Este inflamabilă apa cu hidrogen? Volumele mici de gaz din sticle, explicate

O sticlă pentru apă cu hidrogen folosește electroliza pentru a adăuga în apă hidrogen gazos dizolvat, iar hidrogenul gazos este într-adevăr inflamabil, așa că îngrijorarea nu este neîntemeiată la prima vedere. În practică, contează o întrebare mai precisă: cât hidrogen gazos produce efectiv o sticlă și dacă acea cantitate, atunci când sticla este folosită conform destinației, ajunge vreodată aproape de concentrația și condițiile pe care literatura de specialitate privind siguranța hidrogenului le asociază cu aprinderea. Odată ce calculezi volumele reale implicate, răspunsul devine o chestiune de aritmetică, nu de intuiție, iar cifrele sunt mult sub pragul la care o sticlă cu capac, așezată pe blatul din bucătărie, ar deveni un pericol de incendiu.

• Hidrogenul gazos amestecat cu aerul se aprinde doar într-un interval de concentrații specific, iar o sticlă folosită corect nu se apropie niciodată de limita inferioară a acestuia.
• Volumul de gaz produs de o sticlă, calculat pe baza concentrației de hidrogen dizolvat măsurate în laborator, este de aproximativ două linguri, nu cât într-un rezervor.
• O explozie necesită atât hidrogen, cât și un oxidant precum oxigenul într-un spațiu închis; o sticlă deschisă, ventilată, aflată într-o încăpere nu creează un astfel de spațiu.

De ce apare această întrebare

Pe scurt, cantitatea infimă de hidrogen gazos produsă de o sticlă, eliberată într-o încăpere deschisă, așa cum este conceput produsul să fie folosit, nu creează un amestec inflamabil. Hidrogenul în sine este inflamabil ca element, la fel cum sunt inflamabili gazul natural sau vaporii de benzină, și nu are rost să pretindem contrariul. Întrebarea mai utilă, la care răspunde de fapt acest articol, este cât gaz există în orice moment și ce concentrație și condiții ar fi necesare pentru ca acel gaz să se poată aprinde. Privită astfel, problema nu mai este o teamă cu răspuns de tip da sau nu, ci o comparație simplă între o cantitate mică, măsurată, și un prag mult mai mare.

Ce se întâmplă de fapt în sticlă când produce hidrogen

În interiorul sticlei, o celulă de electroliză PEM/SPE descompune o parte dintre moleculele de apă, producând hidrogen dizolvat pe o parte a membranei și oxigen, împreună cu o urmă de ozon, pe cealaltă parte. Mecanismul complet al electrolizei este explicat în detaliu în altă parte, așa că acest articol se concentrează doar asupra rezultatului: hidrogenul ajunge să fie dizolvat chiar în apă, în loc să se acumuleze într-un buzunar de gaz liber. Banda de evacuare automată a modelului Hydrion Core este concepută ținând cont de această diferență. Aceasta permite evacuarea din cameră a oxigenului și ozonului rezultate, în timp ce hidrogenul rămâne dizolvat în apă, astfel încât celula nu acumulează hidrogen gazos într-un spațiu etanș, așa cum s-ar întâmpla într-un rezervor presurizat.

Ce presupune, de fapt, „inflamabil”

Cercetările privind siguranța hidrogenului descriu inflamabilitatea ca pe un interval, nu ca pe un singur prag de declanșare. Potrivit Sandia National Laboratories, limita inferioară de inflamabilitate general acceptată pentru hidrogen în aer, în cazul unei flăcări care se propagă în sus, este de 4% hidrogen în volum, iar pragul crește la aproximativ 8,5-9,5% pentru flăcările care se propagă în jos sau sferic, din cauza densității reduse a hidrogenului (sursa: Limitele de inflamabilitate ale amestecurilor de hidrogen și aer, Sandia National Laboratories). Intervalul total de inflamabilitate este de aproximativ 4%-74% hidrogen în aer și, deși energia minimă de aprindere a hidrogenului este foarte scăzută în apropierea mijlocului acestui interval, este nevoie de considerabil mai multă energie pentru a aprinde un amestec aflat chiar la limita inferioară (sursa: Fișă informativă privind siguranța hidrogenului, Departamentul pentru Energie al SUA). Pentru a ajunge în orice punct al acestui interval este necesar și un oxidant. Aceeași fișă informativă a Departamentului pentru Energie precizează că nu poate avea loc o explozie într-un rezervor sau în orice spațiu închis care conține doar hidrogen; trebuie să fie prezent și oxigenul, într-o proporție de aproximativ 10% oxigen pur sau 41% aer, înainte ca amestecul să poată deveni exploziv.

Hidrogen dizolvat în apă vs. hidrogen gazos liber în aer — de ce limita inferioară de inflamabilitate nu se aplică apei în sine

Limita inferioară de inflamabilitate descrie hidrogenul gazos amestecat cu aerul, nu hidrogenul dizolvat în apă lichidă. Un pahar cu apă cu hidrogen aflat pe biroul tău nu este deloc un amestec de gaz și aer, așa că valoarea de 4% nu se aplică până când o parte din hidrogenul dizolvat nu părăsește efectiv apa și nu ajunge în aerul din jur. Flotabilitatea hidrogenului, dimensiunea redusă a moleculelor și difuzivitatea ridicată înseamnă, de asemenea, că, odată ce părăsește apa, acesta se dispersează foarte repede în sus și în exterior, în loc să rămână pe loc, ceea ce explică în mare măsură de ce recomandările privind siguranța hidrogenului tratează diferit încăperile deschise și ventilate față de recipientele etanșe sau echipamentele închise.

Calculul: cât gaz eliberează efectiv o sticlă

Pentru a estima cu exactitate volumul de gaz, acest exemplu folosește valoarea verificată independent în laborator, nu specificația din materialele de marketing. Pagina produsului Core menționează o producție de „până la 5000 ppb”, însă cifra reprezintă maximul declarat de vânzător, nu o măsurătoare. Raportul de certificare de laborator independent pentru Hydrion Core și Pulse prezintă un test independent realizat de H2 Analytics, folosind cromatografia gazoasă cu gaze de calibrare trasabile la NIST, precum și o analiză a siguranței apei realizată de SGS Silver State Analytical Laboratory, care a măsurat 9,00-9,14 mg/L de hidrogen dizolvat după 20 de minute într-o sticlă de 375 mL. Merită menționat și separat volumul de testare de 375 mL, deoarece diferă de camera de 300 mL menționată pe pagina produsului din magazin; în acest exemplu sunt folosite împreună valoarea și volumul măsurate, fără a le amesteca.

Folosind valoarea superioară măsurată, de 9,14 mg/L, pentru întreaga sticlă de 375 mL (0,375 L), rezultă aproximativ 3,43 mg de hidrogen dizolvat în total. Masa molară a hidrogenului este de 2,016 g/mol, așadar 3,43 mg corespund aproximativ la 0,0017 mol. La temperatură și presiune standard, un mol din orice gaz ocupă 22,4 litri (sursa: Legea lui Avogadro, Chemistry LibreTexts), deci 0,0017 mol se transformă în aproximativ 38 de mililitri de hidrogen gazos, adică aproximativ două linguri și jumătate. Acesta este un exemplu de calcul în scenariul cel mai nefavorabil: presupune că fiecare moleculă de hidrogen dizolvată din sticlă ar părăsi apa sub formă de gaz în același moment, ceea ce nu se întâmplă în timpul utilizării normale, când hidrogenul rămâne dizolvat și este consumat prin băut, nu eliberat dintr-odată.

Chiar și în acest scenariu cel mai nefavorabil, cu 38 mL, pentru a ajunge la limita inferioară de inflamabilitate de 4% ar trebui să se afle tot gazul, nediluat, într-un spațiu închis cu mai puțin de un litru de aer, deoarece 38 mL împărțit la 4% înseamnă un volum total al amestecului de aproximativ 950 mL. Comparația este intenționat ipotetică: descrie un recipient etanș care conține doar acel gaz și o mică pungă de aer, ceea ce nu se întâmplă când sticla este deschisă, folosită sau depozitată.

De ce sticla nu creează aceste condiții în timpul utilizării normale

O sticlă pentru apă cu hidrogen este folosită cu capacul deschis între cicluri și cu capacul închis pentru scurt timp în timpul electrolizei, în aerul obișnuit dintr-o încăpere, și nu funcționează ca un recipient presurizat etanș care conține hidrogen pur. Orice hidrogen care părăsește apa se dispersează aproape imediat în aerul din încăpere, ridicându-se, în loc să se acumuleze undeva aproape de o concentrație inflamabilă, din aceleași motive legate de flotabilitate și difuzivitate descrise mai sus. Presiunea pe care o simți uneori când deschizi capacul și motivul pentru care sticla are un orificiu mic de aerisire la bază țin de aspecte mecanice, nu de inflamabilitate, și sunt explicate separat în articolele despre de ce sticla șuieră sau capacul se deschide greu și rolul orificiului de aerisire de la bază.

Utilizare obișnuită, cu bun-simț

Nimic din toate acestea nu schimbă modul în care ar trebui să folosești sau să depozitezi sticla: urmează instrucțiunile care însoțesc Hydrion Core și privește volumul mic de gaz măsurat mai sus ca pe un reper, nu ca pe un motiv să-ți schimbi rutina. Merită, de asemenea, să formulăm afirmația cu precizie. Afirmația corectă este că volumul de gaz produs de o sticlă, la concentrațiile pe care le atinge efectiv, rămâne mult sub nivelul necesar pentru ca un recipient etanș să devină inflamabil, nu că hidrogenul dizolvat nu poate arde în nicio circumstanță. Această distincție menține explicația ancorată în aceleași cifre prezentate în acest articol, în loc să se bazeze pe o afirmație generală care depășește ceea ce susțin dovezile. Pentru o imagine mai amplă asupra efectelor secundare, miturilor și siguranței generale, dincolo de inflamabilitate, articolul Este sigură apa cu hidrogen? tratează aceste subiecte, iar dacă vrei să înțelegi ce măsoară de fapt valorile ppb de pe produsele pentru apă cu hidrogen, articolul PPB vs. PPM în apa cu hidrogen explică unitățile din spatele valorilor de laborator folosite aici.