Je vodikova voda vnetljiva? Majhne količine plina v steklenicah

Steklenica za vodikovo vodo z elektrolizo v vodo dodaja raztopljeni vodikov plin. Vodik je res vnetljiv, zato skrb na prvi pogled ni neutemeljena. V praksi je pomembnejše ožje vprašanje: koliko vodikovega plina steklenica dejansko proizvede in ali se ta količina ob uporabi, za katero je steklenica zasnovana, sploh približa koncentraciji in pogojem, ki jih literatura o varnosti vodika povezuje z vžigom. Ko preračunamo dejanske prostornine, postane odgovor stvar aritmetike, ne intuicije, številke pa so daleč pod pragom, pri katerem bi zaprta steklenica na pultu predstavljala požarno tveganje.

• Vodikov plin se vname le, če je zmešan z zrakom v določenem razponu koncentracij; pravilno uporabljena steklenica se spodnjemu delu tega razpona niti ne približa.
• Prostornina plina, ki jo proizvede ena steklenica, preračunana iz laboratorijsko izmerjene koncentracije raztopljenega vodika, znaša približno nekaj žlic, ne pa toliko, kot bi ga bilo v rezervoarju.
• Za eksplozijo sta potrebna vodik in oksidant, kot je kisik, v zaprtem prostoru; odprta, prezračevana steklenica v zraku prostora takšnega zaprtega prostora ne ustvari.

Zakaj se pojavi to vprašanje

Kratek odgovor je, da majhna količina vodikovega plina, ki jo proizvede steklenica in se sprosti v odprtem prostoru, kot je predvidena uporaba izdelka, ne ustvari vnetljive zmesi. Vodik je kot element vnetljiv, tako kot zemeljski plin ali bencinski hlapi, in nima smisla trditi drugače. Koristnejše vprašanje, na katero ta članek tudi odgovarja, je, koliko plina je prisotnega v danem trenutku ter kakšna koncentracija in okolje bi bila potrebna, da bi se plin sploh lahko vžgal. Tako zastavljeno vprašanje spremeni fiziko iz strahu, na katerega bi lahko odgovorili le z da ali ne, v preprosto primerjavo majhne, izmerjene količine z veliko višjim pragom.

Kaj se v steklenici dejansko dogaja pri nastajanju vodika

V steklenici celica za elektrolizo PEM/SPE razcepi del molekul vode: na eni strani membrane nastane raztopljeni vodik, na drugi pa kisik in sled ozona. Celoten mehanizem elektrolize je podrobno opisan drugje, zato je za ta članek pomemben le rezultat: vodik se raztopi v vodi, namesto da bi se nabiral kot žep prostega plina. Varnostni obroček Hydrion Core s samodejnim odzračevanjem je zasnovan prav na podlagi te razlike. Omogoča uhajanje kisika in ozona, ki nastajata kot stranska produkta, medtem ko vodik ostane raztopljen v vodi, zato se v celici vodikov plin ne nabira v zaprtem prostoru, kot bi se v rezervoarju pod tlakom.

Kaj v resnici pomeni »vnetljiv«

Raziskave o varnosti vodika vnetljivost opredeljujejo kot razpon, ne kot eno samo mejno vrednost. Po podatkih nacionalnega laboratorija Sandia je splošno sprejeta spodnja meja vnetljivosti vodika v zraku pri plamenu, ki se širi navzgor, 4 % prostorninskega deleža vodika. Pri plamenih, ki se širijo navzdol ali sferično, se ta meja zaradi majhne gostote vodika zviša na približno 8,5–9,5 % (vir: Meje vnetljivosti zmesi vodika in zraka, nacionalni laboratorij Sandia). Celoten razpon vnetljivosti sega od približno 4 % do 74 % vodika v zraku. Najnižja energija vžiga vodika blizu sredine tega razpona je sicer zelo majhna, vendar je za vžig zmesi, ki je prav na spodnji meji, potrebna precej večja količina energije (vir: Informativni list o varnosti vodika, Ministrstvo za energijo ZDA). Za dosego katere koli točke v tem razponu je potreben tudi oksidant. Isti informativni list Ministrstva za energijo navaja, da do eksplozije ne more priti v rezervoarju ali katerem koli zaprtem prostoru, v katerem je samo vodik; za možnost eksplozije mora biti prisoten tudi kisik, in sicer približno 10 % čistega kisika ali 41 % zraka.

Raztopljeni vodik v vodi in prosti vodikov plin v zraku – zakaj spodnja meja vnetljivosti za vodo ne velja

Spodnja meja vnetljivosti opisuje vodikov plin, pomešan z zrakom, ne pa vodika, raztopljenega v tekoči vodi. Kozarec vodikove vode na vaši mizi sploh ni plinsko-zračna zmes, zato vrednosti 4 % ni mogoče uporabiti, dokler del raztopljenega vodika ne zapusti vode in preide v okoliški zrak. Vodik zaradi vzgona, majhnosti molekul in velike difuzivnosti po prehodu iz vode hitro difundira navzgor in navzven, namesto da bi obstal na enem mestu. Tudi zato smernice za varnost vodika odprte, prezračevane prostore obravnavajo povsem drugače kot zaprte posode ali zaprto opremo.

Izračun: koliko plina dejansko sprosti ena steklenica

Za realno oceno prostornine plina ta primer uporablja neodvisno preverjeno laboratorijsko vrednost, ne tržne specifikacije. Na strani izdelka Core je navedena količina »do 5000 ppb«, vendar ta številka pomeni najvišjo vrednost, ki jo navaja prodajalec, ne pa meritve. Poročilo o neodvisnem laboratorijskem certificiranju Hydrion Core & Pulse zajema neodvisni preskus, ki ga je izvedel H2 Analytics s plinsko kromatografijo in kalibracijskimi plini, sledljivimi do NIST, ter analizo varnosti vode, ki jo je opravila laboratorijska ustanova SGS Silver State Analytical Laboratory. Pri meritvi so v steklenici s prostornino 375 ml po 20 minutah izmerili 9,00–9,14 mg/l raztopljenega vodika. Vredno je posebej omeniti, da je prostornina preskusne steklenice znašala 375 ml, kar se razlikuje od 300-mililitrske komore, navedene na prodajni strani izdelka. V tem primeru sta zato skupaj uporabljeni preskušena vrednost in preskušena prostornina, ne pa pomešani vrednosti iz različnih virov.

Če zgornjo izmerjeno vrednost 9,14 mg/l upoštevamo v celotni steklenici s prostornino 375 ml (0,375 l), dobimo približno 3,43 mg raztopljenega vodika. Molska masa vodika je 2,016 g/mol, zato 3,43 mg znaša približno 0,0017 mola. Pri standardni temperaturi in tlaku ima en mol katerega koli plina prostornino 22,4 litra (vir: Avogadrov zakon, Chemistry LibreTexts), zato se 0,0017 mola pretvori v približno 38 mililitrov vodikovega plina oziroma približno dve žlici in pol. To je preračunani primer najslabšega možnega scenarija: predpostavlja, da bi vse molekule raztopljenega vodika v steklenici hkrati zapustile vodo v obliki plina. Pri običajni uporabi se to ne zgodi, saj vodik ostane raztopljen in ga zaužijete s pitjem, namesto da bi se ves sprostil naenkrat.

Tudi pri tej najslabši možni vrednosti 38 ml bi morali ves plin brez redčenja zadržati v zaprtem prostoru z manj kot litrom zraka, da bi dosegli spodnjo mejo vnetljivosti 4 %. Če 38 ml delimo s 4 %, dobimo približno 950 ml celotne zmesi. Ta primerjava je namenoma hipotetična: opisuje zaprto posodo, v kateri sta samo ta plin in majhen žep zraka, kar pa ni način, na katerega steklenico odpirate, uporabljate ali shranjujete.

Zakaj steklenica pri običajni uporabi ne ustvari takšnih pogojev

Steklenico za vodikovo vodo med cikli uporabljate z odprtim pokrovčkom, med elektrolizo pa jo za kratek čas zaprete. Uporabljate jo v običajnem zraku prostora, ne pa kot zaprto tlačno posodo, napolnjeno s čistim vodikom. Vodik, ki uide iz vode, se skoraj takoj razprši navzgor v zrak prostora in se ne nabira nikjer v bližini vnetljive koncentracije, in sicer iz istih razlogov, povezanih z vzgonom in difuzivnostjo, ki smo jih opisali zgoraj. Tlak, ki ga včasih začutite pri odpiranju pokrovčka, in razlog, zakaj ima steklenica na dnu majhno odprtino za odzračevanje, sta povezana z mehansko zasnovo, ne z vnetljivostjo. Podrobneje sta obravnavana v člankih o tem, zakaj steklenica sikne ali jo je težko odpreti in čemu je namenjena odprtina za odzračevanje na dnu.

Razumna in običajna uporaba

Vse to ne spreminja načina uporabe ali shranjevanja steklenice: upoštevajte navodila, ki so priložena izdelku Hydrion Core, zgornjo majhno, izmerjeno prostornino plina pa vzemite kot kontekst, ne kot razlog za spremembo svoje rutine. Pomembno je tudi, da smo pri trditvi natančni. Natančna trditev je, da prostornina plina, ki jo proizvede ena steklenica pri dejansko doseženih koncentracijah, ostane precej pod količino, ki bi jo zaprta posoda potrebovala, da bi postala vnetljiva, ne pa, da raztopljeni vodik v nobenih okoliščinah ne more zgoreti. Ta razlika zagotavlja, da zagotovilo temelji na istih številkah, ki smo jih pravkar obravnavali v tem članku, namesto na splošni trditvi, ki bi presegala to, kar podpirajo dokazi. Širši pregled stranskih učinkov, mitov in splošne varnosti, ne le vnetljivosti, ponuja članek Ali je vodikova voda varna?. Če želite izvedeti, kaj ppb-vrednosti na izdelkih z vodikovo vodo dejansko merijo, članek PPB in PPM pri vodikovi vodi pojasnjuje enote, uporabljene pri laboratorijskih meritvah v tem članku.