Μπορείτε να παράγετε αέριο υδρογόνο στο σπίτι για εισπνοή; Γιατί τα κιτ ηλεκτρόλυσης DIY είναι κακή ιδέα
Αν έχετε παρακολουθήσει κάποιο βίντεο DIY για «HHO» ή ηλεκτρόλυση αλατόνερου και αναρωτηθήκατε αν η ίδια διάταξη με βάζο και καλώδια θα μπορούσε να τροφοδοτήσει έναν ρινικό καθετήρα για συνεδρία εισπνοής υδρογόνου, η άμεση απάντηση είναι όχι: ένα βασικό κελί ηλεκτρόλυσης δεν παράγει ροή αερίου που να είναι ασφαλής ή κατάλληλη για εισπνοή, και οι λόγοι δεν έχουν καμία σχέση με την ισχύ της μπαταρίας ή με το πόσες φυσαλίδες βγαίνουν από τα ηλεκτρόδια. Αυτό που καθορίζει πραγματικά αν το παραγόμενο αέριο είναι κατάλληλο για εισπνοή είναι ο ηλεκτρολύτης που προστίθεται για να κάνει το απλό νερό αγώγιμο στον ηλεκτρισμό, καθώς και η φυσική συμπεριφορά του ίδιου του υδρογόνου μόλις βγει από το κελί. Και οι δύο παράγοντες λειτουργούν εις βάρος μιας ανοιχτής, αυτοσχέδιας διάταξης με τρόπους τους οποίους ένα σφραγισμένο, ειδικά σχεδιασμένο μηχάνημα έχει φτιαχτεί συγκεκριμένα για να αποφεύγει.
- Το απλό νερό μόλις που άγει τον ηλεκτρισμό, οπότε τα κιτ DIY προσθέτουν στο νερό αλάτι ή καυστική σόδα, και αυτό το πρόσθετο καταλήγει στο ρεύμα αερίου — δεν βοηθά απλώς στη ροή του ρεύματος.
- Ένα κελί με αλατόνερο παράγει χλώριο μαζί με υδρογόνο, ως προβλέψιμο χημικό αποτέλεσμα και όχι ως περιστασιακή δυσλειτουργία.
- Ένα κελί με βάση την καυστική σόδα αποφεύγει το χλώριο, αλλά απαιτεί τον χειρισμό ενός ισχυρά διαβρωτικού διαλύματος, ανταλλάσσοντας έναν κίνδυνο με έναν άλλον.
- Το ίδιο το υδρογόνο είναι εύφλεκτο ακόμη και με πολύ χαμηλή ενέργεια ανάφλεξης, ανεξάρτητα από τον ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή του.
- Ένα μηχάνημα PEM (μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων) αντιμετωπίζει αυτά τα προβλήματα δομικά, διαχωρίζοντας τις ροές αερίων μέσα σε ένα σφραγισμένο κελί που λειτουργεί με καθαρό νερό και όχι με αλάτι ή καυστική σόδα.
Τι παράγει στην πραγματικότητα ένα οικιακό κιτ ηλεκτρόλυσης όταν διασπά το νερό
Η βασική ηλεκτρόλυση χρησιμοποιεί ηλεκτρικό ρεύμα για να διασπάσει το νερό σε δύο ηλεκτρόδια: το υδρογόνο συγκεντρώνεται στο ένα και το οξυγόνο στο άλλο. Αυτό είναι αληθινή χημεία και πράγματι απλό. Η περιπλοκή είναι ότι το καθαρό νερό άγει ελάχιστα τον ηλεκτρισμό, οπότε, αν μείνει μόνο του, ένα κελί με απλό νερό καταναλώνει πολύ λίγο ρεύμα και παράγει αέριο με πολύ αργό ρυθμό. Γι’ αυτό ακριβώς τα βίντεο DIY και HHO προσθέτουν στο νερό μαγειρικό αλάτι ή διάλυμα καυστικής σόδας (υδροξειδίου του νατρίου ή του καλίου) πριν ανοίξουν το ρεύμα: τα διαλυμένα ιόντα μεταφέρουν το ρεύμα και η αντίδραση επιταχύνεται σημαντικά.
Αυτή η ευκολία έχει ένα τίμημα στο οποίο τα βίντεο σπάνια εστιάζουν. Μόλις προστεθεί ηλεκτρολύτης στο νερό, τα ηλεκτρόδια δεν διασπούν πλέον μόνο το H2O. Αντιδρούν επίσης με τα ιόντα που εισήγαγε ο ηλεκτρολύτης, και το τι βγαίνει από τα ηλεκτρόδια εξαρτάται από τον ηλεκτρολύτη που επιλέχθηκε. Το ερώτημα που αξίζει να θέσετε προτού διοχετεύσετε οτιδήποτε προς το πρόσωπό σας δεν είναι «παράγει υδρογόνο;», γιατί πράγματι παράγει, αλλά «τι άλλο παράγει μαζί με το υδρογόνο;».
Γιατί ένα κελί με αλατόνερο παράγει χλώριο και όχι μόνο υδρογόνο
Όταν ο ηλεκτρολύτης είναι το συνηθισμένο μαγειρικό αλάτι (χλωριούχο νάτριο), η χημεία στρέφεται προς μια συγκεκριμένη και καλά τεκμηριωμένη κατεύθυνση. Στην άνοδο, τα ιόντα χλωρίου οξειδώνονται και μετατρέπονται σε αέριο χλώριο, αντί να οξειδώνεται το ίδιο το νερό σε οξυγόνο, ενώ στο μεταξύ σχηματίζονται κανονικά υδρογόνο και ιόντα υδροξειδίου στην κάθοδο (πηγή: Διεργασία χλωρίου-αλκαλίου, Wikipedia). Πρόκειται για την ίδια αντίδραση χλωρίου-αλκαλίου που χρησιμοποιούν σκόπιμα οι βιομηχανικές μονάδες για να παρασκευάζουν χλώριο και υδροξείδιο του νατρίου, η οποία εδώ συμβαίνει κατά λάθος μέσα σε ένα βάζο. Επομένως, ένα κελί ηλεκτρόλυσης αλατόνερου είναι ένας αντιδραστήρας που παράγει τρία προϊόντα μαζί: υδρογόνο, χλώριο και διαλυμένο υδροξείδιο του νατρίου. Μια ξεχωριστή περίληψη της διαδικασίας περιγράφει την παραδοσιακή ηλεκτρόλυση αλατόνερου ως διαδικασία που παράγει «τοξικό και διαβρωτικό χλώριο» ως άμεσο παραπροϊόν, σε αντίθεση με την ηλεκτρόλυση με καθαρό ή απιονισμένο νερό (πηγή: Ηλεκτρόλυση του νερού, Wikipedia).
Το χλώριο δεν είναι ένας ιχνορύπος που θα μπορούσατε εύλογα να αγνοήσετε. Τα όρια επαγγελματικής έκθεσης το χαρακτηρίζουν επικίνδυνο ακόμη και σε κλάσματα ενός μέρους ανά εκατομμύριο: το Εθνικό Ινστιτούτο για την Επαγγελματική Ασφάλεια και Υγεία των ΗΠΑ ορίζει ανώτατο όριο έκθεσης 15 λεπτών στα 0,5 ppm, το ανώτατο όριο της OSHA είναι 1 ppm, ενώ τα 10 ppm ταξινομούνται ως άμεσα επικίνδυνα για τη ζωή ή την υγεία (πηγή: Οδηγός NIOSH για χημικούς κινδύνους: Χλώριο). Ένα βάζο με αλατόνερο που βγάζει φυσαλίδες υπό την επίδραση της τάσης ενός τραπεζιού κουζίνας δεν έχει κανέναν τρόπο να μετρήσει ή να ελέγξει πόσο χλώριο καταλήγει αναμεμειγμένο με το αέριο που απελευθερώνει, και δεν υπάρχει φίλτρο καθετήρα που να μετατρέπει αυτή την αβεβαιότητα σε γνωστή, ασφαλή τιμή.
Τι προκαλεί η εισπνοή αερίου χλωρίου στα μάτια, τη μύτη και τους πνεύμονες
Ακόμη και μια σύντομη έκθεση προκαλεί κάψιμο στα μάτια, τη μύτη, το στόμα και τον λαιμό, μαζί με βήχα, ενώ η μεγαλύτερη έκθεση μπορεί να οδηγήσει σε πνευμονικό οίδημα — συσσώρευση υγρού στους πνεύμονες που αποτελεί επείγον ιατρικό περιστατικό (πηγή: Οδηγός NIOSH για χημικούς κινδύνους: Χλώριο). Τίποτα από αυτά δεν προϋποθέτει μεγάλη διαρροή. Αρκεί να έχει επιλεγεί ένας ηλεκτρολύτης που δεν προοριζόταν ποτέ για κάτι που εισπνέει απευθείας ένας άνθρωπος.
Γιατί μια διάταξη με καυστική σόδα απομακρύνει τον κίνδυνο του χλωρίου, αλλά προσθέτει τον δικό της
Σε ορισμένες αυτοσχέδιες κατασκευές, το αλάτι αντικαθίσταται από ένα συμπυκνωμένο διάλυμα υδροξειδίου του καλίου ή του νατρίου, συχνά σε συγκέντρωση 25 έως 40 τοις εκατό κατά βάρος (πηγή: Ηλεκτρόλυση του νερού, Wikipedia). Επειδή εδώ το ιόν που μεταφέρει το ρεύμα είναι το υδροξείδιο και όχι το χλωρίδιο, αυτή η εκδοχή δεν παράγει αέριο χλώριο. Αξίζει να είμαστε συγκεκριμένοι σε αυτό, αντί να αντιμετωπίζουμε την καυστική σόδα απλώς ως μια πιο αόριστη εκδοχή του ίδιου προβλήματος: η χημεία είναι πράγματι διαφορετική.
Αυτό που δεν εξαφανίζεται είναι ο ίδιος ο ηλεκτρολύτης. Ένα διάλυμα με τόσο υψηλή συγκέντρωση είναι ισχυρά καυστικό, ανήκει στην ίδια κατηγορία χημικών με τα καθαριστικά αποχετεύσεων και προσβάλλει το δέρμα, τα μάτια και τους βλεννογόνους κατά την επαφή. Σε ένα ανοιχτό ή αυτοσχέδιο κελί, σταγονίδια ή ομίχλη μπορούν να παρασυρθούν μαζί με το υδρογόνο στον σωλήνα αερίου, μετατρέποντας έναν χημικό κίνδυνο σε κίνδυνο εισπνοής και επαφής ακριβώς στο σημείο όπου το αέριο προορίζεται να φτάσει στη μύτη κάποιου. Η αντικατάσταση του αλατιού με καυστική σόδα ανταλλάσσει ένα πρόβλημα τοξικού αερίου με ένα πρόβλημα χειρισμού καυστικού υλικού· δεν καταλήγει σε μια διάταξη από την οποία είναι απλώς ασφαλές να εισπνέει κανείς.
Ο κίνδυνος πυρκαγιάς και έκρηξης από το ίδιο το υδρογόνο, ανεξάρτητα από τον ηλεκτρολύτη
Ακόμη κι ένα κελί που θα απέφευγε με κάποιον τρόπο τόσο το χλώριο όσο και τη μεταφορά καυστικού διαλύματος θα εξακολουθούσε να παράγει υδρογόνο, και ο χειρισμός του υδρογόνου έχει προβλήματα που δεν σχετίζονται καθόλου με τον ηλεκτρολύτη που το παρήγαγε. Το εύρος αναφλεξιμότητάς του στον αέρα εκτείνεται περίπου από 4 τοις εκατό έως 75 τοις εκατό κατ’ όγκο, με στενότερο εύρος έκρηξης περίπου από 18,3 έως 59 τοις εκατό, ενώ στην πράξη μπορεί να γίνει ανάφλεξη και έξω από αυτές τις ονομαστικές τιμές όταν υπάρχει αναταραχή (πηγή: Ασφάλεια υδρογόνου, Wikipedia). Πρόκειται για ασυνήθιστα μεγάλο εύρος σε σύγκριση με τα περισσότερα εύφλεκτα αέρια, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει μεγαλύτερο περιθώριο για ένα τυχαίο μείγμα να βρεθεί μέσα σε αυτό.
Το υδρογόνο αναφλέγεται επίσης εύκολα: η ελάχιστη ενέργεια ανάφλεξής του είναι περίπου 0,02 μιλιτζάουλ, μία από τις χαμηλότερες για οποιαδήποτε γνωστή ουσία, περίπου το ένα δέκατο της ενέργειας που απαιτεί ένα μείγμα βενζίνης και αέρα (πηγή: Ασφάλεια υδρογόνου, Wikipedia). Αρκεί μια εκκένωση στατικού ηλεκτρισμού ή ένας σπινθήρας τόσο μικρός που δεν γίνεται αντιληπτός. Αν προσθέσουμε ότι το υδρογόνο είναι ελαφρύτερο από τον αέρα και συγκεντρώνεται κοντά στις οροφές και κάτω από προεξοχές, αντί να διαχέεται προς τα κάτω, καθώς και ότι μια ανάφλεξη διαρροής σε κλειστό χώρο είναι πιθανότερο να προκαλέσει έκρηξη παρά μια περιορισμένη φλόγα (πηγή: Ασφάλεια υδρογόνου, Wikipedia), η εικόνα γίνεται σαφής: ένα ανοιχτό κελί ηλεκτρόλυσης που λειτουργεί χωρίς επίβλεψη σε υπνοδωμάτιο ή μπάνιο παράγει ένα αέριο με πραγματικά μικρό περιθώριο λάθους, πέρα από ό,τι έχει συνεισφέρει ο ίδιος ο ηλεκτρολύτης.
Τι κάνει διαφορετικά ένα μηχάνημα PEM
Ένα κελί με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM) αντιμετωπίζει ταυτόχρονα, εκ κατασκευής και όχι από τύχη, τα προβλήματα του χλωρίου, των καυστικών υλικών και της ανεξέλεγκτης ανάμειξης. Η μεμβράνη άγει τα πρωτόνια, ενώ λειτουργεί φυσικά ως μονωτικό και φραγμός ανάμεσα στα αντιδρώντα, έτσι ώστε το υδρογόνο και το οξυγόνο να σχηματίζονται σε διαφορετικές πλευρές της αντί να ανεβαίνουν μαζί με φυσαλίδες σε ένα ανοιχτό δοχείο (πηγή: Ηλεκτρόλυση του νερού, Wikipedia). Επειδή η ίδια η μεμβράνη είναι ευαίσθητη στα διαλυμένα ιόντα, τα συστήματα PEM είναι κατασκευασμένα ώστε να λειτουργούν με καθαρό, αφαλατωμένο νερό τροφοδοσίας και όχι με αλατόνερο ή καυστική σόδα· τα ξένα ιόντα υποβαθμίζουν τη μεμβράνη αντί απλώς να προσθέτουν ένα παραπροϊόν. Γι’ αυτό οι ηλεκτρολυτικές διατάξεις PEM απαιτούν αφαλατωμένο νερό από πρακτική ανάγκη και όχι από προτίμηση (πηγή: Ηλεκτρόλυση του νερού, Wikipedia).
Αυτός είναι ο μηχανισμός πίσω από μηχανήματα όπως η Μηχανή εισπνοής υδρογόνου Hydrion Zenith. Η ίδια η καταχώριση του προϊόντος αναφέρει καθαρότητα υδρογόνου 99,99 τοις εκατό, ηλεκτρόλυση PEM με μεμβράνη πρωτονίων επικαλυμμένη με πλατίνα, απαίτηση για απεσταγμένο ή καθαρισμένο νερό με συνολικά διαλυμένα στερεά κάτω από 3 ppm, καθώς και ρυθμιζόμενο εύρος παροχής από 300 έως 1.800 ml/min σε επτά ρυθμίσεις ροής. Πρόκειται για προδιαγραφή του κατασκευαστή και όχι για ανεξάρτητη εργαστηριακή δοκιμή, αλλά εξακολουθεί να είναι το ίδιο είδος πληροφορίας που δίνει ένα δελτίο προδιαγραφών για κάθε εξοπλισμό και έρχεται σε άμεση αντίθεση με ένα ανοιχτό κελί που παράγει ό,τι τύχει να προκύψει από μια ανεξέλεγκτη αντίδραση.
Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα για τον τρόπο λειτουργίας της τεχνολογίας των μεμβρανών γενικότερα, ο επεξηγηματικός οδηγός μας για την ηλεκτρόλυση PEM σε μπουκάλια νερού υδρογόνου παρουσιάζει την ίδια αρχή διαχωρισμού σε μικρότερη κλίμακα, ενώ το άρθρο για το γιατί η ποιότητα της μεμβράνης καθορίζει την ποιότητα της εξόδου εξηγεί γιατί ένα ανοιχτό κελί δεν μπορεί να κάνει ό,τι έχει σχεδιαστεί να κάνει ένα σφραγισμένο σύστημα μεμβράνης.
Γιατί το «τεχνικά είναι υδρογόνο» δεν σημαίνει το ίδιο με το «κατάλληλο για εισπνοή»
Ένα ρεύμα αερίου από ένα βάζο με αλατόνερο ή καυστική σόδα μπορεί να περιέχει υδρογόνο, αλλά μπορεί επίσης να μεταφέρει ίχνη χλωρίου, καυστική ομίχλη ή ένα μη μετρημένο μείγμα υδρογόνου και οξυγόνου που κανείς δεν έλεγξε προτού φτάσει σε έναν σωλήνα. Αυτό διαφέρει θεμελιωδώς από μια έξοδο με δηλωμένη τιμή καθαρότητας, η οποία παράγεται από εξοπλισμό σχεδιασμένο ώστε να αποτρέπει ακριβώς αυτά τα προβλήματα. Η πραγματική επιλογή εδώ δεν είναι ανάμεσα στο «DIY» και το «αγορασμένο από κατάστημα» ως ζήτημα προτίμησης· είναι ανάμεσα στο να αυτοσχεδιάσετε με ένα μικρό χημικό πείραμα σε εσωτερικό χώρο και στο να χρησιμοποιήσετε εξοπλισμό με καθορισμένες προδιαγραφές, δοκιμασμένο από τον κατασκευαστή του και σχεδιασμένο για τη μοναδική δουλειά της παραγωγής αερίου κατάλληλου για εισπνοή, με γνωστό ρυθμό.
Αυτό, βέβαια, δεν σημαίνει ότι οι προδιαγραφές υποκαθιστούν την κοινή λογική. Ένας οικιακός ανιχνευτής υδρογόνου και η εύλογη προσοχή στον εξαερισμό παραμένουν συνετές προφυλάξεις με κάθε εξοπλισμό υδρογόνου, είτε είναι αυτοσχέδιος είτε κατασκευασμένος, ακριβώς επειδή το προφίλ αναφλεξιμότητας του ίδιου του υδρογόνου δεν αλλάζει ανάλογα με την προέλευση του αερίου. Αν θέλετε να κατανοήσετε πώς λειτουργούν στην πράξη οι ανιχνευτές και οι υπολογισμοί εξαερισμού, αντί να βασίζεστε σε γενικές προφυλάξεις, το άρθρο μας για τη λειτουργία των αισθητήρων ανίχνευσης υδρογόνου και η ανάλυσή μας για τα όρια εξαερισμού με βάση τον όγκο του χώρου εξηγούν τις λεπτομέρειες. Κι αν έχετε ξεπεράσει το ζήτημα της ασφάλειας και εξετάζετε ποιο ειδικά κατασκευασμένο μηχάνημα ταιριάζει στη δική σας εγκατάσταση, η σύγκριση Zenith και Titan είναι το φυσικό επόμενο ανάγνωσμα. Για μια γενικότερη εισαγωγή στο τι περιλαμβάνει η εισπνοή υδρογόνου, προτού φτάσετε σε όλα αυτά, ο οδηγός μας για αρχάριους σχετικά με τη θεραπεία εισπνοής υδρογόνου είναι ένα καλό σημείο εκκίνησης.
Αυτό το άρθρο εξηγεί τι παράγει πραγματικά η οικιακή ηλεκτρόλυση· δεν είναι οδηγός κατασκευής και τίποτα από όσα αναφέρονται εδώ δεν πρέπει να εκληφθεί ως οδηγία για τη συναρμολόγηση ή τη λειτουργία ενός αυτοσχέδιου κελιού αερίου.