Come funziona un generatore di idrogeno?
Un generatore di idrogeno utilizza una membrana a scambio protonico (PEM) per produrre gas idrogeno ad elevata purezza a partire dall'acqua. La cella PEM è stata originariamente sviluppata dalla NASA e viene ampiamente utilizzata in applicazioni industriali e di laboratorio.
Produzione di gas idrogeno
L'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'Universo, anche se, allo stato gassoso, non si trova naturalmente sulla Terra e deve essere prodotto. Nell'industria, l' H2(g) viene prodotto su larga scala mediante un processo chiamato steam reforming, che separa gli atomi di carbonio e di idrogeno dai combustibili a idrocarburi. L'idrogeno viene utilizzato in laboratorio per tante applicazioni, come la gascromatografia (GC), come combustibile o gas vettore, e nell’ICP-MS come gas di collisione, nell'industria chimica per sintetizzare ammoniaca, cicloesano e metanolo, e nell'industria alimentare per l’idrogenazione degli oli per formare grassi.
Una ricerca e uno sviluppo significativi hanno permesso di ottenere modi più sicuri, più ecologici, più efficienti ed economici per generare gas idrogeno secondo fabbisogno per applicazioni di laboratorio, manifatturiere e industriali. La sicurezza è migliorata così tanto che il gas idrogeno viene ora utilizzato in alcuni veicoli di trasporto come carburante pulito “non inquinante” con gas generato dall'acqua, con acqua come derivato della sua combustione.
Questo articolo fornisce risposte a diverse domande frequenti e a quelle relative alla sicurezza sul lavoro, raccolte da laboratori sanitari, ambientali, industriali, di testing, medici e di ricerca in tutto il mondo in merito all'uso sicuro dei generatori di idrogeno sul posto di lavoro.
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Come funziona un generatore di idrogeno?
L'elettrolisi dell'acqua è il metodo migliore per produrre gas idrogeno di elevata purezza on- demand. L'elemento più importante del generatore è la cella dell'elettrolizzatore dove avviene la reazione di elettrolisi. La cella è costituita da due elettrodi (un anodo e un catodo), che sono separati dalla membrana a scambio ionico. Per produrre una massima purezza dell'idrogeno, fino al 99,9995% , sugli elettrodi viene utilizzato un catalizzatore al platino. Quando sugli elettrodi della cella dell’elettrolizzatore viene applicata una tensione continua, si verificano le seguenti reazioni: -
Schema dell'elettrolisi in una cella PEM
Nell'anodo (l'elettrodo caricato positivamente), le molecole d'acqua perdono due elettroni, formando una molecola di ossigeno e quattro ioni idrogeno.
Anodo 2H2O - 4e = O2 + 4 H+
L’ossigeno prodotto in questa prima metà della reazione viene espulso in modo sicuro nell'atmosfera dal retro del generatore. I quattro ioni di idrogeno che sono stati prodotti passano poi attraverso la membrana a scambio ionico (attratti dal catodo caricato negativamente) e raccolgono quattro elettroni riducendosi a due molecole di idrogeno.
Catodo 4H+ + 4e = 2H2
Il gas idrogeno prodotto è separato dall'ossigeno dalla membrana a scambio ionico, che è impermeabile all'ossigeno molecolare.
Perché utilizzare un generatore di gas idrogeno?
I generatori di idrogeno sono un'alternativa sicura, pratica e normalmente più conveniente rispetto all'utilizzo di bombole ad alta pressione di H2. Un generatore di idrogeno fornirà idrogeno di purezza costante, eliminando il rischio di variazione della qualità del gas, che può interferire con i risultati analitici.
Inoltre, un generatore produce gas, on-demand, 24 ore su 24, il che significa che non c’è bisogno di preoccuparsi di rimanere senza gas in momenti inopportuni. Un generatore di idrogeno ti farà risparmiare più tempo poiché non dovrai perdere tempo a ordinare e sostituire i ricambi delle bombole.
Un generatore di idrogeno è un'alternativa ecologica alle bombole, poiché una volta installato esso resterà all’interno del laboratorio, fornendo gas per le applicazioni di laboratorio, e tutta la manutenzione sarà effettuata in laboratorio. Il generatore riduce anche le emissioni di anidride carbonica relative al tuo laboratorio, poiché non è necessario che arrivino camion a consegnare bombole di ricambio, portando via quelle vuote.
L’idrogeno come gas vettore
Molti laboratori stanno ora passando all'idrogeno come gas vettore in alternativa all'elio, il cui il prezzo aumenta di anno in anno. L'utilizzo del vettore gas idrogeno può ridurre il tempo medio delle analisi, aumentando la produttività del campione, poiché l'idrogeno ha una viscosità che è circa la metà di quella dell'elio. Molti laboratori possono prevedere di dimezzare il tempo delle analisi passando al gas vettore idrogeno.
Anche l’usura di prodotti deperibili, come le colonne, può essere ridotta quando si utilizza il gas idrogeno a causa della temperatura di eluizione più bassa dei prodotti, il che significa che è possibile utilizzare temperature del forno più basse e, in GC-MS, la frequenza di pulizia della sorgente ionica può essere notevolmente ridotta usando il gas vettore idrogeno perché l'idrogeno pulisce continuamente i componenti della sorgente ionica, che si traduce in minori tempi di inattività.
Molte applicazioni possono utilizzare l'idrogeno come alternativa al gas vettore elio, come l'analisi FAMEs negli alimenti, l'analisi dettagliata degli idrocarburi (DHA) e la SIMDIST nel settore del petrolio e gas, e con metodologie come l’EPA 8270 nell'analisi ambientale. I dettagli dei passaggi chiave per cambiare il gas vettore sono descritti qui.
Come posso passare dalle bombole a un generatore con tempi di fermo macchina limitati?
Il passaggio si svolge in genere senza problemi. Se si passa dalle bombole di gas idrogeno a un generatore, i tubi esistenti possono essere scollegati dalla bombola e collegati al generatore, utilizzando i raccordi SwageLok. Se si passa dall'elio all'idrogeno è necessario utilizzare sempre tubi nuovi.
Un generatore di idrogeno è sicuro?
Un generatore di idrogeno di PEAK immagazzina meno di 300 cc di gas, in confronto alle bombole, che immagazzinano fino a 9000 L a pressioni estremamente elevate (~2000-3000 psi). La gamma di generatori di gas idrogeno PEAK produce gas secondo fabbisogno, il che significa che solo la quantità necessaria al gascromatografo (GC) viene prodotta a flusso (0,5 L max) e pressione (120 psi max) regolati.
Quanto è sicuro il generatore?
Un generatore PEAK Precision di H2 è dotato di controlli continui delle perdite interne ed esterne, oltre ad avere una funzione di spegnimento automatico.
- Controlli diagnostici completi all'avvio.
- Controllo continuo delle perdite basato sulla pressione durante il funzionamento.
- Spegnimento automatico mediante isolamento della cella di generazione di H2
- Avvisi sonori e visivi
- Ventilazione forzata in tutto il generatore
- Basso contenuto di idrogeno in tutto il sistema (< 0,3 L max.)
In caso di perdita interna, il generatore interromperà la produzione di gas e avviserà il personale di laboratorio tramite il touchscreen dell'HMI, che emetterà un avviso e un allarme acustico. Se dovesse esserci una perdita all'esterno del generatore, o la sua capacità dovesse essere superata per 20 minuti, il generatore si spegnerà onde prevenire accumulo di gas idrogeno nell'ambiente del laboratorio o nello strumento fornito. Il sistema si spegne anche se la pressione interna supera i 120 psi.
I generatori di idrogeno eliminano i rischi per la sicurezza legati alla movimentazione di bombole ad alta pressione. Si potrà effettuare un'analisi GC senza problemi, senza serbatoi da cambiare e senza tempi di fermo macchina.
I nostri addetti alla sicurezza sono preoccupati per l'accumulo e l'esplosione di gas H2 in laboratorio: può succedere con un generatore di gas H2?
Nell’aria, l'idrogeno è infiammabile tra il 4,1% e il 78% . Ad esempio, un laboratorio di 5m x 4m x 2,5m ha un volume di 50.000 L. Per raggiungere il livello inferiore di esplosività (LEL) dell’idrogeno, del 4,1%, avremmo bisogno di 2050 L di idrogeno rilasciato nell’area di questo laboratorio in 1 istante.
Una bombola di gas H2 di dimensioni medie "G" contiene 9000 L di gas. Se una bombola perdesse, per raggiungere il LEL in questo stesso laboratorio, dovrebbe rilasciare appena il 25% del suo volume totale.
Un generatore di idrogeno PEAK Precision Trace 500cc produce 0,5 L al minuto. Per raggiungere il LEL con questo generatore di gas, esso dovrebbe trovarsi in uno spazio completamente sigillato, non essere collegato al GC/all’applicazione o patire una importante fuga e subire il guasto completo di tutte le sue funzionalità di sicurezza. Anche in questa altamente improbabile eventualità, il generatore dovrebbe funzionare per 67 ore (~3 giorni) per raggiungere il LEL.
Sono stati condotti dei test per valutare la sicurezza dei generatori di idrogeno?
I generatori di idrogeno PEAK sono dotati di marchio CE e CSA e sono stati testati esternamente secondo gli standard IEC per l'uso in laboratorio e per i requisiti di sicurezza per il rischio residuo di pericolo di esplosione. La valutazione è stata condotta nell’ipotesi peggiore, mediante test di diluizione e con un aeratore non funzionante. I test hanno mostrato che il rischio di esplosione non esiste, perché il LEL del 4,1% di idrogeno, nelle condizioni peggiori, non è stato raggiunto né all'interno che all'esterno del generatore.
Dove devo installare il mio generatore?
Il generatore può essere posto in sicurezza, in laboratorio, sul banco, sul pavimento o sotto l'autocampionatore GC. Il design impilabile della gamma PEAK Precision consente il posizionamento dei generatori vicino al GC o altre applicazioni. Per il funzionamento, il generatore deve essere posizionato su una superficie piana e liscia.
Generatore di gas PEAK Precision nel laboratorio
Colonna di generatori di gas Precision Series in scala
È possibile posizionare il generatore in un armadietto?
Attorno al generatore deve essere mantenuto un flusso d'aria adeguato, per consentire al sistema di ventilazione di funzionare in modo efficace. Se il generatore venisse posizionato in uno spazio chiuso l'ambiente dovrà essere controllato tramite un condizionatore d'aria o un ventilatore di estrazione. Occorre assicurarsi che il volume d'aria nel locale possa essere cambiato 5 volte ogni ora.
La parte posteriore del generatore diventa calda al tatto durante il funzionamento - si consiglia una distanza minima di 15 cm (6") da altri oggetti.
Le prese d'aria non devono essere ostruite né collegate ad alcuna applicazione. La rimozione forzata e sicura dei gas di scarico è stata progettata nel generatore per prevenire qualsiasi accumulo di pressione o gas interni.
Posso posizionare il generatore all’esterno del laboratorio?
È possibile, purché siano soddisfatte le condizioni ambientali consigliate richieste per il normale funzionamento. La riduzione della lunghezza delle tubature ridurrà i costi, in caso non siano già installati, e il rischio che eventuali perdite nelle tubature non vengano rilevate, migliorando la sicurezza dell'installazione. Se possibile, il generatore deve essere posizionato accanto o vicino (< 10 m) all’applicazione/al GC.
I miei GC devono essere ventilati?
Se un cliente desidera utilizzare un estrattore di fumi o collegare i tubi tra lo scarico del generatore e una cappa aspirante, è possibile farlo, ma l'eventuale idrogeno espulso dal GC si diffonderà rapidamente nell'aria e non rappresenta un pericolo per il personale di laboratorio o l'ambiente. Se il tubo è collegato alle porte di scarico del generatore, è fondamentale che questo venga monitorato frequentemente, poiché eventuali attorcigliamenti potrebbero causare un accumulo di gas e causare ulteriori problemi per la salute e la sicurezza. Il limite inferiore di esplosività (LEL) dell'idrogeno è del 4,1% e risulta non sia raggiunto tramite un generatore di gas di idrogeno di PEAK. In caso di dubbi, PEAK offre valutazioni sul sito, perizie sull’installazione e dimostrazioni in forma gratuita.
Avrò bisogno di sensori di idrogeno nel laboratorio o nel forno GC?
In laboratorio, la quantità di idrogeno generato/scaricato all’interno del laboratorio non è sufficiente ad accumularsi e raggiungere il LEL dell'idrogeno. Anche il rischio di un notevole accumulo di gas nel forno GC è estremamente basso, sia a causa della funzione di arresto di sicurezza contro le perdite esterne del generatore di idrogeno, che attraverso la funzione di arresto di sicurezza per l'ingresso del GC.
Se il tuo laboratorio, le autorità o regolamenti aziendali richiedono una regolamentazione, sensori o monitoraggio, PEAK può offrirti sensori di monitoraggio sia per ambienti esterni che per forni GC, per la tua massima tranquillità.
Sembra molto tecnico: quanto è difficile la manutenzione dei generatori di gas idrogeno?
La manutenzione è molto semplice, economica e non c’è bisogno un tecnico per la sua regolare effettuazione. È sufficiente riempire, ogni settimana, il serbatoio dell'acqua deionizzata. La manutenzione preventiva (PM) è necessaria ogni due anni e richiede la sostituzione della cartuccia del deionizzatore.
PEAK offre anche formazione per gli utenti, tutorial su Skype, PowerPoint, manuali utente dettagliati, supporto tecnico telefonico 24 ore su 24, 7 giorni su 7 e supporto presso la tua sede. Clicca qui per contattarci.
Quanti GC può alimentare un singolo generatore di idrogeno?
Come regola empirica generale, 100 cc possono alimentare due rilevatori FID. Naturalmente, il generatore necessario dipenderà dalla portata, dal tipo di gas vettore, dalla colonna, da altri rivelatori e da particolari metodologie.
Potrai trovare il calcolatore del tuo fabbisogno di gas qui.
Altrimenti, puoi contattarci per una consulenza.
Ritorno sull’investimento (ROI) - sarà davvero più conveniente?
Calcolando il gas, le spese di consegna, l'addebito per il noleggio delle bombole, i tempi di fermo del personale, l'amministrazione, le misure e la formazione in materia di OHS (Sicurezza sul lavoro), il ROI è generalmente compreso tra 9 e 15 mesi.
Quali sono i vantaggi dei generatori di idrogeno rispetto alle bombole?
- Pressione più bassa = più sicura (1-100 psi all'uscita)
- Il flusso controllato mantiene livelli di idrogeno sicuri (fino a 500 cc in uscita)
- Sensori di perdita integrati e funzione di spegnimento automatico.
- Produzione secondo necessità = stoccaggio minimo.
- Una volta installato, non è necessario spostarlo
- Tutte le operazioni di manutenzione sono effettuate in laboratorio
- Funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7: non è necessario monitorare la fornitura
- Costi e mansioni amministrative ridotti – nessun ordine ricorrenti di gas
- Minor impatto ambientale: una scelta più ecologica per il tuo laboratorio
È difficile installare un generatore di idrogeno?
Niente affatto. È sufficiente rimuovere l'imballaggio, collegare un flacone di acqua deionizzata esterna protetta dai raggi UV (alla stessa altezza o sotto il generatore), collegarlo a una fonte di alimentazione elettrica (10 Amp) e lasciare che raggiunga la temperatura ambiente. Si collega al GC utilizzando un tubo in rame o acciaio inossidabile da 1/8" pre-pulito (spurgato da gas).
Di che tubazioni ho bisogno?
L’approvvigionamento di gas idrogeno deve essere fornito tramite tubi in acciaio inossidabile o rame per uso in laboratorio utilizzando raccordi a compressione Swagelok. È importante cambiare il tubo precedentemente utilizzato per fornire elio al GC, poiché con il passare del tempo, all'interno del tubo, possono accumularsi depositi che l'idrogeno porterà all'applicazione, causando un rumore di fondo più elevato per un periodo di tempo più lungo.
Per qualsiasi tipo di connessione, i raccordi a compressione Swagelok sono la soluzione consigliata per collegare tubi in rame o acciaio inossidabile. Non devono mai essere utilizzati leganti chimici (come Loctite), saldature o colle, poiché ciò può introdurre composti organici volatili (COV) nell'alimentazione del gas, che possono avere conseguenze sui risultati.
Quando si eseguono linee >3 m, potrebbe essere necessario utilizzare tubature da 1/4" ridotte a 1/8" per alimentare ciascun GC. Ciò aumenta notevolmente il volume e può rendere più difficile l'installazione.
Per linee >10 m tra il generatore e il GC, consulta PEAK o i tuoi tecnici di montaggio per l’installazione.
Quale acqua posso usare per il mio generatore di idrogeno?
PEAK consiglia acqua deionizzata (DI) di > 1 megaohm di resistività / < 1 µS di purezza di conduttività o superiore. Se disponibile presso la tua struttura è preferibile usare acqua MilliQTM. PEAK sconsiglia di collegare il generatore a una fornitura di acqua deionizzata continua.