هل مسحوق الجرافيت قابل للاشتعال؟

مقدمة

الجرافيت عبارة عن مادة ذات طبقات من الكربون، والتي تستخدم على نطاق واسع في مختلف المجالات نظرًا لخصائصها الممتازة. وقد كانت قابلية اشتعال مسحوقه للاشتعال موضوع الكثير من النقاش. على الرغم من أنه يعتبر تقليديًا غير قابل للاشتعال، إلا أن الأبحاث والحالات أظهرت أنه يمكن أن يشتعل في ظروف معينة.

الخصائص الهيكلية لمسحوق الجرافيت وأساس تفاعلات الاحتراق

التركيب البلوري للجرافيت

يتكوَّن التركيب البلوري للجرافيت من بنية طبقية من وحدات سداسية الشكل، ويتكون ذرات الكربون داخل كل طبقة تشكل روابط تساهمية من خلال تهجين sp². وتبلغ أطوال الروابط 0.142 نانومتر وطاقات الروابط 413 كيلوجول/مول، لذا يمكن أن تشكّل مستويات مستقرة من ست طبقات. وترتبط الطبقات بقوى فان دير فال، حيث يبلغ التباعد بين الطبقات 0.335 نانومتر. وقوة العمل ضعيفة نسبيًا، حوالي 20 كيلوجول/مول تقريبًا، وهو ما يمنح الجرافيت خواص فيزيائية وكيميائية فريدة من نوعها. ويمنحه الثبات العالي داخل الطبقات مقاومة عالية للغاية للحرارة. وتجعله القوى البينية الضعيفة بين الطبقات قابلاً للفصل بسهولة إلى صفائح رقيقة أو مساحيق.

الثبات الكيميائي للجرافيت

من من منظور الديناميكا الكيميائية الحرارية، ينتج عن التفاعل بين الجرافيت والأكسجين ثاني أكسيد الكربون. (المعادلة الكيميائية لهذا التفاعل هي C + O2= CO2.) ويبلغ التغير في الطاقة الحرة في جيبس -394.36 كيلوجول/مول في الظروف القياسية، وهو ما يشير إلى التلقائية الديناميكية الحرارية. ومع ذلك، يتطلب الحدوث الفعلي لهذا التفاعل التغلب على حاجز الطاقة الحركية. مع الترتيب الذري المرتب على سطح الجرافيت، يكون احتمال التصادم الفعال مع جزيئات الأكسجين منخفضًا. في درجة حرارة الغرفة، يكون معدل الأكسدة السنوي <0.01%، وبالتالي يمكن أن يكون معدل الأكسدة ضئيلًا. لذا فهو يتمتع بالخمول الحركي، والذي يعتبر غير قابل للاشتعال في البيئات التقليدية.

الشروط الأساسية لتفاعلات الاحتراق وتأثير خصائص المسحوق

 الشروط الأساسية لتفاعلات الاحتراق

لن يحدث الاحتراق إلا عند توافر ثلاثة شروط في وقت واحد: مادة قابلة للاحتراق، ومؤكسد (عادةً الأكسجين)، ودرجة حرارة تصل إلى نقطة الاشتعال.

Tتأثير خصائص المسحوق

مساحة السطح المحددة

تختلف مساحة السطح المحددة لمساحيق الجرافيت ذات أحجام الجسيمات المختلفة، والتي تزداد بشكل كبير مع انخفاض حجم الجسيمات. تبلغ مساحة السطح المحددة لمسحوق الجرافيت 100 ميكرومتر حوالي 0.5 متر مربع/غرام. يمكن أن تصل مساحة السطح المحددة لمسحوق 1 ميكرومتر إلى 50 متر مربع / جم، ومساحة السطح المحددة لمسحوق مسحوق بحجم النانومتر حتى يتجاوز 100 متر مربع/غرام. تزيد مساحة السطح المحددة الكبيرة من مساحة التلامس مع الأكسجين، مما يقلل من طاقة تنشيط التفاعل. مما يجعل الاحتراق أسهل في الحدوث.

حالة التشتت

عندما يشكل المسحوق معلقًا في الهواء، يمكن أن يختلط بالكامل مع الأكسجين. عندما يتراوح تركيز مسحوق الجرافيت بين 15-45 جم/م³، يكون ضمن نطاق "حد الانفجار". عند هذه النقطة، ستؤدي الحرارة الناتجة عن الاحتراق المحلي إلى حدوث تفاعل متسلسل من خلال الإشعاع الحراري، مما يتسبب في حدوث انفجار.

نقطة الإشعال

تبلغ نقطة اشتعال كتلة الجرافيت 800 درجة مئوية تقريبًا. ولكن عندما يكون في شكل مسحوق، مع زيادة مساحة السطح المحددة، تنخفض نقطة اشتعال المادة بشكل كبير. ويتضح أن نقطة اشتعال مسحوق الجرافيت 50 ميكرومتر هي 750 درجة مئوية. في حين أن مسحوق 20 ميكرومتر ينخفض إلى 680 درجة مئوية، ويمكن أن تصل درجة اشتعال مسحوق 5 ميكرومتر إلى 600 درجة مئوية.

تحليل العوامل المؤثرة في احتراق مسحوق الجرافيت

الدور الحاسم لحجم الجسيمات

إن حجم الجسيمات هو العامل الرئيسي الذي يحدد قابلية مسحوق الجرافيت للاشتعال، ويمكن مناقشته على ثلاثة مستويات:

مستوى الميكرون (1 - 100 ميكرون)

هذه هي درجة الصناعة التقليدية مسحوق الجرافيت. وعند انتشاره، إذا وصل التركيز إلى ما يزيد عن 15 جم/م³، يمكن أن ينفجر عند مواجهة مصدر اشتعال بطاقة ≥ 0.2 ملي جول. ولكن من الصعب الحفاظ على احتراق مستمر.

مستوى دون الميكرون (0.1 - 1 ميكرون)

تزداد مساحة السطح المحددة لهذا المستوى من المسحوق زيادة كبيرة، ويتسارع معدل تفاعل الأكسدة. على سبيل المثال، يمكن لمسحوق الجرافيت 0.5 ميكرومتر أن يحافظ على الاحتراق عند 700 ℃ في بيئة غنية بالأكسجين. ويصل معدل احتراقه إلى 0.8 جم/(سم²-ث) ويطلق حوالي 32 ميجا جول/كجم من الحرارة.

مستوى النانومتر (أقل من 100 نانومتر)

يُظهر مسحوق الجرافيت النانومتري النانومتري خصائص احتراق خاصة بسبب طاقته السطحية العالية للغاية. في الهواء الجاف، تتراكم جزيئات الأكسجين الممتزجة على السطح الحرارة من خلال الأكسدة البطيئة. وعندما ترتفع درجة الحرارة إلى 60 درجة مئوية، يمكن أن يؤدي ذلك إلى اشتعال ذاتي. بالإضافة إلى ذلك، يكون تركيز حد الانفجار للمسحوق النانومتري أقل، والذي يتراوح بين 5 - 30 جم/م³ تقريبًا، مما يزيد من مخاطر السلامة.

التأثير التآزري لتركيز الأكسجين ودرجة الحرارة البيئية

تأثير تركيز الأكسجين

في بيئة الهواء، التي يكون تركيز الأكسجين فيها 21%، يتطلب احتراق مسحوق الجرافيت درجة حرارة أعلى. ولكن في بيئة غنية بالأكسجين، والتي يكون تركيز الأكسجين فيها أكبر من 30%، تنخفض طاقة تنشيط التفاعل. ويمكن أن تنخفض نقطة الاشتعال بمقدار 100-200 درجة مئوية، وبالتالي يكون معدل الاحتراق أعلى بثلاث مرات مما هو عليه في بيئة الهواء.

تأثير درجة حرارة البيئة

إذا زادت درجة حرارة البيئة، سوف تتسارع عملية الأكسدة. على سبيل المثال، عندما ترتفع درجة حرارة البيئة من 25 ℃ إلى 300 ℃، يزداد معدل أكسدة مسحوق الجرافيت بمقدار 10 مرات. هذا الارتباط الإيجابي يزيد بشكل كبير من خطر احتراق مسحوق الجرافيت في البيئات ذات درجات الحرارة العالية.

عتبة طاقة مصدر الإشعال

مصادر الاشتعال المختلفة لها طاقات مختلفة، مما سيؤثر على إمكانية احتراق مسحوق الجرافيت.

الشرر الساكن

وتتراوح طاقته من 0.2 إلى 1 مللي جول والتي يمكن أن تشعل مسحوق الجرافيت بحجم ميكرون في حدود الانفجار.

رماد السجائر

وتبلغ درجة حرارة سطحه 300-400 درجة مئوية، لذا فإن درجة حرارة سطحه غير كافية وغير قادرة على إشعال مسحوق الجرافيت التقليدي.

شرارات اللحام

درجة حرارته > 1000 درجة مئوية، وطاقته > 10 مللي جول؛ لذا يمكنه إشعال مسحوق الجرافيت مباشرةً تحت 50 ميكرومتر وإحداث تفاعل متسلسل.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن مدة مصدر الإشعال أمر بالغ الأهمية أيضًا: يتطلب الإشعال النبضي القصير طاقة أعلى لبدء الاحتراق. ومن المرجح أن تتسبب مصادر الحرارة المستمرة في وصول مسحوق الجرافيت إلى نقطة الاشتعال.

إدارة سلامة مسحوق الجرافيت في الممارسة الصناعية

الوقاية من المخاطر والسيطرة عليها في بيئة الإنتاج

التحكم في التركيز

تحتاج إلى تركيب نظام مركزي لإزالة الغبار وأجهزة تهوية محلية للحفاظ على تركيز مسحوق الجرافيت في الورشة أقل من 10 جم/م³.

القضاء على مصدر الإشعال

ويتطلب ذلك منع اللهب المكشوف منعًا باتًا في منطقة الإنتاج، وتأريض المعدات للقضاء على الكهرباء الساكنة. بينما يجب اختيار محركات ومصابيح مقاومة للانفجار، وإزالة الغبار المحيط بها قبل عمليات اللحام.

الرصد والإنذار المبكر

تحتاج إلى تركيب جهاز استشعار تركيز الغبار وجهاز إنذار درجة الحرارة. بحيث يمكنهما إطلاق الإنذار تلقائيًا أثناء تنشيط أنظمة التهوية وإخماد الحرائق.

مواصفات التخزين والنقل

تحتاج إلى تخزين مسحوق الجرافيت في مستودع جيد التهوية وجاف لمنع اشتعاله تلقائيًا. عند التغليف، تحتاج إلى استخدام حاوية محكمة الغلق لمنع المسحوق من التعليق. إلى جانب ذلك، احتفظ به على بعد 3 أمتار على الأقل بعيدًا عن المؤكسدات ومصادر الحرارة. أثناء النقل، يجب عليك تجنب الاهتزازات الشديدة وتجهيز مطفأة حريق المسحوق الجاف لمنع تطاير الغبار والتسبب في انفجار ثانوي.

الخاتمة

وختامًا، يتطلب احتراق مسحوق الجرافيت ظروفًا معينة، وهو ما يتطلب طاقة تنشيط كافية وإمدادات مناسبة من الأكسجين. لذلك فهو غير قابل للاشتعال في الظروف العادية، ولكن يمكن أن يكون قابلاً للاشتعال أو حتى ذاتي الاشتعال في ظروف قاسية أو محددة.