Waarom waterstofmachines gedestilleerd of zuiver water nodig hebben (uitleg over TDS-limieten)

Als op het specificatieblad van je Hydrion Zenith waterstofinhalatiemachine staat: "Zuiver water / gedestilleerd water (TDS < 3 ppm)", dan is dat getal er niet voor niets. Het geeft de grens aan tussen water waarop de elektrolysecel van de machine jarenlang kan werken en water dat de machine langzaam vanbinnen vervuilt. De reden heeft te maken met wat het protonuitwisselingsmembraan (PEM) in de machine precies doet om waterstofgas te produceren, en met wat de mineralen in gewoon kraanwater doen zodra ze in dat proces terechtkomen.

• De specificatie vermeldt een getal, geen merk water. Gedestilleerd, gedeïoniseerd en omgekeerde-osmosewater kunnen allemaal voldoen, zolang de waarde voor totaal opgeloste stoffen onder de door de fabrikant opgegeven grens blijft.
• Het membraan heeft water met weinig ionen nodig om efficiënt te werken. De opgeloste mineralen in kraanwater gaan niet op dezelfde manier door het membraan als de waterstofionen; in plaats daarvan slaan ze neer in de cel.
• De afzetting bouwt zich op. Eén glas kraanwater maakt een machine niet kapot, maar herhaaldelijk bijvullen stapelt zich op, net zoals kalkaanslag zich in een waterkoker opbouwt.
• Met een eenvoudige TDS-meter krijg je uitsluitsel over elke waterbron waarover je twijfelt, in plaats van af te gaan op smaak of helderheid.

Wat betekent "zuiver water / gedestilleerd water (TDS < 3 ppm)" op het specificatieblad?

In de specificaties van de Zenith staat de vereiste duidelijk vermeld: "Watervereiste: zuiver water / gedestilleerd water (TDS < 3 ppm)", elders op de productpagina herhaald als "Gedestilleerd of gezuiverd water (TDS lager dan 3 ppm). Dat houdt het membraan schoon en de waterstofzuiverheid op 99,99%" (bron: productpagina van de Hydrion Zenith). TDS staat voor totaal opgeloste stoffen, gemeten in parts per million, en is een maatstaf voor het aantal minerale ionen in een watermonster. Gedestilleerd water uit een fles van de supermarkt, water dat door een omgekeerde-osmosesysteem voor thuisgebruik is gegaan, of water uit een deïonisatiepatroon kan allemaal onder de grens van 3 ppm uitkomen. Daarom noemt de specificatie "zuiver water / gedestilleerd water" in plaats van één methode voor waterzuivering aan te wijzen. In de praktijk sluit dit kraanwater uit, evenals het merendeel van het bron- of mineraalwater in flessen en water dat alleen met een koolstoffilter is gefilterd, aangezien geen van die processen is bedoeld om opgeloste ionen te verwijderen. Wil je weten hoe een TDS-meter werkt en welk getal over het algemeen als goed geldt voor huishoudelijk water, lees dan deze aparte gids over TDS in water; dit artikel richt zich specifiek op de reden waarom de Zenith deze grens hanteert.

Waarom PEM-elektrolyse specifiek water met weinig ionen nodig heeft

In de Zenith wordt waterstofgas geproduceerd door middel van protonuitwisselingsmembraan-elektrolyse (PEM-elektrolyse): een dun membraan zit tussen twee elektroden en een elektrische stroom splitst watermoleculen, zodat waterstofionen door het membraan van de ene kant naar de andere gaan, waar ze weer samenkomen tot waterstofgas. Dit membraan is specifiek ontworpen om waterstofionen door te laten, niet om alles door te laten wat toevallig in het water is opgelost. Wanneer het water minerale ionen en andere onzuiverheden bevat, zoals gewoon kraanwater, gaan die ionen er niet op de bedoelde manier doorheen zoals waterstofionen dat doen. In plaats daarvan slaan ze neer op de cel zelf. Volgens richtlijnen voor elektrolyseapparatuur veroorzaakt die afzetting onherstelbare schade: ze verkleint het bruikbare oppervlak van het membraan, waardoor dezelfde elektrische invoer met meer inspanning minder waterstof oplevert (bron: Waarom DI-water belangrijk is voor waterstofgeneratoren). Naarmate de cel hierdoor minder efficiënt wordt, verbruikt deze meer stroom en wordt hij warmer in een poging bij te blijven. Daarom beschouwen fabrikanten van waterstofapparatuur op basis van PEM het gebruik met water van de verkeerde kwaliteit over het algemeen als gebruik buiten de garantievoorwaarden, en niet als een klein onderhoudsverzuim. Voor een bredere uitleg van de werking van SPE/PEM-membranen in de waterstofwaterproducten van Hydrion gaat deze uitleg over het werkingsprincipe dieper in op het elektrolyseproces dan voor dit artikel nodig is.

Wat mineralen uit kraanwater daadwerkelijk in de machine doen

Het mechanisme wordt concreet als je kijkt naar wat de calcium- en magnesiumionen in kraanwater precies doen zodra de elektrolyse begint. Wanneer er stroom door de cel loopt, slaan deze ionen bij de kathode neer als hydroxiden en vormen ze een aanslaglaag op het elektrodeoppervlak. Een patent voor apparatuur voor de productie van geëlektrolyseerd water beschrijft dit rechtstreeks: het calcium en magnesium in kraanwater "slaan neer op het oppervlak van de kathodeplaat, vormen aanslag en verminderen de efficiëntie van de elektrolyse" (bron: Amerikaans octrooi 6.251.259 B1). Bij de tegenoverliggende elektrode kunnen chloride-ionen, die in het meeste kraanwater aanwezig zijn, een afzonderlijke corrosieve reactie veroorzaken. Onderzoek naar PEM-elektrolyse met water dat verontreinigd is met ionen heeft uitgewezen dat de van nature zure werkomstandigheden van het membraan deze door chloride veroorzaakte aantasting van de elektrode specifiek bij PEM-systemen een groter risico maken dan bij andere elektrolyseontwerpen (bron: Ionselectieve interface-engineering voor duurzame elektrolyse van onzuiver water). In dat onderzoek werd elektrolyse getest met water met veel hogere ionenconcentraties, vergelijkbaar met zeewater, dan in typisch kraanwater. De specifieke timing van defecten is daarom niet rechtstreeks toepasbaar op een huishoudelijke vulling kraanwater in een Zenith. Wat wel van toepassing is, is het onderliggende mechanisme: calcium-, magnesium- en chloride-ionen in gewoon water vervuilen en corroderen een PEM-cel actief in plaats van er inert in te blijven zitten, en hoe meer ervan een cel na verloop van tijd verwerkt, hoe meer schade zich ophoopt.

Waarom het wateradvies hiervoor anders is dan voor een waterstoffles

Een waterstoffles gebruikt een vergelijkbaar elektrolyseprincipe op veel kleinere schaal en telkens maar een paar minuten. Daarom is het waterkwaliteitsadvies voor een fles niet automatisch hetzelfde als voor een continu werkende inhalatiemachine zoals de Zenith. In een aparte gids lees je welk water geschikt is voor een waterstoffles, wat het verschil is en waarin de tolerantie voor kraanwater tussen de twee soorten apparaten daadwerkelijk verschilt. Kort gezegd: op het specificatieblad van de Zenith staat de vereiste uitdrukkelijk vermeld, dus je hoeft niet te gissen op basis van wat elders aanvaardbaar is.

Hoe de aanslag eruitziet als het al is gebeurd

Als een machine een tijdlang met kraanwater is gebruikt, is de hierboven beschreven minerale aanslag meestal zichtbaar als een krijtachtige, witachtige laag op de metalen oppervlakken in het reservoir of de behuizing van de cel die met water in aanraking komen. De aanslag lijkt op kalkaanslag in een waterkoker die met hard water wordt gebruikt. Je spoelt de aanslag niet weg met een snelle veeg, zoals bij los stof, omdat het een minerale afzetting is die zich aan het oppervlak heeft gehecht en geen vuil dat erop ligt. Als je deze aanslag ziet, is dat een teken om voortaan water te gebruiken dat aan de opgegeven TDS-waarde voldoet. Raadpleeg de handleiding om te controleren of de fabrikant een specifieke reinigings- of ontkalkingsstap voor deze aanslag beschrijft, aangezien dat buiten de waterkwaliteitsspecificatie zelf valt.

Water vinden en controleren dat aan de specificatie voldoet

In de praktijk kunnen drie soorten water voldoen aan een grens van minder dan 3 ppm: gedestilleerd water uit de winkel, water dat is behandeld met een omgekeerde-osmosesysteem voor thuisgebruik en water uit een speciaal deïonisatiesysteem. Gewoon kraanwater, gefilterd kraanwater en het meeste bron- of mineraalwater in flessen voldoen niet, omdat geen van die processen is ontworpen om opgeloste ionen tot dat niveau te verwijderen. Als je al een RO- of DI-systeem hebt, volstaat de meetwaarde van het geproduceerde water doorgaans om te bevestigen dat het aan de grens voldoet. Gebruik je gedestilleerd water uit de winkel of twijfel je over een filtersysteem, dan geeft een eenvoudige draagbare TDS-meter binnen enkele seconden een directe meting. Dat is betrouwbaarder dan de kwaliteit van water beoordelen op smaak of helderheid. Houd er ook rekening mee dat bijvullen met kraanwater, "alleen deze ene keer", precies de ionen opnieuw toevoegt die volgens de specificatie buiten de machine moeten blijven. Eén keer zal op zichzelf geen aanslag in een cel veroorzaken, maar het is de opeenhoping door herhaaldelijk bijvullen, niet één enkel glas, die de hierboven beschreven aanslag en corrosie veroorzaakt.

Controleer voordat je de volgende keer bijvult het specificatieblad of de handleiding van je eigen machine op de exacte TDS-waarde die erin wordt vermeld. Ook voor de andere waterstofinhalatie- en generatormodellen van Hydrion gelden namelijk eigen waterkwaliteitseisen in de specificaties, ook als het getal zelf hier niet opnieuw wordt genoemd. Als je naast de machine ook een waterstoffles gebruikt, vind je de reinigings- en dagelijkse gebruiksroutine voor dat afzonderlijke apparaat in deze gids voor gebruik en onderhoud. Daarin staat wat de handleiding van de fles zelf voorschrijft.