νερού, παράγοντας διαλυμένο υδρογόνο στη μία πλευρά της μεμβράνης και οξυγόνο, μαζί με ίχνη όζοντος, στην άλλη. Ο πλήρης μηχανισμός της ηλεκτρόλυσης εξηγείται αναλυτικά αλλού, οπότε εδώ αρκεί να αναφέρουμε το αποτέλεσμα: το υδρογόνο καταλήγει διαλυμένο στο ίδιο το νερό, αντί να συγκεντρώνεται ως θύλακας ελεύθερου αερίου. Η αυτοεξαεριζόμενη ταινία ασφαλείας του Core έχει σχεδιαστεί με βάση αυτή τη διαφορά. Επιτρέπει στα παραπροϊόντα οξυγόνο και όζον να διαφεύγουν από τον θάλαμο, ενώ το υδρογόνο παραμένει διαλυμένο στο νερό, ώστε η κυψέλη να μη συσσωρεύει αέριο υδρογόνο σε κλειστό χώρο, όπως θα έκανε μια δεξαμενή υπό πίεση.

Τι απαιτεί πραγματικά η «ευφλεκτότητα»

Η έρευνα για την ασφάλεια του υδρογόνου προσδιορίζει την ευφλεκτότητα ως εύρος και όχι ως ένα μοναδικό σημείο ανάφλεξης. Σύμφωνα με τα Εθνικά Εργαστήρια Sandia, το γενικά αποδεκτό κατώτερο όριο ευφλεκτότητας του υδρογόνου στον αέρα, για φλόγα που εξαπλώνεται προς τα πάνω, είναι 4% υδρογόνο κατ’ όγκο, ενώ το όριο αυτό αυξάνεται περίπου στο 8,5-9,5% για φλόγες που εξαπλώνονται προς τα κάτω ή σφαιρικά, λόγω της χαμηλής πυκνότητας του υδρογόνου (πηγή: Όρια ευφλεκτότητας μειγμάτων υδρογόνου/αέρα, Εθνικά Εργαστήρια Sandia). Το συνολικό εύρος ευφλεκτότητας εκτείνεται περίπου από 4% έως 74% υδρογόνο στον αέρα και, παρότι η ελάχιστη ενέργεια ανάφλεξης του υδρογόνου κοντά στο μέσο αυτού του εύρους είναι πολύ χαμηλή, απαιτείται σαφώς περισσότερη ενέργεια για να αναφλεγεί ένα μείγμα που βρίσκεται ακριβώς στο κατώτερο όριο (πηγή: Ενημερωτικό δελτίο για την ασφάλεια του υδρογόνου, Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ). Για να επιτευχθεί οποιοδήποτε σημείο αυτού του εύρους, απαιτείται επίσης ένα οξειδωτικό. Το ίδιο ενημερωτικό δελτίο του Υπουργείου Ενέργειας αναφέρει ότι δεν μπορεί να προκληθεί έκρηξη σε δεξαμενή ή σε οποιονδήποτε κλειστό χώρο που περιέχει μόνο υδρογόνο· πρέπει να υπάρχει και οξυγόνο, σε συγκέντρωση περίπου 10% καθαρού οξυγόνου ή 41% αέρα, για να μπορέσει το μείγμα να γίνει εκρηκτικό.

Διαλυμένο υδρογόνο στο νερό έναντι ελεύθερου αερίου υδρογόνου στον αέρα — γιατί το LEL δεν αφορά το ίδιο το νερό

Το κατώτερο όριο ευφλεκτότητας περιγράφει το αέριο υδρογόνο αναμεμειγμένο με αέρα, όχι το υδρογόνο που είναι διαλυμένο σε υγρό νερό. Ένα ποτήρι νερό υδρογόνου πάνω στο γραφείο σας δεν αποτελεί καθόλου μείγμα αερίου και αέρα, επομένως η τιμή του 4% δεν έχει εφαρμογή μέχρι να φύγει πράγματι μέρος του διαλυμένου υδρογόνου από το νερό και να περάσει στον αέρα γύρω του. Η άνωση του υδρογόνου, το μικρό μέγεθος των μορίων του και η υψηλή διαχυτότητά του σημαίνουν επίσης ότι, μόλις φύγει από το νερό, διασκορπίζεται πολύ γρήγορα προς τα πάνω και προς τα έξω, αντί να παραμένει ακίνητο σε ένα σημείο. Αυτός είναι ένας από τους βασικούς λόγους για τους οποίους οι οδηγίες ασφάλειας για το υδρογόνο αντιμετωπίζουν τα ανοιχτά, αεριζόμενα δωμάτια πολύ διαφορετικά από τα σφραγισμένα δοχεία ή τον κλειστό εξοπλισμό.

Οι υπολογισμοί: πόσο αέριο απελευθερώνει πραγματικά ένα μπουκάλι

Για να υπολογίσουμε με ακρίβεια τον όγκο του αερίου, αυτό το παράδειγμα χρησιμοποιεί την ανεξάρτητα επαληθευμένη εργαστηριακή τιμή και όχι τις προδιαγραφές μάρκετινγκ. Η σελίδα προϊόντος του Core αναφέρει απόδοση «έως 5000 PPB», αλλά αυτός ο αριθμός περιγράφει τη μέγιστη τιμή που δηλώνει ο πωλητής και όχι μια μέτρηση. Η έκθεση ανεξάρτητης εργαστηριακής πιστοποίησης των Hydrion Core & Pulse περιλαμβάνει ανεξάρτητη δοκιμή από την H2 Analytics, με χρήση αέριας χρωματογραφίας και αερίων βαθμονόμησης ιχνηλάσιμων στο NIST, καθώς και έλεγχο ασφάλειας νερού από το SGS Silver State Analytical Laboratory, το οποίο μέτρησε 9,00-9,14 mg/L διαλυμένου υδρογόνου στα 20 λεπτά σε μπουκάλι των 375 ml. Αξίζει να σημειωθεί και ο όγκος των 375 ml της δοκιμής, καθώς διαφέρει από τον θάλαμο των 300 ml που αναφέρεται στη σελίδα λιανικής πώλησης του προϊόντος· σε αυτό το παράδειγμα χρησιμοποιούνται μαζί η τιμή και ο όγκος της δοκιμής, αντί να συνδυάζονται ασύμβατα στοιχεία.

Αν υπολογίσουμε την ανώτερη μετρημένη τιμή των 9,14 mg/L σε ολόκληρο το μπουκάλι των 375 ml (0,375 L), προκύπτουν περίπου 3,43 mg διαλυμένου υδρογόνου συνολικά. Η μοριακή μάζα του υδρογόνου είναι 2,016 g/mol, επομένως τα 3,43 mg αντιστοιχούν σε περίπου 0,0017 mol. Σε κανονική θερμοκρασία και πίεση, ένα mol οποιουδήποτε αερίου καταλαμβάνει 22,4 λίτρα (πηγή: Νόμος του Avogadro, Chemistry LibreTexts), επομένως τα 0,0017 mol αντιστοιχούν σε περίπου 38 ml αερίου υδρογόνου, δηλαδή περίπου δυόμισι κουταλιές της σούπας. Πρόκειται για υπολογιστικό παράδειγμα του χειρότερου σεναρίου: υποθέτει ότι κάθε μόριο διαλυμένου υδρογόνου στο μπουκάλι έφευγε από το νερό ως αέριο την ίδια στιγμή, κάτι που δεν συμβαίνει κατά την κανονική χρήση, όπου το υδρογόνο παραμένει διαλυμένο και καταναλώνεται με την πόση αντί να απελευθερώνεται όλο μαζί.

Ακόμη και σε αυτό το χειρότερο σενάριο των 38 ml, για να φτάσει το κατώτερο όριο ευφλεκτότητας του 4% θα έπρεπε όλο αυτό το αέριο να περιοριστεί, χωρίς να αραιωθεί, μέσα σε έναν σφραγισμένο χώρο με λιγότερο από ένα λίτρο αέρα, καθώς τα 38 ml διαιρεμένα με το 4% αντιστοιχούν σε περίπου 950 ml συνολικού μείγματος. Αυτή η σύγκριση είναι σκόπιμα υποθετική: περιγράφει ένα σφραγισμένο δοχείο που περιέχει μόνο αυτό το αέριο και μια μικρή ποσότητα αέρα, κάτι που δεν συμβαίνει όταν ανοίγετε, χρησιμοποιείτε ή αποθηκεύετε το μπουκάλι.

Γιατί το μπουκάλι δεν δημιουργεί αυτές τις συνθήκες κατά την κανονική χρήση

Ένα μπουκάλι νερού υδρογόνου χρησιμοποιείται με ανοιχτό καπάκι ανάμεσα στους κύκλους και κλείνει για λίγο κατά την ηλεκτρόλυση, σε συνηθισμένο αέρα δωματίου· δεν λειτουργεί ως σφραγισμένο δοχείο υπό πίεση που περιέχει καθαρό υδρογόνο. Όποιο υδρογόνο διαφεύγει από το νερό διασκορπίζεται σχεδόν αμέσως προς τα πάνω στον αέρα του δωματίου, αντί να συγκεντρώνεται κάπου σε εύφλεκτη συγκέντρωση, για τους ίδιους λόγους που σχετίζονται με την άνωση και τη διαχυτότητα και περιγράφηκαν παραπάνω. Η πίεση που μερικές φορές αισθάνεστε όταν ανοίγετε το καπάκι, καθώς και ο λόγος που υπάρχει μια μικρή οπή εξαερισμού στη βάση του μπουκαλιού, είναι μηχανικά ζητήματα και όχι θέματα ευφλεκτότητας. Εξηγούνται ξεχωριστά στα άρθρα σχετικά με το γιατί το μπουκάλι σφυρίζει ή ανοίγει δύσκολα και το σε τι χρησιμεύει η θύρα εξαερισμού στο κάτω μέρος.

Λογική, καθημερινή χρήση

Τίποτα από αυτά δεν αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο πρέπει να χρησιμοποιείτε ή να αποθηκεύετε το μπουκάλι: ακολουθήστε τις οδηγίες που συνοδεύουν το Hydrion Core και αντιμετωπίστε τον μικρό, μετρημένο όγκο αερίου που αναφέρεται παραπάνω ως πληροφορία και όχι ως λόγο να αλλάξετε τη συνήθειά σας. Αξίζει επίσης να διατυπώσουμε με ακρίβεια τον ίδιο τον ισχυρισμό. Η ακριβής διατύπωση είναι ότι ο όγκος αερίου που παράγει ένα μπουκάλι, στις συγκεντρώσεις που πράγματι φτάνει, παραμένει πολύ χαμηλότερος από τον όγκο που θα χρειαζόταν για να γίνει εύφλεκτο ένα σφραγισμένο δοχείο — όχι ότι το διαλυμένο υδρογόνο δεν μπορεί να καεί σε καμία περίπτωση. Αυτή η διάκριση διατηρεί τη διαβεβαίωση τεκμηριωμένη με βάση τους ίδιους αριθμούς που εξετάσαμε μόλις τώρα, αντί να στηρίζεται σε έναν γενικό ισχυρισμό που ξεπερνά τα στοιχεία. Για μια ευρύτερη εικόνα σχετικά με τις παρενέργειες, τους μύθους και τη γενική ασφάλεια πέρα από το ζήτημα της ευφλεκτότητας, το άρθρο Είναι ασφαλές το νερό υδρογόνου; καλύπτει αυτά τα θέματα, ενώ, αν θέλετε να μάθετε τι μετρούν πραγματικά οι τιμές PPB στα προϊόντα νερού υδρογόνου, το άρθρο PPB έναντι PPM στο νερό υδρογόνου εξηγεί τις μονάδες πίσω από τις εργαστηριακές μετρήσεις που χρησιμοποιούνται εδώ.