Zuivere waterstof versus oxywaterstof: modi en veiligheid

Wanneer op het specificatieblad van een waterstofinhalatiemachine modi staan vermeld zoals ‘enkele uitgang (gemengd H2+O2)’, ‘dubbele uitgang (gescheiden)’ en ‘drievoudige uitgang (zuivere H2)’, beschrijft dat eigenlijk wat er gebeurt met twee gassen die bij elektrolyse altijd samen ontstaan. Bij de splitsing van water ontstaan altijd waterstof en zuurstof in een vaste verhouding van 2:1. Een machine kan dat paar samen laten uitstromen als oxywaterstof, of het gas door interne kanalen leiden die de waterstof van de zuurstof scheiden voordat het de canule bereikt. Die keuze in de gasroute verklaart ook waarom een gemengde gasuitvoer zorgvuldiger moet worden ontworpen dan een verdunde stroom zuivere waterstof: oxywaterstof is binnen een veel breder concentratiebereik ontvlambaar en ontsteekt veel gemakkelijker dan waterstof die alleen met kamerlucht is gemengd.

• Bij elektrolyse van water ontstaan altijd samen waterstof en zuurstof in een verhouding van 2:1; een machine kiest er niet voor om bij de elektrode ‘alleen waterstof’ te produceren, maar kiest alleen of de twee gassen daarna worden gescheiden.
• Enkele/gemengde, dubbele/gescheiden en drievoudige/zuivere uitgangen zijn drie manieren om dezelfde elektrolyse-uitvoer te leiden, geen drie verschillende chemische processen die in de machine plaatsvinden.
• Waterstof in lucht ontsteekt alleen binnen een bepaald bereik, ongeveer 4 tot 75 volumeprocent, terwijl een vooraf gemengde oxywaterstofstroom binnen een breder bereik ontsteekt, ongeveer 4% tot 95%, en daarvoor veel minder ontstekingsenergie nodig heeft.
• Welke uitgangsmodus bij je past, hangt af van hoeveel mensen de machine gebruiken en of je de hoogste waterstofconcentratie in één stroom wilt, niet van welke modus in het algemeen ‘krachtiger’ is.

Wat ‘zuivere waterstof’ en ‘oxywaterstof’ eigenlijk betekenen

Bij elektrolyse wordt water in de samenstellende gassen gesplitst door er stroom doorheen te leiden: 2 H₂O wordt 2 H₂ plus O₂. Omdat een watermolecuul al twee waterstofatomen bevat voor elk zuurstofatoom, blijft de verhouding van het gas dat van de elektroden komt altijd hetzelfde: 2:1 per volume (bron: Oxyhydrogen - Wikipedia). Geen enkel machineontwerp verandert die uitgangsverhouding; een fabrikant ontwerpt wat er met het gas gebeurt nadat het de elektrolysecel heeft verlaten.

Als de machine waterstof en zuurstof samen door één leiding laat stromen, is het resultaat oxywaterstof, dat soms op de markt wordt gebracht onder namen als HHO of Brown’s Gas. Scheidt de machine de twee gassen daarentegen al bij de elektroden, dan kan er via de ene uitgang een leiding met alleen waterstof en via een andere een leiding met alleen zuurstof worden aangeboden. De chemie en de marketinggeschiedenis achter de naam oxywaterstof vallen buiten het onderwerp van dit artikel; een aparte uitleg over Brown’s Gas en de terminologie rond HHO gaat daar dieper op in. Hier is het belangrijkste punt eenvoudiger: ‘zuivere waterstof’ en ‘oxywaterstof’ zijn geen twee verschillende gassen uit twee verschillende bronnen, maar twee verschillende manieren waarop een machine met dezelfde elektrolyse-uitvoer kan omgaan.

Hoe de uitgangsmodus bepaalt wat de machine uitstoot

Als je eenmaal weet dat waterstof en zuurstof altijd samen ontstaan, wordt de benaming enkele/dubbele/drievoudige uitgang op specificatiebladen een kwestie van leidingen in plaats van chemie. Een enkele, gemengde uitgang voert de gecombineerde H2+O2-stroom via één leiding naar één canule, zodat één persoon het gas inademt precies zoals het uit de elektrolysecel kwam. Een dubbele, gescheiden uitgang splitst diezelfde uitvoer in twee fysiek afzonderlijke leidingen, zodat twee mensen de machine tegelijk kunnen gebruiken, of één persoon kan kiezen welk van de twee gassen via welke leiding wordt ingeademd. Een drievoudige uitgang voegt een derde route toe die alleen waterstof vervoert. Zo levert de machine per sessie de hoogst beschikbare waterstofconcentratie, omdat er geen uitvoer wordt gedeeld met een leiding die alleen zuurstof bevat.

Wie een uitgebreider kader zoekt om machines te vergelijken op basis van uitvoer, zuiverheid en prijsklasse, in plaats van alleen op deze ene specificatie, vindt mogelijk de algemene koopgids voor waterstofinhalatiemachines nuttiger. Wie nog wil bepalen of inhalatie überhaupt het proberen waard is, kan beginnen met de beginnersgids voor waterstofinhalatietherapie.

Hoe de drie modi van de Titan in dit patroon passen

De Hydrion Titan is een concreet voorbeeld, omdat dit model alle drie de modi in één apparaat biedt. De PEM-elektrolysecel produceert een nominale totale gasuitvoer van 3.000 ml/min met een zuiverheid van 99,99%, verdeeld volgens de verwachte verhouding van 2:1 in 2.000 ml waterstof en 1.000 ml zuurstof per minuut. De instelling met één uitgang voert die gecombineerde stroom naar één canule voor één gebruiker. De instelling met twee uitgangen scheidt de waterstof en zuurstof over twee leidingen, zodat twee mensen de machine tegelijk kunnen gebruiken of de stromen afzonderlijk kunnen gebruiken. De instelling met drie uitgangen isoleert de route met alleen waterstof, waardoor één gebruiker per sessie de hoogste waterstofconcentratie krijgt die het apparaat kan leveren.

Het veiligheidsverschil: gemengd gas versus verdunde zuivere waterstof

De reden dat een uitgang voor gemengd gas zorgvuldiger wordt ontworpen dan een uitgang voor zuivere waterstof, heeft te maken met de ontvlambaarheidsgrenzen. Waterstof gemengd met lucht ontsteekt alleen binnen een bepaald concentratiebereik, ongeveer 4 tot 75 volumeprocent; buiten dat bereik ontbrandt het niet, zelfs niet als er een vonk aanwezig is (bron: Flammability Risks of Hydrogen Inhalation - Molecular Hydrogen Institute). Een vooraf gemengde oxywaterstofstroom, met de verhouding van ongeveer 66% waterstof tot 33% zuurstof die elektrolyse oplevert, is binnen een veel breder bereik ontvlambaar, ongeveer 4 tot 95 volumeprocent, en heeft slechts een heel kleine hoeveelheid ontstekingsenergie nodig om te ontbranden, in de orde van 0,007 millijoule (bron: Oxyhydrogen - Wikipedia). Precies omdat dit gasmengsel van 2:1 zo gemakkelijk ontsteekt en na ontsteking zo makkelijk blijft branden, wordt het industrieel gebruikt als brandstof voor snijden en lassen.

Zuivere waterstof die via een neuscanule wordt toegediend, gedraagt zich in de praktijk anders, omdat die verdunt met de omringende kamerlucht zodra ze de slang verlaat. De concentratie die iemand daadwerkelijk inademt, hangt af van het debiet van de machine, het ademhalingspatroon van de persoon en de toedieningsinterface, en niet alleen van de waterstofconcentratie bij de uitgang. Onderzoekers noemen dit de fractie waterstof in de ingeademde lucht. Dat betekent dat een systeem met verdunde zuivere waterstof en een systeem met vooraf gemengde oxywaterstof afzonderlijk op veiligheid moeten worden beoordeeld, in plaats van volgens één gezamenlijke regel (bron: Flammability Risks of Hydrogen Inhalation - Molecular Hydrogen Institute).

Wat het risico in de praktijk bepaalt: ventilatie, debiet en ontstekingsbronnen

Daarom bouwen fabrikanten die een modus met gemengde uitvoer aanbieden sterkere technische veiligheidsmaatregelen in dan bij machines die uitsluitend verdunde zuivere waterstof leveren: voldoende ventilatie rond het apparaat, open vuur en andere ontstekingsbronnen uit de buurt van de gasroute houden en ervoor zorgen dat de interne concentraties in het apparaat bij normaal gebruik onder de ontvlambaarheidsgrens blijven. Dit betekent niet dat een modus met gemengd gas onveilig is wanneer die volgens de instructies wordt gebruikt; het betekent dat de foutmarge kleiner is. Het ontwerp moet dat verschil dus opvangen, in plaats van de verantwoordelijkheid bij de gebruiker te leggen. Dit gedeelte gaat specifiek over verbrandingsveiligheid. Wie vragen heeft over fysiologische bijwerkingen van waterstofinhalatie, en niet over de veiligheid van de gasverwerking, vindt die informatie apart in een aparte bespreking van wat veiligheidsstudies melden over bijwerkingen van waterstofinhalatie.

Een modus kiezen: waarvoor elke modus bedoeld is

Als de chemie en de veiligheidsredenen eenmaal duidelijk zijn, wordt de keuze voor een modus een kwestie van hoe je de machine wilt gebruiken, en niet van welke modus het meest geavanceerd klinkt. De enkele, gemengde modus is geschikt voor één persoon die een eenvoudige sessie wil met de volledige gecombineerde uitvoer van de machine, zonder na te hoeven denken over het splitsen ervan. De dubbele, gescheiden modus is geschikt voor twee mensen die een machine delen, of voor één gebruiker die de flexibiliteit wil om waterstof en zuurstof voor verschillende doeleinden afzonderlijk te gebruiken. De drievoudige, zuivere modus is geschikt voor iemand die de hoogst mogelijke concentratie van alleen waterstof als prioriteit heeft, en daarbij accepteert dat in die modus alleen de waterstoffractie van de totale uitvoer wordt gebruikt. Geen van de drie is altijd de betere instelling; ze leiden dezelfde vaste elektrolyse-uitvoer van 2:1 op verschillende manieren, en de juiste keuze hangt af van wie de machine gebruikt en wat diegene uit een sessie wil halen.

Wat je op het specificatieblad van een machine moet controleren voordat je een keuze maakt

Met een paar controles op het specificatieblad kun je machines eerlijker vergelijken dan alleen op basis van de modinamen:

• De totale gasuitvoer in ml/min en het vermelde zuiverheidspercentage, want die bepalen de bovengrens voor elke modus op het apparaat.
• Of de vermelde verhouding tussen waterstof en zuurstof daadwerkelijk overeenkomt met de verhouding van 2:1 die elektrolyse oplevert; als dat niet zo is, is het de moeite waard om daar vragen over te stellen in plaats van het zomaar aan te nemen.
• Of ‘gescheiden’ of ‘zuivere’ uitgangen gebaseerd zijn op een daadwerkelijk intern ontwerp voor gasscheiding, en niet alleen op een gekozen benaming voor dezelfde enkele leiding met gemengd gas.
• De handleiding en het specificatieblad van de machine zelf, gecontroleerd aan de hand van de marketingteksten, omdat elektrolysetechnologie ook bepaalt hoe goed deze cijfers op de lange termijn standhouden. Het verschil tussen soorten elektrolyten wordt apart uitgelegd in een uitleg over PEM- versus alkalische elektrolyse in waterstofinhalatoren.

Als de chemie en de veiligheidsredenen achter de uitgangsmodi eenmaal duidelijk zijn, is de volgende logische vraag welke modus van de machine past bij de manier waarop je die wilt gebruiken: alleen, samen met iemand anders, of met de wens om per sessie de hoogst mogelijke concentratie van alleen waterstof te krijgen. Precies daarvoor is een ontwerp met enkele, dubbele en drievoudige uitgangen, zoals dat van de Titan, bedoeld: één machine kan zo verschillende gebruikssituaties ondersteunen, zonder dat je voor drie verschillende toepassingen drie aparte apparaten nodig hebt.