Kodėl H2 ir O2 santykis yra 2:1 ir kiek vandens sunaudojama

Atvėrus beveik bet kurio vandenilio inhaliacijos aparato techninių duomenų lapą, išvesties skaičiai pateikiami pagal tą patį principą: 300 ml/min H2 ir 150 ml/min O2 arba 2 000 ml/min H2 ir 1 000 ml/min O2. Vandenilio rodiklis visada yra tiksliai dvigubai didesnis už deguonies rodiklį. Tai nėra rinkodaros pasirinkimas ar apvalinimo taisyklė – tokį santykį tiesiogiai lemia aparato viduje vykstanti chemija. Elektrolizės metu vanduo pagal tūrį suskaidomas į vandenilį ir deguonį fiksuotu santykiu 2:1. Taip yra dėl to, kaip elektronai juda tarp dviejų elektrodų, todėl kiekvieno šiuo procesu veikiančio aparato rodikliai padvigubėja vienodai, nepriklausomai nuo jo dydžio. Supratus, kad šis santykis yra reakcijos, o ne aparato rankenėlės nustatymo savybė, galima apytiksliai apskaičiuoti, kiek vandens per valandą sunaudoja konkretų kiekį dujų išskiriantis aparatas, remiantis vien gamintojo jau nurodytu srautu.

• Vandenilio ir deguonies santykį 2:1 lemia vandens skaidymo reakcijos elektronų balansas, o ne gamintojo pasirinkimas, todėl jis išlieka toks pats esant bet kokiam PEM pagrindu veikiančio aparato išvesties lygiui.
• Perjungus mišraus H2+O2 ir gryno H2 režimus, pasikeičia tai, kuris dujų srautas pasiekia kaniulės jungtį, tačiau ne ląstelės viduje vykstanti gamyba santykiu 2:1.
• Kadangi dujų tūris ir sunaudojamo vandens kiekis susiję ta pačia reakcija, iš nurodyto srauto ml/min galima apytiksliai apskaičiuoti, kiek mililitrų vandens aparatas sunaudoja per valandą.

Reakcija, vykstanti kiekviename vandenilio ir deguonies aparate

Vandens elektrolizė – įprasta chemijos tema, paprastai užrašoma subalansuota lygtimi 2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g). Pažodžiui tai reiškia, kad dvi vandens molekulės skyla į dvi vandenilio dujų molekules ir vieną deguonies dujų molekulę. Šis santykis nėra apytikslis ar patogumo dėlei suapvalintas – jį lemia tai, kaip reakcijos metu elektronai juda tarp dviejų elektrodų. Toliau paaiškinsime, kaip tai vyksta. Išsamiau apie tai, kaip vandenilio vandens generatoriaus membrana atlieka šį procesą, skaitykite SPE/PEM elektrolizės paaiškinime – šiame straipsnyje šią temą paliesime tik trumpai.

Protonų mainų membranos (PEM) celėje, kuri naudojama šiuose aparatuose, į anodą tiekiamas vanduo oksiduojamas į deguonies dujas ir protonus. Protonai pereina per membraną į katodą, kur vėl prisijungia elektronus ir susijungia į vandenilio dujas (šaltinis: Vandens elektrolizė naudojant protonų mainų membraną (PEM), „Nel Hydrogen“ žodynėlis). Anode susidarant vienai deguonies molekulei, išsiskiria keturi elektronai, o katode vienai vandenilio molekulei susidaryti reikia tik dviejų. Todėl katodo pusės reakcija turi įvykti du kartus kiekvienam anodo pusės reakcijos ciklui. Dėl to katodo pusės reakcijos lygtis rašoma padvigubinta, kad būtų išsaugotas pernešamas krūvis (šaltinis: Vandens elektrolizė, „LibreTexts Chemistry“). Šis padvigubinimas ir lemia santykį 2:1. Kadangi jį nustato krūvio tvermė, o ne kokia nors aparato rankenėlė, santykis išlieka toks pats esant bet kokiam srovės stipriui: didesnė srovė tiesiog per tą pačią proporciją per sekundę praleidžia daugiau elektronų, o ne pakeičia proporciją.

Kodėl santykis vienodas tiek nustačius 300 ml/min, tiek 3 000 ml/min aparate

Jei temperatūra ir slėgis nekinta, dujų tūris kinta proporcingai jose esančių molekulių skaičiui, todėl molių santykis 2:1 tiesiogiai atsispindi srauto matuoklio rodomame tūrio santykyje 2:1. Štai kodėl mišraus režimo nustatymai, pavyzdžiui, „Hydrion Zenith“ vandenilio įkvėpimo aparato 450 ml/min lygis (300 H2 ir 150 O2) arba didžiausias 1 800 ml/min lygis (1 200 H2 ir 600 O2), visada rodo tiksliai dvigubai didesnį vandenilio rodiklį nei deguonies: tarp nustatymų keičiasi tik celę veikianti srovė, o didesnė srovė proporcingai padidina abiejų dujų kiekį, išlaikydama tą patį fiksuotą santykį. Tas pats principas galioja ir didesnio formato aparatui, pavyzdžiui, „Hydrion Titan“ vandenilio įkvėpimo aparatui: jo nurodoma 3 000 ml/min išvestis pasidalija į 2 000 ml/min H2 ir 1 000 ml/min O2. Tai tris kartus daugiau nei didžiausias „Zenith“ nustatymas, tačiau santykis išlieka toks pats.

Ką iš tiesų keičia „mišrus režimas“ ir „gryno H2 režimas“

„Zenith“ išvesties lentelėje nurodyti septyni lygiai – nuo 300 ml/min iki 1 800 ml/min. Du iš jų – 300 ir 600 ml/min – pažymėti kaip „grynas H2“, o likę penki, nuo 450 iki 1 800 ml/min, pažymėti kaip „mišrus režimas“. Iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad šie du gryno H2 nustatymai tiesiog pagamina mažiau dujų, nes šalia jų nenurodytas deguonies kiekis. Tačiau taip praleidžiamas vienas svarbus dalykas: elektrolizės celės viduje vandenilis ir deguonis vis tiek gaminami tokiu pačiu 2:1 santykiu, esant bet kokiam nustatymui, nepaisant to, ar rankenėlė pažymėta kaip grynas, ar mišrus režimas. Pasirinkus gryno H2 režimą, iš tiesų pasikeičia tai, kuris dujų srautas nukreipiamas į kaniulę, o kuris išleidžiamas arba pašalinamas kitu būdu kitur aparate, bet ne tai, ar apskritai vyksta deguonį gaminanti reakcijos pusė.

„Titan“ tą patį klausimą sprendžia kitaip. Jo gaminio puslapyje aprašytos trys išvesties konfigūracijos: viena išvestis, tiekianti mišrų H2+O2 srautą, dviejų išvesčių režimas, kai srautas paskirstomas dviem naudotojams, ir atskira gryno H2 išvestis. Puslapyje nenurodytas kiekvienos išvesties srautas ml/min taip, kaip „Zenith“ lentelėje atskirai pateikti kiekvieno mišraus ir gryno režimo rodikliai. Todėl „Titan“ 3 000 ml/min rodiklį (2 000 H2 + 1 000 O2) geriausia suprasti kaip bendrą celės išvestį, o ne kaip skaičių, kuris vienodai pasidalija tarp kiekvieno išvesties režimo.

Abu aparatai tą patį principą atskleidžia skirtingais aspektais. Sąvokos „mišrus režimas“ ir „grynas H2“ apibūdina už celės esančią išvesties vamzdelių konfigūraciją, kuri nulemia, kokį dujų srautą gauna konkreti kaniulės jungtis. Jos neapibūdina dviejų skirtingų cheminių procesų, vykstančių celės viduje. Santykis 2:1 išlieka abiem atvejais, nepaisant to, kurią išvestį naudojate seanso metu.

Nuo mililitrų per minutę iki apytikslio vandens kiekio: skaičiavimo pavyzdys

Kadangi reakcija tiesiogiai susieja dujų tūrį su joms pagaminti sunaudojamo vandens kiekiu, iš nurodyto srauto ml/min galima trimis žingsniais apskaičiuoti apytikslį vandens sunaudojimą. Pirma, nurodytą deguonies srautą iš mililitrų per minutę paverskite litrais, tada – moliais, vadovaudamiesi taisykle, kad standartinėmis sąlygomis vienas molis dujų užima apie 22,4 litro (šaltinis: Dujų molinis tūris, „LibreTexts Chemistry“). Antra, pritaikykite pačią reakciją: kiekvienam susidariusiam deguonies moliui sunaudojami du vandens moliai, todėl pirmame žingsnyje gautą molių skaičių padauginkite iš dviejų, kad sužinotumėte, kiek molių vandens sunaudojama per minutę. Trečia, gautą skaičių paverskite gramais, naudodami apytikslę vandens molinę masę – 18 gramų moliui, tada padauginkite iš 60, kad gautumėte valandos rodiklį. Mililitras vandens sveria beveik gramą, todėl gramais gautas rezultatas apytiksliai atitinka ir mililitrų skaičių.

Paimkime 450 ml/min mišrų „Zenith“ nustatymą, kuriame nurodyta 150 ml/min deguonies. Tai yra 0,15 litro per minutę, arba maždaug 0,0067 molio deguonies per minutę (0,15 padalyta iš 22,4). Padauginę iš dviejų pagal vandens ir deguonies santykį 2:1, gauname, kad per minutę sunaudojama apie 0,0134 molio vandens. Tai sudaro maždaug 0,24 gramo per minutę, arba apie 14–15 mililitrų vandens per valandą.

Taip pat apskaičiuokime didžiausią „Zenith“ nustatymą – 1 800 ml/min mišraus srauto (1 200 H2 ir 600 O2): 600 ml/min deguonies sudaro apie 0,027 molio per minutę. Padauginus iš dviejų, gauname maždaug 0,054 molio vandens per minutę – beveik gramą per minutę arba apie 58 mililitrus vandens per valandą. Tai keturis kartus daugiau nei esant 450 ml/min nustatymui, kaip ir pati išvestis yra keturis kartus didesnė. Atlikus tuos pačius skaičiavimus „Titan“ bendram 3 000 ml/min rodikliui (1 000 ml/min deguonies), gaunama apie 0,045 molio deguonies per minutę. Padauginus iš dviejų, gauname maždaug 0,089 molio vandens per minutę, arba beveik 1,6 gramo per minutę. Taigi didžiausias nurodytas jo išvesties lygis reiškia maždaug 95–100 mililitrų vandens per valandą.

Nustatymas	Nurodyta išvestis (H2 / O2)	Apytikslis vandens sunaudojimas per valandą
„Zenith“, 450 ml/min (mišrus režimas)	300 / 150 ml/min	~14–15 ml
„Zenith“, 1 800 ml/min (mišrus režimas)	1 200 / 600 ml/min	~58 ml
„Titan“, 3 000 ml/min (bendra išvestis)	2 000 / 1 000 ml/min	~95–100 ml

Nė vieno iš šių skaičių nereikėtų laikyti tiksliu sunaudojamo vandens rodikliu. Nė vienas gamintojas nenurodo temperatūros ir slėgio, kuriems esant matuojamas jo nurodomas srautas ml/min, o 22,4 litro moliui rodiklis pagrįstas standartinėmis sąlygomis, kurios neatitinka tikslių veikiančio aparato sąlygų. Šiuos skaičius vertinkite kaip apytikslį dydžio eilės įvertį, padedantį nuspręsti, kaip dažnai tikrinti vandens talpyklą, o ne kaip garantuotą vandens sunaudojimo normą.

Kaip tuos pačius tris žingsnius pritaikyti bet kuriam kitam nustatymui ar aparatui

Tuos pačius tris perskaičiavimo veiksmus galima atlikti su bet kuriuo ml/min rodikliu bet kuriame PEM pagrindu veikiančiame aparate, įskaitant ir čia neaptartus nustatymus: paimkite nurodytą deguonies srautą arba pusę vandenilio srauto, nes abu juos sieja tas pats santykis 2:1, pagal taisyklę, kad vienas molis užima 22,4 litro, paverskite jį moliais, padauginkite iš dviejų pagal reakciją, o tada perskaičiuokite į gramus pagal vandens molinę masę. Skaičiavimas nesikeičia – keičiasi tik pradinis srauto rodiklis.

Kodėl didesnis skaičius nereiškia kitokios chemijos

Pereidami nuo 300 ml/min nustatymo prie 3 000 ml/min aparato, keičiame reakcijos mastą – dėl to per celę teka didesnė srovė, tačiau pati chemija nesikeičia. Didesnė srovė per sekundę perneša daugiau elektronų, todėl kiekvieną kartą proporcingai pagaminama daugiau vandenilio ir deguonies, išlaikant tą patį santykį 2:1. Didesnis pagrindinis skaičius techninių duomenų lape reiškia didesnio masto to paties proceso versiją, o anksčiau pateikti vandens sunaudojimo per valandą rodikliai auga panašiai – apytiksliai proporcingai srautui, o ne pagal kokią nors su juo nesusijusią kreivę.

Šiame straipsnyje sąmoningai neaiškinami du susiję rodikliai. Ką iš tiesų rodo 99,99 % vandenilio grynumo rodiklis ir kaip patikrinti techninių duomenų lape pateiktą grynumo teiginį, paaiškinta atskirame straipsnyje apie vandenilio grynumą. Ką reiškia nurodyti galios rodikliai vatais ir kodėl 110 V sistema skiriasi nuo 220 V sistemos, aptariama atskirame straipsnyje apie vandenilio terapijos aparatų galią ir įtampą. Jei kuris nors šiame straipsnyje vartojamas trumpinys, pavyzdžiui, ml/min, LPM ar PEM, jums nepažįstamas, vandenilio inhaliacijos žodynėlyje vienoje vietoje pateikiami visų jų paaiškinimai. O jei dar tik pradedate domėtis vandenilio inhaliacija, o ne jau lyginate techninių duomenų lapus, jums geriau pradėti nuo pradedantiesiems skirto vandenilio inhaliacijos terapijos vadovo, o ne nuo šio straipsnio.

Jei jau apsisprendėte rinktis vieną iš dviejų anksčiau kaip skaičiavimo pavyzdžiai naudotų aparatų, „Zenith“ ir „Titan“ palyginime aptariama, kuris variantas labiau tinka kokiai rutinai. Turint šiuos skaičiavimus, naudingiausias kitas žingsnis – peržiūrėti pasirinkto aparato režimų lentelę ir patikrinti, kuris išvesties lygis bei su juo susijęs vandens sunaudojimo rodiklis tinka planuojamai seanso trukmei ir tam, kaip dažnai norite papildyti talpyklą.