PEM- ja alkalielektrolyysi vetyinhalaattoreissa: miksi elektrolyytin tyyppi on tärkeä

Vedyn hengityslaitteet tuottavat kaasunsa jommallakummalla kahdesta elektrolyysimenetelmästä: protoninvaihtomembraanielektrolyysillä (PEM), jossa käytetään kiinteää polymeerikalvoa ja platinaryhmän katalyyttiä, tai alkalielektrolyysillä, jossa käytetään nestemäistä kaliumhydroksidiliuosta (KOH) ja huokoista diafragmaa. Elektrolyytin tyypillä on merkitystä, sillä kaasua tuottavan kennon sisällä oleva syövyttävä neste herättää erilaisia teknisiä kysymyksiä kuin kiinteä kalvo. Kun tiedät, kumpaa tekniikkaa laite käyttää, pystyt tulkitsemaan sen tekniset tiedot oikein jo ennen ostoa etkä vasta sen jälkeen.

• PEM-elektrolyysissä kaasun reitillä ei ole nestemäistä elektrolyyttiä: protonit kulkevat kiinteän kalvon läpi, ja elektrolyysilaitteessa käytetään tyypillisesti platinaryhmän katalyyttiä, joka tehostaa reaktiota.
• Alkalielektrolyysissä käytetään nestemäistä KOH-liuosta, ja vety- ja happivirran erottavan huokoisen diafragman on sovitettava yhteen sähkötehokkuus ja se, kuinka tehokkaasti se estää kaasua (ja sen mukana elektrolyyttisumua) kulkeutumasta puolelta toiselle.
• Kaliumhydroksidin on erikseen dokumentoitu ärsyttävän silmiä, ihoa ja hengitysteitä, ja sille on asetettu viranomaisen määrittämä altistumisen yläraja. Tämä tosiasia on itsenäinen; se ei yksin kerro, pääseekö sitä tietyn kuluttajakäyttöön tarkoitetun inhalaattorin rakenteessa hengityskaasuun.
• Laitteen teknisissä tiedoissa ilmoitettu katalyyttimateriaali on yksi luotettavimmista vihjeistä käytetystä menetelmästä: platina tai platinaryhmäpinnoite viittaa PEM-tekniikkaan, nikkelipohjaiset katalyytit alkalielektrolyysiin. Hinta antaa samasta erosta karkean vihjeen, mutta ei todista sitä.

Mitä PEM-elektrolyysi tarkoittaa vetyinhalaatiolaitteessa?

PEM-elektrolyysilaitteessa vesi hajotetaan anodilla happikaasuksi ja positiivisesti varautuneiksi vetyioneiksi. Nämä ionit kulkevat ohuen, kiinteän polymeerikalvon läpi katodille, jossa ne vastaanottavat elektroneja ja yhdistyvät jälleen vetykaasuksi (lähde: Yhdysvaltain energiaministeriö, vedyn tuotanto: elektrolyysi). Kalvo itsessään on ohut kiinteä materiaalilevy, ei nestesäiliö, joten kaasun reitillä ei ole vapaata nestemäistä elektrolyyttiä, jonka läpi kaasu kulkisi tai jota se voisi kuljettaa mukanaan ulostuloon.

Koska kalvon tehtävänä on kuljettaa protoneja tehokkaasti, PEM-järjestelmissä käytetään yleensä platinaryhmän metallikatalyyttiä, joka on pinnoitettu kalvon pinnalle (lähde: Veden elektrolyysi, Wikipedia). Platinan hankinta ja käyttö pinnoitteena ovat kalliita, mikä on yksi syy siihen, että PEM-laitteiden valmistus maksaa yleensä enemmän kuin vastaavan alkalilaitteen. Vastineeksi kiinteään kalvoon perustuva rakenne välttää erityisen teknisen ongelman, jonka kanssa alkalijärjestelmät joutuvat kamppailemaan: nestemäisen elektrolyytin pitäminen täysin erillään sen tuottamista kahdesta kaasuvirrasta.

Mitä alkalielektrolyysi (KOH) tarkoittaa ja miksi elektrolyytillä on merkitystä?

Alkalielektrolyysi perustuu samaan perusperiaatteeseen eli veden hajottamiseen sähkövirran avulla, mutta siinä käytetään nestemäistä elektrolyyttiä kiinteän kalvon sijaan: kenno täytetään kalium- tai natriumhydroksidiliuoksella, ja hydroksidi-ionit kulkevat katodilta anodille samalla kun katodilla muodostuu vetyä (lähde: Yhdysvaltain energiaministeriö, vedyn tuotanto: elektrolyysi). Nestemäinen elektrolyytti on PEM-tekniikan keskeinen ero, ja se on myös syy siihen, että alkalilaitteet ovat yleensä edullisempi vaihtoehto: niissä käytetään tavallisesti nikkelipohjaisia katalyyttejä niiden platinaryhmän metallien sijaan, joita PEM-kalvo tarvitsee (lähde: Veden elektrolyysi, Wikipedia).

Kiinteän kalvon sijaan alkalikennossa vety- ja happivirrat erottaa nestemäisessä elektrolyytissä oleva huokoinen diafragma. Diafragmalla on kaksi keskenään ristiriitaista tehtävää: huokoisempi ja ohuempi diafragma pienentää sähkövastusta ja parantaa kennon tehokkuutta, mutta sama huokoisuuden lisääntyminen liittyy siihen, että kaasut kulkeutuvat herkemmin vedyn ja hapen puolten välillä (lähde: Alkalisen veden elektrolyysi, Wikipedia). Toisin sanoen alkalikennon käyttökustannuksia pienentävä rakenneratkaisu vaikeuttaa samalla kaasujen erottamisen varmistamista.

Tästä teknisestä kompromissista erillään kaliumhydroksidi on itsessään tunnettu vaarallinen aine. Sen tiedetään ärsyttävän silmiä, ihoa ja hengitysteitä, ja Yhdysvaltain työturvallisuus- ja työterveysinstituutti NIOSH on asettanut sille suositelluksi altistumisen ylärajaksi 2 mg/m3. OSHA ei ole määrittänyt sille sallittua altistumisrajaa (lähde: NIOSH:n kemikaalivaarojen taskuopas, kaliumhydroksidi). Vaaraluokitus kuvaa itse kemikaalia niissä pitoisuuksissa ja olosuhteissa, joita viranomaiset ovat tutkineet; se ei ole mittaustulos siitä, mitä jokin tietty kuluttajakäyttöön tarkoitettu vetyinhalaatiolaite päästää ilmaan.

Kun nämä kaksi asiaa yhdistää rehellisesti, perusteltu johtopäätös on rajatumpi kuin otsikkoväite antaisi ymmärtää. Saatavilla oleva näyttö tukee sekä todellisen teknisen kompromissin olemassaoloa (huokoisempi kalvo lisää kaasujen kulkeutumista puolelta toiselle) että todellista kemiallista vaaraa (KOH ärsyttää ja sille on asetettu altistumisraja). Se ei osoita, että jokin tietty markkinoilla oleva alkalinen vetyinhalaatiolaite päästäisi elektrolyyttisumua hengitysilmaan. Näyttö kuitenkin puoltaa sen selvittämistä, miten tietyn laitteen valmistaja hallitsee tätä kompromissia sen sijaan, että olettaisi kaikkien alkalilaitteiden olevan turvattomia tai kaikkien olevan turvallisia.

Mistä tietää, mitä tekniikkaa laite käyttää?

Tämän tarkistamiseen ennen ostoa ei tarvita kemian tuntemusta. Tieto ilmoitetaan yleensä suoraan, ja jos sitä ei ilmoiteta, myös tämä vaikeneminen kertoo jotain.

Teknisten tietojen lukeminen

Etsi tuotteen teknisistä tiedoista tai käyttöohjeesta mainintoja "PEM" tai "protoninvaihtomembraani" sekä vaihtoehtoisesti "alkalinen", "lipeä" tai "KOH". Monissa tuotekuvauksissa ilmoitetaan myös katalyyttimateriaali, ja se on hyvä lisävarmistus: maininta platina- tai platinaryhmäpinnoitteesta viittaa PEM-tekniikkaan, kun taas nikkelipohjainen katalyytti viittaa alkalielektrolyysiin. Jos haluat perehtyä tarkemmin SPE/PEM-kalvojen kemiaan ja siihen, miten samaa tekniikkaa käytetään Hydrionin juomavesigeneraattoreissa, tässä kalvotekniikkaa käsittelevässä artikkelissa mekanismia selitetään perusteellisemmin kuin yksittäisissä teknisissä tiedoissa.

Kysymyksiä, jotka kannattaa esittää ennen ostoa

Hintataso on hyödyllinen vihje, mutta ei yksinään todiste: PEM-kalvon ja katalyytin valmistaminen on aidosti kalliimpaa, joten huomattavasti edullisempi hinta liittyy useammin alkalielektrolyysiin kuin PEM-tekniikkaan. Jos tuotekuvauksessa luvataan "kliinisen tason" vetyä mutta elektrolyysimenetelmää ei mainita lainkaan, asiasta kannattaa kysyä suoraan myyjältä, sillä valmistaja tietää jo, mitä tekniikkaa laitteessa käytetään. Jos vielä pohdit, sopiiko inhalaatio sinulle ylipäätään, tämä vedyn inhalointiterapian aloittelijan opas on parempi lähtökohta. Elektrolyysiä koskeva kysymys on osa laajempaa tarkistuslistaa, jota käsitellään tässä vetyinhalaatiolaitteen valintaoppaassa. Jos haluat selvittää erikseen, mitä "lääkinnällinen laatu"- tai "kliininen"-väitteet edellyttävät viranomaishyväksynnän osalta, katso suunnitteilla oleva artikkeli lääkinnällisen tason vetyinhalaattoreita koskevista väitteistä. Jos taas olet kiinnostunut inhalaation turvallisuudesta yleisemmin, tässä käsitellyn elektrolyyttikysymyksen lisäksi, tutustu suunnitteilla olevaan artikkeliin vedyn inhaloinnin haittavaikutuksista.

Miten Titan sijoittuu vertailuun?

Konkreettinen esimerkki siitä, miltä tämä näyttää todellisen laitteen teknisissä tiedoissa, on Hydrion Titan Vetyinhalaatiokone. Sen omissa ilmoitetuissa teknisissä tiedoissa mainitaan PEM-elektrolyysi ja erittäin puhdas platinapinnoite sekä ilmoitettu 99,99 prosentin vetypuhtaus yhden, kahden ja kolmen ulostulon inhalaatiotiloissa. Kyse on siitä, mitä valmistaja kertoo omasta tuotteestaan, ei tässä artikkelissa riippumattomasti laboratoriossa varmennetusta väitteestä. Tieto kannattaa tulkita juuri sellaisena yksityiskohtana, joka teknisissä tiedoissa pitäisi ilmoittaa, eikä kolmannen osapuolen testauksen korvikkeena.

Käytännön johtopäätös on yksinkertainen. Sekä PEM- että alkalielektrolyysi ovat vakiintuneita tapoja hajottaa vettä vedyksi ja hapeksi, ja kummassakin on omat kustannuksiin, katalyyttimateriaaliin ja kaasuvirtojen erillään pysymiseen liittyvät kompromissinsa. Ennen laitteen valintaa tarkista sen teknisistä tiedoista ilmoitettu elektrolyysimenetelmä ja katalyyttimateriaali samalla tavoin kuin ne ilmoitetaan Titanin tuotetiedoissa. Jos nämä tiedot puuttuvat tuotekuvauksesta, kysy niistä äläkä tee oletuksia.