نويسنده : John Packer & Brett Neilsen of Actron Fire Services

ترجمه: عباس عظيم‌پور – كارشناس سازمان آتش‌نشاني اراك

مکانیسم شیمی خاموش کننده

پنج نوع اصلی خاموش کننده حریق وجود دارد که شامل: آب، کف، دی اکسیدکربن، هالون 1211 و پودر خشک می‌باشد که انتخاب نوع خاموش‌کننده به نوع سوخت و به اینکه آیا خطر برق از تجهیزات برقی وجود دارد بستگي دارد. اما همواره اين سوال مطرح مي‌شد كه عملکرد اين خاموش‌كننده ها در مواجهه با حريق چگونه است. لذا اميدوارم مطلب زير كه ترجمه مكانيسم خاموش‌كننده هاست پاسخگوي نياز دانشجويان و آتش‌نشان‌ها باشد.

شیمی خاموش کننده‌ها

• آب

روش یا عملکرد آب خنک‌سازی مواد در حال سوختن است. آب ارزان است و می‌توان بطور مستقیم و با فشار بالا آن را وارد حریق نمود. ساختمان هایی که به اسپرینکلر مجهز شده اند، در صورت بالا رفتن دما به صورت خودکار به کار می افتند. رایزرهای با لوله های عمودی در ساختمان ها به آب با فشار بالا که ممکن است در تراز زمین باشد متصل می شوند. بیشتر ساختمانه ا هوزریل آتش نشانی دارند که به منبع آب وصل شده اند و آماده برای حالت اضطراری هستند.

عملکرد خنک‌سازی آب در اصل مربوط به گرمای مورد نیاز جهت تبخیر شدن آن است. ظرفیت گرمایی مولار آب مایع برابر  با:

C_p,m = 75JK^-1mol^-1  

و  ظرفیت گرمایی ویژه آن برابر است :

K^-1g^-1 ‌ Cp = 4/18 J.(g:گرم – درجه کلوین : (k

بنابراین یک لیتر آب باید 313 کیلوژول گرما جذب کند تا از دمای  25درجه سانتیگراد به 100 درجه سانتیگراد برسد.

اما گرمای ویژه بخار_vapH(H₂O,l)  ∆ برابر است باmol / KJ42 است به عبارتی یک لیتر مایع آب 100 درجه سانتیگراد باید 2300 کیلو ژول گرما جذب کند تا بطور کامل بخار شود.

دانستن این نکته نیز مفید و آموزنده است که مقدار گرمایی که از سوختن چوب بدست می‌آید را در نظر بگیریم. چوب بیشتر از سلولز ساخته شده که یک پلیمر از گلوکز  میباشد. ظرفیت گرمایی مولار گلوکز_CH(C₆H₁₂O₆)  ∆ برابر است با 2803-کیلوژول برمول. و از این مسئله به راحتی به دست می آید که با سوختن کامل یک کیلوگرم گلوکز    15600 KJ گرما بدست می آید. بنابراین در حدود هفت لیتر آب برای جذب گرمای ایجاد شده بوسیله سوختن یک کیلوگرم چوب نیاز هست.

• دی اکسیدکربن (Carbon dioxide)

دی اکسیدکربن دارای نقطه سه گانه در 11/5 اتمسفر و 57-درجه سانتیگراد است. در مقایسه با آن نقطه سه گانه آب  ^3-10 ×6 اتمسفر و صفردرجه سانتیگراد است. (نقطه سه گانه : فشار و دمایی که گاز، مایع و جامد به شکل تعادل هستند یا هرسه فاز باهم در تعادلند). بدین ترتیب وقتی که یخ ذوب می شود، به مایع آب در صفر درجه و فشار یک اتمسفر تبدیل می شود و برای جوشیدن تا 100 درجه حرارت داده می‌شود (یخ خشک). یا وقتی کربن دی اکسید جامد تصعید می‌شود، دی اکسیدکربن بطور مستقیم از جامد به گاز در فشار اتمسفر و در دمای 78- سانتیگراد تبدیل می‌شود. به هر حال اگر دی اکسیدکربن گازی در دمای 25 درجه سانتیگراد با فشار بالای 67 اتمسفر فشرده شود به مایع تبدیل می‌شود. بنا براین کربن دی‌اکسید یک ماده ایده‌ال برای آتش نشانی است که بصورت مایع در سیلندرهای تحت فشار نگهداری می‌شود و هنگامی که شیر باز شود تبخیر به سرعت اتفاق می‌افتد و یک ابر بسیار سرد از گاز دی اکسیدکربن ایجاد می‌شود ٬ که توسعه سریع باعث خنک‌سازی آن سریع می‌شود(براساس اثر ژول – تامسون).

(در مورد اثر ژول-تامسون جالب است بدانید، پیش از آنکه بتوانیم بسیاری از گازها را مایع کنیم، لازم است آنها را تا پایین‌تر از دمای معمولی سرد کنیم. در مایع کردن گاز به روش صنعتی از اثر ژول- تامسون برای سرد کردن آنها استفاده می‌شود. هرگاه گاز متراکم شده ای را بگذاریم منبسط شود و به فشار پایین‌تری برسد، گاز سرد می‌شود. به هنگام انبساط در مقابل نیروهای جاذبه بین مولکولی، کار صورت می‌گیرد. انرژی مصرف شده برای انجام این کار باید از انرژی جنبشی خود مولکول ها گرفته شود، از این رو، دمای گاز کاهش می‌یابد.)

 

علاوه بر این دی اکسیدکربن از هوا غلیظ‌تر است و می‌تواند مانند یک پتو روی مواد در حال سوختن را بپوشاند. این بحث اثر خفه کنندگی نامیده می شود و با بحث سرد کنندگی متفاوت است و نکته مهم همین جاست. و البته دی اکسید کربن به هیچ وجه اکسید نمی شود.

خاموش‌کننده دی اکسیدکربن نباید برای حریق‌های کلاس A مانند انفجارها که در آن ذرات جامد حریق را پراکنده می‌کنند یا برای حریق های با ریزش مایع که حریق را پخش می‌کند استفاده شود. علاوه براین دی اکسیدکربن اثر خنک‌سازی مناسب برای حریق جامدات ندارد.

• هالون 1211(BCF):

 BCF یا هالون ٬1211 CF₂ClBr  می‌باشد. اعداد به ترتیب نشان دهنده تعداد اتم‌های کربن، فلوئور، کلر و برم در هر مولکول است. البته هالون 1211 دستخوش سوختن نمی‌شود. نقطه جوش آن 4- درجه سانتیگراد می‌باشد بنابراین در دمای اتاق براحتی تحت فشار مایع می‌شود و فشار بخار آن در دمای 20 درجه سانتیگراد برابر 3/2 اتمسفر می‌باشد. دانسیته بخار آن 5/16 g/l  است. بنابراین در مقایسه با CO₂ که دانسیته بخار آن g/l 1/1  می‌باشد، خواص بسیار خوبی برای خفه کردن حریق دارد و از مخزن با فشار کمتری (نسبت به CO2) خارج می‌شود و باعث از هم پاشیدن حریق نمی‌شود. لازم به ذکر است، خفه‌کنندگی تنها روش عملکرد آنها نمی‌باشد. عملکرد BCF این گونه است که رادیکال‌های آزاد در شعله را جمع می‌کنند (جاروب می‌کنند) و به واکنش زنجیره‌ای پایان می‌دهند (به یک معنا آنها ضداکسیدانت می‌باشند). هالون ها برای تمام طبقه ‌بندی های حریق می‌توانند مناسب باشند.

با توجه به پروتکل لایه اوزون مونتریال ٬ قصد حذف BCFمی‌باشد، ولی تا زمان یافتن جایگزین مناسب ممکن است در صنایع هوایی و دریایی مجوز استفاده از آن صادر گردد.

• پودر خشک ( Dry powders):

علاوه بر شن دو نوع پودر خشک برای استفاده در اطفاء حریق وجود دارد. پودرخشک شیمیایی معمولی برای کلاس B و C که  جزء سازنده اصلی آن سدیم بیکربنات (NaHCO₃) می‌باشد و پودرخشک شیمیایی چندکاره برای کلاس‌های A,B, و C استفاده می‌شود و جزء سازنده اصلی آن مونوآمونیم فسفات (NH₄H₂PO₄) می‌باشد. نوع دوم هم اکنون در اکثر موارد جایگزین پودر نوع اول گردیده است..

پودر با فشار گاز نیتروژن یا دی اکسیدکربن (CO₂) بیرون رانده می‌شود (مانند خاموش‌کننده‌های آب).

سدیم بی‌کربنات در دمای 270 درجه سانتیگراد ذوب شده و تجزیه می‌شود.

2NaHCO₃                              H₂O + CO₂ +Na₂CO₃

طبق این واکنش تعادلی، واکنش گرماگیر می‌باشداmol / KJ 91_rH =∆

ثابت تعادل گرماگیر بودن با دما افزایش می‌یابد (با دما نسبت مستقیم دارد). این تغییرات از ^5-10× 8/1 در 25 درجه سانتیگراد  تا 10⁸× 4 در 427 درجه سانتیگراد می‌باشد بدین ترتیب در این دما گرمای حریق توسط بی‌کربنات جذب شده و دی اکسیدکربن و آب تولید می‌شود. بدین ترتیب عملکرد سدیم بی‌کربنات با جذب گرما از حریق و تولید محصولاتی می‌باشد که به خفه کردن حریق کمک می‌کنند. لازم به ذکرست، کربنات سدیم(Na₂CO₃) در دمای 851 درجه سانتیگراد ذوب می‌شود.

در کتاب‌های مرجع نقطه ذوب مونوآمونیم فسفات 190^0C ذکر شده است بدون اشاره به تجزیه آن. برای کمک به تشخیص چگونگی کارکرد این ترکیب نویسنده مقاله مونوآمونیم فسفات را در بوته آزمایشگاهی با چراغ بونزن قرار داد که این ماده به سرعت ذوب شده و حالت جوشش به خود گرفته و به شکل حباب در می‌آید و حباب‌ها بزرگ شده و می‌ترکند (منفجر می‌شوند) هیچ بویی از آمونیاک نمی‌دهند. حباب‌ها بعد از زمان کوتاهی تمام شده و یک مایع چسبنده درست می‌شود. او سپس ترکیب را در دستگاه اسکن کالریمتر بررسی کرد. این دستگاه مقدار گرمای جذب شده هنگامی که دما بصورت ثابت بالا می‌رود را تحلیل می کند.

هنگامی که یک جامد ذوب می‌شود در نقطه ذوب یک نقطه تیز (اوج) وجود دارد. در مونوآمونیم فسفات یک جذب بالا در نقطه ذوب دیده می‌شود، اما بی وقفه تا 350^0C بالا می‌رود و بقیه مراحل مانند بالا انجام می‌گیرد.

g /260 J  حرارت جذب شد. دستگاه دو جذب کوچک دیگر در 430-410 و 580-500 را نشان می‌دهدکه بر تغییرات شیمیایی دلالت دارد. با سردشدن تا دمای ^0C 25 یک جامد سفیدرنگ ایجاد می‌شود اما با حرارت دوباره گرما را جذب نمی‌کند و همچنین ذوب نمی‌شود.

مناسب‌ترین توضیح برای این موارد آن است که آنیون نمک دستخوش پلیمریزاسیون شده و آب از دست می‌دهد. مرحله اول عبارتست از:

2(HO)₂PO₂^–                           (HO)PO-O-PO(OH)^-2+H₂O

بدین ترتیب این ترکیب این چنین کار می‌کند:

بوسیله ذوب شدن در یک دمای نسبتاً پایین مقدار زیادی از حرارت را جذب می‌کند و آب تولید می‌کند که اثر خفه‌کنندگی موثری بر حریق دارد.

• کف (Foams):

فوم یا کف یک حجم از حباب‌های پرشده از هوا می‌باشد و دانسیته کمتری از روغن، بنزین یا آب دارد. سورفاکتانت‌ها که به آب خواص سطحی مناسب برای تشکیل فوم می‌دهند در آب حل می‌شوند و کف هنگامی تشکیل می‌شود که محلول و هوا در یک فشار باهم مخلوط شوند.

عملکرد کف بدین گونه است:

• پوشاندن سطح سوخت و خفه کردن حریق.
• جداسازی سطح سوخت از شعله‌ها.
• خنک کردن سوخت و محیط اطراف.
• مانع شدن از انتشار بخارات قابل اشتعالی که می‌توانند با هوا ترکیب شوند.

یک نوع از سورفاکتانت ها برپایه فلوئورکربن، هیدروکربن‌ها و پروتئین هیدرولیز شده می‌باشد و حلال‌هایی که استفاده می‌شوند دارای فرمولاسیون خاص باتوجه به نوع طبقه‌بندی حریق می‌باشند. این مواد برای دو کلاس A و B  استفاده می‌شوند.