CHƯƠNG 1: TỔNG Q AN VỀ CHÁY VÀ CHẤT CHỐNG CHÁY 1. Tổng quan về cháy 1. Khái niệm về cháy Sự cháy đã được biết đến từ rất lâu, nhờ vậy mà xã hội loài người chuyển sang một bước ngoặt văn minh mới. Ứng dụng của sự cháy mang lại lợi ích vô cùng to lớn cho con người, song ngược lại khi không khống chế được nó, nó trở thành mối hiểm hoạ nguy hiểm cho con người.
Chính vì vậy cháy luôn luôn được con người quan tâm nghiên cứu. Cháy được định nghĩa như sau: Cháy là những phản ứng hoá học có toả nhiệt và phát sáng [1]. Hoặc: Sự cháy là quá trình biến đổi lý hóa sinh nhiệt phức tạp của các thành phần trong hỗn hợp chất cháy với chất ôxy hóa thành sản phẩm cháy [2]. Những yếu tố và điều kiện cần thiết cho sự cháy 1.
Các yếu tố cần thiết cho sự cháy - Chất cháy: Là những chất có khả năng tham gia phản ứng cháy với chất ôxy hoá. Chất cháy có thể là tài sản, vật chất xung quanh như: xăng, dầu, khí hoá lỏng, gỗ, giấy, vải, sơn, nhựa,. Chúng có thể tồn tại ở các trạng thái rắn, lỏng, khí. - Chất oxy hóa: chất ôxy hoá là những chất tham gia phản ứng hoá học với chất cháy để tạo nên sự cháy.
Chất ôxy hoá trong phản ứng cháy có thể là ôxy nguyên chất, ôxy của không khí, ôxy do các hợp chất chứa ôxy bị phân huỷ, hoặc những chất ôxy hoá khác có khả năng ôxy hoá chất cháy như: các chất thuộc nhóm halogen, H2SO4 đặc. Với các chất ôxy hóa khác nhau thì khả năng ôxy hóa của chúng cũng khác nhau, tùy vào mức độ hoạt động hóa học của chúng với chất cháy. Đối với những chất ôxy hóa khi tương tác hóa học hoặc bị nung nóng, va đập mà giải phóng ra ôxy tự do thì chúng có khả năng ôxy hóa rất mạnh. - Nguồn nhiệt: Trong phản ứng cháy nguồn nhiệt là nguồn cung cấp năng lượng cho phản ứng cháy xảy ra.
Nguồn nhiệt của sự cháy có thể là: ngọn lửa của những vật đang cháy; tia lửa ( tia lửa điện, tia lửa do ma sát, do va đập,. ); vật thể đã được nung nóng; hoặc có thể là nhiệt của các phản ứng hoá học, của các quá trình vật lý ( như hấp phụ, hoà tan,. ); nhiệt của các quá trình sinh học (phân huỷ, lên men,. ); và cũng có thể chính là nhiệt độ của môi trường (trường hợp tự cháy).
Điều kiện cần thiết cho sự cháy. Khi đã có đủ 3 yếu tố cần thiết cho sự cháy nói trên sự cháy chỉ xảy ra khi có đủ các điều kiện kèm theo, đó là: 1 Chất cháy, chất ôxy hoá và nguồn nhiệt phải tiếp xúc trực tiếp với nhau. Nếu không có sự tiếp xúc thì sẽ không có các tương tác hoá học giữa chất cháy và chất ôxy hoá xảy ra, và do đó sẽ không có phản ứng cháy. Nồng độ của chất cháy và chất ôxy hoá phải ở trong phạm vi giới hạn nồng độ bốc cháy.
Nguồn nhiệt phải nung nóng được hỗn hợp chất cháy và chất ôxy hoá - hỗn hợp cháy tới một nhiệt độ nhiệt độ tự bốc cháy của hỗn hợp. 3 yếu tố và các điều kiện cần thiết cho sự cháy có thể minh hoạ bằng sơ đồ tam giác cháy. Nguồn nhiệt Không khí Nhiên liệu Hình 1. Tam giác cháy 1.
Cơ chế bắt cháy 1. Cơ chế nhiệt Nhiệt làm tốc độ phản ứng ôxy hoá tăng lên và trong mối quan hệ biến đổi của nhiệt do phản ứng toả ra và nhiệt truyền đi trong quá trình ôxy hoá đó của hỗn hợp làm xuất hiện ngọn lửa (nhiệt tỏa ra từ các phản ứng của hỗn hợp cháy q+ lớn hơn lượng nhiệt mất mát từ hỗn hợp ra môi trường xung quanh q- , nhiệt độ trong hỗn hợp tăng lên làm xuất hiện sự cháy). Theo cơ cấu bắt cháy nhiệt thì lượng nhiệt do phản ứng toả ra là nguyên nhân gây ra quá trình tự bắt cháy của hỗn hợp. Cơ chế chuỗi Lý thuyết tự bắt cháy theo cơ cấu chuỗi do viện sỹ N.
Xêmenôv[1] đưa ra vào năm 1931. Khi mỗi một phần tử hoạt động tham gia phản ứng làm tách ra một năng lượng bằng E + Q (E- năng lượng hoạt hoá, Q – hiệu ứng nhiệt của phản ứng). Năng lượng đó truyền trực tiếp cho một hoặc vài phần tử trong số các phần tử phản ứng, kích động chúng đến trạng thái hoạt động. Nghĩa là tạo ra các phần tử hoạt động mới.
2 Theo lý thuyết phản ứng chuỗi, quá trình trải qua các giai đoạn sau: Giai đoạn sinh mạch: Các phần tử chất cháy và chất ôxy hoá được hoạt hoá nhờ năng lượng tự thân, năng lượng nhiệt, năng lượng của ánh sáng hoặc do va chạm với một phần tử thứ ba nào đó,… Kết quả là tạo ra những phần tử hoạt động (còn gọi là tâm hoạt động), những tâm hoạt động này có khả năng tham gia vào các phản ứng ở giai đoạn tiếp theo. Giai đoạn phát triển mạch: Nhờ những tâm hoạt động ban đầu mà phản ứng tiếp tục phát triển và tái tạo những tâm hoạt động mới. Phản ứng phát triển một cách dây chuyền, các tâm hoạt động được tái tạo nếu không có gì cản trở. Nếu từ một tâm hoạt động ban đầu khi phản ứng chỉ tái tạo một tâm mới thì phản ứng là phản ứng chuỗi không phân nhánh.
Nếu từ một tâm hoạt động ban đầu khi phản ứng tái tạo được hai hay nhiều tâm mới thì phản ứng là phản ứng chuỗi phân nhánh. Các phản ứng cháy hầu hết là phản ứng chuỗi phân nhánh, nên tốc độ cháy phát triển rất nhanh. Giai đoạn triệt mạch (hay đứt mạch): Do va chạm với các phần tử trơ, do các phản ứng phụ, … các tâm hoạt động bị triệt tiêu, nghĩa là chúng chuyển thành các phần tử kém hoạt động hoặc những phần tử ổn định mất khả năng tham gia phản ứng tiếp theo, mạch của phản ứng bị triệt tiêu. Nếu cường độ triệt mạch đủ lớn thì phản ứng sẽ bị ngừng lại.
Sự phát triển của phản ứng chuỗi, khả năng bắt cháy của hỗn hợp, tuỳ thuộc vào tỷ lệ giữa phản ứng phát triển mạch và đứt mạch. Trong phản ứng chuỗi không phân nhánh, tốc độ phản ứng là không đổi. Trong phản ứng chuỗi phân nhánh, tốc độ phản ứng tăng liên tục, phản ứng tự xúc tiến. Trong phạm vi nghiên cứu về tác động làm chậm cháy và chống cháy cho các chất và vật liệu cần bảo vệ ở trạng thái rắn.
Chất cháy rắn là vật liệu được sử dụng rất phổ biến trong lính vực sản xuất cũng như trong sinh hoạt. Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngoài vật liệu rắn có nguồn gốc từ tự nhiên còn tồn tại rất nhiều vật liệu rắn tổng hợp và chúng được sử dụng rộng rãi trên hầu hết các lĩnh vực. Vấn đề chống cháy cho các vật liệu tự nhiên cũng như các vật liệu nhân tạo luôn được quan tâm, như vấn đề ngâm, tẩm chất chống cháy cho các vật liệu tự nhiên hoặc làm tăng khả năng chịu cháy của các vật liệu nhân tạo bằng cách pha chế thêm các thành phần chất khó cháy…. Tuy nhiên về cơ bản chúng vẫn thuộc nhóm các chất cháy.
Đó là một trong các nguyên nhân trong thời gian gần đây số lượng các đám cháy chất rắn vẫn không ngừng tăng. Sự phân hủy nhiệt và bắt cháy của chất cháy rắn. Sự phân huỷ nhiệt của chất cháy rắn Đa số các vật liệu rắn đều cháy ở chế độ cháy khuếch tán. Sự biến đổi của chất rắn thành sản phẩm cháy ở vùng cháy cũng giống như chất khí và chất lỏng xảy ra do các phản ứng hóa học.
Vì vậy về nguyên tắc không có sự khác biệt về cơ chế cháy của các chất ở dạng khí, lỏng và đa số các chất cháy rắn đó là quá trình đồng thể, khuếch tán chuyển hóa chất cháy thành sản phẩm cháy kèm theo tỏa nhiệt và phát sáng. Theo đặc điểm của quá trình cháy có thể chia chất cháy rắn (CCR) ra làm các loại: Một số chất cháy rắn khi bị nung nóng sẽ chảy lỏng sau đó bốc hơi. Khi sự nóng chảy xảy ra không phân hủy chất ban đầu như: parafin, strarin. hoặc có sự phân hủy thành phần ban đầu như cao su tự nhiên, cao su nhân tạo.
Quá trình cháy của loại CCR này được xem tương tự như quá trình cháy của chất cháy lỏng. Chỉ khác là giai đoạn đầu trước khi cháy phải nung nóng nó đến nhiệt độ nóng chảy và tạo ra một lớp lỏng trên bề mặt của nó. Một số chất cháy rắn khi bị nung nóng sẽ bị phân huỷ nhiệt ngay mà không qua giai đoạn chảy lỏng. Trong số các chất này có một số chất khi bị phân hủy sẽ không tạo ra các phần cặn rắn mà hóa hơi hoàn toàn (thăng hoa) như: isotropin, naphtanin.
Một số chất trong quá trình phân hủy tạo ra phần cặn rắn không cháy (tro) như: gỗ, giấy, than bùn. Các sản phẩm phân huỷ này gồm các chất khí hoặc hơi thoát ra khỏi chất cháy rắn có thể tạo ra hỗn hợp cháy và cháy. Một số chất cháy rắn khi bị nung nóng không bị biến đổi trạng thái, như sắt, than grafit,…. nhưng vẫn có thể bị cháy, sự cháy xảy ra ngay trên bề mặt của nó và được gọi là cháy dị thể.
Qua quá trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng, đa số các chất cháy rắn quá trình phân hủy nhiệt diễn ra rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, nó phụ thuộc không chỉ vào bản chất chất cháy mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ phân hủy, vận tốc và thời gian phân hủy, kích thức hình học của vật liệu phân hủy. Sự bắt cháy và cháy của chất rắn Khi có sự tác dụng của nguồn nhiệt đốt cháy, chất cháy rắn sẽ bị nung nóng. Đầu tiên nếu chất cháy rắn có chứa ẩm, hơi ẩm từ nó được thoát ra, sau đó khi đạt tới nhiệt độ phân huỷ hoặc bốc hơi, hơi hoặc khí cháy phân huỷ của chúng thoát ra trộn lẫn với không khí đạt tới giới hạn nồng độ bắt cháy thấp dưới tác dụng của nguồn nhiệt sẽ bị 4 bắt cháy. Đối với chất cháy rắn không bị phân huỷ nhiệt, khi bị nung nóng đến nhiệt độ cao phản ứng cháy dị thể có thể xảy ra ngay trên bề mặt của nó.
Một số chất cháy có nguồn gốc từ thực vật trong quá trình phân huỷ nhiệt có thể tạo ra cặn rắn cacbon (than), ở điều kiện xác định có thể xuất hiện sự cháy dị thể (cháy âm ỉ) của lớp than.