Anreichern von Wasser mit Wasserstoff in der Praxis

Testverfahren für H₂-Badewasser

Bisher habe ich nur meine selbst entwickelten Geräte zur Anreicherung von warmem Badewasser mit H₂‑Gas getestet. Für die Geräte-Entwicklung war es wichtig, ein einheitliches Testverfahren festzulegen, um beurteilen zu können, mit welcher Konfiguration die schnellste und größtmögliche Anreicherung erreicht werden kann. Das erforderte sicher über hundert derartige Versuche.

Mein Testverfahren für das Anreichern von Badewasser mit H₂‑Gas durch Umpumpen

1. Einrichten und Füllen der Badewanne
   Die Badewanne wird mit 200 Litern Leitungswasser gefüllt, welches eine Temperatur von zwischen 38 °C und 39 °C hat. Durch das Umpumpen während der Versuchsdauer von 30 bis 60 Minuten kann sich das Wasser aufgrund der Pumpleistung von 500 bis 800 Watt noch um bis zu 0,1 °C/min erwärmen, daher die Temperaturspanne. Die Orte für das Absaugen und Einpritzen sind so zu wählen, dass eine gute Durchmischung sichergestellt ist: die Ansaugung in der Mitte der Wanne am Boden und den Ausströmer so an der langen Seite der Wanne, dass das Wasser in der Wanne in ständiger kreisförmiger Bewegung ist.
   Die Füllmenge von 200 Litern kann näherungsweise über die Füllhöhe bestimmt werden. Dazu die Wanne mit 20 Eimern Wasser, die genau 10 Liter fassen, füllen und sich die Füllhöhe an einer festgelegten Stelle in der Wanne messen. (Bei meiner Wanne sind das z. B. 26,2 cm am Rand des Auslaufs in der Mitte der Wanne für 200 Liter Füllmenge.)
   
   
2. Umpumpen und Wasserproben nehmen
   Zunächst wird das Wasser so lange umgepumpt, bis das System also luftfrei ist. In der Ansaugleitung direkt vor der Druck-Mix-Pumpe soll beim Umpumpen ein Unterdruck von höchstens 0,3 bar herrschen (sonst ist die Ansaugleitung zu dünn oder ein Vorfilter verstopft). Dann wird das H₂‑Gas aus einem H₂‑Inhalator in die Druck-Mix-Pumpe eingeleitet. Wenn H₂-Gas in die Pumpe strömt, ist das deutlich hörbar und in dem Moment wird die Stoppuhr gestartet. Im Versuchsverlauf wird dann alle 5 Minuten eine Wasserprobe in der Mitte der Wanne über der Ansaugung und ca. 5 cm unter der Wasseroberfläche mit zwei 3‑ml-Einwegspritzen (ohne Nadel) entnommen. (Fünf Minuten dauert auch etwa eine sorgfältige Messung mit den "blauen Tropfen" und das optionale Ablesen von Wasserdruck nach der Pumpe, Wassertemperatur und Wasserdurchfluss durch die Pumpe.)
   
   
3. Messen des H₂‑Gehalts alle 5 Minuten
   Für jede Messung werden immer zwei Spritzen mit 3 ml Wasser langsam aufgezogen. Zunächst werden 3 ml in das Messgefäß gefüllt, indem die Spritze sehr langsam so ausgedrückt wird, dass das Wasser an der Gefäßwand herunterfließt und so keine Turbulenzen beim Füllen verursacht. Die zweiten 3 ml Badewasser in der anderen Spritze können auch zu einer Wiederholung der Messung verwendet werden, wenn die erste Messung nicht gut gelungen ist. Ist der H₂-Gehalt in der 3-ml-Probe noch so gering, dass sich weniger als 10 Tropfen entfärben lassen, wird das Probengefäß mit der zweiten 3‑ml‑Spitze auf 6 ml aufgefüllt, um im Bereich der geringen H2-Konzentrationen die Messgenauigkeit zu erhöhen. Das Wasser entfärbt sich dann wieder und das Eintropfen wird fortgesetzt, bis sich der letzte Tropfen nicht mehr entfärbt. Der letzte Tropfen, der sich nicht mehr vollständig entfärbt, zählt nicht mit. Bleibt die Füllmenge bei 3 ml, zählt jeder Tropfen doppelt, bei 6 ml nur einfach. Und diese Zahl wird zusammen mit der gestoppten Zeitdauer notiert. Erst am Ende der Messreihe wird aus der auf 6 ml bezogenen Tropfenzahl T der jeweils erreichte Sättigungsgrad s und/oder der Wasserstoffgehalt c in [ppm] mit Hilfe der Ergebnisse einer Kalibrierung der blauen Tropfen am selben Badewasser berechnet, wenn der Kalibrierfaktor k bestimmt wurde. (siehe 6.)
   
   
4. Zugeführte H₂‑Gas-Menge
   Zu Beginn des Umpumpens, wenn das Wasser noch keinen Wasserstoff enthält, löst sich ein großer Anteil des zugeführten H₂‑Gases im Wasser, erkennbar daran, dass zu Beginn meist nur wenig Gas als Blasenstrom aus dem Ausströmer unter Wasser austritt. Enthält das angesaugte Wasser dann durch das Umpumpen bereits H₂‑Gas, wird der Blasenstrom stärker, bis sich schließlich gar kein zusätzliches H₂‑Gas mehr im Wasser lösen kann und alles zugeführte H₂‑Gas den Ausströmer wieder als Blasenstrom aus dem Ausströmer austritt. Es ist zweckmäßig, die H₂-Gas-Zufuhr zu reduzieren, wenn viel Gas aus dem Ausströmer kommt, da diese Bläschen wieder bereits gelöstes H2-Gas aus dem Wasser reißt. Eine geringere Gaszufuhr führt dann zu etwas besseren Endergebnissen, auch weil zu viel Gas das Einmixen von H₂-Gas in der Druck-Mix-Pumpe stören kann. 
   
   
5. Gasbläschen an der Wandung der Badewanne
   Kommt es bei der H₂-Anreicherung dazu, dass sich unter Wasser an der Wannenoberfläche größere Gasbläschen absetzen, so stören diese ebenfalls in geringem Maß die Anreicherung mit H₂-Gas, indem sie quasi Gas wieder aus dem Wasser "saugen" und dadurch immer weiter anwachsen. Es empfiehlt sich daher, diese von Zeit zu Zeit abzuwischen und diese so aus dem Wasser austreten zu lassen.
   
   
6. Kalibrieren der Messreihe und Berechnung des H₂‑Gehalts nach Ende der Messreihe
   Die chemische Reaktion der "blauen Tropfen", die zur einfach praktikablen Bestimmung der Konzentration von H₂‑Gas im Wasser verwendet werden, ist leider nicht ganz unabhängig von der Wasserqualität, d. h., bei destilliertem Wasser reagieren sie möglicherweise anders als bei Leitungswasser, in dem Mineralstoffe und Metall-Ionen enthalten sein können. Um dennoch vergleichbare Messwerte zur Einschätzung der Effektivität der verwendeten Geräte zu erhalten, müssen die Messtropfen auf die einfache Sättigung des real verwendeten Wassers kalibriert werden!
   Dazu entnehme ich nach 30 Minuten H₂-Anreicherung, wenn das Badewasser bereits hoch mit H₂-Gas übersättigt ist, eine Probe aus dem warmen Badewasser und befülle damit eine H₂-Booster-Flasche fast vollständig. Dann wird das Wasser in der oben offenen Boosterflasche 10 Minuten lang mit H₂-Gas durchsprudelt, was die Übersättigung sehr schnell auf 100 % Sättigung absinken lässt (Hier ein Video dazu). Nach kurzer Wartezeit, bis alle feinen Bläschen in der Flasche aufgestiegen und ausgegast sind, wird die Temperatur t gemessen und die Anzahl der "blauen Tropfen" N bestimmt, die sich in diesem Wasser gerade noch entfärben. Die so ermittelte Tropfenzahl N entspricht dann der vollständigen, einfachen Sättigung des Badewassers mit H₂-Gas selbst dann noch, wenn Inhaltsstoffe im Badewasser die Messung des realen H₂-Gehalts in ppm im Wasser mit den "blauen Tropfen" verfälschen sollten.
   
   Die relative Sättigung in % sowie der absolute Gehalt an H₂-Gas im Wasser bei 100 % Sättigung sind jedoch auch noch stark von der Wassertemperatur t abhängig. So liegt die einfache Sättigung S bei 20 °C bei 1,6 ppm, bei 38 °C jedoch bei nur 1,4 ppm, wie das folgende Diagramm verdeutlicht. Hatte das Badewasser bei der Messung der Messreihe aus der Wanne genau die gleiche Temperatur wie bei der Kalibrierung, so kann der erreichte Sättigungsgrad s aus dem Messwert der Tropfenanzahl n so berechnet werden: s [%] = n / N × 100
   Mit Berücksichtigung der unterschiedlichen Messtemperatur bei der Messung und der Kalibrierung wird die Umrechnungsformel jedoch recht kompliziert, weshalb ich dazu dieses Excel-Formular verwende.
   In gleicher Weise kann auch der kalibrierte H₂-Gehalt in ppm bestimmt werden als s [%] = n × n / N × 0,1 aber auch hier muss noch eine Temperaturkorrektur erfolgen.
   
   Das absolute Ergebnis in ppm kann jedoch, anders als der relative Sättigungsgrad, durch Inhaltsstoffe im Wasser, welche die chemische Reaktion der "blauen Tropfen" beeinflussen, verfälscht werden!
   
   
7. Charakteristische Kurven zur Anreicherungsgeschwindigkeit
   Selbstverständlich braucht das gleiche Gerät eine längere Zeit, um eine größere Wassermenge mit H₂‑Gas anzureichern, als eine kleinere Wassermenge. Daher ist es sinnvoll, die erreichte Sättigung des Badewassers mit H₂‑Gas nicht auf die benötigte Zeitdauer für 200 Liter Wasser zu beziehen, sondern darauf, wie häufig das Wasser dazu umgewälzt, also umgepumpt, werden muss. Bei den charakteristischen Kurven der Anreicherungsgeschwindigkeit wird daher der Gehalt an H₂‑Gas in ppm über dem Anteil des bereits umgepumpten Wassers in % aufgetragen. So wird die Fördermenge der Pumpe normiert. 100 % auf der x-Achse bedeuten dann, dass alles Wasser theoretisch einmal durch das Gerät gepumpt wurde, und 200 % markieren entsprechend den Zeitpunkt, zu dem doppelt so viel Wasser umgepumpt wurde, wie in der Badewanne vorhanden ist. Oder umgekehrt: Um diesen Anreicherungswert in [ppm] zu erreichen, müssen 200 % der Wassermenge in der Badewanne durch das Gerät gepumpt worden sein.
   Ebenso lässt sich, so wie unter 6. beschrieben, der Einfluss der Wassertemperatur auf die Sättigung normieren, indem nicht der H₂‑Gehalt in ppm angegeben wird, sondern das Maß der Sättigung bzw. Übersättigung. Die Angabe von 100 % bedeutet dann gesättigtes H₂‑Wasser und 200 % doppelt übersättigtes H₂‑Wasser. 
   
   
8. Effektivität des Anreicherungsgerätes als einfache Kennzahl
   Um die Leistungsfähigkeit eines Gerätes zur H₂-Anreicherung von Badewasser vergleichen zu können, kann zusätzlich der W_t-Wert bezogen auf das Wasservolumen in der Badewanne und die erforderliche Zeitdauer bis zum Erreichen des gemessenen H₂-Gehalts bestimmt werden. Der W_t-Wert gibt an, wie viel Milliliter H₂-Gas sich je Minute in einem Liter Wasser im Durchfluss bei der Temperatur t gelöst haben. (Berechnungsformel siehe hier.) Erfahrungsgemäß ist es sinnvoll, als Vergleichsmaßstab den W_t-Wert nach 30 Minuten Umpumpen zu bestimmen. 

Mein Testverfahren für das Anreichern von Badewasser mit H₂‑Gas im einmaligen Durchlauf

Um hohe Anreicherungswerte bereits beim Bezug des Badewassers aus dem Wasserhahn zu erreichen, ist die dazu erforderliche H₂-Gas-Menge, die in die Druck-Mix-Pumpe eingespeist werden muss, wesentlich größer. Wird weniger H₂‑Gas eingespeist, ist auch das Resultat schlechter. Demgegenüber kann durch Umpumpen auch mit geringerer H₂‑Gas-Zufuhr die maximale Konzentration erreicht werden, aber es dauert entsprechend länger.

1. Aufbau der Versuchseinrichtung
   Der Ansaugschlauch wird direkt an einen Wasserhahn einer Druckleitung angeschlossen, die Pumpe eingeschaltet und das Wasser fließt aus dem Ausströmer direkt in den Abfluss der leeren Badewanne. Dann wird bei laufender Pumpe der Zufluss zur Pumpe durch den Wasserhahn so weit gedrosselt, dass sich am Eingang der Pumpe ebenfalls ein leichter Unterdruck, aber nicht mehr als minus 0,3 bar, einstellt. Die Pumpe saugt das H₂‑Gas also selbst ein. Wird als H₂-Gas-Quelle ein Inhalator verwendet, ist es wichtig, dass dieser am H₂-Auslass auch unterdruckfest ist. (Erkennbar daran, dass bei ausgeschaltetem Inhalator mit dem Mund auch bei starkem Saugen keine Luft aus dem Inhalator gesaugt werden kann.)
   
   
2. Messung des H₂-Gehalts
   Dann wird der Druck-Mix-Pumpe so viel H₂‑Gas zugeführt, dass diese noch ausreichend Druck erzeugen kann und nicht leer läuft. Mit dem Ausströmer wird dann ein 10‑Liter-Eimer in der Wanne gefüllt, der im Dauerbetrieb der Pumpe überläuft, und die gewünschte Wassertemperatur von 38 °C wird während des Durchflusses gemessen und eingestellt. Wenn der Ausströmer ein einfacher Schlauch ist kann die Messprobe direkt aus dem austretenden Wasserstrahl mit einer 3‑ml-Spritze entnommen werden.
   Bei anderen Ausströmern die feine Bläschen im austretenden Wasser erzeugen. wie z. B. einem Duschkopf, muss ein neuer 10-Liter-Eimer befüllt werden und die Messprobe darf est dann aus dem Wasser entnommen werden, wenn das Wasser augenscheinlich völlig bläschenfrei und klar ist. Die eigentliche Messung mit den blauen Tropfen erfolgt dann wieder wie oben unter 3. und die Bestimmung des Kalibrierfaktors wie unter 6.
   
   
3. Effektivität des Anreicherungsgerätes als einfache Kennzahl
   Um die Leistungsfähigkeit eines Gerätes zur H₂-Anreicherung von Badewasser vergleichen zu können, kann zusätzlich der W_t-Wert bezogen auf den Durchfluss durch die Pumpe bestimmt werden. Der W_t-Wert gibt an, wie viel Milliliter H₂-Gas sich je Minute in einem Liter Wasser im Durchfluss bei der Temperatur t gelöst haben. Berechnungsformel siehe hier