Воспламеняется ли графитовый порошок?

Введение

Графит - это слоистый материал на основе углерода, который широко используется в различных областях благодаря своим превосходным свойствам. Воспламеняемость его порошка является предметом многочисленных дискуссий. Хотя традиционно он считается негорючим, исследования и случаи показали, что при определенных условиях он может загореться.

Структурные характеристики графитового порошка и основы реакций горения

Кристаллическая структура графита

Кристаллическая структура графита состоит из слоистой структуры гексагональных единиц, а атомы углерода в каждом слое образуют ковалентные связи за счет гибридизации sp². Длина связей составляет 0,142 нм, а энергия связи - 413 кДж/моль, поэтому он может образовывать стабильные шестичленные кольцевые плоскости. Слои связаны между собой силами Ван-дер-Ваальса, расстояние между слоями составляет 0,335 нм. Причем сила действия относительно слабая, около 20 кДж/моль, что наделяет графит уникальными физическими и химическими свойствами. Высокая стабильность внутри слоев обеспечивает ему чрезвычайно высокую теплостойкость. Слабые межслоевые силы делают его легко разделяемым на тонкие листы или порошки.

Химическая стабильность графита

С точки зрения химической термодинамики, в результате реакции между графитом и кислородом образуется углекислый газ. (Химическое уравнение этой реакции: C + O2 = CO2.) При стандартных условиях изменение свободной энергии Гиббса составляет -394,36 кДж/моль, что указывает на термодинамическую спонтанность. Однако для реального протекания этой реакции необходимо преодолеть кинетический энергетический барьер. При атомном упорядоченном расположении на поверхности графита эффективная вероятность столкновения с молекулами кислорода низка. При комнатной температуре годовая скорость окисления < 0,01%, поэтому скоростью окисления можно пренебречь. Поэтому он обладает кинетической инертностью, которая считается негорючей в обычных условиях.

Основные условия протекания реакций горения и влияние характеристик порошка

 Основные условия протекания реакций горения

Горение происходит только при одновременном выполнении трех условий: горючий материал, окислитель (обычно кислород) и температура, достигающая точки воспламенения.

Tвлияние характеристик порошка

Удельная площадь поверхности

Удельная площадь поверхности графитовых порошков с разным размером частиц различна, причем она значительно увеличивается по мере уменьшения размера частиц. Удельная поверхность графитового порошка размером 100 мкм составляет примерно 0,5 м²/г. Удельная поверхность порошка размером 1 мкм может достигать 50 м²/г, а у порошка размером порошок нанометрового размера даже превышает 100 м²/г. Большая удельная поверхность увеличивает площадь контакта с кислородом, снижая энергию активации реакции. Таким образом, облегчается процесс горения.

Состояние дисперсии

Когда порошок образует суспензию в воздухе, он может полностью смешиваться с кислородом. Когда концентрация графитового порошка составляет 15-45 г/м³, он находится в пределах "предела взрыва". В этот момент тепло, выделяемое при локальном горении, запустит цепную реакцию через тепловое излучение, что приведет к взрыву.

Точка зажигания

Температура воспламенения блочного графита составляет около 800°C. Но когда он находится в виде порошка, с увеличением удельной поверхности температура воспламенения материала значительно снижается. Показано, что температура воспламенения порошка графита размером 50 мкм составляет 750°C. В то время как порошок размером 20 мкм опускается до 680°C, а порошок размером 5 мкм может иметь температуру до 600°C.

Анализ факторов, влияющих на горение графитового порошка

Критическая роль размера частиц

Размер частиц является ключевым фактором, определяющим воспламеняемость графитового порошка, который может быть рассмотрен на трех уровнях:

Микронный уровень (1 - 100 мкм)

Это класс обычных промышленных графитовый порошок. При диспергировании, если концентрация превышает 15 г/м³, он может взорваться при столкновении с источником зажигания с энергией ≥ 0,2 мДж. Однако поддерживать непрерывное горение сложно.

Субмикронный уровень (0,1 - 1 мкм)

Удельная площадь поверхности порошка такого уровня значительно увеличивается, и скорость реакции окисления ускоряется. Например, графитовый порошок размером 0,5 мкм может поддерживать горение при температуре 700℃ в среде, богатой кислородом. Его скорость горения достигает 0,8 г/(см²-с), и он выделяет около 32 МДж/кг тепла.

Нанометровый уровень (< 100 нм)

Нанометровый графитовый порошок обладает особыми характеристиками горения благодаря чрезвычайно высокой поверхностной энергии. В сухом воздухе молекулы кислорода, адсорбированные на поверхности, накапливают тепло за счет медленного окисления. А когда температура поднимается до 60℃, это может привести к самовоспламенению. Кроме того, предельная концентрация взрыва нанометрового порошка ниже и составляет примерно 5-30 г/м³, что повышает риск безопасности.

Синергетический эффект концентрации кислорода и температуры окружающей среды

Влияние концентрации кислорода

В воздушной среде, концентрация кислорода в которой составляет 21%, для горения графитового порошка требуется более высокая температура. Но в богатой кислородом среде, концентрация кислорода в которой превышает 30%, энергия активации реакции снижается. И точка воспламенения может понизиться на 100-200°C, в результате чего скорость горения в три раза выше, чем в воздушной среде.

Влияние температуры окружающей среды

Если температура окружающей среды повышается, процесс окисления ускоряется. Например, при повышении температуры окружающей среды с 25℃ до 300℃ скорость окисления графитового порошка увеличивается в 10 раз. Эта положительная корреляция значительно повышает риск возгорания графитового порошка в высокотемпературных средах.

Энергетический порог источника зажигания

Различные источники зажигания обладают разной энергией, что влияет на возможность возгорания графитового порошка.

Статические искры

Его энергия составляет от 0,2 до 1 мДж, что позволяет воспламенить графитовый порошок микронного размера в пределах предела взрыва.

Сигаретный пепел

Температура его поверхности составляет 300-400℃, поэтому он обладает недостаточной энергией и не способен воспламенить обычный графитовый порошок.

Сварочные искры

Его температура > 1000℃, энергия > 10 мДж, поэтому он может напрямую воспламенить графитовый порошок размером менее 50 мкм и запустить цепную реакцию.

Кроме того, решающее значение имеет продолжительность действия источника зажигания: короткое импульсное зажигание требует большей энергии для начала горения. А непрерывные источники тепла с большей вероятностью приведут к тому, что графитовый порошок достигнет точки воспламенения.

Управление безопасностью графитового порошка в промышленной практике

Предотвращение и контроль рисков в производственной среде

Контроль концентрации

Вам необходимо установить центральную систему пылеудаления и местные вентиляционные устройства, чтобы концентрация графитового порошка в цеху не превышала 10 г/м³.

Устранение источника зажигания

Это требует строгого запрета открытого огня в производственной зоне, а также заземления оборудования для устранения статического электричества. Кроме того, следует выбирать взрывозащищенные двигатели и лампы, а перед сварочными работами очищать окружающее пространство от пыли.

Мониторинг и раннее предупреждение

Вам необходимо установить датчик концентрации пыли и температурный сигнализатор. Чтобы они автоматически подавали сигнал тревоги, активируя системы вентиляции и пожаротушения.

Спецификации для хранения и транспортировки

Хранить графитовый порошок нужно в хорошо проветриваемом и сухом складе, чтобы предотвратить его самовозгорание. При упаковке необходимо использовать герметичный контейнер, чтобы предотвратить взвешивание порошка. Кроме того, храните его на расстоянии не менее 3 метров от окислителей и источников тепла. При транспортировке следует избегать сильных вибраций и использовать огнетушитель для сухого порошка, чтобы предотвратить разлет пыли и вторичный взрыв.

Заключение

В заключение следует отметить, что для горения графитового порошка необходимы определенные условия, для чего требуется достаточная энергия активации и соответствующий приток кислорода. Таким образом, он не воспламеняется в обычных условиях, но может воспламениться или даже самовоспламениться в экстремальных или специфических условиях.