Измерение концентрации водорода в воде

Измерение содержания водорода в воде

Зачем измеряют содержание водорода в воде?

Для оценки эффективности прибора важно измерять общее количество водорода, получаемого организмом при питье насыщенной водородом воды.

Измерение концентрации молекулярного водорода в воде является неординарной задачей. Часто измеряют окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), однако этот метод не дает точных результатов. Кроме того, водород в микропузырьках вообще не влияет на ОВП.

Методы измерения

1. Газовая хроматография

Авторитетная Международная Ассоциация стандартов водорода рекомендует  использовать газовую хроматографию 

Газовая хроматография (ГХ) является дорогостоящим методом, поэтому ее использование обычно ограничивается специализированными лабораториями, научными учреждениями и производителями, которые требуют высокоточных измерений и могут позволить себе инвестиции в оборудование и его обслуживание. Сколько стоит газовый хроматограф? Производители тест-капель метиленового синего с коллоидной платиной обычно калибруют и проверяют их характеристики с помощью ГХ.

Газовая хроматография — это метод, используемый для разделения соединений в смесях путем анализа взаимодействия между газом (подвижная фаза) и полимерным материалом (неподвижная фаза), содержащимся в длинной трубке, называемой колонкой.

Колонка используется для разделения отдельных компонентов образца. Хотя ГХ может измерять множество других газов и соединений, содержащихся в образце, мы рассмотрим газ H₂.

Образец для испытаний вводится в порт инжектора ГХ, и растворенный или содержащийся в микропузырьках водород удаляется из воды под действием тепла. Затем испарившийся газ нагнетается в колонку с использованием сжатого инертного газа-носителя (обычно аргона или азота). Пройдя по длине колонны, газ проходит через детектор теплопроводности (ДТП), его присутствие влияет на электрические характеристики вольфрам-рениевой нити. Отклик детектора будет пропорционален концентрации растворенного газообразного водорода, содержащегося в растворе пробы, и приведет к небольшому, но измеримому изменению падения напряжения. Сравнивая реакцию детектора во времени с сохраненным калибровочным стандартом, ГХ может определить неизвестную концентрацию водорода, присутствующего в исследуемой пробе. Этот метод показывает водород, как растворенный в воде, так и из пузырьков.

Плюсы:

• Высокая точность
• Возможность измерения водорода из микропузырьков

Минусы:

• Высокая стоимость оборудования
• Используется только в специализированных лабораториях и научных учреждениях

2. Капли метиленового синего с коллоидной платиной

Недорогой метод измерения концентрации водорода путем титрования. Этот метод используется многими производителями и позволяет измерять водород в микропузырьках. 

24 января 2012 года в научном журнале Medical gas research в статье “Удобный метод определения концентрации водорода в воде: использование метиленового синего с коллоидной платиной”. ("A convenient method for determining the concentration of hydrogen in water: use of methylene blue with colloidal platinum.") японскими учеными было предложено измерять количество водорода титрованием (последовательным добавлением капель до изменения цвета раствора).

“Метод определения концентрации водорода в воде очень желателен, особенно если он проще и дешевле, чем современный метод, включающий дорогие электрохимические датчики газа. Соответственно, мы исследовали простой метод оксидиметрии, который включает окислительно-восстановительную реакцию окислителя метиленового синего (МБ) в присутствии коллоидного платинового (Pt) катализатора. Хорошо известно, что МБ реагирует с эквимолярным количеством водорода в присутствии Pt или палладия с образованием бесцветного восстановленного (лейкометиленовый синий, лейко МБ) следующим образом MB (blue) + 2H⁺ + 2e^- → leucoMB (бесцветный)” - говорится в статье. На основе этой методики делаются капли многими производителями.

 

Измерение производится титрованием - добавлением по капле синего раствора и подсчета числа капель до того, как раствор сменит цвет с синего на прозрачный.

Плюсы:

• Простота и удобство
• Независимость от значения pH
• Возможность измерения водорода в микропузырьках в водородной воде в приборах, дающих сверх-высокую концентрацию.

Минусы:

• Часть водорода улетучивается во время измерения, результат немного ниже действительного

3. Измерители на основе пересчёта окислительно-восстановительного потенциала (ОВП)

Окислительно - восстановительный потенциал жидкости показывает, может ли она окислять что-либо - это дает положительный ОВП или же сама будет окисляться- это что понижает ОВП. Водоород может окисляться, он понижает ОВП.

Важно: отрицальный ОВП имеют растворы многих вредных веществ - например органика в старом аквариуме. Машинное масло тоже имеет отрицательный ОВП. Но это не значит, что эти жидкости полезны для здоровья.

До 2018 года для измерения содержания водорода на рынке генераторов водородной воды применялись приборы типа Trustlex.

Сейчас появились их дешевые аналоги.

Принцип их работы - измерение окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) раствора и автоматический пересчет в концентрацию водорода. Действительно, между концентрацией водорода и ОВП есть взаимосвязь.

Но из этого же уравнения видно, что концентрация ионов водорода H⁺ влияет на ОВП гораздо больше - оно во 2й степени. Ионы водорода H⁺ определяют кислотность, pH.

Вывод: даже незначительное изменение pH гораздо больше влияет на ОВП, чем содержание водорода. Даже незначительный сдвиг pH от значения, на которое настроен прибор, приводит к значительным искажениям.

На ОВП может влиять множество факторов, не только водород и его ионы. Например, если аквариум долго не чистить, вода в нем тоже станет с отрицательным ОВП, машинное масло - тоже имеет отрицательное ОВП.

Trustlex и его аналоги, измеряющие концентрацию водорода на основе ОВП, - неизбирательны, они могут показывать наличие водорода, даже когда его нет.

Кроме того, этот метод не позволяет учесть в водород, который содержится в микропузырьках и особо эффективно усваивается организмом, что особенно актуально для генераторов водородной воды сверхвысокой концентрации, он не дает достоверных результатов, и в частности, поэтому, этот метод не рекомендован Международнаой Ассоциацией стандартов водорода -The International Hydrogen Standards Association (IHSA)

Плюсы:

• Простота использования

Минусы:

• Неточность из-за влияния pH и других факторов
• Невозможность учета водорода в микропузырьках

4. Изменение концентрации водорода газоанализаторами с селективными электродами

Принцип работы таких измерителей водорода: При измерениях электроды погружаются в раствор электролита, отделенного мембраной от анализируемой среды. Мембрана проницаема для водорода, но непроницаема для паров воды и жидкостей. Водород диффундирует из анализируемой среды через мембрану в расположенный между мембраной и анодом слой электролита. На поверхности анода возникает электрохимическая реакция, в которую и вступает водород.

В результате в датчике начинает вырабатываться сигнал постоянного тока, величина которого пропорциональна концентрации водорода, растворенного в анализируемых средах. Далее этот сигнал преобразуется в данные.

По-научному это называется “амперометрический датчик, работающий по принципу полярографической ячейки закрытого типа”.

Плюсы:

• Независимость от pH раствора

Минусы:

• Нечувствителен к водороду в микропузырьках