Grafit Tozu Yanıcı mıdır?

Giriş

Grafit, mükemmel özellikleri nedeniyle çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılan katmanlı karbon bazlı bir malzemedir. Tozunun yanıcılığı çok fazla tartışma konusu olmuştur. Geleneksel olarak yanıcı olmadığı düşünülse de, araştırmalar ve vakalar belirli koşullar altında alev alabileceğini göstermiştir.

Grafit Tozunun Yapısal Özellikleri ve Yanma Reaksiyonlarının Temeli

Grafitin kristal yapısı

Grafitin kristal yapısı altıgen birimlerden oluşan katmanlı bir yapıdan oluşur ve karbon atomları her katman içinde sp² hibridizasyonu yoluyla kovalent bağlar oluşturur. Bağ uzunlukları 0,142 nm ve bağ enerjileri 413 kJ/mol'dür, bu nedenle kararlı altı üyeli halka düzlemleri oluşturabilir. Katmanlar, 0,335 nm'lik bir katman aralığı ile van der Waals kuvvetleri ile bağlanır. Ve etki kuvveti nispeten zayıftır, yaklaşık 20 kJ/mol, bu da grafite benzersiz fiziksel ve kimyasal özellikler kazandırır. Katmanlar içindeki yüksek kararlılık, ona son derece yüksek ısı direnci kazandırır. Zayıf katmanlar arası kuvvetler onu ince tabakalara veya tozlara kolayca ayrılabilir hale getirir.

Grafitin kimyasal kararlılığı

Kimyasal termodinamik açısından bakıldığında, grafit ve oksijen arasındaki reaksiyon karbondioksit üretir. (Bu reaksiyonun kimyasal denklemi C + O2= CO2'dir.) Bu, standart koşullar altında -394,36 kJ/mol Gibbs serbest enerji değişimine sahiptir ve bu da termodinamik kendiliğindenliği gösterir. Ancak, bu reaksiyonun gerçekleşmesi için kinetik enerji bariyerinin aşılması gerekir. Grafit yüzeyindeki atomik düzen ile oksijen molekülleri ile etkin çarpışma olasılığı düşüktür. Oda sıcaklığında, yıllık oksidasyon oranı < 0.01%'dir, bu nedenle oksidasyon oranı ihmal edilebilir. Bu nedenle, geleneksel ortamlarda yanıcı olmadığı düşünülen kinetik inertliğe sahiptir.

Yanma reaksiyonlarının temel koşulları ve toz özelliklerinin etkisi

 Yanma reaksiyonlarının temel koşulları

Yanma sadece üç koşul aynı anda gerçekleştiğinde meydana gelecektir: yanıcı madde, oksidan (genellikle oksijen) ve tutuşma noktasına ulaşan bir sıcaklık.

Ttoz özelliklerinin etkisi

Spesifik yüzey alanı

Farklı partikül boyutlarındaki grafit tozlarının spesifik yüzey alanı değişir ve partikül boyutu azaldıkça önemli ölçüde artar. 100μm grafit tozunun spesifik yüzey alanı yaklaşık 0,5 m²/g'dır. 1μm tozun spesifik yüzey alanı 50 m²/g'a ulaşabilir ve nanometre boyutunda toz hatta 100 m²/g'ı aşar. Geniş özgül yüzey alanı oksijenle temas alanını artırarak reaksiyonun aktivasyon enerjisini azaltır. Böylece yanmanın gerçekleşmesi kolaylaşır.

Dağılım durumu

Toz havada bir süspansiyon oluşturduğunda, oksijen ile tamamen karışabilir. Grafit tozu konsantrasyonu 15-45 g/m³ olduğunda, "patlama sınırı" aralığındadır. Bu noktada, yerel yanmanın ürettiği ısı, ısı radyasyonu yoluyla zincirleme bir reaksiyonu tetikleyecek ve böylece bir patlamaya neden olacaktır.

Ateşleme noktası

Blok grafitin tutuşma noktası yaklaşık 800°C'dir. Ancak toz formundayken, spesifik yüzey alanı arttıkça, malzemenin tutuşma noktası önemli ölçüde azalır. 50μm grafit tozunun tutuşma noktasının 750°C olduğu gösterilmiştir. 20μm toz 680°C'ye düşerken, 5μm toz 600°C'ye kadar düşebilmektedir.

Grafit Tozunun Yanmasını Etkileyen Faktörlerin Analizi

Partikül boyutunun kritik rolü

Partikül boyutu, grafit tozunun yanıcılığını belirleyen temel faktördür ve üç seviyede ele alınabilir:

Mikron seviyesi (1 - 100μm)

Bu geleneksel endüstriyel sınıftır grafit tozu. Dağıldığında, konsantrasyon 15 g/m³'ün üzerine çıkarsa, ≥ 0,2 mJ enerjili bir ateşleme kaynağı ile karşılaştığında patlayabilir. Ancak sürekli bir yanmayı sürdürmek zordur.

Mikron altı seviye (0,1 - 1μm)

Bu seviyedeki tozun spesifik yüzey alanı önemli ölçüde artar ve oksidasyon reaksiyon hızı hızlanır. Örneğin, 0,5 μm grafit tozu oksijen açısından zengin bir ortamda 700°C'de yanmayı sürdürebilir. Yanma hızı 0,8 g/(cm²-s)'ye ulaşır ve yaklaşık 32MJ/kg ısı açığa çıkarır.

Nanometre seviyesi (< 100 nm)

Nanometre grafit tozu, son derece yüksek yüzey enerjisi nedeniyle özel yanma özellikleri sergiler. Kuru havada, yüzeyde adsorbe edilen oksijen molekülleri yavaş oksidasyon yoluyla ısı biriktirir. Ve sıcaklık 60°C'ye yükseldiğinde, kendi kendine tutuşmayı tetikleyebilir. Ek olarak, nanometre tozunun patlama sınırı konsantrasyonu daha düşüktür, bu da yaklaşık 5 - 30 g / m³'tür ve güvenlik riskini artırır.

Oksijen konsantrasyonu ve çevre sıcaklığının sinerjik etkisi

Oksijen konsantrasyonunun etkisi

Oksijen konsantrasyonunun 21% olduğu bir hava ortamında, grafit tozunun yanması daha yüksek bir sıcaklık gerektirir. Ancak oksijen konsantrasyonunun 30%'den fazla olduğu oksijen açısından zengin bir ortamda, reaksiyonun aktivasyon enerjisi azalır. Ve tutuşma noktası 100-200°C düşebilir, böylece yanma oranı hava ortamından üç kat daha yüksek olur.

Çevresel sıcaklığın etkisi

Çevre sıcaklığı artarsa, oksidasyon süreci hızlanacaktır. Örneğin, ortam sıcaklığı 25°C'den 300°C'ye yükseldiğinde, grafit tozunun oksidasyon oranı 10 kat artar. Bu pozitif korelasyon, yüksek sıcaklıktaki ortamlarda grafit tozunun yanma riskini önemli ölçüde artırır.

Ateşleme kaynağının enerji eşiği

Farklı ateşleme kaynakları farklı enerjilere sahiptir ve bu da grafit tozunun yanma olasılığını etkileyecektir.

Statik kıvılcımlar

Enerjisi 0,2 ila 1 mJ arasında değişir ve bu da mikron boyutundaki grafit tozunu patlama sınırı içinde tutuşturabilir.

Sigara külü

Yüzey sıcaklığı 300-400 ℃'dir, bu nedenle yetersiz enerjiye sahiptir ve geleneksel grafit tozunu tutuşturamaz.

Kaynak kıvılcımları

Sıcaklığı > 1000 ℃, enerjisi > 10 mJ, bu nedenle 50μm'nin altındaki grafit tozunu doğrudan tutuşturabilir ve zincirleme bir reaksiyonu tetikleyebilir.

Buna ek olarak, ateşleme kaynağının süresi de çok önemlidir: kısa darbeli ateşleme, yanmayı başlatmak için daha yüksek enerji gerektirir. Ve sürekli ısı kaynaklarının grafit tozunun tutuşma noktasına ulaşmasına neden olma olasılığı daha yüksektir.

Endüstriyel Uygulamada Grafit Tozunun Güvenlik Yönetimi

Üretim ortamında risk önleme ve kontrol

Konsantrasyon Kontrolü

Atölyedeki grafit tozu konsantrasyonunu 10 g/m³'ün altında tutmak için merkezi bir toz giderme sistemi ve yerel havalandırma cihazları kurmanız gerekir.

Ateşleme Kaynağının Ortadan Kaldırılması

Bu, üretim alanında açık alevlerin kesinlikle yasaklanmasını ve statik elektriği ortadan kaldırmak için ekipmanın topraklanmasını gerektirir. Patlamaya dayanıklı motorlar ve lambalar seçmeli ve kaynak işlemlerinden önce çevredeki tozu temizlemelisiniz.

İzleme ve Erken Uyarı

Bir toz konsantrasyon sensörü ve bir sıcaklık alarm cihazı kurmanız gerekir. Böylece havalandırma ve yangın söndürme sistemlerini etkinleştirirken otomatik olarak bir alarm tetikleyebilirler.

Depolama ve Taşıma için Özellikler

Grafit tozunun kendiliğinden tutuşmasını önlemek için iyi havalandırılmış ve kuru bir depoda saklamanız gerekir. Ambalajlarken, tozun askıda kalmasını önlemek için kapalı bir kap kullanmanız gerekir. Ayrıca, oksitleyicilerden ve ısı kaynaklarından en az 3 metre uzakta tutun. Nakliye sırasında, aşırı titreşimlerden kaçınmalı ve tozun uçmasını ve ikincil bir patlamaya neden olmasını önlemek için bir kuru toz yangın söndürücü donatmalısınız.

Sonuç

Sonuç olarak, grafit tozunun yanması, yeterli aktivasyon enerjisi ve uygun bir oksijen kaynağı gerektiren belirli koşullar gerektirir. Bu nedenle normal şartlar altında yanıcı değildir, ancak aşırı veya özel koşullar altında yanıcı olabilir ve hatta kendiliğinden tutuşabilir.