Voiko vetykaasua tuottaa kotona hengitettäväksi? Miksi tee-se-itse-elektrolyysilaitteita kannattaa välttää
Jos olet katsonut tee-se-itse-videon ”HHO”-laitteesta tai suolaveden elektrolyysistä ja miettinyt, voisiko saman purkista ja johdoista koostuvan viritelmän yhdistää nenäkanyyliin vetyhengityskertaa varten, suora vastaus on ei: tavallinen elektrolyysikenno ei tuota kaasua, jota olisi turvallista tai asianmukaista hengittää, eikä syillä ole mitään tekemistä akun tehon tai elektrodeista nousevien kuplien määrän kanssa. Sen, voiko tuotettua kaasua hengittää, ratkaisee se, mitä elektrolyyttiä veteen lisätään, jotta tavallinen vesi johtaisi sähköä, sekä vedyn fysikaalinen käyttäytyminen sen poistuessa kennosta. Molemmat tekijät tekevät avoimesta, tilapäisratkaisuna kootusta laitteesta ongelmallisen tavalla, jonka tiivis, nimenomaan tähän tarkoitukseen suunniteltu laite on tehty välttämään.
- Tavallinen vesi johtaa sähköä erittäin huonosti, joten tee-se-itse-laitteissa veteen lisätään suolaa tai lipeää, ja lisäaine päätyy osaksi kaasuvirtaa eikä toimi vain sähkövirran apuna.
- Suolavesikenno tuottaa vedyn rinnalla kloorikaasua ennakoitavana kemiallisena seurauksena, ei satunnaisena toimintahäiriönä.
- Lipeäpohjaisessa kennossa ei synny klooria, mutta siinä käsitellään vahvasti syövyttävää liuosta, eli yksi vaara vaihtuu toiseen.
- Vety itsessään syttyy hyvin pienellä syttymisenergialla riippumatta siitä, mitä elektrolyyttiä sen tuottamiseen käytettiin.
- PEM-laite (protoninvaihtokalvolaite) ratkaisee nämä ongelmat rakenteellisesti erottamalla kaasuvirrat tiiviissä kennossa, jossa käytetään puhdistettua vettä suolan tai lipeän sijaan.
Mitä kaasuja kotikäyttöön tarkoitettu elektrolyysilaite oikeastaan tuottaa
Peruselektrolyysissä sähkövirtaa käytetään veden hajottamiseen kahdella elektrodilla: vetyä kertyy toiseen ja happea toiseen. Tämä on aitoa kemiaa, ja se on aidosti yksinkertaista. Ongelma on se, että puhdas vesi johtaa sähköä huonosti, joten sellaisenaan tavallisessa vesikennossa kulkee vain hyvin pieni sähkövirta ja kaasua syntyy verkkaiseen tahtiin. Juuri siksi tee-se-itse- ja HHO-videoissa veteen lisätään ruokasuolaa tai lipeäliuosta (natrium- tai kaliumhydroksidia) ennen virran kytkemistä: liuenneet ionit johtavat sähköä ja nopeuttavat reaktiota huomattavasti.
Tällä kätevyydellä on hintansa, jota videoissa harvoin käsitellään. Kun vedessä on elektrolyyttiä, elektrodit eivät enää vain hajota H2O:ta. Ne reagoivat myös elektrolyytin tuomien ionien kanssa, ja elektrodeista vapautuvat aineet riippuvat valitusta elektrolyytistä. Ennen kuin johdat mitään kasvoillesi, kannattaa kysyä, ei ”tuottaako tämä vetyä”, koska tuottaa, vaan ”mitä muuta se tuottaa vedyn rinnalla”.
Miksi suolavesikenno tuottaa muutakin kuin vetyä: klooria
Kun elektrolyyttinä on tavallista ruokasuolaa (natriumkloridia), kemia muuttuu tiettyyn ja hyvin dokumentoituun suuntaan. Anodilla kloridi-ionit hapettuvat kloorikaasuksi sen sijaan, että itse vesi hapettuisi hapeksi, kun taas katodilla muodostuu edelleen vetyä ja hydroksidi-ioneja (lähde: Kloori-alkaliprosessi, Wikipedia). Kyseessä on sama kloori-alkalireaktio, jota teollisuuslaitokset käyttävät tarkoituksella kloorin ja natriumhydroksidin valmistukseen — tässä se vain tapahtuu vahingossa purkissa. Suolaveden elektrolyysikenno on siis kolmen tuotteen reaktori: siinä syntyy vetyä, klooria ja liuennutta natriumhydroksidia. Prosessin erillisessä yhteenvedossa perinteisen suolaveden elektrolyysin kuvataan tuottavan suoraan sivutuotteena ”myrkyllistä ja syövyttävää klooria”, toisin kuin puhtaalla tai deionisoidulla vedellä tehtävässä elektrolyysissä (lähde: Veden elektrolyysi, Wikipedia).
Kloori ei ole vähäinen epäpuhtaus, jonka voisi kohtuudella sivuuttaa. Työperäisen altistumisen raja-arvoissa se luokitellaan vaaralliseksi jo miljoonasosan murto-osina: Yhdysvaltain työturvallisuus- ja työterveyslaitos NIOSH asettaa 15 minuutin altistumisen ylärajaksi 0,5 ppm, OSHA:n yläraja on 1 ppm, ja 10 ppm luokitellaan välittömästi hengenvaaralliseksi (lähde: NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards: Chlorine). Keittiön pöydällä kuplivassa suolavesipurkissa, johon johdetaan jännitettä, ei ole mitään tapaa mitata tai säädellä sitä, kuinka paljon klooria sekoittuu vapautuvaan kaasuun. Mikään kanyylin suodatin ei myöskään muuta tätä epävarmuutta tunnetuksi ja turvalliseksi pitoisuudeksi.
Miten kloorikaasun hengittäminen vaikuttaa silmiin, nenään ja keuhkoihin
Lyhytkin altistuminen aiheuttaa silmien, nenän, suun ja kurkun kirvelyä sekä yskää, ja suurempi altistuminen voi johtaa keuhkopöhöön eli nesteen kertymiseen keuhkoihin, mikä on lääketieteellinen hätätilanne (lähde: NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards: Chlorine). Tähän ei tarvita suurta vuotoa. Riittää, että on valittu elektrolyytti, jota ei koskaan ollut tarkoitettu aineeksi, jota ihminen hengittää suoraan.
Miksi lipeäpohjainen laite poistaa klooririskin mutta tuo tilalle omansa
Joissakin tee-se-itse-rakennelmissa suola korvataan väkevällä kalium- tai natriumhydroksidiliuoksella, jonka pitoisuus on usein 25–40 painoprosenttia (lähde: Veden elektrolyysi, Wikipedia). Koska tässä liuosta johtaa hydroksidi-ioni eikä kloridi-ioni, tällaisessa kennossa ei synny kloorikaasua. Tämä on syytä sanoa täsmällisesti eikä käsitellä lipeää vain epämääräisempänä versiona samasta ongelmasta: kemia on aidosti erilaista.
Elektrolyytti itsessään ei kuitenkaan katoa. Näin väkevä liuos on voimakkaasti syövyttävä aine samaan tapaan kuin viemärinavausaine, ja se vaurioittaa ihoa, silmiä ja limakalvoja joutuessaan kosketuksiin niiden kanssa. Avoimessa tai tilapäisratkaisuna kootussa kennossa pisarat tai sumu voivat kulkeutua vetykaasun mukana kaasuletkuun. Näin kemiallisesta vaarasta tulee hengitys- ja kosketusvaara juuri siinä kohdassa, jossa kaasun on tarkoitus päästä jonkun nenään. Suolan vaihtaminen lipeään korvaa myrkyllisen kaasun ongelman syövyttävän aineen käsittelyyn liittyvällä ongelmalla; se ei tee laitteesta sellaista, josta kaasua olisi yksinkertaisesti turvallista hengittää.
Vedyn oma palo- ja räjähdysvaara, elektrolyytistä riippumatta
Vaikka kenno jotenkin välttäisi sekä kloorin että syövyttävän aineen kulkeutumisen kaasuun, se tuottaisi silti vetyä, jonka käsittelyyn liittyvät ongelmat eivät riipu siitä, mikä elektrolyytti sen tuotti. Vedyn syttymisalue ilmassa on noin 4–75 tilavuusprosenttia, ja sen kapeampi räjähdysalue on noin 18,3–59 prosenttia. Käytännössä syttyminen voi turbulenssin yhteydessä tapahtua myös näiden nimellisarvojen ulkopuolella (lähde: Vedyn turvallisuus, Wikipedia). Tämä syttymisalue on poikkeuksellisen laaja verrattuna useimpiin syttyviin kaasuihin, joten vahingossa syntyvän seoksen on helpompi osua siihen.
Vety syttyy myös helposti: sen pienin syttymisenergia on noin 0,02 millijoulea, mikä on pienimpiä tunnettuja arvoja — noin kymmenesosa siitä energiasta, jota bensiini-ilmaseoksen sytyttäminen vaatii (lähde: Vedyn turvallisuus, Wikipedia). Pienikin staattinen purkaus tai huomaamaton kipinä riittää. Kun tähän lisätään se, että vety on ilmaa kevyempää ja kerääntyy kattojen ja ulokkeiden alle sen sijaan, että leviäisi alaspäin, sekä se, että suljetussa huoneessa syttyvä vuoto aiheuttaa todennäköisemmin räjähdyksen kuin rajatun liekin (lähde: Vedyn turvallisuus, Wikipedia), kokonaiskuva on selvä: makuuhuoneessa tai kylpyhuoneessa valvomatta käyvä avoin elektrolyysikenno tuottaa kaasua, jonka kanssa virhemarginaali on todella pieni, minkä lisäksi vaaroja aiheuttaa itse elektrolyytti.
Miten PEM-laite toimii eri tavalla
Protoninvaihtokalvokenno ratkaisee klooriin, syövyttäviin aineisiin ja hallitsemattomaan sekoittumiseen liittyvät ongelmat samanaikaisesti rakenteensa ansiosta, ei tuurilla. Kalvo johtaa protoneja, mutta toimii samalla fyysisenä eristeenä ja esteenä reaktanttien välillä, joten vetyä ja happea muodostuu sen eri puolille sen sijaan, että kaasut kuplisivat yhdessä avoimessa astiassa (lähde: Veden elektrolyysi, Wikipedia). Koska kalvo itsessään reagoi herkästi liuenneisiin ioneihin, PEM-järjestelmät on suunniteltu toimimaan puhtaalla, suolattomalla syöttövedellä suolaveden tai lipeän sijaan. Vieraat ionit heikentävät kalvoa sen sijaan, että ne vain lisäisivät sivutuotteen. Siksi suolaton vesi ei ole PEM-elektrolyysilaitteissa vain suositus vaan käytännön välttämättömyys (lähde: Veden elektrolyysi, Wikipedia).
Tällä mekanismilla toimivat esimerkiksi Hydrion Zenith vetyhengityskone. Tuotteen omien tietojen mukaan sen vedyn puhtaus on 99,99 prosenttia, siinä käytetään platinapinnoitettua protoninvaihtokalvoa hyödyntävää PEM-elektrolyysiä, se vaatii tislattua tai puhdistettua vettä, jonka liuenneiden kiintoaineiden kokonaispitoisuus on alle 3 ppm, ja sen säädettävä tuottoalue on 300–1 800 ml/min seitsemällä virtausasetuksella. Nämä ovat valmistajan omia teknisiä tietoja eivätkä riippumattoman laboratoriotestauksen tuloksia, mutta ne ovat silti samanlaisia tietoja kuin minkä tahansa laitteen teknisissä tiedoissa annetaan. Ne eroavat selvästi avoimesta kennosta, jonka tuotto riippuu siitä, mitä hallitsematon reaktio sattuu tuottamaan.
Jos haluat tietää lisää kalvotekniikan toimintaperiaatteesta yleisemmin, selityksessämme PEM-elektrolyysistä vetypulloissa käsitellään samaa erotteluperiaatetta pienemmässä mittakaavassa. Jutussa, jossa kerrotaan, miksi kalvon laatu ratkaisee tuotetun kaasun laadun, puolestaan selitetään, miksi avoin kenno ei pysty vastaamaan siihen, mihin tiivis kalvojärjestelmä on suunniteltu.
Miksi ”se on teknisesti vetyä” ei tarkoita samaa kuin ”hengityskelpoista”
Suolavesi- tai lipeäpurkista tuleva kaasuvirta saattaa sisältää vetyä, mutta sen mukana voi kulkeutua myös pieniä määriä klooria, syövyttävää sumua tai mittaamaton vety- ja happiseos, jota kukaan ei tarkistanut ennen kuin se päätyi letkuun. Tämä on perustavanlaatuisesti eri asia kuin kaasu, jonka puhtausarvo ilmoitetaan ja joka tuotetaan laitteella, joka on suunniteltu estämään juuri nämä ongelmat. Kyse ei oikeastaan ole valinnasta ”tee-se-itse” ja ”kaupasta ostettu” välillä makuasiana, vaan siitä, kootaanko sisätiloissa omatekoinen pieni kemiallinen koe vai käytetäänkö laitetta, jolle on annettu tekniset tiedot, jonka valmistaja on testannut ja joka on suunniteltu yhteen tehtävään: tuottamaan hengitettävää kaasua tunnetulla virtausnopeudella.
Tekniset tiedot eivät kuitenkaan korvaa tervettä järkeä. Kotikäyttöön tarkoitettu vetyilmaisin ja järkevästä ilmanvaihdosta huolehtiminen ovat edelleen viisaita varotoimia kaikenlaisten vetylaitteiden kanssa, olivatpa ne itse tehtyjä tai valmistettuja. Vedyn syttyvyysominaisuudet eivät muutu sen mukaan, mistä kaasu on peräisin. Jos haluat ymmärtää, miten ilmaisimet ja ilmanvaihdon laskeminen oikeasti toimivat sen sijaan, että luottaisit yleiseen varovaisuuteen, jutussamme vetyilmaisimien anturien toiminnasta ja huoneen tilavuuteen perustuvia ilmanvaihtorajoja käsittelevässä oppaassamme käydään läpi yksityiskohdat. Jos turvallisuuskysymys on jo ratkaistu ja pohdit, mikä tarkoitukseen suunniteltu laite sopii käyttöösi, Zenithin ja Titanin vertailu on luonteva seuraava lukuvinkki. Jos taas kaipaat ensin yleiskuvaa siitä, mitä vetyhengitys tarkoittaa, aloittelijan oppaamme vetyhengitykseen on hyvä lähtökohta.
Tässä artikkelissa kerrotaan, mitä kotona tehtävä elektrolyysi oikeasti tuottaa. Tämä ei ole rakennusohje, eikä mitään tässä esitettyä pidä tulkita ohjeeksi tee-se-itse-kaasukennon kokoamiseen tai käyttöön.