Ištirpusio vandenilio matuokliai: kurie tikslūs, o kurie ne, ir kada pakanka lašų testų

Ištirpusio vandenilio matuoklis turėtų atsakyti į vieną konkretų klausimą: kiek milijardinių dalių molekulinio vandenilio (H2) šiuo metu iš tikrųjų yra šiame vandenyje. Kuris įrankis atsakys į šį klausimą, priklauso nuo to, kurią iš trijų iš esmės skirtingų technologijų naudojate. Tikras vandeniliui specifinis elektrocheminis jutiklis tiesiogiai aptinka H2 ir yra metodas, kurį tyrėjai laiko tikslumo etalonu, tačiau jis sukurtas ir įkainotas laboratoriniam darbui, o ne virtuvės stalviršiui. Dauguma vartotojams skirtų prietaisų, parduodamų kaip „skaitmeniniai vandenilio matuokliai“, iš tikrųjų matuoja oksidacijos-redukcijos potencialą (ORP) ir pagal integruotą formulę šią įtampą paverčia ekrane rodomu ppb skaičiumi, todėl atsiranda ir pH bei temperatūros paklaidų. Reagentų lašų rinkiniai taiko trečią metodą: titravimo reakciją, kuri konkrečiai reaguoja į H2, o vietoj skaitmeninio ekrano siūlo metodą, kurio kalibravimui nereikia elektronikos. Žinodami, kuriai kategorijai priklauso konkretus įrankis, galėsite nuspręsti, kiek pasitikėti jo rodomu skaičiumi.

• Tikrieji H2 jutikliai (poliarografiniai arba amperometriniai) yra specifiniai vandeniliui ir tyrimuose naudojami kaip etaloninis metodas, tačiau tai laboratoriniai prietaisai, o ne vartojimo prekės.
• Dauguma vartotojams skirtų „vandenilio matuoklių“ iš esmės yra ORP jutikliai su formule, kuri įtampą paverčia ekrane rodomu ppb skaičiumi; ORP taip pat kinta keičiantis pH ir temperatūrai.
• Kolorimetriniai lašų rinkiniai konkrečiai reaguoja į ištirpusį H2 ir jiems nereikia kalibravimo kreivės, nors norint akimis nustatyti reakcijos pabaigą reikia nuoseklios technikos.
• Tinkamas įrankis priklauso nuo klausimo: lyginant du prietaisus tomis pačiomis sąlygomis galima toleruoti didesnį matavimo triukšmą nei teigiant apie absoliutų, nešiojamąjį ppb skaičių.

Ką iš tikrųjų bandote išmatuoti

Žmonės, testuojantys vandenilinio vandens butelį, ąsotį ar tabletę, paprastai nesiekia sužinoti skaičiaus vien iš smalsumo. Tikrasis tikslas – gauti pakartojamą ppb rodmenį, kurį būtų galima palyginti tarp prietaisų arba su gaminio aprašyme pateiktu teiginiu, o toks palyginimas turi prasmę tik tada, kai prietaisas reaguoja būtent į molekulinį vandenilį, o ne į kitą rodiklį, kuris tam tikromis sąlygomis tik kinta panašiai. Reikia suprasti, į ką iš tikrųjų reaguoja jutiklis, rodantis „8 000 ppb“, nes kitos cheminės reakcijos pagrindu gautas skaičius ekrane gali atrodyti taip pat, nors matuojamas visai kitas dalykas.

Šis skirtumas ir yra pagrindinė straipsnio tema. Kitose trijose dalyse paaiškinama, kaip veikia tyrimams skirtas jutiklis, kodėl dauguma nebrangių „matuoklių“ iš tikrųjų yra visai kas kita ir kaip cheminis lašų testas leidžia gauti tą patį atsakymą kitu būdu.

Kaip veikia tikras ištirpusio vandenilio jutiklis

Poliarografinis, arba amperometrinis, vandenilio jutiklis veikia Clarko tipo principu. Ant galiuko esanti dujoms laidi membrana leidžia ištirpusiam H2 difunduoti iki viduje esančio poliarizuoto platinos elektrodo, kuriame vandenilis oksiduojamas. Susidariusios srovės stipris proporcingas iki elektrodo patekusio vandenilio kiekiui, o kadangi membrana ir elektrodo chemija reaguoja į patį H2, o ne į bendrą vandens elektrinę savybę, rodmuo yra specifinis matuojamoms dujoms (šaltinis: Unisense). Ši konstrukcija matuoja ne tiesiogiai koncentraciją, o vandenilio dalinį slėgį, ir tai iš tiesų naudinga: tas pats jutiklis gali matuoti vandenilį, ištirpusį vandenyje arba esantį dujų mišinyje, todėl kiekvienai fazei nereikia atskiro kalibravimo.

Kodėl šis metodas laikomas tikslumo etalonu

Šiuo principu veikiami prietaisai, tokie kaip „Unisense H2“ mikrojutiklis, skirti laboratoriniams ir bandomosios gamybos masto darbams, o ne naudoti namuose. Skirtingiems mėginių tipams siūlomi galiukai nuo mikrometrų dydžio iki adatos formos; elektronika yra pikampermetro klasės, kad galėtų nuskaityti labai mažas sroves; aptikimo riba siekia mažesnes nei mikromolinės koncentracijas, o reakcijos laikas nesiekia penkiolikos sekundžių (šaltinis: „Unisense“ gaminio specifikacijos). Nė vienas iš šių gaminių neturi paskelbtos vartotojams skirtos kainos, nes jie neparduodami kaip vartojimo prekės: juos kalibruoja, prižiūri ir naudoja tyrėjai, kuriems reikia vandeniliui specifinio skaičiaus, kurį galėtų pagrįsti, o ne greitai patikrinti rodmenį tarp butelio pripildymų.

Kodėl dauguma namams skirtų „skaitmeninių vandenilio matuoklių“ iš esmės yra ORP matuokliai

Entuziastams siūlomi nešiojamieji ppb testeriai beveik visada veikia kitaip nei anksčiau aprašytas jutiklis. Tipinis pavyzdys – „Trustlex ENH-2000“: dokumentacijoje nurodoma, kad jis aptinka tirpalo oksidacijos-redukcijos potencialą ir pagal integruotą formulę šią įtampą paverčia ekrane rodoma vandenilio koncentracija. Gamintojo puslapyje nurodytas 0–3 000 ppb/L diapazonas, 1 ppb skiriamoji geba ir ±10 % tikslumas (šaltinis: „Trustlex ENH-2000“ gaminio puslapis). ORP yra tikra, išmatuojama elektrinė savybė, o neigiamas ORP rodmuo iš tiesų rodo, kad vandenyje yra ištirpusio vandenilio. Tačiau ORP pats savaime nematuoja, kiek vandenilio yra: dviejų vandens mėginių ORP rodmenys gali būti vienodai neigiami, nors viename iš jų ištirpusio vandenilio iš tikrųjų yra maždaug keturis kartus daugiau, nes ORP priklauso ne vien nuo H2 koncentracijos (šaltinis: „Molecular Hydrogen Institute“).

Du veiksniai, labiausiai iškraipantys ORP pavertimą ppb rodmeniu, yra pH ir temperatūra, o žurnale „Frontiers in Food Science and Technology“ paskelbtoje analizėje kiekybiškai įvertintas kiekvieno jų poveikis atskiruose tirtuose diapazonuose. Kai vandenilio koncentracija yra prisotinimo lygio, o pH neutralus, 20 °C vandens temperatūros pokytis pakeičia ORP maždaug tiek, kiek ištirpusio vandenilio kiekį pakeistų maždaug dešimteriopai; šis pokytis apima maždaug 0,1–1 mg/L intervalą. Atskirai, platesniame koncentracijos diapazone, gerokai viršijančiame tą, kurį pasiekia butelyje esantis vandenilinis vanduo, pH padidėjimas vienu vienetu (pavyzdžiui, nuo 7 iki 8) pakeičia ORP maždaug tiek, kiek ištirpusio vandenilio kiekį pakeistų maždaug šimteriopai (šaltinis: „Frontiers in Food Science and Technology“). Šie du daugikliai nebuvo išmatuoti tame pačiame siaurame intervale, kuriame naudojamas kasdienis butelis, tačiau po šio patikslinimo pagrindinė išvada išlieka: pH ir temperatūra yra tokie reikšmingi iškraipantys veiksniai, kad nedidelis bet kurio iš jų pokytis bet kuriame šio diapazono taške gali pakeisti ORP pagrįstą rodmenį nepriklausomai nuo to, kiek vandenilio iš tikrųjų yra. Praktiškai tai reiškia, kad to paties butelio vanduo, patikrintas šiek tiek šiltesnis arba jau pakitus jo pH, gali parodyti gerokai kitokį ppb skaičių, nors tikrasis vandenilio kiekis nepasikeitė. Pačioje „ENH-2000“ dokumentacijoje tai tiesiogiai pripažįstama: įspėjama, kad mažo ORP vandens mėginyje gali būti rodomas didelis vandenilio kiekis net tada, kai vandenilio nėra, ir nurodoma, kad prietaisas skirtas vandeniliniam vandeniui, o ne įvairiems skysčiams. Šis paties gamintojo paskelbtas įspėjimas aiškiai nusako šį iškraipantį veiksnį; tai nėra vienam gaminiui būdingas trūkumas.

Visa tai nereiškia, kad ORP pagrįstas matuoklis yra bevertis. Nuosekliai naudojamas tam pačiam vandeniui, esant tokiai pačiai temperatūrai ir atliekant testus vieną po kito, jis vis tiek gali parodyti, ar vienas prietaisas pagamina gerokai daugiau vandenilio už kitą. Tačiau jis negali pateikti absoliutaus rodmens, tinkamo naudoti nešiojamuoju prietaisu, kuris reikštų tą patį kitą dieną, kitame vandenyje ir esant kitai temperatūrai.

Kolorimetriniai lašų testai: cheminiu pagrindu veikianti alternatyva

Reagento lašų testas veikia visai kitu principu: jame naudojama cheminė reakcija, o ne elektrinis signalas. „H2Blue“ – reagentas, kurio pagrindą sudaro metileno mėlynasis ir platinos katalizatorius, – konkrečiai reaguoja su ištirpusiu molekuliniu vandeniliu, o ne su bendra vandens elektrine savybe. Būtent dėl šio specifiškumo galima atlikti titravimą lašas po lašo (šaltinis: „H2Sciences H2Blue“ gaminio dokumentacija). Į išmatuotą vandens mėginį lašinama tol, kol mėlyna spalva nustoja išnykti; kiekvienas spalvą panaikinantis lašas atitinka žinomą ištirpusio vandenilio kiekio prieaugį: pagal tą pačią dokumentaciją, 0,1 mg/L kiekvienam lašui 6 mL mėginyje. Tam nereikia zondo, baterijos ar kalibravimo kreivės – perskaičiavimą atlieka chemija.

Kompromisas tas, kad lašų testas yra akimis vertinamas titravimas, todėl rezultatui įtakos turi tai, ar kiekvieną kartą vienodai parenkamas mėginio tūris, lašo dydis ir apšvietimas; nuo elektronikos jis priklauso mažiau. Tai kitoks kruopštumo poreikis nei naudojant ORP matuoklį, bet kruopštumo vis tiek reikia. Kalbant apie kainą, 10 mL „H2Blue“ buteliukas paprastai kainuoja 30–40 USD ir jo pakanka maždaug 50 testų, todėl vienas testas kainuoja gerokai mažiau nei dolerį (šaltinis: „Hydrogen4Health“).

Kaina ir ką už ją gaunate

Palyginus greta, trys metodai labai skiriasi ir kaina, ir tuo, ką iš tikrųjų parodo:

Metodas	Ką aptinka	Tipinė kaina
Kolorimetrinis lašų rinkinys (pvz., „H2Blue“)	H2 specifinė titravimo reakcija, vertinama akimis	Apie 30–40 USD už rinkinį, mažiau nei 1 USD už testą
Vartotojams skirtas skaitmeninis „vandenilio matuoklis“ (ORP pagrindu)	ORP įtampa, pagal formulę paverčiama ekrane rodomu ppb skaičiumi	Paprastai gerokai mažiau nei keli šimtai dolerių
Tyrimų lygio H2 jutiklis (poliarografinis / amperometrinis)	Tiesiogiai aptinkamas vandenilio dalinis slėgis	Laboratorinė / bandomosios gamybos įranga; viešai skelbiamos vartotojams skirtos mažmeninės kainos nėra

Skirtumą tarp vidurinės ir viršutinės eilutės lemia ne tiek pagaminimo kokybė. Jis atspindi tai, kad tikras H2 specifinis jutiklis ir jį palaikanti elektronika kuriami tiems, kuriems reikia pagrįsti matavimo tikslumą tyrimų ar kokybės kontrolės aplinkoje, o vartotojams skirtas matuoklis kuriamas taip, kad būtų įperkamas ir nešiojamas, tačiau matuotų ne patį vandenilį, o jį atspindintį signalą.

Kuris iš jų iš tikrųjų atsakys į jūsų klausimą

Jei norite patikrinti, ar vienas prietaisas pagamina gerokai daugiau vandenilio nei kitas, paeiliui testuojant tą patį vandenį ir esant tokiai pačiai temperatūrai, lašų rinkinys arba nuosekliai naudojamas vartotojams skirtas ORP matuoklis gali pakankamai aiškiai parodyti šį skirtumą, kad tai būtų naudinga. Jei norite absoliutaus ppb rodmens, tinkamo naudoti nešiojamuoju prietaisu ir patikimo ne tik atliekant vieną tokį palyginimą, bet ir kitą dieną arba kitame vandenyje, tokį rodmenį pateikia tik vandeniliui specifinis jutiklis, o tokio lygio įranga skirta laboratorijoms, ne virtuvėms. Kad ir kokį įrankį naudotumėte, matuodami vandenį iškart po jo paruošimo ir užsirašydami jo temperatūrą, užtikrinsite sąžiningą prietaisų palyginimą, nes vandeniui stovint kinta ir vandenilio kiekis, ir ORP iškraipantis signalas.

Jei naudojate tokį butelį kaip Hydrion Pulse, kuriame nurodyti atskiri 5 ir 10 minučių režimų ppb rodmenys, teisingas būdas patikrinti šį teiginį – tomis pačiomis sąlygomis išmatuoti ką tik paruoštą vandenį kiekvienu režimu, o ne lyginti vieną rodmenį su skaičiumi, prieš kelias savaites pamatytu kitame prietaise. Jei norite sužinoti daugiau apie lašų testų pagrindus ir kodėl vien ORP nėra vandenilio matavimas, vandenilio vandenyje matavimo apžvalgoje ši tema aptariama nuo pradžių. Jei nesate tikri, ar jūsų įrankio rodomas skaičius pateiktas ppb ar ppm, paaiškinime apie PPB ir PPM šis skirtumas išnagrinėtas išsamiau. O kai turėsite ppb rodmenį, kuriuo pasitikite, straipsnyje paaiškinama, kokį vandenilio kiekį jis iš tikrųjų atitinka miligramais ir molekulėmis, o straipsnyje apie elektrolizės poveikį pH išsamiau aptariamas veiksnys, kurį šiame straipsnyje tik trumpai palietėme.