HÓA HỌC TRONG DẬP CHÁY (Nguyễn Việt Thái, Học viện KTQS)

Hà Nội có cháy ở một cây xăng, quy mô không lớn, nhưng lực lượng cảnh sát PCCC rất vất vả do không có trang bị và kỹ thuật dập cháy cần thiết. Hiểu được một số nguyên tắc sẽ giúp mọi người hiểu rõ hơn về cháy và dập cháy. 

...

            Có 3 yếu tố để bắt đầu và duy trì ngọn lửa:

-          Nhiên liệu: gỗ, giấy, dầu, sản phẩm dệt, khí cháy...

-          Chất oxy hóa: oxy từ không khí, nhưng có thể các chất hóa học khi tiếp xúc với nhiên liệu.

-          Nhiệt: nhiệt độ cần cao hơn nhiệt độ bắt cháy của nhiên liệu

Có 3 giải pháp dập cháy:

-          Cắt đứt nguồn cung cấp nhiên liệu.

-          Ngăn cách: tách nhiên liệu khỏi chất oxy hóa

-          Làm lạnh: giảm nhiệt độ, về nguyên tắc có thể với nước.

Có 5 loại chính các chất dập cháy: nước, bọt, CO₂, BCF (hay Halon 1211) và bột khô. Việc lựa chọn chất dập cháy phụ thuộc loại nhiên liệu, ngoài ra còn nguy hiểm từ các thiết bị điện.

Giới thiệu:

      Khi cháy, nhiên liệu, vật liệu bị cháy, chúng bị oxy hóa nhanh chóng, tỏa ra nhiệt và ánh sáng. Oxy trong không khí và các chất oxy hóa như nitrat, clorat và peroxide không được lưu giữ với chất cháy. Hóa học xảy ra trong ngọn lửa là phức tạp, bao gồm gốc tự do của phản ứng mạch, còn phản ứng chung là tỏa nhiệt mạnh mẽ. Khi các chất hữu cơ cháy hoàn toàn, sản phẩm là CO₂ và nước. Nhưng thường khi cháy, sự cháy hoàn toàn không xảy ra, mà sản phẩm là các chất rắn, khói và các khí khác. Rất nhiều yếu tố dẫn đến cháy, nhưng chủ yếu là nhiệt độ cao cần để bắt đầu phản ứng. Nhiệt độ nhỏ nhất để cháy là nhiệt độ bắt cháy, tuy nhiên phản ứng oxy hóa tỏa lượng lớn nhiệt năng và nhiệt sẽ duy trì hay làm tăng nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao, tốc độ càng nhanh. Nếu nhiệt tỏa ra trong phản ứng nhanh hơn so với nó bị tán xạ ra môi trường thì có thể nổ nhiệt tại đó. Điểm cháy cốc hở “nóng” từ nhiên liệu là nhiệt độ tối thiểu để đốt cháy ở pha hơi khi có mặt không khí. Ví dụ:

Metanol 11ºC, dietylete -45ºC, n-hexan -21ºC, benzen -11ºC

Nhiệt độ cháy từ khí là nhiệt độ tối thiểu khi hỗn hợp của nó với không khí cháy khi không có ngọn lửa. Một số ví dụ:

Hydro 580 ºC, xăng 550 ºC, khí đốt 600-650 ºC

Nhiệt từ đám cháy có thể được chuyển bằng ba phương pháp, dẫn, đối lưu và bức xạ.

Trong dẫn nhiệt gradient nhiệt độ được truyền bằng cách truyền nhiệt qua tiếp xúc trực tiếp với vật liệu. Đây không phải là một quá trình quan trọng mà chỉ là cháy lây lan. Quan trọng nhất là sự đối lưu trong đó nhiệt được truyền bởi bản thân sự chuyển động của vật chất, cháy trong trạng thái khí. Tuy nhiên bức xạ cũng rất quan trọng, đây là sự truyền nhiệt bằng phát bức xạ hồng ngoại từ các vật liệu trong ngọn lửa và chuyển đổi các bức xạ này do hấp thụ để làm nóng các vật liệu khác.

Bức xạ cũng như đối lưu có thể ngăn chặn việc đến gần đến chỗ có hỏa hoạn. Một ngọn lửa có thể lây lan qua cả hai phương pháp, nâng cao nhiệt độ của vật chất khác đến nhiệt độ tự cháy. Cháy được phân loại theo bản chất vật liệu cháy và sự có mặt thiết bị điện. Phương pháp dập cháy phụ thuộc vào nhiên liệu và độ nguy hiểm của điện. Nói chung các phương pháp liên quan đến việc loại bỏ các nhiên liệu, hay tách nhiên liệu từ oxy (phủ kín), hoặc hạ thấp nhiệt độ (làm mát).

Phân loại cháy:

Cháy được phân loại đặc tính nhiên liệu và thiết bị điện; Sự phân loại theo tiêu chuẩn của Anh như sau:

Loại A: bao gồm các chất rắn, về nguyên tắc là chất hữu cơ như giấy, gỗ, vật liệu dệt, hạt nhựa, chất dẻo, than, da...

Loại B: các chất lỏng  hay chất rắn tương đối dễ cháy: xăng , dầu, chất béo, dầu hỏa, rượu, dung môi, sơn keo, các dung môi hữu cơ.

Loại C: các khí cháy: metan, LFG (propan,butan), hydro, CO.

Loại D: Kim loại cháy: Natri, Manhe, Liti, nhôm.

Loại E: cháy thiết bị điện. Cháy phức tạp vì có mặt năng lượng điện.

            Hóa học dập cháy.

            Nước: chức năng của nước đơn giản chỉ làm lạnh khi cháy nhiên liệu. Nước rẻ và cung cấp tại chỗ với áp lực cao. Các tòa nhà có hệ thống làm việc tự động, nếu như nhiệt độ cao hơn cần thiết. Tác dụng làm lạnh của nước xảy ra chủ yếu từ nhiệt hóa hơi của nó. Nhiệt dung riêng: 4,17J.K^-1.g^-1, Cp: 75J.K^-1.mol^-1. 1l nước hấp thụ 313KJ để đun nóng từ 25°C và để hóa hơi hoàn toàn cần 2300KJ. Nhiệt cháy của gỗ (cấu tạo từ xellulo – polyme của glucoza) ΔH(C6H12O6): -2803KJ.Mol^-1. Như vậy 1kg gỗ cháy tỏa ra 15600 KJ – như vậy cần 7l nước để hấp thụ nhiệt. Nước chỉ sử dụng ở các loại cháy nhiên liệu rắn. Phần lớn các chất lỏng hữu cơ có tỷ trọng thấp hơn nước nên sẽ nổi trên bề mặt và vẫn cháy.

Dây dẫn nước cần phải cung cấp 14l/phút và áp suất cần thiết 225kPa cho đường kính ống 13mm và 150kPa cho 19mm. Nước chuyển chất dập cháy trước đây dùng tuần hoàn từ đáy lên trên, điều này gây cản trở bởi axit sunfuric khi khuấy với natri bicacbonat sẽ tạo CO₂ đảm bảo áp suất cần thiết. Hiện nay, bị cấm. Thiết bị dập lửa hiện đại đơn giản với áp suất của khí N₂ để phun nước hay có hộp chứa khí CO₂.

            Bọt là khối ổn định không khí có chứa bong bóng và có tỷ trọng thấp hơn nhiều so với xăng, dầu hay nước. Chất hoạt động bề mặt cho nước tính bề mặt phù hợp để tạo bọt là các chất hòa tan trong nước và đôi khi áp suất được tạo thành trên hỗn hợp dung dịch và không khí, bọt định hình.

Bọt thực hiện chức năng:

-          Phủ bề mặt nhiên liệu dập cháy

-          Tach bề mặt nhiên liệu khỏi ngọn lửa

-          Làm lạnh nhiên liệu và môi trường

-          Giảm phát thải hơi cháy, chất này có thể khuấy trộn với không khí.

Các chất HĐBM trên cơ sở hydrocacbon flo hóa, hydrocacbon, protide thủy phân và dung môi. Composite cụ thể tùy theo loại cháy. Nó được sử dụng ở cả 2 loại cháy A&B.

            Cacbon dioxide: CO₂ có điểm 3 (tại nhiệt độ và áp suất tồn tại 3 trạng thái: khí, lỏng và rắn) P: 5,11at và T: 57oC so với nước là P: 6x10^-3 và T: 0ºC. Axit băng (đá khô) xảy ra trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái khí khi ở áp suất khí quyển và 78ºC. Tuy nhiên, nếu khí CO₂ ở 25ºC và áp suất 67at là trạng thái lỏng. Điều này làm CO₂ trở thành vật liệu lý tưởng để dập cháy, như nó lỏng trong bình chứa và khi mở khóa bay hơi nhanh chóng cho một đám mây khí CO₂ rất lạnh. Sự lan rộng nhanh gây làm lạnh nhanh nhờ hiệu ứng Joule-Thomson. Tiếp theo, khí CO₂ nặng hơn không khí, nó tạo như cái áo trên nhiên liệu cháy, điều này hiệu quả hơn hiệu ứng làm lạnh. Tất nhiên, CO₂ không thể bị oxy hóa tiếp nữa.

Chất dập cháy CO₂ không yêu cầu các loại cháy, cũng như nổ, có thể dùng dập cháy vạn năng các chất cháy rắn hay lỏng, hay lan truyền ngọn lửa. Ngoài ra, nó có nhược điểm, hiệu ứng làm lạnh không đủ khi cháy các chất rắn.

BCF (Halon 1211) là CF₂ClBr số ký hiệu là số nguyên tử cacbon, flo, clo và brom. Bản thân nó không cháy, T sôi: -4ºC, như vậy dễ hóa lỏng dưới áp suất 2,3at và 20ºC. Mật độ hơi 16,5g/l so với 1,1g/l của CO₂. Như vậy, nó có tính chất tuyệt vời để dập cháy và thậm chí dùng từ bình chứa với áp suất rất nhỏ so với CO₂ và không làm phân tán ngọn lửa. Ngoài sự phủ kín, nó tác dụng như chất hấp thụ gốc tự do trong ngọn lửa, ngăn ngừa phản ứng mạch. Nó phù hợp cho tất cả các loại cháy. BCF sẽ bị đưa ra khỏi danh sách sử dụng theo hiệp ước Montrial do ohas hủy tầng ozon. Tuy nhiên, nó vẫn được dùng trong hàng không, hàng hải..cho đến khi tìm được chất mới hiệu quả.

            Bột khô.

Ngoài cát, có 2 nhóm bột khô chính sử dụng để dập cháy, đấy là bột khô hóa học cho cháy loại B&C – thành phần chính là natri bicacbonat (NaHCO₃) và bột khô đa năng cho A,B&C – thành phần chính là ammophos (NH₄H₂PO₄). Sau này 99% bột nhóm 2 thay thế nhóm 1. Bột đưa ra khỏi bình chứa bằng áp suất khí trong bình N₂ hay CO₂ bằng thiết bị dập cháy nước. Natri bicacbonat nóng chảy và phân hủy ở 270ºC:

2NaHCO3 = H2O + CO2 + Na2CO3

là phản ứng thu nhiệt theo chiều thuận, ΔH = 91 кJ/mol. Hắng số cân bằng tăng với sự tăng nhiệt độ, nó thay đổi từ  1,8 х 10-5 khi ở 25С đến 4 ×108 ở 427oC. Như vậy, khi ở nhiệt độ nóng chảy, bicacbonat hấp thụ nhiệt và phân ly ra CO₂ và nước, sản phẩm này tiếp tục dập lửa. Na₂CO₃ tự nóng chảy ở 851ºC.

Các tài liệu cho thấy monoamoniphotphat nóng chảy ở 190ºC, không thấy nói phân hủy. Để nghiên cứu đã đun nóng một số loại NH₄H₂PO₄ trong cốc hở với khí cháy. Khi nó nóng chảy – xuất hiện sôi, bong bóng lớn lên cho đến khi nổ. Khi đó không thấy có mùi amoniac, qua một thời gian ngắn trử thành chất lỏng nhớt. Đã nghiên cứu chất này trên DSC, nó ghi lượng nhiệt hấp thụ khi thay đổi nhiệt độ tăng đều. Khi nóng chảy xuất hiện pick hấp thụ nhiệt rõ nét, nhưng sự hấp thụ liên tục đến 350ºC. Đến giai đoạn này nhiệt hấp thụ là 260J/g. Nó còn chỉ ra 2 điểm hấp thụ không lớn ở 410-430 và 500-580ºC do sự thay đổi hóa học. Khi làm lạnh đến 25ºC là chất rắn màu trắng, nhưng lại đốt nóng thì không hấp thụ và nóng chảy. Sự giải thích đáng tin cậy nhất là, anion của muối đã bị polyme hóa, tách nước, bước ban đầu là:

 2 (HO) 2PO2-   → (HO) PO-O-PO (OH)2 -  + H2O
bằng cách như vậy, chất này thậm chí diễn ra khi nóng chảy khi ở nhiệt độ tương đối thấp, hấp thụ lượng lớn nhiệt và tạo nước, khi đó chất lỏng dập cháy hiệu quả. 1kg hiệu quả bằng 4kg CO₂.

Cháy có thể được ngăn ngừa bằng vật liệu không cháy, bên trong bức tường thường dùng tấm cao lanh. Với ngọn lửa cháy trong phòng, tấm cao lanh sẽ hấp thụ nhiệt, mỗi kg cao lanh giải phóng 200g nước:

CaSO4.2H2O → CaSO4. ½ H2O + 1 ½ H2O

Nước này tác dụng như hàng rào nhiệt, đảm bảo nhiệt độ sau tấm bìa không nâng cao hơn điểm sôi của nước, cản trở ngọn lửa chuyển qua tường.