Poți produce acasă hidrogen gazos pentru inhalare? De ce kiturile DIY de electroliză sunt o idee proastă
Dacă ai urmărit un videoclip DIY cu „HHO” sau despre electroliza apei sărate și te-ai întrebat dacă aceeași instalație improvizată, cu un borcan și fire, ar putea alimenta o canulă nazală pentru o ședință de inhalare a hidrogenului, răspunsul direct este nu: o celulă de electroliză de bază nu produce un flux de gaz sigur sau potrivit pentru inhalare, iar motivele nu au nicio legătură cu puterea bateriei sau cu numărul de bule care se formează la electrozi. Ce determină de fapt dacă gazul produs poate fi inhalat este electrolitul adăugat pentru a face apa simplă să conducă electricitatea și comportamentul fizic al hidrogenului după ce părăsește celula. Ambii factori sunt incompatibili cu o instalație deschisă și improvizată, în moduri pe care un aparat etanș, special conceput în acest scop, este proiectat anume să le evite.
- În apă simplă, electricitatea se conduce foarte greu, așa că kiturile DIY adaugă sare sau leșie în apă, iar acel aditiv ajunge în fluxul de gaz, nu doar ajută curentul electric să circule.
- O celulă cu apă sărată produce clor gazos împreună cu hidrogenul, ca rezultat chimic previzibil, nu ca defecțiune ocazională.
- O celulă pe bază de leșie evită clorul, dar folosește în schimb o soluție caustică puternică, înlocuind un pericol cu altul.
- Hidrogenul în sine este inflamabil chiar și la energii de aprindere foarte mici, indiferent de electrolitul folosit pentru a-l produce.
- Un aparat PEM (cu membrană schimbătoare de protoni) rezolvă structural aceste probleme, separând fluxurile de gaz într-o celulă etanșă alimentată cu apă purificată, nu cu sare sau leșie.
În ce descompune de fapt apa un kit de electroliză pentru acasă
Electroliza de bază folosește un curent electric pentru a descompune apa la doi electrozi: hidrogenul se acumulează la unul, iar oxigenul la celălalt. Această parte ține de chimia reală și este cu adevărat simplă. Complicația este că apa pură conduce slab electricitatea, așa că, lăsată de una singură, o celulă cu apă simplă consumă foarte puțin curent și produce gaz foarte încet. Tocmai de aceea videoclipurile DIY și HHO adaugă sare de masă sau o soluție de leșie (hidroxid de sodiu sau de potasiu) în apă înainte de a porni alimentarea: ionii dizolvați transportă curentul, iar reacția se accelerează considerabil.
Acest avantaj vine cu un cost asupra căruia videoclipurile stăruie rareori. Odată ce există un electrolit în apă, electrozii nu mai descompun doar H2O. Ei reacționează și cu ionii introduși de electrolit, iar substanțele care se degajă la electrozi depind de electrolitul ales. Întrebarea pe care merită să ți-o pui înainte de a direcționa ceva spre față nu este „produce hidrogen?”, pentru că da, produce, ci „ce mai produce împreună cu hidrogenul?”.
De ce o celulă cu apă sărată produce clor, nu doar hidrogen
Când electrolitul este sarea de masă obișnuită (clorură de sodiu), chimia se schimbă într-o direcție specifică și bine documentată. La anod, ionii de clorură se oxidează și formează clor gazos, în loc ca apa însăși să se oxideze și să formeze oxigen, în timp ce hidrogenul și ionii de hidroxid continuă să se formeze la catod, ca înainte (sursă: Procesul clor-alcalin, Wikipedia). Aceasta este aceeași reacție clor-alcalină pe care instalațiile industriale o folosesc intenționat pentru a produce clor și hidroxid de sodiu, dar aici are loc accidental, într-un borcan. Prin urmare, o celulă de electroliză cu apă sărată este un reactor care produce trei substanțe: hidrogen, clor și hidroxid de sodiu dizolvat. O descriere separată a procesului menționează că electroliza tradițională a apei sărate produce „clor toxic și coroziv” ca produs secundar direct, spre deosebire de electroliza cu apă pură sau deionizată (sursă: Electroliza apei, Wikipedia).
Clorul nu este un contaminant în urme pe care l-ai putea trece cu vederea în mod rezonabil. Limitele de expunere profesională îl consideră periculos chiar și la fracțiuni de parte per milion: Institutul Național pentru Securitate și Sănătate în Muncă din SUA stabilește o limită de 0,5 ppm pentru 15 minute, limita OSHA este de 1 ppm, iar 10 ppm sunt clasificate drept imediat periculoase pentru viață sau sănătate (sursă: Ghidul NIOSH privind pericolele substanțelor chimice: clorul). Un borcan cu apă sărată în care se formează bule, alimentat la o tensiune folosită într-un montaj improvizat, nu are cum să măsoare sau să controleze cantitatea de clor care ajunge amestecată în gazul degajat, iar niciun filtru pentru canulă nu poate transforma această incertitudine într-o valoare cunoscută și sigură.
Ce efecte are inhalarea clorului gazos asupra ochilor, nasului și plămânilor
Chiar și o expunere de scurtă durată provoacă usturimi la nivelul ochilor, nasului, gurii și gâtului, precum și tuse, iar o expunere mai mare poate duce la edem pulmonar, o acumulare de lichid în plămâni care reprezintă o urgență medicală (sursă: Ghidul NIOSH privind pericolele substanțelor chimice: clorul). Niciuna dintre aceste consecințe nu presupune o scurgere mare. Este suficient să alegi un electrolit care nu a fost niciodată destinat utilizării în ceva ce o persoană inhalează direct.
De ce o instalație pe bază de leșie elimină riscul clorului, dar adaugă propriul risc
Unele instalații DIY înlocuiesc sarea cu o soluție concentrată de hidroxid de potasiu sau de sodiu, adesea cu o concentrație de 25 până la 40% din greutate (sursă: Electroliza apei, Wikipedia). Deoarece aici hidroxidul, nu clorura, este ionul care conduce curentul, această variantă nu generează clor gazos și merită să precizăm acest lucru, în loc să tratăm leșia ca pe o versiune mai vagă a aceleiași probleme: chimia este cu adevărat diferită.
Ce nu dispare este electrolitul în sine. O soluție atât de concentrată este puternic caustică, din aceeași categorie cu substanțele chimice folosite în soluțiile de desfundat scurgerile, și atacă pielea, ochii și mucoasele la contact. Într-o celulă deschisă sau improvizată, picăturile sau ceața pot ajunge pe traseul gazului împreună cu hidrogenul, transformând un pericol chimic într-un pericol de inhalare și de contact chiar în punctul în care gazul ar trebui să ajungă la nasul cuiva. Înlocuirea sării cu leșie schimbă problema gazului toxic cu una de manipulare a unei substanțe caustice; nu duce la o instalație din care gazul poate fi pur și simplu inhalat în siguranță.
Riscul de incendiu și explozie al hidrogenului în sine, indiferent de electrolit
Chiar și o celulă care ar evita cumva atât clorul, cât și antrenarea soluției caustice ar produce tot hidrogen, iar hidrogenul are probleme de manipulare care nu au nicio legătură cu electrolitul folosit pentru a-l obține. Limitele de inflamabilitate în aer sunt de aproximativ 4% până la 75% din volum, iar intervalul mai îngust de detonație este de aproximativ 18,3% până la 59%; în practică, aprinderea poate avea loc și în afara acestor valori nominale atunci când există turbulențe (sursă: Siguranța hidrogenului, Wikipedia). Este un interval neobișnuit de larg în comparație cu cel al majorității gazelor inflamabile, ceea ce înseamnă că există mai multe șanse ca un amestec accidental să se încadreze în el.
De asemenea, hidrogenul se aprinde ușor: energia sa minimă de aprindere este de aproximativ 0,02 milijouli, una dintre cele mai mici dintre toate substanțele cunoscute și cam o zecime din cea necesară unui amestec de benzină și aer (sursă: Siguranța hidrogenului, Wikipedia). Este suficientă o descărcare electrostatică sau o scânteie prea mică pentru a fi observată. Dacă adăugăm faptul că hidrogenul este mai ușor decât aerul și se acumulează lângă tavane și sub proeminențe, în loc să se disperseze în jos, precum și faptul că o scurgere aprinsă într-o încăpere închisă este mai probabil să provoace o explozie decât o flacără limitată (sursă: Siguranța hidrogenului, Wikipedia), situația devine clară: o celulă de electroliză deschisă, lăsată să funcționeze nesupravegheată într-un dormitor sau într-o baie, produce un gaz cu o marjă de eroare cu adevărat mică, pe lângă orice substanțe adăugate de electrolitul folosit.
Ce face diferit un aparat PEM
O celulă cu membrană schimbătoare de protoni (PEM) rezolvă în același timp, prin proiectare și nu prin noroc, problemele legate de clor, substanțele caustice și amestecarea necontrolată. Membrana conduce protonii, acționând totodată fizic ca izolator și barieră între reactanți, astfel încât hidrogenul și oxigenul se formează pe părți opuse ale acesteia, în loc să se ridice împreună sub formă de bule într-un singur recipient deschis (sursă: Electroliza apei, Wikipedia). Deoarece membrana în sine este sensibilă la ionii dizolvați, sistemele PEM sunt concepute să funcționeze cu apă de alimentare curată și desalinizată, nu cu apă sărată sau leșie; ionii străini degradează membrana, în loc să adauge pur și simplu un produs secundar. De aceea, pentru electrolizoarele PEM, apa desalinizată este o necesitate practică, nu o preferință (sursă: Electroliza apei, Wikipedia).
Acesta este mecanismul din spatele aparatelor precum Aparat de inhalare de hidrogen Hydrion Zenith. În descrierea produsului sunt menționate o puritate a hidrogenului de 99,99%, electroliza PEM cu o membrană protonică acoperită cu platină, necesitatea de a folosi apă distilată sau purificată cu un conținut total de solide dizolvate sub 3 ppm și un interval de debit reglabil între 300 și 1.800 ml/min, cu șapte setări ale debitului. Acestea sunt specificațiile producătorului, nu rezultatele unor teste independente de laborator, dar reprezintă totuși același tip de informații pe care le oferă fișa tehnică a oricărui echipament și contrastează direct cu o celulă deschisă care produce orice se întâmplă să rezulte dintr-o reacție necontrolată.
Dacă vrei să afli mai multe despre cum funcționează în general tehnologia cu membrane, articolul nostru explicativ despre electroliza PEM în sticlele de apă cu hidrogen prezintă același principiu de separare la o scară mai mică, iar articolul despre motivul pentru care calitatea membranei determină calitatea rezultatului explică de ce o celulă deschisă nu poate egala performanța pentru care este conceput un sistem cu membrană etanșă.
De ce „din punct de vedere tehnic, este hidrogen” nu înseamnă același lucru cu „potrivit pentru inhalare”
Un flux de gaz produs într-un borcan cu apă sărată sau leșie poate conține hidrogen, dar poate conține și urme de clor, ceață caustică sau un amestec nemăsurat de hidrogen și oxigen, pe care nimeni nu l-a verificat înainte să ajungă într-un tub. Este ceva fundamental diferit de un gaz cu o valoare de puritate declarată, produs de un echipament conceput special pentru a preveni tocmai aceste probleme. Alegerea reală nu este între „DIY” și „cumpărat din magazin”, ca o chestiune de preferință, ci între improvizarea unui mic experiment chimic în interiorul locuinței și folosirea unui echipament ale cărui specificații au fost stabilite, care a fost testat de producător și care este conceput pentru un singur scop: producerea unui gaz pentru inhalare, la un debit cunoscut.
Acestea fiind spuse, specificațiile nu înlocuiesc bunul-simț. Un detector de hidrogen pentru locuință și atenția rezonabilă acordată ventilației rămân măsuri de precauție sensibile în cazul oricărui echipament cu hidrogen, făcut în casă sau fabricat, tocmai pentru că profilul de inflamabilitate al hidrogenului în sine nu se schimbă în funcție de proveniența gazului. Dacă vrei să înțelegi cum funcționează de fapt detectoarele și calculele de ventilație, în loc să te bazezi pe precauții generale, articolul nostru despre funcționarea senzorilor detectoarelor de hidrogen și analiza noastră a limitelor de ventilație în funcție de volumul încăperii prezintă detaliile. Iar dacă ai depășit deja întrebarea legată de siguranță și te gândești ce aparat special conceput se potrivește configurației tale, comparația noastră dintre modelele Zenith și Titan este următoarea lectură firească. Pentru o prezentare mai amplă a ceea ce presupune inhalarea hidrogenului, înainte de toate acestea, ghidul nostru pentru începători despre terapia prin inhalare de hidrogen este un bun punct de pornire.
Acest articol explică ce produce de fapt electroliza făcută acasă; nu este un ghid pentru construirea vreunui dispozitiv și nimic din ce este prezentat aici nu trebuie interpretat ca instrucțiuni pentru asamblarea sau utilizarea unei celule DIY pentru producerea de gaz.