Elettrolisi PEM o alcalina negli inalatori di idrogeno: perché conta il tipo di elettrolita

Le macchine per inalazione di idrogeno producono il gas con uno di due metodi di elettrolisi: l’elettrolisi a membrana a scambio protonico (PEM), che si basa su una membrana polimerica solida e su un catalizzatore del gruppo del platino, oppure l’elettrolisi alcalina, che si basa su una soluzione liquida di idrossido di potassio (KOH) e su un diaframma poroso. Il tipo di elettrolita è importante perché la presenza di un liquido caustico all’interno della cella che genera il gas solleva questioni ingegneristiche diverse da quelle poste da una membrana solida; sapere quale tecnologia utilizza una determinata macchina permette di leggere correttamente la scheda tecnica prima dell’acquisto, anziché dopo.

• Nell’elettrolisi PEM non c’è elettrolita liquido nel percorso del gas: i protoni attraversano una membrana solida e l’elettrolizzatore usa in genere un catalizzatore del gruppo del platino per rendere efficiente la reazione.
• L’elettrolisi alcalina utilizza una soluzione liquida di KOH. Il diaframma poroso che separa i flussi di idrogeno e ossigeno deve trovare un equilibrio tra efficienza elettrica e capacità di impedire il passaggio dei gas (e, di conseguenza, della nebbia di elettrolita) da un lato all’altro.
• L’idrossido di potassio è documentato indipendentemente come irritante per gli occhi, la pelle e le vie respiratorie, ed è soggetto a un limite di esposizione stabilito da un ente governativo. Questo dato è valido di per sé; da solo, però, non indica se il design di uno specifico inalatore destinato ai consumatori permetta alla sostanza di raggiungere il gas respirato.
• Il materiale del catalizzatore indicato nella scheda tecnica è uno degli indizi più affidabili del metodo utilizzato dalla macchina: il platino o i rivestimenti del gruppo del platino indicano la tecnologia PEM, mentre i catalizzatori a base di nichel indicano quella alcalina. Il prezzo è un indicatore approssimativo della stessa differenza, non una prova.

Cosa comporta l’elettrolisi PEM per un inalatore di idrogeno

In un elettrolizzatore PEM, l’acqua viene scissa all’anodo in ossigeno gassoso e ioni di idrogeno con carica positiva; questi ioni attraversano una sottile membrana polimerica solida fino al catodo, dove acquistano elettroni e si ricombinano formando idrogeno gassoso (fonte: Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, Produzione di idrogeno: elettrolisi). La membrana è un sottile strato di materiale solido, non un serbatoio di liquido, quindi non c’è elettrolita liquido libero attraverso cui il gas possa passare o che possa trascinare con sé nel percorso verso l’uscita.

Poiché la funzione della membrana è trasportare i protoni in modo efficiente, i sistemi PEM sono generalmente abbinati a un catalizzatore metallico del gruppo del platino applicato sulla superficie della membrana (fonte: Elettrolisi dell’acqua, Wikipedia). Il platino è costoso da reperire e applicare, ed è uno dei motivi per cui le macchine PEM tendono a costare di più da produrre rispetto a un’unità alcalina equivalente. In compenso, il design a membrana solida evita il problema ingegneristico specifico che i sistemi alcalini devono gestire: mantenere l’elettrolita liquido completamente separato dai due flussi di gas che produce.

Cosa comporta l’elettrolisi alcalina (KOH) e perché l’elettrolita è importante

L’elettrolisi alcalina si basa sullo stesso principio fondamentale di scindere l’acqua con una corrente elettrica, ma usa un elettrolita liquido anziché una membrana solida: una soluzione di idrossido di potassio o di sodio riempie la cella e gli ioni idrossido si spostano dal catodo all’anodo, mentre l’idrogeno si forma al catodo (fonte: Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, Produzione di idrogeno: elettrolisi). L’elettrolita liquido è la differenza fondamentale rispetto alla PEM ed è anche il motivo per cui le unità alcaline sono in genere l’opzione meno costosa: di solito utilizzano catalizzatori a base di nichel anziché i metalli del gruppo del platino necessari per una membrana PEM (fonte: Elettrolisi dell’acqua, Wikipedia).

In una cella alcalina, al posto di una membrana solida, i flussi di idrogeno e ossigeno sono separati da un diaframma poroso immerso nell’elettrolita liquido. Il diaframma deve svolgere due funzioni in contrasto tra loro: una maggiore porosità e uno spessore inferiore riducono la resistenza elettrica e rendono la cella più efficiente, ma la stessa maggiore porosità è associata a un più elevato passaggio dei gas tra il lato dell’idrogeno e quello dell’ossigeno (fonte: Elettrolisi alcalina dell’acqua, Wikipedia). In altre parole, la scelta progettuale che rende meno costoso il funzionamento di una cella alcalina è la stessa che rende più difficile garantire la separazione dei gas.

A prescindere da questo compromesso ingegneristico, l’idrossido di potassio è di per sé una sostanza pericolosa riconosciuta. È documentato come irritante per gli occhi, la pelle e le vie respiratorie; il National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) degli Stati Uniti ne stabilisce un limite massimo di esposizione raccomandato pari a 2 mg/m³, mentre l’OSHA non ha fissato un limite di esposizione ammissibile (fonte: NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards, Idrossido di potassio). Questa classificazione del pericolo descrive la sostanza chimica in sé, alle concentrazioni e nelle condizioni esaminate da quegli enti; non misura ciò che emette uno specifico inalatore di idrogeno per uso domestico.

Considerando insieme questi due dati, la conclusione ragionevole è più circoscritta di quanto suggerirebbe un titolo sensazionalistico. Le prove disponibili confermano un reale compromesso ingegneristico (un diaframma più poroso aumenta il passaggio dei gas) e un reale pericolo chimico (il KOH è un irritante soggetto a un limite di esposizione). Non dimostrano che un particolare inalatore di idrogeno alcalino destinato ai consumatori in commercio permetta alla nebbia di elettrolita di raggiungere l’aria respirata. Indicano invece che è opportuno chiedere in che modo il produttore di una specifica macchina gestisca questo compromesso, senza dare per scontato che tutte le unità alcaline siano pericolose o che siano tutte sicure.

Come capire quale tecnologia usa una macchina

Non serve avere una preparazione in chimica per verificarlo prima dell’acquisto. Di solito l’informazione è indicata direttamente e, quando manca, anche quel silenzio è significativo.

Come leggere una scheda tecnica

Cerca le diciture "PEM" o "membrana a scambio protonico", in contrapposizione a "alcalina", "liscivia" o "KOH", nelle specifiche del prodotto o nel manuale. Molte schede indicano anche il materiale del catalizzatore, un utile elemento di verifica secondario: un rivestimento dichiarato in platino o metalli del gruppo del platino indica la tecnologia PEM, mentre un catalizzatore a base di nichel indica quella alcalina. Se vuoi approfondire la chimica delle membrane SPE/PEM, compreso l’uso della stessa tecnologia nei generatori Hydrion per acqua potabile, questa spiegazione della tecnologia a membrana illustra il meccanismo più nel dettaglio di una singola scheda tecnica.

Domande utili da fare prima dell’acquisto

Il posizionamento di prezzo è un indizio utile, ma da solo non è una prova: la membrana e il catalizzatore PEM costano davvero di più da produrre, quindi un prezzo molto più basso è più spesso associato all’elettrolisi alcalina che alla PEM. Se una scheda promuove una produzione di idrogeno "di grado clinico" senza indicare il metodo di elettrolisi, vale la pena chiedere direttamente al venditore perché l’informazione manca, dato che il produttore sa già quale tecnologia è presente nell’unità. Se devi ancora decidere se l’inalazione sia il formato giusto per te, questa guida introduttiva alla terapia inalatoria con idrogeno è un punto di partenza migliore; il tema dell’elettrolisi si inserisce poi nella lista più ampia di aspetti trattata in questa guida all’acquisto di una macchina per inalazione di idrogeno. Chi desidera approfondire la questione distinta di cosa comportino davvero le diciture "grado medicale" o "clinico" in termini di approvazione normativa può consultare l’articolo programmato sulle affermazioni relative al grado medicale degli inalatori di idrogeno; chi invece è interessato alla sicurezza dell’inalazione in generale, oltre alla questione dell’elettrolita trattata qui, può consultare l’articolo programmato sugli effetti collaterali dell’inalazione di idrogeno.

La posizione del Titan

Per vedere come si presenta una scheda tecnica concreta, le specifiche dichiarate della Macchina per inalazione di idrogeno Hydrion Titan indicano l’elettrolisi PEM con un rivestimento in platino ad alta purezza, oltre a un valore dichiarato di purezza dell’idrogeno del 99,99% nelle modalità di inalazione con uscita singola, doppia e tripla. Si tratta di quanto dichiarato dal produttore sul proprio prodotto, non di un’affermazione verificata in modo indipendente in laboratorio nell’ambito di questo articolo; è quindi opportuno interpretarlo per quello che è: il tipo di dettaglio che una scheda tecnica dovrebbe rendere noto, non un sostituto dei test di terze parti.

La conclusione pratica è semplice. L’elettrolisi PEM e quella alcalina sono entrambe metodi affermati per scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno, e ciascuna comporta compromessi specifici in termini di costo, materiale del catalizzatore e separazione dei due flussi di gas. Prima di scegliere una macchina, controlla nella scheda tecnica il metodo di elettrolisi e il materiale del catalizzatore dichiarati, come avviene nella scheda del Titan, e considera una scheda che omette queste informazioni un motivo per chiedere, anziché per fare supposizioni.