Je vodíková voda horľavá? Malé objemy plynu vo fľašiach

Fľaša na vodíkovú vodu využíva elektrolýzu na rozpúšťanie plynného vodíka vo vode a plynný vodík je skutočne horľavý, takže táto obava nie je na prvý pohľad neodôvodnená. V praxi je dôležitejšia užšia otázka: koľko plynného vodíka jedna fľaša skutočne vyprodukuje a či sa toto množstvo pri používaní podľa pokynov niekedy priblíži ku koncentrácii a podmienkam, ktoré odborné materiály o bezpečnosti vodíka spájajú so zapálením. Keď si prepočítate skutočné objemy, odpoveď sa stáva otázkou aritmetiky, nie intuície, a čísla sú výrazne nižšie než hranica, pri ktorej by uzavretá fľaša na kuchynskej linke predstavovala riziko požiaru.

• Zmes plynného vodíka so vzduchom sa zapáli iba v určitom rozsahu koncentrácií a správne používaná fľaša sa ani nepriblíži k jeho dolnej hranici.
• Objem plynu, ktorý vyprodukuje jedna fľaša, po prepočítaní z laboratórne nameranej koncentrácie rozpusteného vodíka predstavuje približne pár polievkových lyžíc, nie objem celej nádrže.
• Na výbuch je potrebný vodík aj oxidačné činidlo, napríklad kyslík, v uzavretom priestore; otvorená, odvetrávaná fľaša vo vzduchu v miestnosti taký uzavretý priestor nevytvára.

Prečo táto otázka vzniká

Stručná odpoveď znie, že nepatrné množstvo plynného vodíka, ktoré fľaša vytvára a ktoré sa uvoľňuje do otvorenej miestnosti spôsobom, na aký je výrobok určený, nevytvára horľavú zmes. Samotný vodík je ako prvok horľavý, rovnako ako zemný plyn alebo benzínové výpary, a nemá zmysel predstierať opak. Užitočnejšia otázka, na ktorú tento článok skutočne odpovedá, znie, koľko plynu je prítomného v danom okamihu a aká koncentrácia a prostredie by boli potrebné na to, aby sa tento plyn vôbec mohol zapáliť. Pri takomto pohľade prestáva byť fyzika otázkou obáv s odpoveďou áno alebo nie a stáva sa jednoduchým porovnaním malého, odmeraného množstva s oveľa vyššou hraničnou hodnotou.

Čo sa vo fľaši skutočne deje pri tvorbe vodíka

Vnútri fľaše rozdeľuje elektrolytický článok PEM/SPE časť molekúl vody a na jednej strane membrány vzniká rozpustený vodík, zatiaľ čo na druhej strane kyslík spolu so stopovým množstvom ozónu. Celý mechanizmus elektrolýzy je podrobne vysvetlený inde, takže v tomto článku stačí uviesť výsledok: vodík sa rozpúšťa priamo vo vode namiesto toho, aby sa zhromažďoval ako voľný plyn. Bezpečnostný pásik s automatickým odvzdušňovaním vo fľaši Core je navrhnutý s ohľadom na tento rozdiel. Umožňuje, aby vedľajšie produkty kyslík a ozón unikli z komory, zatiaľ čo vodík zostáva rozpustený vo vode, takže sa v článku nehromadí plynný vodík v uzavretom priestore tak, ako by sa hromadil v tlakovej nádrži.

Čo v skutočnosti znamená „horľavý“

Výskum bezpečnosti vodíka vyjadruje horľavosť ako rozsah, nie ako jediný bod vzplanutia. Podľa Sandia National Laboratories je všeobecne uznávaná dolná hranica horľavosti vodíka vo vzduchu pri šírení plameňa smerom nahor 4 % objemu vodíka a pri šírení plameňa smerom nadol alebo do guľovitého tvaru sa táto hranica v dôsledku nízkej hustoty vodíka posúva vyššie, približne na 8,5 – 9,5 % (zdroj: Hranice horľavosti zmesí vodíka a vzduchu, Sandia National Laboratories). Celý rozsah horľavosti siaha približne od 4 % do 74 % vodíka vo vzduchu. Hoci je minimálna energia potrebná na zapálenie vodíka blízko stredu tohto rozsahu veľmi nízka, na zapálenie zmesi, ktorá sa nachádza priamo na dolnej hranici, je potrebné podstatne viac energie (zdroj: Informačný dokument o bezpečnosti vodíka, Ministerstvo energetiky USA). Na dosiahnutie akejkoľvek hodnoty v tomto rozsahu je potrebné aj oxidačné činidlo. V tom istom informačnom dokumente Ministerstva energetiky sa uvádza, že k výbuchu nemôže dôjsť v nádrži ani v inom uzavretom priestore, ktorý obsahuje iba vodík; aby sa zmes vôbec mohla stať výbušnou, musí byť prítomný aj kyslík, a to v množstve približne 10 % čistého kyslíka alebo 41 % vzduchu.

Rozpustený vodík vo vode verzus voľný plynný vodík vo vzduchu – prečo sa dolná hranica horľavosti nevzťahuje na samotnú vodu

Dolná hranica horľavosti opisuje plynný vodík zmiešaný so vzduchom, nie vodík rozpustený v kvapalnej vode. Pohár vodíkovej vody na pracovnom stole vôbec nie je zmesou plynu a vzduchu, takže hodnota 4 % nemá čo merať, kým časť rozpusteného vodíka neopustí vodu a nedostane sa do okolitého vzduchu. Vďaka vztlakovej sile, malej veľkosti molekúl a vysokej difúzivite vodík po úniku z vody tiež veľmi rýchlo stúpa nahor a rozptyľuje sa do strán namiesto toho, aby nehybne zostával na jednom mieste. Aj preto sa v usmerneniach pre bezpečnosť vodíka pristupuje k otvoreným, vetraným miestnostiam úplne inak než k uzavretým nádobám alebo zariadeniam.

Výpočet: koľko plynu jedna fľaša skutočne uvoľní

Na poctivé určenie objemu plynu sa v tomto príklade používa nezávisle overený laboratórny údaj, nie marketingová špecifikácia. Na produktovej stránke fľaše Core sa uvádza výstup „až 5000 PPB“, ale toto číslo vyjadruje maximálnu hodnotu deklarovanú predajcom, nie výsledok merania. Správa o nezávislej laboratórnej certifikácii Hydrion Core a Pulse obsahuje výsledky nezávislého testovania spoločnosťou H2 Analytics pomocou plynovej chromatografie s kalibračnými plynmi nadviazanými na štandardy NIST a analýzy bezpečnosti vody, ktorú vykonalo laboratórium SGS Silver State Analytical Laboratory. Po 20 minútach namerali v 375 ml fľaši 9,00 – 9,14 mg/l rozpusteného vodíka. Samotný testovací objem 375 ml stojí za zmienku, pretože sa líši od komory s objemom 300 ml uvedenej na maloobchodnej produktovej stránke; v tomto príklade sa spolu používajú testovaná hodnota aj testovaný objem namiesto ich kombinovania.

Ak v celej 375 ml (0,375 l) fľaši použijeme hornú nameranú hodnotu 9,14 mg/l, dostaneme celkovo približne 3,43 mg rozpusteného vodíka. Molárna hmotnosť vodíka je 2,016 g/mol, takže 3,43 mg predstavuje približne 0,0017 molu. Za štandardnej teploty a tlaku zaberá jeden mól ľubovoľného plynu 22,4 litra (zdroj: Avogadrov zákon, Chemistry LibreTexts), takže 0,0017 molu predstavuje približne 38 mililitrov plynného vodíka, čiže asi dve a pol polievkovej lyžice. Ide o ilustračný výpočet najhoršieho možného prípadu: predpokladá, že každá molekula rozpusteného vodíka vo fľaši opustí vodu ako plyn v rovnakom okamihu, čo sa pri bežnom používaní nedeje. Vodík zostáva rozpustený a spotrebúva sa pitím, namiesto toho, aby sa naraz celý uvoľnil.

Aj v tomto najhoršom prípade, pri objeme 38 ml, by bolo na dosiahnutie dolnej hranice horľavosti 4 % potrebné uzavrieť všetok tento plyn bez riedenia v priestore s objemom menej než liter vzduchu, keďže 38 ml delených 4 % predstavuje celkový objem zmesi približne 950 ml. Toto porovnanie je zámerne hypotetické: opisuje uzavretú nádobu, ktorá obsahuje iba tento plyn a malé množstvo vzduchu, čo nezodpovedá spôsobu, akým sa fľaša otvára, používa ani skladuje.

Prečo fľaša pri bežnom používaní takéto podmienky nevytvára

Fľaša na vodíkovú vodu sa medzi cyklami používa s otvoreným uzáverom a počas elektrolýzy sa nakrátko uzavrie. Používa sa v bežnom vzduchu v miestnosti, nie ako utesnená tlaková nádoba s čistým vodíkom. Každý vodík, ktorý unikne z vody, sa vďaka dôvodom súvisiacim so vztlakom a difúzivitou opísaným vyššie takmer okamžite rozptýli do vzduchu v miestnosti namiesto toho, aby sa niekde hromadil v blízkosti horľavej koncentrácie. Tlak, ktorý niekedy pocítite pri otváraní uzáveru, a dôvod, prečo má fľaša v spodnej časti malý ventilačný otvor, sú mechanické záležitosti, nie otázky horľavosti. Podrobnejšie sa im venujú samostatné články o tom, prečo fľaša syčí alebo sa ťažko otvára a na čo slúži ventilačný otvor na dne.

Rozumné každodenné používanie

Nič z toho nemení spôsob, akým by ste mali fľašu používať alebo skladovať: riaďte sa pokynmi dodanými k produktu Hydrion Core a malé, odmerané množstvo plynu uvedené vyššie vnímajte ako kontext, nie ako dôvod meniť svoje návyky. Dôležité je tiež formulovať samotné tvrdenie presne. Presné tvrdenie znie, že objem plynu, ktorý jedna fľaša vytvára pri koncentráciách, ktoré skutočne dosahuje, je výrazne nižší než množstvo potrebné na to, aby sa v uzavretej nádobe vytvorili horľavé podmienky. Neznamená to, že rozpustený vodík nemôže za žiadnych okolností horieť. Toto rozlíšenie opiera uistenie o tých istých číslach, ktoré sme práve prešli, a nie o všeobecné tvrdenie, ktoré by zachádzalo ďalej, než dovoľujú dôkazy. Širšiemu pohľadu na vedľajšie účinky, mýty a všeobecnú bezpečnosť nad rámec samotnej horľavosti sa venuje článok Je vodíková voda bezpečná?. Ak chcete vedieť, čo vlastne vyjadrujú hodnoty PPB na výrobkoch s vodíkovou vodou, článok PPB verzus PPM pri vodíkovej vode vysvetľuje jednotky použité pri laboratórnych hodnotách v tomto článku.