Ar vandenilinis vanduo degus? Maži dujų kiekiai buteliuose

Vandenilinio vandens butelis elektrolizės būdu į vandenį įterpia ištirpusių vandenilio dujų, o vandenilio dujos iš tiesų yra degios, todėl iš pirmo žvilgsnio toks nerimas nėra nepagrįstas. Praktiškai svarbesnis siauresnis klausimas: kiek vandenilio dujų iš tikrųjų išskiria vienas butelis ir ar toks kiekis, naudojant butelį pagal paskirtį, kada nors priartėja prie koncentracijos bei sąlygų, kurias su užsidegimu sieja vandenilio saugos literatūra. Atlikus skaičiavimus ir įvertinus tikruosius tūrius, atsakymas tampa aritmetikos, o ne nuojautos klausimu: skaičiai gerokai mažesni už ribą, kuri paverstų ant stalviršio užsuktą butelį gaisro pavojumi.

• Vandenilio dujų ir oro mišinys užsidega tik esant tam tikram koncentracijos intervalui, o tinkamai naudojamas butelis net nepriartėja prie apatinės šio intervalo ribos.
• Vieno butelio išskiriamų dujų tūris, apskaičiuotas pagal laboratorijoje išmatuotą ištirpusio vandenilio koncentraciją, yra maždaug pora valgomųjų šaukštų, o ne visas bakas.
• Sprogimui uždaroje erdvėje reikia ir vandenilio, ir oksidatoriaus, pavyzdžiui, deguonies; atviras, vėdinamas butelis kambario ore tokios uždaros erdvės nesukuria.

Kodėl kyla šis klausimas

Trumpas atsakymas: nedidelis vandenilio dujų kiekis, kurį išskiria butelis, patekęs į atvirą patalpą taip, kaip numatyta naudoti gaminį, nesudaro degiojo mišinio. Pats vandenilis, kaip cheminis elementas, yra degus, lygiai kaip degios gamtinės dujos ar benzino garai, ir nėra prasmės apsimesti, kad taip nėra. Naudingesnis klausimas, į kurį šiame straipsnyje ir atsakoma, yra toks: kiek dujų yra bet kuriuo konkrečiu metu ir kokios koncentracijos bei aplinkos sąlygos būtų reikalingos, kad tos dujos apskritai galėtų užsidegti. Taip suformulavus klausimą, fizika nebekelia baimės, į kurią atsakoma „taip“ arba „ne“, o tampa paprastu mažo išmatuoto kiekio palyginimu su gerokai didesne riba.

Kas iš tikrųjų vyksta butelyje, kai gaminamas vandenilis

Butelio viduje esanti PEM/SPE elektrolizės celė suskaido dalį vandens molekulių: vienoje membranos pusėje susidaro ištirpęs vandenilis, o kitoje – deguonis ir nedidelis ozono kiekis. Visas elektrolizės procesas išsamiai aptariamas kitur, todėl šiame straipsnyje pakanka žinoti rezultatą: vandenilis ištirpsta pačiame vandenyje, o ne susikaupia kaip laisvų dujų kišenė. „Core“ automatinio vėdinimo saugos juosta sukurta atsižvelgiant į šį skirtumą. Ji leidžia deguonies ir ozono šalutiniams produktams pasišalinti iš kameros, o vandenilis lieka ištirpęs vandenyje, tad celėje nesikaupia vandenilio dujos uždaroje erdvėje, kaip tai vyktų slėginiame bake.

Kokių sąlygų iš tiesų reikia, kad medžiaga būtų „degi“

Vandenilio saugos tyrimuose degumas apibrėžiamas intervalu, o ne vienu konkrečiu slenksčiu. „Sandia National Laboratories“ duomenimis, visuotinai pripažįstama apatinė vandenilio degumo ore riba, kai liepsna sklinda aukštyn, yra 4 % vandenilio pagal tūrį. Dėl mažo vandenilio tankio ši riba padidėja iki maždaug 8,5–9,5 %, kai liepsna sklinda žemyn arba sferiškai (šaltinis: Vandenilio ir oro mišinių degumo ribos, „Sandia National Laboratories“). Bendras degumo intervalas siekia maždaug nuo 4 % iki 74 % vandenilio ore. Nors šiame intervale, maždaug ties viduriu, vandeniliui uždegti reikia labai mažai energijos, norint uždegti mišinį, kurio koncentracija yra ties apatine riba, reikia gerokai daugiau energijos (šaltinis: Vandenilio saugos informacinis lapas, JAV Energetikos departamentas). Norint pasiekti bet kurią šio intervalo dalį, taip pat būtinas oksidatorius. Tame pačiame JAV Energetikos departamento informaciniame lape pažymima, kad sprogimas negali įvykti bake ar bet kurioje uždaroje erdvėje, kurioje yra tik vandenilis; kad mišinys apskritai galėtų tapti sprogus, jame turi būti ir deguonies – maždaug 10 % gryno deguonies arba 41 % oro.

Ištirpęs vandenilis vandenyje ir laisvos vandenilio dujos ore – kodėl apatinė degumo riba vandeniui netaikoma

Apatinė degumo riba apibūdina vandenilio dujas, susimaišiusias su oru, o ne vandenyje ištirpusį vandenilį. Ant jūsų stalo stovinti stiklinė vandenilinio vandens apskritai nėra dujų ir oro mišinys, todėl 4 % rodiklis neturi ką matuoti, kol dalis ištirpusio vandenilio nepalieka vandens ir nepatenka į aplinkinį orą. Dėl vandenilio plūdrumo, mažų molekulių ir didelio difuziškumo, patekęs iš vandens jis taip pat labai greitai pasklinda aukštyn ir į šalis, užuot ilgai išlikęs vienoje vietoje. Būtent todėl vandenilio saugos gairėse atviros ir vėdinamos patalpos vertinamos visiškai kitaip nei sandarūs indai ar uždara įranga.

Skaičiuojame: kiek dujų iš tikrųjų išskiria vienas butelis

Norint sąžiningai apskaičiuoti dujų tūrį, šiame pavyzdyje naudojamas nepriklausomai patikrintas laboratorinis rodiklis, o ne rinkodaros specifikacija. „Core“ produkto puslapyje nurodoma, kad išskiriama „iki 5 000 PPB“, tačiau šis skaičius reiškia pardavėjo deklaruojamą didžiausią vertę, o ne matavimo rezultatą. Nepriklausomos laboratorijos „Hydrion Core“ ir „Pulse“ sertifikavimo ataskaitoje aprašytas nepriklausomas „H2 Analytics“ bandymas, atliktas taikant dujų chromatografiją ir naudojant su NIST sietinas kalibravimo dujas, taip pat „SGS Silver State Analytical Laboratory“ atliktas vandens saugos tyrimas. 375 ml butelyje po 20 minučių išmatuota 9,00–9,14 mg/l ištirpusio vandenilio. Verta atkreipti dėmesį ir į patį 375 ml bandomąjį tūrį, nes jis skiriasi nuo mažmeninės prekybos produkto puslapyje nurodytos 300 ml kameros; šiame pavyzdyje kartu naudojami bandymo metu išmatuotas rodiklis ir bandytas tūris, o ne maišomi skirtingi duomenys.

Jei imame didžiausią išmatuotą 9,14 mg/l vertę ir taikome ją visam 375 ml (0,375 l) buteliui, iš viso gauname apie 3,43 mg ištirpusio vandenilio. Vandenilio molinė masė yra 2,016 g/mol, taigi 3,43 mg sudaro maždaug 0,0017 molio. Esant standartinei temperatūrai ir slėgiui, bet kurių dujų vienas molis užima 22,4 litro (šaltinis: Avogadro dėsnis, „Chemistry LibreTexts“), taigi 0,0017 molio atitinka maždaug 38 mililitrus vandenilio dujų, arba maždaug dviem su puse valgomojo šaukšto. Tai skaičiavimo pavyzdys, paremtas blogiausiu scenarijumi: daroma prielaida, kad visos butelyje ištirpusios vandenilio molekulės vienu metu išsiskiria iš vandens kaip dujos. Taip įprastai naudojant butelį nenutinka – vandenilis lieka ištirpęs ir patenka į organizmą geriant vandenį, o ne išsiskiria visas iš karto.

Net ir esant šiam blogiausio scenarijaus 38 ml kiekiui, norint pasiekti apatinę 4 % degumo ribą, visas dujas, neskiestas oru, tektų uždaryti mažesnėje nei litro oro erdvėje, nes 38 ml padalijus iš 4 % gaunama maždaug 950 ml viso mišinio. Šis palyginimas sąmoningai hipotetinis: jis apibūdina sandarų indą, kuriame būtų tik šios dujos ir nedidelis oro kiekis. Taip butelis neatidaromas, nenaudojamas ir nelaikomas.

Kodėl įprastai naudojant butelį tokios sąlygos nesusidaro

Vandenilinio vandens butelis tarp ciklų laikomas atkimštas, o elektrolizės metu trumpam užsukamas. Jis naudojamas įprastame kambario ore, o ne kaip sandarus slėginis indas, pripildytas gryno vandenilio. Iš vandens išsiskyrusios vandenilio dujos beveik iš karto pasklinda aukštyn po kambario orą, o ne susikaupia iki degios koncentracijos, dėl tų pačių pirmiau aprašytų plūdrumo ir difuziškumo savybių. Kartais atidarant dangtelį juntamas slėgis ir nedidelė ventiliacijos anga butelio apačioje susiję su mechaniniais dalykais, o ne su degumo rizika. Apie tai atskirai rašoma straipsniuose kodėl butelis šnypščia arba jį sunku atidaryti ir kokia yra apačioje esančios ventiliacijos angos paskirtis.

Saugus ir įprastas naudojimas

Visa tai nekeičia to, kaip turėtumėte naudoti ar laikyti butelį: laikykitės su Hydrion Core Vandenilinio vandens buteliu pateikiamų instrukcijų, o pirmiau nurodytą nedidelį išmatuotą dujų tūrį vertinkite kaip kontekstą, o ne priežastį keisti savo įpročius. Taip pat svarbu tiksliai apibrėžti patį teiginį. Tikslu sakyti, kad vieno butelio išskiriamų dujų tūris, esant iš tikrųjų pasiekiamoms koncentracijoms, gerokai mažesnis už kiekį, kurio reikėtų sandariam indui, kad jame susidarytų degi aplinka; netikslu būtų teigti, kad ištirpęs vandenilis jokiomis aplinkybėmis negali degti. Šis skirtumas leidžia pagrįsti nuraminimą tais pačiais skaičiais, kuriuos ką tik aptarėme, o ne bendru teiginiu, peržengiančiu įrodymų ribas. Platesnę informaciją apie šalutinį poveikį, mitus ir bendrą saugą, neapsiribojant vien degumu, rasite straipsnyje Ar vandenilinis vanduo saugus?. O jei norite sužinoti, ką iš tikrųjų matuoja vandenilinio vandens produktų PPB rodikliai, straipsnyje Vandenilinio vandens PPB ir PPM paaiškinami čia naudojamų laboratorinių skaičių vienetai.