La polvere di grafite è infiammabile?

Introduzione

La grafite è un materiale stratificato a base di carbonio, ampiamente utilizzato in vari settori grazie alle sue eccellenti proprietà. L'infiammabilità della sua polvere è stata oggetto di molte discussioni. Sebbene sia tradizionalmente considerata non infiammabile, ricerche e casi hanno dimostrato che può prendere fuoco in determinate condizioni.

Caratteristiche strutturali della polvere di grafite e fondamento delle reazioni di combustione

La struttura cristallina della grafite

La struttura cristallina della grafite è composta da una struttura stratificata di unità esagonali, e il atomi di carbonio all'interno di ogni strato formano legami covalenti attraverso l'ibridazione sp². La lunghezza dei legami è di 0,142 nm e le energie di legame sono di 413 kJ/mol, quindi può formare piani stabili di anelli a sei membri. Gli strati sono collegati da forze di van der Waals, con una distanza tra gli strati di 0,335 nm. La forza d'azione è relativamente debole, circa 20 kJ/mol, e conferisce alla grafite proprietà fisiche e chimiche uniche. L'elevata stabilità all'interno degli strati le conferisce un'altissima resistenza al calore. Le deboli forze interstrato la rendono facilmente separabile in fogli o polveri sottili.

La stabilità chimica della grafite

Dal punto di vista della termodinamica chimica, la reazione tra grafite e ossigeno produce anidride carbonica (l'equazione chimica di questa reazione è C + O2= CO2). (L'equazione chimica di questa reazione è C + O2= CO2). La variazione dell'energia libera di Gibbs è di -394,36 kJ/mol in condizioni standard, il che indica la spontaneità termodinamica. Tuttavia, l'effettivo verificarsi di questa reazione richiede il superamento della barriera dell'energia cinetica. Con la disposizione ordinata degli atomi sulla superficie della grafite, la probabilità effettiva di collisione con le molecole di ossigeno è bassa. A temperatura ambiente, il tasso di ossidazione annuale < 0,01%, quindi il tasso di ossidazione può essere trascurabile. Quindi ha un'inerzia cinetica, che è considerata non infiammabile in ambienti convenzionali.

Condizioni di base delle reazioni di combustione e influenza delle caratteristiche della polvere

 Condizioni di base delle reazioni di combustione

La combustione avviene solo quando si verificano contemporaneamente tre condizioni: materiale combustibile, ossidante (di solito ossigeno) e una temperatura che raggiunge il punto di accensione.

Ta influenza delle caratteristiche della polvere

Superficie specifica

L'area superficiale specifica delle polveri di grafite di diverse dimensioni varia e aumenta significativamente al diminuire delle dimensioni delle particelle. L'area superficiale specifica della polvere di grafite di 100μm è di circa 0,5 m²/g. L'area superficiale specifica della polvere di 1μm può raggiungere i 50 m²/g, e quella di polvere di dimensioni nanometriche supera addirittura i 100 m²/g. L'ampia superficie specifica aumenta l'area di contatto con l'ossigeno, riducendo l'energia di attivazione della reazione. In questo modo la combustione è più facile da realizzare.

Stato di dispersione

Quando la polvere forma una sospensione nell'aria, può mescolarsi completamente con l'ossigeno. Quando la concentrazione della polvere di grafite è di 15-45 g/m³, si trova all'interno del "limite di esplosione". A questo punto, il calore generato dalla combustione locale innescherà una reazione a catena attraverso l'irraggiamento termico, provocando così un'esplosione.

Punto di accensione

Il punto di accensione della grafite in blocchi è di circa 800°C. Ma quando si presenta sotto forma di polvere, con l'aumentare dell'area superficiale specifica, il punto di accensione del materiale diminuisce significativamente. È stato dimostrato che il punto di accensione della polvere di grafite da 50μm è di 750°C. Mentre la polvere di 20μm scende a 680°C e quella di 5μm può arrivare a 600°C.

Analisi dei fattori che influenzano la combustione della polvere di grafite

Il ruolo critico della dimensione delle particelle

La dimensione delle particelle è il fattore chiave che determina l'infiammabilità della polvere di grafite, che può essere discussa in tre livelli:

Livello micron (1 - 100μm)

Questo è il grado di convenzionalità industriale polvere di grafite. Quando si disperde, se la concentrazione supera i 15g/m³, può esplodere quando incontra una fonte di accensione con energia ≥ 0,2mJ. Ma è difficile sostenere una combustione continua.

Livello sub-micronico (0,1 - 1μm)

L'area superficiale specifica di questo livello di polvere aumenta significativamente e il tasso di reazione di ossidazione accelera. Ad esempio, la polvere di grafite da 0,5 μm può sostenere la combustione a 700℃ in un ambiente ricco di ossigeno. Il suo tasso di combustione raggiunge 0,8g/(cm²-s) e rilascia circa 32MJ/kg di calore.

Livello nanometrico (< 100 nm)

La polvere di grafite nanometrica presenta particolari caratteristiche di combustione grazie alla sua altissima energia superficiale. Nell'aria secca, le molecole di ossigeno adsorbite sulla superficie accumulano calore attraverso una lenta ossidazione. Quando la temperatura sale a 60℃, può innescare l'autocombustione. Inoltre, la concentrazione limite di esplosione della polvere nanometrica è inferiore, pari a circa 5-30g/m³, aumentando il rischio per la sicurezza.

Effetto sinergico della concentrazione di ossigeno e della temperatura ambientale

L'influenza della concentrazione di ossigeno

In un ambiente con aria, la cui concentrazione di ossigeno è di 21%, la combustione della polvere di grafite richiede una temperatura più elevata. Ma in un ambiente ricco di ossigeno, con una concentrazione di ossigeno superiore a 30%, l'energia di attivazione della reazione diminuisce. Il punto di accensione può scendere di 100-200°C e il tasso di combustione è tre volte superiore a quello dell'ambiente atmosferico.

L'influenza della temperatura ambientale

Se la temperatura ambientale aumenta, il processo di ossidazione si accelera. Ad esempio, quando la temperatura ambientale passa da 25℃ a 300℃, il tasso di ossidazione della polvere di grafite aumenta di 10 volte. Questa correlazione positiva aumenta significativamente il rischio di combustione della polvere di grafite in ambienti ad alta temperatura.

Soglia energetica della sorgente di accensione

Le diverse fonti di accensione hanno energie diverse, che influiscono sulla possibilità di combustione della polvere di grafite.

Scintille statiche

La sua energia varia da 0,2 a 1 mJ, in grado di accendere polvere di grafite di dimensioni micron entro il limite di esplosione.

Cenere di sigaretta

La sua temperatura superficiale è di 300-400℃, quindi non ha energia sufficiente e non è in grado di incendiare la polvere di grafite convenzionale.

Scintille di saldatura

La sua temperatura > 1000℃, l'energia > 10 mJ, quindi può incendiare direttamente la polvere di grafite sotto i 50μm e innescare una reazione a catena.

Inoltre, anche la durata della fonte di accensione è fondamentale: l'accensione a impulsi brevi richiede un'energia maggiore per avviare la combustione. Inoltre, le fonti di calore continue hanno maggiori probabilità di far raggiungere alla polvere di grafite il punto di accensione.

Gestione della sicurezza della polvere di grafite nella pratica industriale

Prevenzione e controllo dei rischi nell'ambiente di produzione

Controllo della concentrazione

È necessario installare un sistema centrale di rimozione delle polveri e dispositivi di ventilazione locale per mantenere la concentrazione di polvere di grafite nell'officina al di sotto di 10g/m³.

Eliminazione della fonte di accensione

Ciò richiede che le fiamme libere siano rigorosamente vietate nell'area di produzione e che l'attrezzatura sia messa a terra per eliminare l'elettricità statica. È inoltre necessario scegliere motori e lampade antideflagranti e rimuovere la polvere circostante prima delle operazioni di saldatura.

Monitoraggio e allerta precoce

È necessario installare un sensore di concentrazione della polvere e un dispositivo di allarme della temperatura. In modo che possano far scattare automaticamente un allarme attivando i sistemi di ventilazione e di soppressione degli incendi.

Specifiche per lo stoccaggio e il trasporto

È necessario conservare la polvere di grafite in un magazzino ben ventilato e asciutto per evitare che si incendi spontaneamente. Per l'imballaggio, è necessario utilizzare un contenitore sigillato per evitare che la polvere venga sospesa. Inoltre, tenere almeno 3 metri di distanza da ossidanti e fonti di calore. Durante il trasporto, è necessario evitare le vibrazioni estreme e dotarsi di un estintore a polvere secca per evitare che la polvere voli e provochi un'esplosione secondaria.

Conclusione

In conclusione, la combustione della polvere di grafite richiede determinate condizioni, che presuppongono una sufficiente energia di attivazione e un adeguato apporto di ossigeno. Pertanto, non è infiammabile in circostanze normali, ma può essere infiammabile o addirittura auto-accendersi in condizioni estreme o specifiche.