Είναι η σκόνη γραφίτη εύφλεκτη;

Εισαγωγή

Ο γραφίτης είναι ένα πολυστρωματικό υλικό με βάση τον άνθρακα, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορους τομείς λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων του. Η αναφλεξιμότητα της σκόνης του έχει αποτελέσει αντικείμενο πολλών συζητήσεων. Αν και παραδοσιακά θεωρείται μη εύφλεκτος, έρευνες και περιπτώσεις έχουν δείξει ότι μπορεί να πάρει φωτιά υπό ορισμένες συνθήκες.

Δομικά χαρακτηριστικά της σκόνης γραφίτη και το θεμέλιο των αντιδράσεων καύσης

Η κρυσταλλική δομή του γραφίτη

Η κρυσταλλική δομή του γραφίτη αποτελείται από μια στρωματοποιημένη δομή εξαγωνικών μονάδων και η άτομα άνθρακα μέσα σε κάθε στρώμα σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς μέσω υβριδισμού sp². Τα μήκη των δεσμών του είναι 0,142 nm και οι ενέργειες των δεσμών είναι 413 kJ/mol, οπότε μπορεί να σχηματίσει σταθερά εξαμελή επίπεδα δακτυλίων. Τα στρώματα συνδέονται με δυνάμεις van der Waals, με απόσταση μεταξύ των στρωμάτων 0,335 nm. Και η δύναμη δράσης είναι σχετικά ασθενής, περίπου 20 kJ/mol, γεγονός που προικίζει τον γραφίτη με μοναδικές φυσικές και χημικές ιδιότητες. Η υψηλή σταθερότητα εντός των στρωμάτων του προσδίδει εξαιρετικά υψηλή αντοχή στη θερμότητα. Οι ασθενείς δυνάμεις μεταξύ των στρώσεων τον καθιστούν εύκολα διαχωρίσιμο σε λεπτά φύλλα ή σκόνες.

Η χημική σταθερότητα του γραφίτη

Από την άποψη της χημικής θερμοδυναμικής, η αντίδραση μεταξύ γραφίτη και οξυγόνου παράγει διοξείδιο του άνθρακα. (Η χημική εξίσωση για την αντίδραση αυτή είναι C + O2= CO2.) Αυτή έχει μεταβολή ελεύθερης ενέργειας Gibbs ίση με -394,36 kJ/mol υπό κανονικές συνθήκες, γεγονός που υποδηλώνει θερμοδυναμικό αυθορμητισμό. Ωστόσο, η πραγματική πραγματοποίηση αυτής της αντίδρασης απαιτεί την υπέρβαση του φραγμού κινητικής ενέργειας. Με την ταξινομημένη διάταξη των ατόμων στην επιφάνεια του γραφίτη, η πραγματική πιθανότητα σύγκρουσης με μόρια οξυγόνου είναι χαμηλή. Σε θερμοκρασία δωματίου, ο ετήσιος ρυθμός οξείδωσης < 0,01%, οπότε ο ρυθμός οξείδωσης μπορεί να είναι αμελητέος. Έτσι έχει κινητική αδράνεια, η οποία θεωρείται μη εύφλεκτη σε συμβατικά περιβάλλοντα.

Βασικές συνθήκες των αντιδράσεων καύσης και η επίδραση των χαρακτηριστικών της σκόνης

 Βασικές συνθήκες αντιδράσεων καύσης

Η καύση θα συμβεί μόνο όταν πληρούνται ταυτόχρονα τρεις συνθήκες: καύσιμο υλικό, οξειδωτικό (συνήθως οξυγόνο) και θερμοκρασία που φτάνει το σημείο ανάφλεξης.

Tη επίδραση των χαρακτηριστικών της σκόνης

Ειδική επιφάνεια

Η ειδική επιφάνεια των κόνεων γραφίτη διαφορετικών μεγεθών σωματιδίων ποικίλλει, η οποία αυξάνεται σημαντικά καθώς μειώνεται το μέγεθος των σωματιδίων. Η ειδική επιφάνεια της σκόνης γραφίτη 100μm είναι περίπου 0,5 m²/g. Η ειδική επιφάνεια της σκόνης 1μm μπορεί να φθάσει τα 50 m²/g, και εκείνη της σκόνης σκόνη μεγέθους νανομέτρου ξεπερνά ακόμη και τα 100 m²/g. Η μεγάλη ειδική επιφάνεια αυξάνει την επιφάνεια επαφής με το οξυγόνο, μειώνοντας την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης. Με τον τρόπο αυτό διευκολύνεται η καύση.

Κατάσταση διασποράς

Όταν η σκόνη σχηματίζει εναιώρημα στον αέρα, μπορεί να αναμιχθεί πλήρως με το οξυγόνο. Όταν η συγκέντρωση της σκόνης γραφίτη είναι 15-45 g/m³, βρίσκεται εντός του εύρους "ορίου έκρηξης". Σε αυτό το σημείο, η θερμότητα που παράγεται από την τοπική καύση θα πυροδοτήσει μια αλυσιδωτή αντίδραση μέσω θερμικής ακτινοβολίας, προκαλώντας έτσι έκρηξη.

Σημείο ανάφλεξης

Το σημείο ανάφλεξης του μπλοκ γραφίτη είναι περίπου 800°C. Όταν όμως βρίσκεται σε μορφή σκόνης, καθώς αυξάνεται η ειδική επιφάνεια, το σημείο ανάφλεξης του υλικού μειώνεται σημαντικά. Αποδεικνύεται ότι το σημείο ανάφλεξης της σκόνης γραφίτη 50μm είναι 750°C. Ενώ η σκόνη των 20μm πέφτει στους 680°C και η σκόνη των 5μm μπορεί να είναι τόσο χαμηλή όσο οι 600°C.

Ανάλυση των παραγόντων που επηρεάζουν την καύση της σκόνης γραφίτη

Ο κρίσιμος ρόλος του μεγέθους των σωματιδίων

Το μέγεθος των σωματιδίων είναι ο βασικός παράγοντας που καθορίζει την αναφλεξιμότητα της σκόνης γραφίτη, η οποία μπορεί να συζητηθεί σε τρία επίπεδα:

Επίπεδο micron (1 - 100μm)

Αυτός είναι ο βαθμός των συμβατικών βιομηχανικών σκόνη γραφίτη. Όταν διασκορπιστεί, εάν η συγκέντρωση φτάσει πάνω από 15g/m³, μπορεί να εκραγεί όταν συναντήσει μια πηγή ανάφλεξης με ενέργεια ≥ 0,2mJ. Αλλά είναι δύσκολο να διατηρηθεί μια συνεχής καύση.

Υπομικροσκοπικό επίπεδο (0,1 - 1μm)

Η ειδική επιφάνεια αυτού του επιπέδου σκόνης αυξάνεται σημαντικά και ο ρυθμός αντίδρασης οξείδωσης επιταχύνεται. Για παράδειγμα, η σκόνη γραφίτη 0,5 μm μπορεί να διατηρήσει την καύση στους 700℃ σε περιβάλλον πλούσιο σε οξυγόνο. Ο ρυθμός καύσης της φτάνει τα 0,8g/(cm²-s) και απελευθερώνει περίπου 32MJ/kg θερμότητας.

Επίπεδο νανομέτρων (< 100 nm)

Η νανομετρική σκόνη γραφίτη παρουσιάζει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά καύσης λόγω της εξαιρετικά υψηλής επιφανειακής της ενέργειας. Σε ξηρό αέρα, τα μόρια οξυγόνου που προσροφώνται στην επιφάνεια συσσωρεύουν θερμότητα μέσω αργής οξείδωσης. Και όταν η θερμοκρασία αυξηθεί στους 60℃, μπορεί να προκαλέσει αυτοανάφλεξη. Επιπλέον, η οριακή συγκέντρωση έκρηξης της νανομετρικής σκόνης είναι χαμηλότερη, η οποία είναι περίπου 5 - 30g/m³, αυξάνοντας τον κίνδυνο ασφάλειας.

Συνεργιστική επίδραση της συγκέντρωσης οξυγόνου και της θερμοκρασίας περιβάλλοντος

Η επίδραση της συγκέντρωσης οξυγόνου

Σε περιβάλλον αέρα, όπου η συγκέντρωση οξυγόνου είναι 21%, η καύση της σκόνης γραφίτη απαιτεί υψηλότερη θερμοκρασία. Αλλά σε περιβάλλον πλούσιο σε οξυγόνο, η συγκέντρωση του οποίου είναι μεγαλύτερη από 30%, η ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης μειώνεται. Και το σημείο ανάφλεξης μπορεί να μειωθεί κατά 100-200°C, με αποτέλεσμα ο ρυθμός καύσης να είναι τρεις φορές υψηλότερος από ό,τι στο περιβάλλον του αέρα.

Η επίδραση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος

Εάν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος αυξηθεί, η διαδικασία οξείδωσης θα επιταχυνθεί. Για παράδειγμα, όταν η περιβαλλοντική θερμοκρασία αυξάνεται από 25℃ σε 300℃, ο ρυθμός οξείδωσης της σκόνης γραφίτη αυξάνεται κατά 10 φορές. Αυτή η θετική συσχέτιση αυξάνει σημαντικά τον κίνδυνο καύσης της σκόνης γραφίτη σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας.

Ενεργειακό κατώφλι της πηγής ανάφλεξης

Οι διάφορες πηγές ανάφλεξης έχουν διαφορετικές ενέργειες, οι οποίες επηρεάζουν την πιθανότητα καύσης της σκόνης γραφίτη.

Στατικοί σπινθήρες

Η ενέργειά του κυμαίνεται από 0,2 έως 1 mJ, η οποία μπορεί να αναφλέξει σκόνη γραφίτη μεγέθους μικρομέτρων εντός του ορίου έκρηξης.

Στάχτη τσιγάρων

Η επιφανειακή του θερμοκρασία είναι 300-400 ℃, οπότε δεν έχει επαρκή ενέργεια και δεν μπορεί να αναφλέξει τη συμβατική σκόνη γραφίτη.

Σπινθήρες συγκόλλησης

Η θερμοκρασία του είναι > 1000 ℃, η ενέργεια > 10 mJ, οπότε μπορεί να αναφλέξει άμεσα σκόνη γραφίτη κάτω από 50μm και να προκαλέσει αλυσιδωτή αντίδραση.

Επιπλέον, η διάρκεια της πηγής ανάφλεξης είναι επίσης κρίσιμη: η ανάφλεξη με σύντομο παλμό απαιτεί μεγαλύτερη ενέργεια για την έναρξη της καύσης. Και οι συνεχείς πηγές θερμότητας είναι πιο πιθανό να προκαλέσουν την επίτευξη του σημείου ανάφλεξης της σκόνης γραφίτη.

Διαχείριση της ασφάλειας της σκόνης γραφίτη στη βιομηχανική πρακτική

Πρόληψη και έλεγχος κινδύνων στο περιβάλλον παραγωγής

Έλεγχος συγκέντρωσης

Πρέπει να εγκαταστήσετε ένα κεντρικό σύστημα απομάκρυνσης της σκόνης και τοπικές συσκευές εξαερισμού για να διατηρήσετε τη συγκέντρωση σκόνης γραφίτη στο εργαστήριο κάτω από 10g/m³.

Εξάλειψη πηγής ανάφλεξης

Αυτό απαιτεί να απαγορεύονται αυστηρά οι ανοιχτές φλόγες στο χώρο παραγωγής και ο εξοπλισμός να είναι γειωμένος για την εξάλειψη του στατικού ηλεκτρισμού. Ενώ θα πρέπει να επιλέγετε κινητήρες και λαμπτήρες με αντιεκρηκτική προστασία και να καθαρίζετε τη σκόνη του περιβάλλοντος πριν από τις εργασίες συγκόλλησης.

Παρακολούθηση και έγκαιρη προειδοποίηση

Πρέπει να εγκαταστήσετε έναν αισθητήρα συγκέντρωσης σκόνης και μια συσκευή συναγερμού θερμοκρασίας. Έτσι ώστε να μπορούν να ενεργοποιούν αυτόματα συναγερμό, ενώ παράλληλα ενεργοποιούν τα συστήματα εξαερισμού και κατάσβεσης πυρκαγιάς.

Προδιαγραφές για αποθήκευση και μεταφορά

Πρέπει να αποθηκεύετε τη σκόνη γραφίτη σε καλά αεριζόμενη και ξηρή αποθήκη για να αποφύγετε την αυθόρμητη ανάφλεξή της. Κατά τη συσκευασία, πρέπει να χρησιμοποιείτε σφραγισμένο δοχείο για να αποτρέψετε την αιώρηση της σκόνης. Εκτός αυτού, διατηρείτε τουλάχιστον 3 μέτρα μακριά από οξειδωτικά και πηγές θερμότητας. Κατά τη μεταφορά, θα πρέπει να αποφεύγετε τους ακραίους κραδασμούς και να εξοπλίζετε έναν πυροσβεστήρα ξηρής σκόνης για να αποτρέψετε την εκτόξευση σκόνης και την πρόκληση δευτερογενούς έκρηξης.

Συμπέρασμα

Συμπερασματικά, η καύση της σκόνης γραφίτη απαιτεί ορισμένες συνθήκες, οι οποίες απαιτούν επαρκή ενέργεια ενεργοποίησης και κατάλληλη παροχή οξυγόνου. Έτσι, είναι μη εύφλεκτο υπό κανονικές συνθήκες, αλλά μπορεί να είναι εύφλεκτο ή ακόμη και αυτοαναφλέξιμο υπό ακραίες ή ειδικές συνθήκες.