Onko vetyvesi syttyvää? Pullojen pienet kaasumäärät selitettynä

Vetyvesipullo lisää veteen liuennutta vetykaasua elektrolyysin avulla, ja vetykaasu on todellakin syttyvää, joten huoli ei ole aivan tuulesta temmattu. Käytännössä olennaisempi kysymys on se, kuinka paljon vetykaasua yksi pullo todella tuottaa ja pääseekö tämä määrä pullon käyttötarkoituksen mukaisessa käytössä koskaan lähellekään pitoisuutta ja olosuhteita, joita vetyturvallisuutta käsittelevässä kirjallisuudessa pidetään syttymisen edellytyksinä. Kun tarkastelet todellisia kaasumääriä, vastaus perustuu laskutoimituksiin eikä intuitioon, ja tulokset jäävät kauas kynnyksestä, jonka ylittyessä suljettu pullo keittiötasolla voisi aiheuttaa palovaaran.

• Vetykaasu syttyy ilman kanssa sekoittuneena vain tietyllä pitoisuusalueella, eikä asianmukaisesti käytetty pullo yllä lähellekään sen alarajaa.
• Yhden pullon tuottama kaasumäärä, joka lasketaan laboratoriossa mitatusta liuenneen vedyn pitoisuudesta, on noin pari ruokalusikallista – ei säiliöllistä kaasua.
• Räjähdys vaatii sekä vetyä että hapetinta, kuten happea, suljetussa tilassa. Avoin, tuuletettu pullo huoneilmassa ei muodosta tällaista suljettua tilaa.

Miksi tätä kysytään

Lyhyt vastaus on, ettei pullon tuottama hyvin pieni vetykaasumäärä muodosta syttyvää seosta, kun se vapautuu avoimeen huoneeseen tuotteen käyttötarkoituksen mukaisesti. Vety itsessään on alkuaineena syttyvää samalla tavalla kuin maakaasu tai bensiinihöyry, eikä sitä kannata kiistää. Hyödyllisempi kysymys, johon tässä artikkelissa vastataan, on se, kuinka paljon kaasua on kerrallaan ja millaista pitoisuutta ja ympäristöä tarvittaisiin, jotta kaasu ylipäätään voisi syttyä. Kun asian esittää näin, fysiikka ei enää tunnu kyllä-tai-ei-kysymykseen liittyvältä pelolta, vaan selkeältä vertailulta pienen mitatun määrän ja paljon suuremman kynnysarvon välillä.

Mitä pullossa todella tapahtuu, kun se tuottaa vetyä

Pullon sisällä PEM/SPE-elektrolyysikenno hajottaa osan vesimolekyyleistä ja tuottaa kalvon toiselle puolelle veteen liuennutta vetyä ja toiselle puolelle happea sekä vähäisen määrän otsonia. Elektrolyysin toimintaperiaate selitetään yksityiskohtaisesti muualla, joten tässä artikkelissa riittää tietää lopputulos: vety liukenee veteen sen sijaan, että se kerääntyisi vapaana kaasuna yhteen kohtaan. Coren automaattisesti tuulettuva turvarengas perustuu tähän eroon. Sen tarkoitus on päästää hapen ja otsonin sivutuotteet ulos kammiosta samalla, kun vety pysyy veteen liuenneena. Näin kennoon ei kerry vetykaasua suljettuun tilaan samaan tapaan kuin paineistettuun säiliöön.

Mitä ”syttyvä” oikeastaan edellyttää

Vetyturvallisuustutkimuksessa syttyvyys määritellään vaihteluvälinä, ei yksittäisenä syttymispisteenä. Sandia National Laboratoriesin mukaan yleisesti hyväksytty vedyn alempi syttymisraja ilmassa ylöspäin etenevälle liekille on 4 tilavuusprosenttia. Vedyn pienen tiheyden vuoksi raja nousee noin 8,5–9,5 prosenttiin alaspäin tai pallomaisesti eteneville liekeille (lähde: Vety-ilmaseosten syttymisrajat, Sandia National Laboratories). Vedyn syttymisalue ilmassa ulottuu noin 4 prosentista 74 prosenttiin. Vaikka vedyn pienin syttymisenergia on tämän alueen keskivaiheilla hyvin matala, aivan alarajalla olevan seoksen sytyttäminen vaatii huomattavasti enemmän energiaa (lähde: Vetyturvallisuuden tietolehti, Yhdysvaltain energiaministeriö). Minkä tahansa pitoisuuden saavuttaminen tällä alueella edellyttää myös hapetinta. Samassa energiaministeriön tietolehdessä todetaan, ettei räjähdystä voi tapahtua säiliössä tai muussa suljetussa tilassa, jossa on vain vetyä: seoksen räjähtäminen edellyttää myös joko noin 10 prosenttia puhdasta happea tai 41 prosenttia ilmaa.

Veteen liuennut vety ja vapaa vetykaasu ilmassa – miksi alempi syttymisraja ei koske vettä

Alempi syttymisraja kuvaa ilmaan sekoittunutta vetykaasua, ei nestemäiseen veteen liuennutta vetyä. Pöydälläsi oleva lasillinen vetyvettä ei ole lainkaan kaasu-ilmaseos, joten 4 prosentin luvulla ei ole merkitystä ennen kuin osa veteen liuenneesta vedystä poistuu vedestä ja päätyy ympäröivään ilmaan. Vedyn noste, pieni molekyylikoko ja suuri diffuusiokerroin tarkoittavat myös sitä, että ilmaan päästyään vety nousee ja leviää nopeasti sen sijaan, että se jäisi paikalleen yhteen kohtaan. Tämä on merkittävä syy siihen, miksi vetyturvallisuusohjeissa avoimia, tuuletettuja huoneita käsitellään aivan eri tavalla kuin suljettuja säiliöitä tai suljettuja laitteita.

Lasketaan, kuinka paljon kaasua yksi pullo todella vapauttaa

Kaasun määrän arvioimiseksi tässä esimerkissä käytetään riippumattomasti varmennettua laboratoriotulosta markkinointitiedon sijaan. Coren tuotesivulla ilmoitetaan ”jopa 5000 ppb” -tuotos, mutta kyseessä on myyjän ilmoittama enimmäisarvo, ei mittaustulos. Hydrion Coren ja Pulsen riippumaton laboratorion sertifiointiraportti kattaa H2 Analyticsin tekemän riippumattoman testin, jossa käytettiin kaasukromatografiaa ja NIST-jäljitettäviä kalibrointikaasuja, sekä SGS Silver State Analytical Laboratoryn tekemän veden turvallisuustutkimuksen. Mittaustuloksen mukaan veteen oli liuennut 9,00–9,14 mg/l vetyä 20 minuutissa 375 ml:n pullossa. Testissä käytetty 375 ml:n tilavuus on syytä huomioida erikseen, sillä se poikkeaa jälleenmyyjän tuotesivulla ilmoitetusta 300 ml:n kammiosta. Tässä esimerkissä käytetään yhdessä testattua pitoisuutta ja testattua tilavuutta sen sijaan, että nämä kaksi sekoitettaisiin keskenään.

Kun suurempi mitattu arvo 9,14 mg/l kerrotaan koko 375 ml:n (0,375 l) pullon tilavuudella, veteen liuenneen vedyn kokonaismääräksi saadaan noin 3,43 mg. Vedyn moolimassa on 2,016 g/mol, joten 3,43 mg vastaa noin 0,0017 moolia. Normaalilämpötilassa ja -paineessa yhden moolin mitä tahansa kaasua tilavuus on 22,4 litraa (lähde: Avogadron laki, Chemistry LibreTexts), joten 0,0017 moolia vastaa noin 38 millilitraa vetykaasua eli noin kahta ja puolta ruokalusikallista. Tämä on laskuesimerkki pahimman mahdollisen tilanteen mukaan: siinä oletetaan, että kaikki pullossa veteen liuenneet vetymolekyylit poistuvat vedestä kaasuna samalla hetkellä. Näin ei tapahdu normaalikäytössä, jossa vety pysyy liuenneena ja se käytetään juomalla sen sijaan, että se vapautuisi kerralla.

Jotta alempi syttymisraja, 4 prosenttia, saavutettaisiin jopa tässä pahimman mahdollisen tilanteen 38 ml:n määrällä, kaikki kaasu pitäisi sulkea laimentamattomana alle litran ilmatilaan. Tämä johtuu siitä, että 38 ml jaettuna 4 prosentilla vastaa noin 950 ml:n kokonaisseostilavuutta. Vertailu on tarkoituksella hypoteettinen: siinä kuvataan suljettua säiliötä, jossa on vain kyseinen kaasumäärä ja pieni määrä ilmaa. Näin pulloa ei avata, käytetä eikä säilytetä.

Miksi pullo ei normaalikäytössä luo tällaisia olosuhteita

Vetyvesipulloa käytetään jaksojen välillä korkki avattuna ja elektrolyysin aikana lyhyesti korkki suljettuna tavallisessa huoneilmassa. Se ei toimi suljettuna paineastiana, joka sisältää puhdasta vetyä. Jos vetyä poistuu vedestä, se leviää lähes välittömästi ylöspäin huoneilmaan sen sijaan, että kerääntyisi johonkin syttyvänä pitoisuutena. Syynä ovat edellä mainitut noste ja diffuusiokerroin. Korkkia avatessa joskus tuntuva paine ja syy siihen, että pullon pohjassa on pieni tuuletusaukko, liittyvät mekaniikkaan eivätkä syttymisvaaraan. Niitä käsitellään erikseen artikkeleissa, joissa kerrotaan, miksi pullosta kuuluu sihahdus tai miksi sen avaaminen on vaikeaa ja mihin pohjan tuuletusaukkoa tarvitaan.

Järkevä, tavanomainen käyttö

Mikään tässä ei muuta sitä, miten pulloa tulee käyttää tai säilyttää: noudata Hydrion Coren mukana tulevia ohjeita ja suhtaudu edellä esitettyyn pieneen, mitattuun kaasumäärään taustatietona, älä syynä muuttaa käyttötapojasi. On myös tärkeää ilmaista väite täsmällisesti. Oikea väite on, että yhden pullon tuottama kaasumäärä niissä pitoisuuksissa, jotka siinä todella saavutetaan, jää selvästi pienemmäksi kuin määrä, joka tarvittaisiin syttyvän seoksen muodostumiseen suljetussa säiliössä. Oikea väite ei ole, ettei liuennut vety voisi palaa missään olosuhteissa. Tämä ero pitää vakuuttelun perustana samat luvut, jotka tässä artikkelissa käytiin läpi, sen sijaan että esitettäisiin yleispätevä väite, joka menee näyttöä pidemmälle. Vetyveden sivuvaikutuksia, myyttejä ja yleistä turvallisuutta – ei vain syttyvyyttä – käsitellään laajemmin artikkelissa Onko vetyvesi turvallista?. Jos haluat ymmärtää, mitä vetyvesituotteiden ppb-luvut todella mittaavat, artikkelissa Vetyvesi: PPB vs. PPM selitetään tässä käytettyjen laboratoriotulosten taustalla olevat yksiköt.