O grafite em pó é inflamável?

Introdução

O grafite é um material à base de carbono em camadas, amplamente utilizado em vários campos devido às suas excelentes propriedades. A inflamabilidade de seu pó tem sido objeto de muita discussão. Embora seja tradicionalmente considerado não inflamável, pesquisas e casos demonstraram que ele pode pegar fogo sob certas condições.

Características estruturais do pó de grafite e a base das reações de combustão

A estrutura cristalina do grafite

A estrutura cristalina do grafite é composta por uma estrutura em camadas de unidades hexagonais, e a átomos de carbono em cada camada formam ligações covalentes por meio da hibridização sp². Seus comprimentos de ligação são de 0,142 nm e as energias de ligação são de 413 kJ/mol, portanto, podem formar planos estáveis de anéis de seis membros. As camadas são conectadas por forças de van der Waals, com um espaçamento entre camadas de 0,335 nm. E a força de ação é relativamente fraca, aproximadamente 20 kJ/mol, o que confere ao grafite propriedades físicas e químicas exclusivas. A alta estabilidade dentro das camadas lhe confere uma resistência extremamente alta ao calor. As forças fracas entre as camadas o tornam facilmente separável em folhas finas ou pós.

A estabilidade química do grafite

Do ponto de vista da termodinâmica química, a reação entre o grafite e o oxigênio produz dióxido de carbono. (A equação química para essa reação é C + O2= CO2.) Isso tem uma mudança de energia livre de Gibbs de -394,36 kJ/mol sob condições padrão, o que indica espontaneidade termodinâmica. Entretanto, a ocorrência real dessa reação exige a superação da barreira de energia cinética. Com o arranjo atômico ordenado na superfície do grafite, a probabilidade efetiva de colisão com moléculas de oxigênio é baixa. À temperatura ambiente, a taxa de oxidação anual < 0,01%, portanto, a taxa de oxidação pode ser insignificante. Portanto, ele tem inércia cinética, que é considerada não inflamável em ambientes convencionais.

Condições básicas das reações de combustão e a influência das características do pó

 Condições básicas das reações de combustão

A combustão ocorrerá somente quando três condições forem atendidas simultaneamente: material combustível, oxidante (geralmente oxigênio) e uma temperatura que atinja o ponto de ignição.

Tinfluência das características do pó

Área de superfície específica

A área de superfície específica dos pós de grafite de diferentes tamanhos de partículas varia, aumentando significativamente à medida que o tamanho das partículas diminui. A área de superfície específica do pó de grafite de 100μm é de aproximadamente 0,5 m²/g. A área de superfície específica do pó de 1μm pode chegar a 50 m²/g, e a de pó de tamanho nanométrico chega a ultrapassar 100 m²/g. A grande área de superfície específica aumenta a área de contato com o oxigênio, reduzindo a energia de ativação da reação. Assim, a combustão é mais fácil de ocorrer.

Estado de dispersão

Quando o pó forma uma suspensão no ar, ele pode se misturar totalmente com o oxigênio. Quando a concentração de pó de grafite é de 15 a 45 g/m³, ela está dentro da faixa do "limite de explosão". Nesse ponto, o calor gerado pela combustão local desencadeará uma reação em cadeia por meio da radiação de calor, causando uma explosão.

Ponto de ignição

O ponto de ignição do grafite em bloco é de aproximadamente 800°C. Porém, quando em forma de pó, à medida que a área de superfície específica aumenta, o ponto de ignição do material diminui significativamente. É mostrado que o ponto de ignição do pó de grafite de 50μm é de 750°C. Já o pó de 20μm cai para 680°C, e o pó de 5μm pode chegar a 600°C.

Análise dos fatores que afetam a combustão do pó de grafite

O papel fundamental do tamanho das partículas

O tamanho da partícula é o principal fator que determina a inflamabilidade do pó de grafite, que pode ser discutido em três níveis:

Nível de mícron (1 - 100μm)

Essa é a classe de produtos industriais convencionais pó de grafite. Quando disperso, se a concentração atingir mais de 15g/m³, ele pode explodir ao encontrar uma fonte de ignição com energia ≥ 0,2mJ. Mas é difícil manter uma combustão contínua.

Nível submicrônico (0,1 - 1μm)

A área de superfície específica desse nível de pó aumenta significativamente, e a taxa de reação de oxidação se acelera. Por exemplo, o pó de grafite de 0,5 μm pode sustentar a combustão a 700 ℃ em um ambiente rico em oxigênio. Sua taxa de combustão chega a 0,8g/(cm²-s) e libera aproximadamente 32MJ/kg de calor.

Nível nanométrico (< 100 nm)

O pó de grafite nanométrico apresenta características especiais de combustão devido à sua energia de superfície extremamente alta. No ar seco, as moléculas de oxigênio adsorvidas na superfície acumulam calor por meio de oxidação lenta. E quando a temperatura sobe para 60°C, ela pode desencadear a autoignição. Além disso, a concentração limite de explosão do pó nanométrico é menor, aproximadamente 5 a 30g/m³, aumentando o risco de segurança.

Efeito sinérgico da concentração de oxigênio e da temperatura ambiente

A influência da concentração de oxigênio

Em um ambiente de ar, cuja concentração de oxigênio é de 21%, a combustão do pó de grafite requer uma temperatura mais alta. Porém, em um ambiente rico em oxigênio, cuja concentração de oxigênio é maior que 30%, a energia de ativação da reação diminui. E o ponto de ignição pode cair de 100 a 200°C, de modo que a taxa de combustão é três vezes maior do que no ambiente de ar.

A influência da temperatura ambiental

Se a temperatura ambiente aumentar, o processo de oxidação será acelerado. Por exemplo, quando a temperatura ambiente aumenta de 25°C para 300°C, a taxa de oxidação do pó de grafite aumenta em 10 vezes. Essa correlação positiva aumenta significativamente o risco de combustão do pó de grafite em ambientes de alta temperatura.

Limite de energia da fonte de ignição

As diferentes fontes de ignição têm energias diferentes, o que afetará a possibilidade de queima do pó de grafite.

Faíscas estáticas

Sua energia varia de 0,2 a 1 mJ, o que pode inflamar pó de grafite de tamanho mícron dentro do limite de explosão.

Cinzas de cigarro

Sua temperatura de superfície é de 300-400°C, portanto, tem energia insuficiente e não consegue inflamar o pó de grafite convencional.

Faíscas de solda

Sua temperatura > 1000℃, energia > 10 mJ, portanto, pode inflamar diretamente o pó de grafite abaixo de 50μm e desencadear uma reação em cadeia.

Além disso, a duração da fonte de ignição também é crucial: a ignição de pulso curto requer maior energia para iniciar a combustão. E fontes de calor contínuas têm maior probabilidade de fazer com que o pó de grafite atinja seu ponto de ignição.

Gerenciamento de segurança do pó de grafite na prática industrial

Prevenção e controle de riscos no ambiente de produção

Controle de concentração

É necessário instalar um sistema central de remoção de poeira e dispositivos de ventilação local para manter a concentração de pó de grafite na oficina abaixo de 10g/m³.

Eliminação da fonte de ignição

Isso exige que chamas abertas sejam estritamente proibidas na área de produção e que o equipamento seja aterrado para eliminar a eletricidade estática. Além disso, você deve selecionar motores e lâmpadas à prova de explosão e limpar a poeira ao redor antes das operações de soldagem.

Monitoramento e alerta precoce

Você precisa instalar um sensor de concentração de poeira e um dispositivo de alarme de temperatura. Assim, eles podem acionar automaticamente um alarme ao ativar os sistemas de ventilação e de supressão de incêndio.

Especificações para armazenamento e transporte

É necessário armazenar o pó de grafite em um depósito bem ventilado e seco para evitar que ele entre em combustão espontânea. Ao embalar, é necessário usar um recipiente lacrado para evitar que o pó fique suspenso. Além disso, mantenha-se a pelo menos 3 metros de distância de oxidantes e fontes de calor. Durante o transporte, você deve evitar vibrações extremas e equipar um extintor de incêndio de pó seco para evitar que a poeira voe e cause uma explosão secundária.

Conclusão

Em conclusão, a combustão do pó de grafite requer certas condições, o que exige energia de ativação suficiente e um suprimento adequado de oxigênio. Portanto, ele não é inflamável em circunstâncias normais, mas pode ser inflamável ou até mesmo auto-inflamável em condições extremas ou específicas.