Генератор водородной воды: как он работает и что смотреть
Генератор — это маленький электролизёр. Ток разлагает воду, на катоде выделяется водород и растворяется в ней же. Физика настоящая, никакой загадки здесь нет.
Главное различие приборов — есть мембрана или нет. Мембрана разделяет катод и анод, и продукты окисления не попадают в стакан. Без неё всё, что образуется на аноде, остаётся в той же воде.
И главное практическое наблюдение: сколько водорода получится, сильно зависит от исходной воды. В опубликованных измерениях бытовой прибор давал 780–900 мкг/л на обычной воде — и всего 80 мкг/л на очищенной, почти лишённой солей. То есть на воде после осмоса тот же прибор работает в десять раз хуже.
Как это работает
При электролизе вода разлагается: на катоде выделяется водород, на аноде — кислород. В генераторе катод находится в питьевой воде, поэтому образующийся водород сразу в ней растворяется. Больше предела растворимости он не растворится — около 1,6 мг/л при комнатной температуре, — а излишек уйдёт пузырьками.
Отсюда сразу два практических следствия. Первое: время работы прибора имеет значение только до насыщения, дольше держать бессмысленно. Второе: вода должна проводить ток, иначе электролиз идёт плохо, — а проводимость дают растворённые соли.
С мембраной и без: в чём реальная разница
Это единственное различие приборов, которое действительно стоит понимать.
| Конструкция | Что происходит |
|---|---|
| Без мембраны | Оба электрода в одном объёме воды. Водород с катода растворяется в воде — вместе со всем, что образовалось на аноде |
| С мембраной (SPE, она же PEM) | Твёрдый полимерный электролит проводит протоны, но физически разделяет камеры. Продукты анода уходят отдельно, в стакан попадает только водород |
SPE и PEM в описаниях приборов означают одно и то же: твёрдополимерный электролит. Разделение камер — не маркетинговая деталь, а единственное, что отличает эти конструкции по сути.
Что образуется кроме водорода
Здесь надо быть точным в обе стороны, потому что тема легко скатывается либо в рекламу, либо в страшилку.
Что известно из электрохимии. При электролизе воды, содержащей хлориды, на аноде могут образовываться активный хлор, гипохлорит, хлораты, при высоких нагрузках перхлораты, а также озон и перекись водорода. Это подробно описано для промышленного обеззараживания воды электролизом. В полевом сравнении промышленных ячеек хлораты обнаруживались во всех проверенных установках с анодами на оксидах металлов, а на алмазных анодах образовывались и хлораты, и перхлораты.
Что измерено в бытовом приборе. В работе 2021 года мерили бытовую генерирующую бутылку на водопроводной воде. Результат оказался обратным ожидаемому: остаточный свободный хлор за десять минут электролиза не вырос, а снизился — с 0,18 до 0,12 мг/л, общий хлор с 0,17 до 0,11. Растворённый озон оказался ниже предела обнаружения. Объяснение простое: хлор на катоде восстанавливается.
Сколько водорода прибор даёт на самом деле
Заявленные и измеренные величины расходятся, и расходятся предсказуемо.
| Условия | Измеренная концентрация |
|---|---|
| Бытовой прибор, обычная вода | 780–900 мкг/л, то есть 0,78–0,90 мг/л |
| Тот же прибор, очищенная вода почти без солей | 80 мкг/л — в десять раз меньше |
| Другая работа, бытовая бутылка, 30 минут | 479 мкг/л |
| Теоретический предел при 25 °C | 1 600 мкг/л |
| Вода температурой 40–50 °C | Концентрация падает |
То есть реальный прибор выдаёт примерно половину теоретического насыщения, а на деминерализованной воде — почти ничего. Это не брак: электролизу нужны ионы, а после обратного осмоса их почти не остаётся. Практический вывод неожиданный и полезный: воду после осмоса в такой прибор заливать бессмысленно.
Как проверить, что водород действительно есть
Два способа, которые предлагают чаще всего, работают хуже, чем принято думать.
ОВП-метр: не годится
Отрицательный ОВП принято считать доказательством наличия водорода. Против этого есть и общий, и конкретный аргумент.
Общий: окислительно-восстановительный потенциал — смешанный потенциал, он зависит от pH, от растворённого кислорода и от состояния электрода. Геологическая служба США прямо пишет, что измерение сопряжено с неустранимыми помехами и ограничениями, а Агентство по охране окружающей среды США указывает, что единый редокс-потенциал нельзя приписать неравновесной системе без указания конкретной редокс-пары.
Конкретный: в том же исследовании бытовых приборов концентрация водорода и ОВП разошлись прямо в одном эксперименте. При росте жёсткости воды содержание водорода снижалось с 960 до 870 мкг/л — это верхняя часть измеренного в той работе диапазона, — а ОВП при этом рос с −460 до −320 мВ. А на очищенной воде водорода было всего 80 мкг/л — при ОВП плюс 20 мВ.
Развёрнуто про то, почему прибор показывает минус и что на это влияет, — в разборе ОВП воды и в статье про отрицательный ОВП. Коротко: большая часть эффектного минуса на экране приходится не на водород, а на поднятый pH.
Капельный тест: измеряет не то, что написано
Тест с метиленовым синим и коллоидной платиной — метод настоящий, опубликованный: краситель восстанавливается водородом и обесцвечивается, число капель до перехода цвета соответствует концентрации. Диапазон примерно от 0,2 до 1,6 мг/л, одна капля на пробу 20 мл — около 0,03 мг/л.
Надёжно измеряют содержание растворённого водорода газовая хроматография и амперометрический датчик. В быту это недоступно, и честнее это признать, чем полагаться на индикатор, который реагирует на любой восстановитель.
Сколько стоит миллиграмм водорода
Цену называют за бутылку или за прибор, а покупают водород. Пересчитаем в сопоставимую величину.
Цена миллиграмма водорода
Введите цену порции, её объём и концентрацию — увидите, во что обходится собственно водород
Для прибора цену порции можно оценить так: стоимость устройства разделить на предполагаемое число порций за срок службы. Концентрацию берите не из рекламы, а из измерения: в опубликованных работах бытовые приборы давали 0,48–0,90 мг/л.
На что смотреть при выборе
- Есть ли мембрана. Единственное различие, у которого есть физический смысл: с мембраной продукты анода в стакан не попадают.
- Какая вода подойдёт. Электролизу нужны растворённые соли. На деминерализованной воде прибор почти не работает.
- Заявленная концентрация. Всё, что выше 1,6 мг/л, при обычном давлении недостижимо. Цифры «5 ppm» и «10 ppm» — повод не доверять остальному описанию.
- Как проверять. ОВП-метр здесь не помощник, капельный тест реагирует на любой восстановитель. Практичнее оценивать не сам факт водорода, а то, устраивает ли вас доказательная база темы.
Как отличить рабочий показатель воды от красивой цифры в описании
Водородная вода — хороший пример того, как устроены обещания вокруг воды: физика настоящая, приборы настоящие, а проверить заявленный эффект в быту нечем. Гораздо продуктивнее начинать с показателей, у которых есть методики измерения и нормативы, — и уже от них решать, что вам нужно от воды.
- Какие показатели воды действительно измеряются и чем
- Как прочитать протокол анализа и что в нём смотреть первым
- По каким цифрам сравнивают приборы и средства, меняющие состав воды
- Ответы на вопросы вживую — можно спросить про своё оборудование
Онлайн, регулярно, бесплатно. Это разбор показателей, а не продажа оборудования.
Частые вопросы о генераторах водородной воды
Это маленький электролизёр: ток разлагает воду, на катоде выделяется водород и растворяется в той же воде. Растворится не больше предела — около 1,6 мг на литр при комнатной температуре, остальное уйдёт пузырьками. Поэтому держать прибор включённым дольше, чем нужно для насыщения, смысла нет.
Мембрана из твёрдого полимерного электролита (в описаниях её обозначают SPE или PEM — это одно и то же) физически разделяет катодную и анодную камеры. В приборе без мембраны оба электрода стоят в одном объёме воды, и всё, что образовалось на аноде, остаётся в стакане вместе с водородом. Это единственное различие конструкций, у которого есть физический смысл.
Нет, это утверждение неверно. Оно опирается на тезис, что PEM-мембраны работают только при 80–100 °C и давлении 15–30 атмосфер. В гармонизированных протоколах испытаний электролизёров Объединённого исследовательского центра Еврокомиссии для PEM указан диапазон 20–80 °C, а сама категория называется низкотемпературным электролизом. Давление 15–30 атмосфер — это выходное давление промышленных установок, а не условие работы мембраны.
При электролизе воды с хлоридами на аноде в принципе могут образовываться активный хлор, гипохлорит и хлораты. Но в измерениях бытовой генерирующей бутылки на водопроводной воде свободный хлор за десять минут не вырос, а снизился — с 0,18 до 0,12 мг/л, а озон оказался ниже предела обнаружения. Оговорка существенная: это один прибор и одна вода, а хлораты в той работе не измеряли вообще. Риск зависит от содержания хлоридов в исходной воде и от материала анода.
Смысла мало. Электролизу нужны растворённые соли, чтобы вода проводила ток. В опубликованных измерениях один и тот же прибор давал 780–900 мкг/л водорода на обычной воде и всего 80 мкг/л на очищенной, почти лишённой солей, — разница на порядок.
В быту — почти никак, и это честный ответ. ОВП-метр не годится: показание задаётся в основном pH и составом воды, а не водородом; в одном исследовании концентрация водорода снижалась, а ОВП при этом рос. Капельный тест с метиленовым синим реагирует на любой восстановитель: витамин C обесцвечивает этот краситель напрямую. Надёжны только газовая хроматография и амперометрический датчик.
По опубликованным измерениям — от 0,48 до 0,90 мг/л: в лучшем случае около половины теоретического насыщения, в худшем — меньше трети. Полный предел при 25 °C составляет 1,6 мг/л. Всё, что заявлено выше этой величины, при обычном давлении недостижимо, и такие цифры в описании — повод отнестись к остальному тексту с недоверием.
Источники
Нормативные документы, публикации ВОЗ и рецензируемые исследования, на которых основаны цифры в этой статье.
- Tsotridis G., Pilenga A. EU harmonised protocols for testing of low temperature water electrolysers Объединённый исследовательский центр Европейской комиссии (JRC), EUR 30752 EN, 2021. DOI 10.2760/58880. ISBN 978-92-76-39266-8 Публикация по DOI Официальные рабочие диапазоны PEM-электролизёров: температура 20–80 °C, категория «низкотемпературный электролиз». Основание для разбора утверждения про 80–100 °C и 15–30 атмосфер.
- Carmo M., Fritz D.L., Mergel J., Stolten D. A comprehensive review on PEM water electrolysis International Journal of Hydrogen Energy, 2013, т. 38, вып. 12, с. 4901–4934. DOI 10.1016/j.ijhydene.2013.01.151. Обзор Публикация по DOI Классический обзор технологии PEM-электролиза: принцип разделения камер твёрдополимерным электролитом и типичные рабочие условия.
- Tanaka Y., Teraoka F. и соавт. Dependencies of hydrogen-water on mineral-based hardness, temperatures and the container materials Medical Gas Research, 2020, т. 10, вып. 2, с. 67. DOI 10.4103/2045-9912.285559 Публикация по DOI Ключевой источник страницы: 780–900 мкг/л на обычной воде и 80 мкг/л на очищенной; падение при 40–50 °C; и прямое расхождение концентрации водорода с показаниями ОВП в одном эксперименте.
- Hatae T., Miwa N. Electrolytic hydrogen-generating bottle supplies drinking water with free/combined chlorine and ozone repressed within safety standard under hydrogen-rich conditions Medical Gas Research, 2021, т. 11, вып. 2, с. 61–65. DOI 10.4103/2045-9912.311496 Публикация по DOI Измерения в бытовой генерирующей бутылке: свободный хлор снизился с 0,18 до 0,12 мг/л, озон ниже предела обнаружения, водород 479 мкг/л за 30 минут. Хлораты в работе не измерялись.
- Bergmann M.E.H., Iourtchouk T., Schmidt W. и соавт. Laboratory- and technical-scale comparison of chlorate and perchlorate formation during drinking water electrolysis: a field study Journal of Applied Electrochemistry, 2015, т. 45, вып. 7, с. 765–778. DOI 10.1007/s10800-015-0826-z Публикация по DOI Что образуется при электролизе воды с хлоридами в промышленных ячейках: хлораты на анодах из оксидов металлов, хлораты и перхлораты на алмазных анодах.
- Seo T., Kurokawa R., Sato B. A convenient method for determining the concentration of hydrogen in water: use of methylene blue with colloidal platinum Medical Gas Research, 2012, т. 2, вып. 1, ст. 1. DOI 10.1186/2045-9912-2-1. Открытый доступ Полный текст в открытом доступе Описание капельного метода: диапазон 0,2–1,6 мг/л, одна капля соответствует 0,03 мг/л в пробе 20 мл. Здесь же видно, что из помех авторы рассматривали только растворённый кислород.
- Mowry S., Ogren P.J. Kinetics of Methylene Blue Reduction by Ascorbic Acid Journal of Chemical Education, 1999, т. 76, вып. 7, с. 970. DOI 10.1021/ed076p970 Публикация по DOI Аскорбиновая кислота восстанавливает метиленовый синий напрямую, без катализатора: период полупревращения при комнатной температуре около одиннадцати секунд. Основание для вывода о неспецифичности капельного теста.
- Nordstrom D.K., Wilde F.D. Reduction-oxidation potential (electrode method), версия 1.2 Геологическая служба США (USGS), Techniques of Water-Resources Investigations, книга 9, глава A6, раздел 6.5, 2005. DOI 10.3133/twri09A6.5 Публикация на сайте USGS Методическое основание для вывода, что ОВП не годится как мера содержания водорода: измерение сопряжено с неустранимыми помехами, и в число рутинно измеряемых полевых параметров редокс-потенциал не входит.
- Field Measurement of Oxidation-Reduction Potential (ORP), SESDPROC-113-R1 Агентство по охране окружающей среды США (US EPA), Region 4, отдел научной поддержки, 2013 Методический документ EPA Формулировка о том, что единый редокс-потенциал нельзя приписать неравновесной системе без указания конкретной редокс-пары, и что в природных средах измерение полуколичественное.
Комментарии