Apakah Bubuk Grafit Mudah Terbakar?

Pendahuluan

Grafit adalah bahan berbasis karbon berlapis, yang secara luas digunakan dalam berbagai bidang karena sifatnya yang istimewa. Sifat mudah terbakar dari serbuknya telah menjadi bahan diskusi yang banyak dibicarakan. Meskipun secara tradisional dianggap tidak mudah terbakar, penelitian dan kasus-kasus telah menunjukkan bahwa bahan ini dapat terbakar dalam kondisi tertentu.

Karakteristik Struktural Serbuk Grafit dan Dasar Reaksi Pembakaran

Struktur kristal grafit

Struktur kristal grafit terdiri dari struktur berlapis unit heksagonal, dan atom karbon di dalam setiap lapisan membentuk ikatan kovalen melalui hibridisasi sp². Panjang ikatannya adalah 0,142 nm dan energi ikatannya adalah 413 kJ/mol, sehingga dapat membentuk bidang cincin beranggota enam yang stabil. Lapisan-lapisan tersebut dihubungkan oleh gaya van der Waals, dengan jarak antar lapisan 0,335 nm. Dan gaya kerjanya relatif lemah, sekitar 20 kJ/mol, yang memberikan grafit sifat fisik dan kimia yang unik. Stabilitas tinggi di dalam lapisan memberikan ketahanan panas yang sangat tinggi. Gaya interlayer yang lemah membuatnya mudah dipisahkan menjadi lembaran atau bubuk tipis.

Kestabilan kimiawi grafit

Dari perspektif termodinamika kimia, reaksi antara grafit dan oksigen menghasilkan karbon dioksida. (Persamaan kimia untuk reaksi ini adalah C + O2= CO2.) Reaksi ini memiliki perubahan energi bebas Gibbs sebesar -394,36 kJ/mol dalam kondisi standar, yang mengindikasikan spontanitas termodinamika. Namun demikian, kejadian aktual dari reaksi ini memerlukan penanggulangan penghalang energi kinetik. Dengan susunan atom yang teratur pada permukaan grafit, probabilitas tumbukan efektif dengan molekul oksigen menjadi rendah. Pada suhu kamar, laju oksidasi tahunan < 0,01%, sehingga laju oksidasi dapat diabaikan. Jadi ia memiliki kelembaman kinetik, yang dianggap tidak mudah terbakar di lingkungan konvensional.

Kondisi dasar reaksi pembakaran dan pengaruh karakteristik serbuk

 Kondisi dasar reaksi pembakaran

Pembakaran hanya akan terjadi jika tiga kondisi terpenuhi secara bersamaan: bahan yang mudah terbakar, oksidan (biasanya oksigen), dan suhu yang mencapai titik nyala.

Tpengaruh karakteristik bubuk

Luas permukaan spesifik

Luas permukaan spesifik serbuk grafit dengan ukuran partikel yang berbeda-beda, bervariasi, yang secara signifikan meningkat seiring dengan berkurangnya ukuran partikel. Luas permukaan spesifik serbuk grafit 100μm kira-kira 0,5 m²/g. Luas permukaan spesifik bubuk 1μm bisa mencapai 50 m² / g, dan bubuk berukuran nanometer bahkan melebihi 100 m²/g. Luas permukaan spesifik yang besar meningkatkan area kontak dengan oksigen, sehingga mengurangi energi aktivasi reaksi. Dengan demikian, pembakaran lebih mudah terjadi.

Status dispersi

Apabila serbuk membentuk suspensi di udara, maka dapat sepenuhnya bercampur dengan oksigen. Apabila konsentrasi serbuk grafit adalah 15-45 g/m³, ini berada dalam kisaran "batas ledakan". Pada titik ini, panas yang dihasilkan oleh pembakaran lokal akan memicu reaksi berantai melalui radiasi panas, sehingga menyebabkan ledakan.

Titik pengapian

Titik penyalaan grafit blok kira-kira 800°C. Tetapi, apabila dalam bentuk bubuk, karena luas permukaan spesifik meningkat, titik penyalaan material menurun secara signifikan. Hal ini menunjukkan bahwa titik penyalaan bubuk grafit 50μm adalah 750°C. Sementara bubuk 20μm turun menjadi 680°C, dan bubuk 5μm bisa serendah 600°C.

Analisis Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Pembakaran Serbuk Grafit

Peran penting ukuran partikel

Ukuran partikel adalah faktor kunci yang menentukan mudah terbakarnya serbuk grafit, yang dapat didiskusikan dalam tiga tingkatan:

Tingkat mikron (1 - 100μm)

Ini adalah kelas industri konvensional bubuk grafit. Apabila terdispersi, jika konsentrasinya mencapai di atas 15g/m³, maka dapat meledak apabila bertemu dengan sumber penyalaan dengan energi ≥ 0,2 mJ. Tetapi sulit untuk mempertahankan pembakaran yang berkelanjutan.

Tingkat sub-mikron (0,1 - 1μm)

Luas permukaan spesifik dari level serbuk ini meningkat secara signifikan, dan laju reaksi oksidasi semakin cepat. Contohnya, bubuk grafit 0,5 μm dapat mempertahankan pembakaran pada suhu 700℃ di lingkungan yang kaya oksigen. Laju pembakarannya mencapai 0,8 g/(cm²-s) dan melepaskan sekitar 32MJ/kg panas.

Tingkat nanometer (<100 nm)

Serbuk grafit nanometer menunjukkan karakteristik pembakaran yang istimewa karena energi permukaannya yang sangat tinggi. Di udara kering, molekul oksigen yang teradsorpsi pada permukaan mengakumulasi panas melalui oksidasi yang lambat. Dan ketika suhu naik hingga 60℃, ini dapat memicu penyalaan sendiri. Selain itu, konsentrasi batas ledakan bubuk nanometer lebih rendah, yaitu sekitar 5 - 30 g / m³, sehingga meningkatkan risiko keselamatan.

Efek sinergis dari konsentrasi oksigen dan suhu lingkungan

Pengaruh konsentrasi oksigen

Di lingkungan udara dengan konsentrasi oksigen 21%, pembakaran serbuk grafit memerlukan suhu yang lebih tinggi. Tetapi di lingkungan yang kaya oksigen, yang konsentrasi oksigennya lebih besar dari 30%, energi aktivasi reaksi menurun. Dan titik penyalaan bisa turun 100-200°C, sehingga laju pembakaran tiga kali lebih tinggi daripada di lingkungan udara.

Pengaruh suhu lingkungan

Jika suhu lingkungan meningkat, proses oksidasi akan semakin cepat. Contohnya, apabila suhu lingkungan naik dari 25°C ke 300°C, laju oksidasi serbuk grafit akan meningkat 10 kali lipat. Korelasi positif ini secara signifikan meningkatkan risiko pembakaran serbuk grafit di lingkungan bersuhu tinggi.

Ambang batas energi dari sumber penyalaan

Sumber penyalaan yang berbeda memiliki energi yang berbeda, yang akan memengaruhi kemungkinan pembakaran serbuk grafit.

Percikan api statis

Energinya berkisar antara 0,2 hingga 1 mJ, yang dapat menyulut serbuk grafit berukuran mikron dalam batas ledakan.

Abu rokok

Suhu permukaannya adalah 300-400 ℃, sehingga energinya tidak mencukupi dan tidak dapat menyalakan bubuk grafit konvensional.

Percikan las

Suhunya> 1000 ℃, energi> 10 mJ, sehingga dapat langsung menyalakan bubuk grafit di bawah 50μm dan memicu reaksi berantai.

Selain itu, durasi sumber penyalaan juga sangat penting: penyalaan pulsa pendek memerlukan energi yang lebih tinggi untuk memulai pembakaran. Dan sumber panas yang terus menerus lebih mungkin menyebabkan serbuk grafit mencapai titik penyalaannya.

Manajemen Keamanan Bubuk Grafit dalam Praktik Industri

Pencegahan dan pengendalian risiko di lingkungan produksi

Kontrol Konsentrasi

Anda perlu memasang sistem penghilang debu sentral dan perangkat ventilasi lokal untuk menjaga konsentrasi bubuk grafit di bengkel di bawah 10g/m³.

Eliminasi Sumber Pengapian

Hal ini mengharuskan api terbuka dilarang keras di area produksi, dan peralatan diardekan untuk menghilangkan listrik statis. Sementara itu, Anda harus memilih motor dan lampu yang tahan ledakan, dan membersihkan debu di sekitarnya sebelum operasi pengelasan.

Pemantauan dan Peringatan Dini

Anda perlu memasang sensor konsentrasi debu dan perangkat alarm suhu. Sehingga mereka dapat secara otomatis memicu alarm sambil mengaktifkan sistem ventilasi dan pencegah kebakaran.

Spesifikasi untuk Penyimpanan dan Transportasi

Anda harus menyimpan bubuk grafit di gudang yang berventilasi baik dan kering untuk mencegahnya menyala secara spontan. Saat mengemas, Anda harus menggunakan wadah tertutup untuk mencegah bubuk tersuspensi. Selain itu, jaga jarak setidaknya 3 meter dari oksidan dan sumber panas. Selama pengangkutan, Anda harus menghindari getaran ekstrem dan melengkapi alat pemadam api ringan untuk mencegah debu beterbangan dan menyebabkan ledakan sekunder.

Kesimpulan

Kesimpulannya, pembakaran serbuk grafit memerlukan kondisi tertentu, yang memerlukan energi aktivasi yang cukup dan pasokan oksigen yang sesuai. Jadi, ini tidak mudah terbakar dalam keadaan normal, tetapi bisa mudah terbakar atau bahkan menyala sendiri dalam kondisi ekstrem atau spesifik.