PEM ir šarminė elektrolizė vandenilio inhaliatoriuose: kodėl svarbus elektrolito tipas

Vandenilio įkvėpimo aparatai dujas gamina vienu iš dviejų elektrolizės būdų: protonų mainų membranos (PEM) elektrolizės būdu, kuriam naudojama kieta polimerinė membrana ir platinos grupės katalizatorius, arba šarminės elektrolizės būdu, kuriam naudojamas skystas kalio hidroksido (KOH) tirpalas ir porėta diafragma. Elektrolito tipas svarbus, nes ėsdinančio skysčio buvimas dujas generuojančioje kameroje kelia kitokių inžinerinių klausimų nei kietos membranos buvimas, o žinodami, kurią technologiją naudoja konkretus aparatas, galėsite tinkamai įvertinti jo specifikacijų lapą prieš pirkdami, o ne po to.

• PEM elektrolizėje dujų kelyje nėra skysto elektrolito: protonai keliauja per kietą membraną, o elektrolizatoriuje reakcijai paspartinti paprastai naudojamas platinos grupės katalizatorius.
• Šarminėje elektrolizėje naudojamas skystas KOH tirpalas, o vandenilio ir deguonies srautus skirianti porėta diafragma turi užtikrinti elektros efektyvumą ir kartu kuo geriau neleisti dujoms (o kartu ir elektrolito lašeliams) prasiskverbti į kitą pusę.
• Kalio hidroksidas yra atskirai dokumentuotas akių, odos ir kvėpavimo takų dirgiklis, kuriam valdžios institucijos yra nustačiusios didžiausią poveikio ribą. Šis faktas egzistuoja atskirai; vien jis neparodo, ar dėl konkretaus vartotojams skirto inhaliatoriaus konstrukcijos ši medžiaga gali patekti į įkvepiamas dujas.
• Specifikacijų lape nurodyta katalizatoriaus medžiaga yra vienas patikimesnių požymių, padedančių nustatyti, kokį metodą aparatas naudoja: platinos arba platinos grupės dangos rodo PEM, o nikelio pagrindo katalizatoriai – šarminę elektrolizę. Kaina yra apytikris tos pačios skirties rodiklis, bet ne jos įrodymas.

Ką PEM elektrolizė reiškia vandenilio įkvėpimo aparatui

PEM elektrolizatoriuje vanduo anode suskaidomas į deguonies dujas ir teigiamą krūvį turinčius vandenilio jonus. Jie keliauja per ploną, kietą polimerinę membraną į katodą, kur prisijungia elektronus ir vėl susijungia į vandenilio dujas (šaltinis: JAV Energetikos departamentas, „Vandenilio gamyba: elektrolizė“). Pati membrana yra plonas kietos medžiagos lakštas, o ne skysčio talpykla, todėl dujoms nereikia pereiti per atskirą elektrolitą ar jo nusinešti pakeliui į išleidimo angą.

Membranos paskirtis – efektyviai pernešti protonus, todėl PEM sistemose paprastai naudojamas membranos paviršiuje padengtas platinos grupės metalų katalizatorius (šaltinis: Vandens elektrolizė, „Wikipedia“). Platina yra brangi tiek įsigyti, tiek padengti ja paviršių – tai viena iš priežasčių, kodėl PEM aparatus paprastai pagaminti kainuoja daugiau nei lygiaverčius šarminės elektrolizės aparatus. Už tai kietos membranos konstrukcija padeda išvengti konkrečios inžinerinės problemos, kurią tenka spręsti šarminėse sistemose: visiškai atskirti skystą elektrolitą nuo dviejų jo gaminamų dujų srautų.

Ką reiškia šarminė (KOH) elektrolizė ir kodėl svarbus elektrolitas

Šarminė elektrolizė veikia tuo pačiu pagrindiniu principu – vanduo skaidomas elektros srove, tačiau joje vietoj kietos membranos naudojamas skystas elektrolitas: kalio arba natrio hidroksido tirpalas užpildo kamerą, o hidroksido jonai keliauja nuo katodo į anodą, tuo tarpu katode susidaro vandenilis (šaltinis: JAV Energetikos departamentas, „Vandenilio gamyba: elektrolizė“). Skystas elektrolitas yra pagrindinis skirtumas nuo PEM, be to, būtent todėl šarminiai aparatai paprastai yra pigesnis pasirinkimas: juose dažniausiai naudojami nikelio pagrindo katalizatoriai, o ne platinos grupės metalai, reikalingi PEM membranai (šaltinis: Vandens elektrolizė, „Wikipedia“).

Šarminėje kameroje vandenilio ir deguonies srautus atskiria ne kieta membrana, o skystame elektrolite esanti porėta diafragma. Jai tenka atlikti dvi viena kitai prieštaraujančias funkcijas: kuo diafragma porėtesnė ir plonesnė, tuo mažesnė elektros varža ir didesnis kameros efektyvumas, tačiau didesnis porėtumas siejamas ir su didesniu dujų prasiskverbimu tarp vandenilio ir deguonies pusių (šaltinis: Šarminė vandens elektrolizė, „Wikipedia“). Kitaip tariant, dėl konstrukcinio sprendimo, kuris atpigina šarminės kameros eksploatavimą, tampa sunkiau užtikrinti dujų atskyrimą.

Atskirai nuo šio inžinerinio kompromiso kalio hidroksidas pats savaime yra pripažintas pavojingu. Dokumentuota, kad jis dirgina akis, odą ir kvėpavimo takus, o JAV Nacionalinis darbuotojų saugos ir sveikatos institutas jam yra nustatęs rekomenduojamą 2 mg/m3 didžiausią poveikio ribą; OSHA leistinos poveikio ribos nėra nustačiusi (šaltinis: NIOSH cheminių pavojų vadovas, kalio hidroksidas). Ši pavojingumo klasifikacija apibūdina pačią cheminę medžiagą, esant koncentracijoms ir tokiomis sąlygomis, kurias tyrė šios institucijos; tai nėra matavimas, parodantis, ką išskiria kuris nors konkretus vartotojams skirtas vandenilio įkvėpimo aparatas.

Sąžiningai įvertinus abu faktus, pagrįsta išvada yra siauresnė, nei teigiama antraštėse. Turimi įrodymai patvirtina realų inžinerinį kompromisą (didesnis diafragmos porėtumas padidina dujų prasiskverbimą) ir realų cheminį pavojų (KOH yra dirgiklis, kuriam nustatyta poveikio riba). Jie neįrodo, kad kuris nors rinkoje esantis šarminis vandenilio įkvėpimo aparatas į orą, kuriuo kvėpuojate, išleidžia elektrolito lašelių. Tačiau jie pagrindžia klausimą, kaip konkretaus aparato gamintojas sprendžia šį kompromisą, užuot manius, kad visi šarminiai aparatai yra nesaugūs arba kad visi jie tinkami.

Kaip nustatyti, kokią technologiją naudoja aparatas

Prieš pirkdami neprivalote išmanyti chemijos. Ši informacija paprastai nurodoma tiesiogiai, o jei jos nėra, ir tai savaime yra reikšminga.

Kaip skaityti specifikacijų lapą

Produkto specifikacijose arba vadove ieškokite žodžių „PEM“ arba „protonų mainų membrana“, taip pat „šarminė“, „šarmas“ arba „KOH“. Daugelyje aprašymų nurodoma ir katalizatoriaus medžiaga – tai patikimas papildomas požymis: nurodyta platinos arba platinos grupės danga rodo PEM, o nikelio pagrindo katalizatorius – šarminę elektrolizę. Jei norite išsamiau susipažinti su SPE/PEM membranų chemija, įskaitant tai, kaip ta pati technologija naudojama „Hydrion“ geriamojo vandens generatoriuose, šiame membranų technologijos paaiškinime mechanizmas aprašytas išsamiau nei viename specifikacijų lape.

Klausimai, kuriuos verta užduoti prieš perkant

Kainos lygis yra naudingas požymis, bet pats savaime nėra įrodymas: PEM membranos ir katalizatoriaus gamyba iš tiesų kainuoja brangiau, todėl gerokai mažesnė kaina dažniau siejama su šarmine elektrolize nei su PEM. Jei produkto aprašyme žadama „klinikinio lygio“ vandenilio gamyba, bet elektrolizės metodas visai nenurodomas, verta tiesiai paklausti pardavėjo, nes gamintojas žino, kokia technologija naudojama aparate. Jei dar sprendžiate, ar įkvėpimas apskritai jums tinkamas būdas, šis vandenilio inhaliacijos terapijos vadovas pradedantiesiems yra geresnė pradžia, o elektrolizės klausimas įsilieja į platesnį kontrolinį sąrašą, aptariamą šiame vandenilio įkvėpimo aparato pasirinkimo pirkėjo vadove. Skaitytojai, norintys atskirai išsiaiškinti, kokio reguliavimo institucijų patvirtinimo iš tiesų reikia „medicininio lygio“ ar „klinikinio“ lygio teiginiams pagrįsti, gali susipažinti su planuojamu straipsniu apie teiginius, kad vandenilio inhaliatorius yra medicininio lygio, o skaitytojai, besidomintys platesniais įkvėpimo saugos klausimais, ne vien čia aptartu elektrolito klausimu, gali ieškoti planuojamo straipsnio apie vandenilio įkvėpimo šalutinį poveikį.

„Titan“ vieta

Kaip konkretų pavyzdį, paimkime tikrą specifikacijų lapą: „Hydrion Titan“ vandenilio įkvėpimo aparato specifikacijose nurodyta PEM elektrolizė su didelio grynumo platinos danga, taip pat nurodomas 99.99% vandenilio grynumas naudojant vieną, dvi arba tris išleidimo angas įkvėpimui. Tai gamintojo teiginys apie jo paties produktą, o ne šiame straipsnyje nepriklausomai laboratorijoje patikrintas teiginys, todėl jį verta taip ir vertinti: kaip informaciją, kurią turėtų pateikti specifikacijų lapas, o ne kaip nepriklausomų bandymų pakaitalą.

Praktinė išvada paprasta. Tiek PEM, tiek šarminė elektrolizė yra pripažinti būdai vandeniui suskaidyti į vandenilį ir deguonį; kiekvienas jų turi savų kompromisų, susijusių su kaina, katalizatoriaus medžiaga ir tuo, kaip atskiriami du dujų srautai. Prieš rinkdamiesi aparatą, jo specifikacijų lape patikrinkite nurodytą elektrolizės metodą ir katalizatoriaus medžiagą – taip, kaip jie nurodyti „Titan“ aprašyme, – o jei šios informacijos nėra, klauskite, užuot darę prielaidas.