Чи є графітовий порошок легкозаймистим?

Вступ

Графіт - це шаруватий вуглецевий матеріал, який завдяки своїм чудовим властивостям широко використовується в різних галузях. Займистість його порошку була предметом багатьох дискусій. Хоча він традиційно вважається незаймистим, дослідження та випадки показали, що за певних умов він може спалахнути.

Структурні характеристики графітового порошку та основи реакцій горіння

Кристалічна структура графіту

Кристалічна структура графіту складається з шаруватої структури гексагональних одиниць, а атоми вуглецю в кожному шарі утворюють ковалентні зв'язки за допомогою sp²-гібридизації. Довжина зв'язків становить 0,142 нм, а енергія зв'язку - 413 кДж/моль, тому він може утворювати стабільні шестичленні кільцеві площини. Шари з'єднані силами Ван-дер-Ваальса, з відстанню між шарами 0,335 нм. Причому сила дії відносно слабка, приблизно 20 кДж/моль, що наділяє графіт унікальними фізичними та хімічними властивостями. Висока стабільність всередині шарів надає йому надзвичайно високу термостійкість. Слабкі міжшарові сили дозволяють легко розділити його на тонкі листи або порошки.

Хімічна стабільність графіту

З точки зору хімічної термодинаміки, реакція між графітом і киснем призводить до утворення вуглекислого газу. (Хімічне рівняння цієї реакції має вигляд C + O2 = CO2.) Зміна вільної енергії Гіббса становить -394,36 кДж/моль за стандартних умов, що свідчить про термодинамічну спонтанність. Однак, реальне протікання цієї реакції вимагає подолання кінетичного енергетичного бар'єру. Завдяки впорядкованому розташуванню атомів на поверхні графіту, ефективна ймовірність зіткнення з молекулами кисню є низькою. При кімнатній температурі річна швидкість окислення < 0,01%, тому швидкість окислення може бути незначною. Отже, він має кінетичну інертність, що робить його незаймистим у звичайних умовах.

Основні умови протікання реакцій горіння та вплив характеристик пороху

 Основні умови реакцій горіння

Горіння відбувається лише тоді, коли одночасно виконуються три умови: горючий матеріал, окислювач (зазвичай кисень) і температура, що досягає точки займання.

Tвплив характеристик порошку

Питома площа поверхні

Питома поверхня графітових порошків з різним розміром частинок варіюється, що значно збільшується зі зменшенням розміру частинок. Питома поверхня графітового порошку розміром 100 мкм становить приблизно 0,5 м²/г. Питома поверхня порошку розміром 1 мкм може досягати 50 м²/г, а для порошок нанометрового розміру навіть перевищує 100 м²/г. Велика питома поверхня збільшує площу контакту з киснем, зменшуючи енергію активації реакції. Таким чином, горіння відбувається легше.

Дисперсійний стан

Коли порошок утворює суспензію в повітрі, він може повністю змішуватися з киснем. Коли концентрація графітового порошку становить 15-45 г/м³, вона знаходиться в межах "межі вибуху". У цей момент тепло, що утворюється при локальному горінні, запускає ланцюгову реакцію через теплове випромінювання, викликаючи тим самим вибух.

Точка займання

Температура займання блочного графіту становить приблизно 800°C. Але в порошковій формі зі збільшенням питомої поверхні температура займання матеріалу значно знижується. Показано, що температура займання 50-мікронного графітового порошку становить 750°C. У той час як для 20-мікронного порошку вона знижується до 680°C, а для 5-мікронного порошку - до 600°C.

Аналіз факторів, що впливають на горіння графітового порошку

Критична роль розміру частинок

Розмір частинок є ключовим фактором, що визначає горючість графітового порошку, який можна розглядати на трьох рівнях:

Мікронний рівень (1 - 100 мкм)

Це сорт звичайного промислового графітовий порошок. У диспергованому стані, якщо концентрація досягає понад 15 г/м³, він може вибухнути при зіткненні з джерелом запалювання з енергією ≥ 0,2 мДж. Але важко підтримувати безперервне горіння.

Субмікронний рівень (0,1 - 1 мкм)

Питома поверхня порошку цього рівня значно збільшується, а швидкість реакції окислення прискорюється. Наприклад, графітовий порошок розміром 0,5 мкм може підтримувати горіння при температурі 700 ℃ у середовищі, багатому на кисень. Швидкість його горіння досягає 0,8 г/(см²-с) і він виділяє приблизно 32 МДж/кг тепла.

Нанометровий рівень (< 100 нм)

Нанометровий графітовий порошок має особливі характеристики горіння завдяки надзвичайно високій поверхневій енергії. У сухому повітрі молекули кисню, адсорбовані на поверхні, накопичують тепло шляхом повільного окислення. І коли температура піднімається до 60 ℃, це може спровокувати самозаймання. Крім того, гранична концентрація вибуху нанометрового порошку нижча, що становить приблизно 5 - 30 г/м³, що підвищує ризик безпеки.

Синергетичний ефект концентрації кисню та температури навколишнього середовища

Вплив концентрації кисню

У повітряному середовищі з концентрацією кисню 21% для горіння графітового порошку потрібна вища температура. Але в багатому на кисень середовищі, де концентрація кисню перевищує 30%, енергія активації реакції зменшується. І температура займання може знизитися на 100-200°C, завдяки чому швидкість горіння втричі вища, ніж у повітряному середовищі.

Вплив температури навколишнього середовища

Якщо температура навколишнього середовища підвищується, процес окислення прискорюється. Наприклад, коли температура навколишнього середовища підвищується з 25℃ до 300℃, швидкість окислення графітового порошку збільшується в 10 разів. Ця позитивна кореляція значно збільшує ризик горіння графітового порошку у високотемпературних середовищах.

Енергетичний поріг джерела запалювання

Різні джерела запалювання мають різну енергію, що впливає на можливість горіння графітового порошку.

Статичні іскри

Його енергія коливається від 0,2 до 1 мДж, що дозволяє запалити графітовий порошок мікронного розміру в межах вибухової межі.

Попіл від сигарет

Температура його поверхні становить 300-400℃, тому він має недостатню енергію і не може запалити звичайний графітовий порошок.

Зварювальні іскри

Його температура > 1000 ℃, енергія > 10 мДж, тому він може безпосередньо запалити графітовий порошок розміром менше 50 мкм і запустити ланцюгову реакцію.

Крім того, тривалість джерела запалювання також має вирішальне значення: короткі імпульси запалювання вимагають більшої енергії для ініціювання горіння. А безперервні джерела тепла з більшою ймовірністю призведуть до того, що графітовий порошок досягне точки займання.

Управління безпекою графітового порошку в промисловій практиці

Запобігання та контроль ризиків у виробничому середовищі

Контроль концентрації

Необхідно встановити центральну систему пиловидалення та локальні вентиляційні пристрої, щоб утримувати концентрацію графітового порошку в цеху нижче 10 г/м³.

Усунення джерела займання

Це вимагає суворої заборони відкритого вогню у виробничій зоні, а також заземлення обладнання для усунення статичної електрики. Також слід обирати вибухозахищені двигуни та лампи, а перед зварювальними роботами очищати повітря від пилу.

Моніторинг та раннє попередження

Потрібно встановити датчик концентрації пилу та сигналізатор температури. Щоб вони могли автоматично подавати сигнал тривоги при активації систем вентиляції та пожежогасіння.

Технічні характеристики для зберігання та транспортування

Зберігати графітовий порошок потрібно в добре провітрюваних і сухих складських приміщеннях, щоб запобігти його самозаймання. При пакуванні потрібно використовувати герметичну тару, щоб запобігти злежуванню порошку. Крім того, тримайте його на відстані не менше 3 метрів від окислювачів та джерел тепла. Під час транспортування слід уникати сильних вібрацій і обладнати сухий порошковий вогнегасник, щоб запобігти розльоту пилу і вторинному вибуху.

Висновок

На закінчення, горіння графітового порошку вимагає певних умов, що вимагає достатньої енергії активації і відповідного постачання кисню. Тому він є негорючим за звичайних обставин, але може бути легкозаймистим або навіть самозаймистим за екстремальних або специфічних умов.