Gás H2 e seu sensor

Introdução ao hidrogênio

O gás hidrogênio é um elemento químico composto por dois átomos de hidrogênio com a fórmula H₂. Em sua forma pura, o hidrogênio é um gás incolor, inodoro e insípido. Não é tóxico, mas é extremamente inflamável e requer manuseio cuidadoso para garantir a segurança. O hidrogênio é o elemento mais abundante no universo, representando 90% do peso do universo. No entanto, raramente é encontrado em sua forma pura na Terra, pois se combina facilmente com outros elementos. O hidrogênio é comumente usado em vários processos industriais, incluindo refino de petróleo, produção de produtos químicos e como uma fonte potencial de combustível limpo.

O gás hidrogênio é extremamente leve, com uma densidade de 0,08988 gramas por litro à pressão padrão. Essa propriedade o torna valioso em aplicações como células de combustível e como gás de elevação em balões e dirigíveis. Apesar de sua leveza e abundância, o manuseio seguro do hidrogênio é crucial devido à sua inflamabilidade.

A produção industrial de hidrogênio é significativa, com inúmeras fábricas de grande escala em todo o mundo. O hidrogênio é frequentemente produzido por meio de métodos como reformação a vapor do metano e eletrólise, processos que envolvem a divisão de moléculas de água para extrair gás hidrogênio.

Características do gás

Incolor
Sem odor
Sem sabor
Extremamente inflamável
O mais leve de todos os elementos.
O hidrogênio no ar é inflamável em concentrações entre 4% e 75% em volume (para comparação, o metano é inflamável no ar apenas em uma proporção entre 4,4% e 17% em volume).
O gás hidrogênio é composto por moléculas de H2: cada molécula é formada por dois átomos de hidrogênio ligados entre si.
Henry Cavendish descobriu-o em meados do século XVIII e descreveu-o como “ar inflamável”.
O elemento mais abundante no universo, representando aproximadamente 75% de toda a matéria normal.
Os átomos de hidrogênio têm apenas um próton e um elétron.
O hidrogênio é um gás diatômico com a fórmula H2.
O termo hidrogênio vem do grego e significa “formador de água”.
CAS 1333-74-0

Espectro de cores do hidrogênio

Existem várias formas de hidrogênio, cada uma com um apelido de acordo com seu método de produção. Embora o hidrogênio verde seja o “Santo Graal” da energia limpa, outros tipos também reduzem as emissões e desempenham papéis importantes na conquista da neutralidade de carbono. Aqui está uma breve visão geral de cada tipo e seu processo de produção.

O hidrogênio verde é produzido sem emissões nocivas de gases de efeito estufa e é feito usando eletricidade proveniente de fontes renováveis excedentes, como energia solar e eólica. Essa eletricidade excedente divide a água em hidrogênio e oxigênio, sem emitir dióxido de carbono na eletrólise. Ao usar energia renovável excedente durante períodos de baixa demanda, a produção de hidrogênio verde equilibra a rede e armazena o excesso de energia, aumentando a flexibilidade e a confiabilidade do sistema energético. Atualmente, o hidrogênio verde representa uma pequena porcentagem da produção total de hidrogênio.

O hidrogênio azul, também conhecido como hidrogênio descarbonizado, é produzido principalmente a partir do gás natural, utilizando um processo chamado reforma a vapor (por reforma a vapor do metano (SMR) ou reforma autotérmica (ATR)). Quando o gás natural e o vapor muito quente são misturados, o hidrogênio e o dióxido de carbono são separados. O dióxido de carbono é então capturado e armazenado com segurança, mas o hidrogênio é transportado como gás combustível.

O hidrogênio cinza é produzido usando o mesmo processo que o hidrogênio azul: reformagem a vapor. Em vez de capturar o dióxido de carbono, ele é liberado na atmosfera e é atualmente a forma mais comum de produção de hidrogênio.

O hidrogênio rosa é produzido usando eletricidade gerada por energia nuclear. Também conhecido como hidrogênio roxo ou vermelho, ele não libera CO2, mas gera resíduos nucleares. As altas temperaturas dos reatores nucleares também podem produzir vapor para uma eletrólise mais eficiente ou reformação do metano a vapor a partir do gás natural.

O hidrogênio turquesa é por vezes referido como hidrogênio de pré-combustão e é produzido através da pirólise do metano, gerando hidrogênio e carbono sólido. Seu baixo potencial de emissão depende do uso de energia renovável para o processo térmico e do armazenamento permanente ou uso do carbono.

O hidrogênio amarelo é produzido por eletrólise utilizando energia solar, tornando-o uma fonte de energia limpa sem emissões de gases de efeito estufa.

O hidrogênio branco ou “dourado” éhidrogênio natural encontrado em depósitos subterrâneos e extraído durante processos como o fracking. A Austrália do Sul, em particular, já descobriu várias reservas de hidrogênio branco ou dourado de alta pureza. Um depósito descoberto no ano passado na Bacia de Lorraine, na França, tem reputação de conter 250 milhões de toneladas de hidrogênio, o suficiente para atender à demanda global atual por mais de dois anos (BBC News/IEA.org).

O hidrogênio preto e marrom é produzido a partir de combustíveis fósseis, principalmente carvão preto ou marrom, com emissões liberadas na atmosfera. Essa é a forma de produção de hidrogênio mais prejudicial ao meio ambiente.

Detecção industrial de H2, riscos e fontes

Embora o hidrogênio tenha um bom desempenho como combustível, ele apresenta um risco de explosão muito maior do que muitos outros combustíveis líquidos e gasosos. Isso se deve a duas razões. Em primeiro lugar, o hidrogênio é muito mais difícil de conter do que outros gases. O gás hidrogênio é composto por moléculas de H2: cada molécula é formada por dois átomos de hidrogênio ligados entre si. Isso torna o H2 a menor molécula do universo. O gás hidrogênio é, portanto, propenso a vazar do seu recipiente.
Além disso, o hidrogênio é extremamente inflamável. O hidrogênio no ar é inflamável em concentrações entre 4% e 75% em volume (para comparação, o metano é inflamável no ar apenas em uma proporção entre 4,4% e 17% em volume). A quantidade de energia necessária para inflamar uma mistura de hidrogênio/ar também é muito menor do que para outros combustíveis. A quantidade mínima de energia necessária para inflamar uma mistura de hidrogênio e ar é de apenas 0,017 mJ. Em contrapartida, a energia mínima de ignição para gases combustíveis de hidrocarbonetos é muito maior, cerca de 0,3 mJ para misturas de metano/ar ou propano/ar. O resultado é que vazamentos de hidrogênio são comuns, e mesmo vazamentos muito pequenos podem ser inflamados com relativa facilidade.

Estima-se que as taxas de vazamento de gás hidrogênio possam chegar a 5,6% até 2050, quando o hidrogênio estiver sendo usado mais amplamente.

(Reuters)

Cenários de alto risco

As fábricas químicas que utilizam hidrogênio para a produção de amônia e metanol apresentam altos riscos de vazamento de hidrogênio devido à sua alta inflamabilidade.
As refinarias de petróleo também correm grande risco de vazamentos de hidrogênio, pois o hidrogênio é essencial nos processos de refino, particularmente na hidrocraqueamento e dessulfuração. Os detectores de gás podem medir os níveis de hidrogênio nos sistemas de hidrogênio de alta pressão nas refinarias.
Postos de abastecimento de hidrogênio: À medida que a demanda por combustíveis mais limpos aumenta, veremos mais postos de abastecimento de hidrogênio, o que também traz os riscos de postos mal gerenciados. Esses postos precisam de sistemas de segurança conectados e detectores de gás para detectar e mitigar vazamentos, além de protocolos de emergência adequados para lidar com possíveis incêndios ou explosões.
Instalações de armazenamento: O armazenamento em grande escala de hidrogênio, seja como gás comprimido ou líquido criogênico, apresenta riscos devido à sua inflamabilidade e ao potencial de vazamentos. Os tanques de armazenamento devem ser projetados para suportar altas pressões e temperaturas extremas, e as instalações devem ter medidas em vigor para dispersar rapidamente qualquer hidrogênio que escape, a fim de evitar o acúmulo e a possível ignição (AIChE) (NREL Home).
Transporte: O hidrogênio é transportado em tubulações de alta pressão e tanques criogênicos. A integridade desses sistemas de transporte é fundamental para evitar vazamentos e rupturas, que podem causar incêndios ou explosões. As medidas de segurança incluem protocolos de inspeção rigorosos e cronogramas de manutenção para garantir que as tubulações e os tanques permaneçam seguros (Página inicial do NREL).

Informações do sensor H2*

Tipo: Eletroquímico
Faixa: 0–40.000 ppm
Faixa de sensibilidade: 1 nA/ppm ± 0,5 nA/ppm

*não disponível em todas as regiões

Níveis de alarme padrão

Alarme baixo: 4.000 ppm
Alarme alto: 8.000 ppm

Dispositivos Blackline que podem detectar H2

Aplicações e considerações especiais

Armazenado: A detecção de gás hidrogênio é crucial em ambientes onde o hidrogênio é usado ou armazenado, como refinarias, fábricas de produtos químicos e laboratórios. Devem ser consideradas as fontes potenciais de geração de hidrogênio, como eletrólise, reformação a vapor e gaseificação de biomassa.
Baixa viscosidade: O hidrogênio apresenta vários riscos industriais devido às suas propriedades únicas. Sua capacidade de se difundir através de alguns materiais sólidos pode levar à fragilização e falhas no sistema. Por ser a menor de todas as moléculas, o hidrogênio tem uma viscosidade muito baixa, o que dificulta a prevenção de vazamentos. Sua alta flutuabilidade significa que, quando liberado, o hidrogênio sobe e pode se acumular em níveis elevados.

Altamente inflamável: A elevada inflamabilidade do hidrogênio e a sua energia de ignição muito baixa (0,02 mJ, ou seja, 1/10 da do metano) significam que mesmo pequenas faíscas, como as provenientes de roupas, podem causar ignição, levando a explosões.
Invisível: O hidrogênio queima com uma chama invisível à luz do dia, dificultando sua detecção sem a adição de corantes. Já foram observadas ignições espontâneas de liberações repentinas, embora o mecanismo permaneça desconhecido. A rápida taxa de combustão e a velocidade da chama resultam em pressões de explosão e taxas de aumento de pressão mais elevadas, tornando as misturas explosivas mais propensas à detonação em comparação com outros gases combustíveis comuns.
Forma líquida: O hidrogênio liquefeito, frequentemente transportado a -253 °C, pode causar queimaduras graves em caso de contato, e o gás vaporizado pode queimar ou explodir.

Riscos para a saúde e manuseio do H2

concentração

sintomas/efeitos

0 - 0,5 ppm

Sem efeitos significativos para a saúde; o hidrogênio está naturalmente presente no ar em níveis vestigiais.

0,6 - 23 ppm

Sem efeitos significativos para a saúde; as concentrações dentro deste intervalo ainda são consideradas muito baixas e seguras para exposição.

24 - 29 ppm

Sem efeitos significativos para a saúde; o hidrogênio nesta concentração permanece muito baixo e não representa um risco para a saúde.

30 - 49 ppm

Sem efeitos significativos para a saúde; estas concentrações continuam a ser baixas e não representam um risco para a saúde.

50 - 71 ppm

Sem efeitos significativos para a saúde; as concentrações ainda se encontram dentro de um intervalo considerado seguro.

72 - 139 ppm

Sem efeitos significativos para a saúde; essas concentrações ainda não são prejudiciais.

140 - 499 ppm

Sem efeitos significativos para a saúde; ainda dentro dos limites de exposição seguros.

500 - 1499 ppm

Sem efeitos significativos para a saúde; o hidrogênio não é tóxico e esses níveis são geralmente considerados seguros.

1500 - 2499 ppm

Sem efeitos significativos para a saúde; o hidrogênio não é tóxico e essa concentração não é normalmente perigosa.

2500 - 4500 ppm

Sem efeitos significativos para a saúde; embora o hidrogênio não seja tóxico, deve-se tomar cuidado para evitar o deslocamento do oxigênio.

5000 ppm +

Em concentrações muito elevadas, o hidrogênio pode substituir o oxigênio no ar, levando a um risco de asfixia. Os sintomas de asfixia incluem tonturas, dor de cabeça, falta de ar, inconsciência e, potencialmente, morte, se a exposição continuar sem intervenção.

PRIMEIROS SOCORROS

Inalação: Remova a pessoa para um local com ar fresco e mantenha-a em repouso numa posição confortável para respirar. Se não estiver respirando, faça respiração artificial. Se estiver respirando, pessoal treinado deve administrar oxigênio. Chame um médico.
Contato com a pele: Não são esperados efeitos adversos com este produto (a menos que esteja liquefeito).
Contato com os olhos: Lave imediatamente os olhos com água durante pelo menos 15 minutos. Mantenha as pálpebras abertas e afastadas dos globos oculares para garantir que todas as superfícies sejam lavadas completamente. Procure atendimento médico imediato.

EM CASO DE LIBERAÇÃO ACIDENTAL

Evacue a área imediatamente e alerte o pessoal nas proximidades.
Evite fontes de ignição, incluindo chamas abertas, faíscas e equipamentos elétricos.
Ventile a área para dispersar o gás hidrogênio com segurança.

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