Trinkwasser mit Wasserstoff anreichern in der Praxis

Der W_t-Wert als Qualitätsmerkmal für H₂-Wasser-Geräte

Geräte zur Herstellung von H₂-Wasser werden meist damit beworben, dass sie Wasser mit einem hohen ppm-Werte zubereiten können.
Was bedeutet das?
"ppm" bedeutet "Parts per Million" also der Gewichtsanteil von Wasserstoffgas in Millionstel des Wassergewichts. Es ist ein Maß für den Wasserstoffgehalt im Wasser, sagt aber nichts darüber aus, wie lange es dauert diesen Wert in einem Liter Wasser zu erreichen, und bei welcher Wassertemperatur und bei welcher Wasserqualität.

Der ppm-Wert ist also ein Qualitätsmerkmal für das fertige H₂-Wasser, sagt aber wenig über das Gerät aus, mit dem dieses H₂-Wasser erzeugt wurde. Sollen z.B. 10 Liter H₂-Wasser mit 15 °C mit einem H₂-Gehalt von 4 ppm hergestellt werden, so dauert das mit einer typischen Booster-Flasche ganze 3 Stunden, mit dem großen Wandgerät 46 Sekunden und mit meinem kleinen Badewasser-Gerät nur eine Zehntel-Sekunde. Alle drei Geräte können zurecht mit einem ppm-Wert über 4 beworben werden, haben aber eine völlig unterschiedliche H₂-Leistung.

Daher bewerte ich hier die Effektivität der getesteten Geräte mit dem W-Wert (dem Wirkungsgrad nach "Willand") der besagt, wie viel Milliliter Wasserstoffgas das Gerät je Minute in einem Liter Wasser auflösen kann. Der Wirkungsgrad W hängt immer auch von der Wassertemperatur t ab und berechnet sich ganz einfach nach der Formel:

W_t [ml/min]= H₂-Gehalt [ppm] x 12,12 [ml/kg] x erzeugte-Wassermenge [kg/min]

 

(Vereinfacht wird in der Formel angenommen, dass 1 Liter Wasser ein 1 kg wiegt)
Dieser W_t-Wert besagt also, wie viel H₂-Gas das jeweilige Gerät je Minute in Wasser einer bestimmten Temperatur t lösen kann.

Beispiele:

1. Eine typische Booster-Flasche ist in der Lage 250 ml Leitungswasser mit 15 °C in 5 Minuten auf einen H₂-Gehalt von 4 ppm zu bringen. Zur Erzeugung von 1 Liter H₂-Wasser mit 4 ppm muss sie 4 mal 5 Minuten laufen, sie braucht also 20 Minuten je Liter Wasser, mit 4 ppm. Ihr W₁₅-Wert ist dann also: W₁₅= 4 x 12,12 x 1/20 = 2,4 ml/min
2. Mein kleines Untertisch-Gerät reichert Leitungswasser mit 15 °C im Durchfluss von 0,5 Liter je Minute mit 4,0 ppm H₂-Gas an. Der W₁₅-Wert des Gerätes ist somit:
   W₁₅ = 4 x 0,5 x 12,12 = 24,2 ml/min. Die Leistung dieses Gerätes ist also bei gleichem ppm-Gehalt schon 10-mal größer. 
3. Mein großes Wandgerät reichert Leitungswasser mit 15 °C im Durchfluss von 1,4 Liter je Minute mit 4,4 ppm H₂-Gas an. Der W₁₅-Wert des Gerätes ist somit:
   W₁₅ = 4,4 x 1,4 x 12,12 =74,7 ml/min.
4. Mein großes Gerät für H₂-Badewasser reichert Leitungswasser mit 15 °C im Durchfluss von 17,3 Liter je Minute mit 5,1 ppm H₂-Gas an. Der W₁₅-Wert des Gerätes ist somit:
   W₁₅ = 5,1 x 17,3 x 12,12 =1069 ml/min. Dieses Gerät leistet also mit kaltem Leitungswasser so viel wie 445 Booster-Flaschen!
   Etwas anders sieht es immer mit sehr warmem Wasser aus, weil sich in wärmeren Wasser das H₂-Gas schlechter löst.
   Daher ist der W₃₈-Wert in der Regel deutlich kleiner als der W₁₅-Wert
   So reichert dasselbe Gerät 38 °C warmes Leitungswasser im Durchfluss von 17,5 Liter je Minute nur mit 4,2 ppm H₂-Gas an. Der W₃₈-Wert des Gerätes für Warmwasser ist daher geringer:
   W₃₈ = 4,2 x 17,5 x 12,12 =891 ml/min.

Den W_t-Wert gebe ich als Vergleichsmaßstab für die von mir geprüften Geräte und Konstellationen an. Bei Großgeräten zum Teil auch zusammen mit einer Leistungsangabe der Geräte in Watt, also dem Energie-Verbrauch während der H₂-Wasser Erzeugung. Die Erzeugung von Wasserstoffgas in Inhalatoren und Booster-Flaschen benötigen generell viel elektrische Energie, größtenteils proportional zur erzeugten Wasserstoffmenge in ml/min.

Der W-Wert ist zugleich die Mindestmenge an H₂-Gas, die eine PEM-Zelle oder ein Inhalator für die Herstellung des H₂-Wassers liefern können muss (in der Praxis aber bis zur doppelten Menge).

 

Und so bestimme ich den W_t-Wert von Durchflussgeräten zur Erzeugung von H₂-Wasser:

1. Stoppe die Zeit t, die ein Durchflussgerät benötigt, um einen 10-Liter-Eimer mit H₂-Wasser zu füllen
2. Bestimme die Durchflussmenge D in Liter je Minute als: D [l/min] = 600 / t 
3. Bestimme den H₂-Gehalt des H₂-Wassers im 10-Liter-Eimer mit den "blauen Tropfen". Dazu eine Wasserprobe mit einer 6-ml-Spritze aus der Mitte des Wassers im Eimer entnehmen.
4. Berechne den W-Wert nach obiger Formel.

Booster-Flaschen sollten idealerweise entlüftetem, mit destilliertem Wasser getestet werden, wenn es um wirklich vergleichbare Ergebnisse geht, weil die Inhaltsstoffe im Wasser einen Einfluss auf das Ergebnis haben können. Bei großen Durchflussgeräten geht das natürlich nicht, aber bei großen Durchflussmengen spielt die Wasserqualität auch er´her eine untergeordnete Rolle.

 

Was sagt der W-Wert aus?

Er gibt an, wie viel Wasserstoffgas das Gerät je Minute erzeugt und dann auch tatsächlich ins Wasser abgibt. Meist löst sich aber nicht alles H₂-Gas auch im Wasser auf und ein mehr oder weniger großer Anteil entweicht als Blasen oder sehr feine Bläschen sofort wieder aus dem Wasser. Wird wie bei den Geräten zur H₂-Badewasser-Herstellung ein Inhalator verwendet, sollte dieser also mindestens eine H₂-Gasmenge abgeben können, die dem angegebenen W-Wert entspricht. (Wie die Hersteller-Angabe zur erzeugten Gasmenge überprüft werden kann, ist hier zu finden)

Können zwei Geräte das Wasser bis zu dem gleichen H₂-Wert in ppm anreichern, braucht ein Gerät mit dem doppelten W-Wert dazu nur halb so lang

Ein Gerät ist umso effektiver, je mehr des insgesamt erzeugten Wasserstoff auch tatsächlich im Wasser gelöst werden kann. Erzeugt das Gerät also intern, oder ein angeschlossener Inhalator 1000 ml/min und der W-Wert ist 600 ml/min liegt die Effektivität der verbauten Technik zum Einbringen von H₂-Gas ins Wasser bei 60 % (= 600/1000 x 100 %). Gemessen habe ich Werte zwischen 50 % und 70 %, der verwendete Inhalator sollte also das doppelte des W-Wertes liefern können, wenn der maximal mögliche ppm-Wert bereit beim ersten Durchlauf von Leitungswasser erreicht werden soll.
Erfolgt die H₂-Wasser-Bereitung durch wiederholtes Umpumpen von bereits etwas angereichertem Wasser, genügt ein Inhalator, der nur die Hälfte des W-Wertes an H₂-Gas liefern kann.

 

Der H_t-Wert beim Umpumpen zur Erzeugung von H₂-Wasser:

Beim Umpumpen lässt sich der W-Wert auf die gleiche Weise zwischen zwei Messungen bestimmen. Enthält das Wasser ganz zu Beginn noch kein H₂-Gas, ist der Wert genauso hoch wie bei reinen Durchflussgeräten. Enthält das angesaugte Wasser schon H₂-Gas, fällt es immer schwerer noch zusätzliches Gas im Wasser zu lösen, bis es dem Gerät schließlich nicht mehr möglich ist noch weiteres H₂-Gas in das Wasser einzubringen. Das entspricht der Anreicherungskurve, die anfangs steiler verläuft und immer flacher wird, bis sie schließlich horizontal verläuft und der maximal durch das Gerät erreichbare H₂-Gehalt erreicht ist. Beim Umpumpen wird einfach dieser Endwert des H₂-Gehalts in ppm in der Formel für den W_t-Wert eingesetzt, und als Temperatur die Wassertemperatur bei der Messung dieses Endwertes. (Durch das Umpumpen wärmt sich ja das Wasser ggf. um einige Grade auf.)

Der Ht-Wert ebenfalls in ml/min gibt nun an, wie viel Wasserstoffgas zwischen zwei Messungen in das Wasser eingetragen werden konnten.

 

H_t [ml/min]= Differenz zweier Messungen [ppm] x 12,12 [ml/kg] x Wassermenge in der Wanne [kg]
                   / Zeit zwischen zwei Messungen [min]

 

Beispiel:
Die dritte Messung war 2,4 ppm und die vierte 3,9 ppm und die Messungen erfolgten alle 5 min in der mit 200 Liter Badewanne.
Dann ist zum Messzeitpunkt der vierten Messung der H_t-Wert:   H_t = (3,9 - 2,4) x 12,12 x 200 / 5 = 727,2 ml/min
Zwischen der dritten und der vierten Messung schaffte es das Gerät also noch weitere 727 Milliliter H₂-Gas im Badewasser zu lösen.

 

Der gesamte Wasserstoffmenge in der Badewanne:

Um eine Vorstellung davon zu bekommen, welches H₂-Gasvolumen n gerade insgesamt im Badewasser gelöst sind und wieder ausgasen wollen, genügt es die Wassermege in der Wanne zu kennen und den H₂-Gehalt in ppm zu messen. Dann ist das Gasvolumen das sich im Wasser gelöst hat:

V_H [Liter]= H₂-Messung [ppm] x 12,12 [ml/kg] x Wassermenge in der Wanne [kg] / 1000

 

Beispiel: 
Eine Badewannenfüllung mit 200 Liter Wasser enthält bei einem H₂-Messwert von 6 ppm ganze 14,5 Liter Wasserstoffgas in gelöster Form!
Wieder vereinfacht angenommen, dass 1 Liter Wasser etwa 1 kg wiegt:  ( V_H = 6 x 12,12 x 200 / 1000 = 14,54)