Hóa học trong phòng cháy chữa cháy

Tiếp tục trong loạt bài viết về cháy nổ, lần này chúng ta sẽ tìm hiểu về hóa học đằng sau các biện pháp hóa học trong chữa cháy.

Như đã đề cập trong bài viết hóa học về cháy nổ trước đó, thì có ba yêu cầu để bắt đầu và duy trì đám cháy đó chính là:

• Nhiên liệu hay chất cháy – gỗ, giấy, dầu, đồ dệt may, khí dễ cháy, v.v.
• Chất oxy hóa – thường là oxy từ không khí, nhưng có thể là hóa chất tiếp xúc với nhiên liệu.
• Nguồn nhiệt – nhiệt độ phải lớn hơn nhiệt độ đánh lửa của nhiên liệu.

Từ những kiến thức cơ bản này, người ta đã đưa ra ba cách tiếp cận để dập lửa như sau:

• Starvation – cắt nguồn cung cấp nhiên liệu.
• Smothering – tách nhiên liệu khỏi chất oxy hóa.
• Cooling – hạ nhiệt độ, thường bằng nước.

và có năm loại bình chữa cháy chính là: nước, bọt, carbon dioxide, BCF (hoặc Halon 1211) và bột khô.

Việc lựa chọn bình chữa cháy phụ thuộc vào loại nhiên liệu, và liệu điều này có nguy hiểm gì cho trang thiết bị điện tử bạn đang sử dụng không?

Đó là câu hỏi của khá nhiều người. Để hiểu rõ hơn mời bạn đọc tiếp những phần tiếp theo nhé!

Giới thiệu

Trong một đám cháy nhiên liệu, vật liệu bị cháy đang trải qua quá trình oxy hóa nhanh chóng với sự tiến hóa của nhiệt và ánh sáng.

Hiện tượng này được gọi là sự đốt cháy và oxy từ không khí là chất oxy hóa phổ biến nhất, nhưng các chất oxy hóa khác như nitrat, clorat và peroxit cũng có thể là chất oxy hóa và không nên được lưu trữ bên cạnh các vật liệu dễ cháy.

Hóa học xảy ra trong một đám cháy rất phức tạp và liên quan đến chuỗi phản ứng gốc tự do, và phản ứng tổng thể là rất tỏa nhiệt.

Khi các hợp chất hữu cơ trải qua quá trình đốt cháy hoàn toàn sinh ra các sản phẩm chính là carbon dioxide và nước, nhưng thông thường trong các đám cháy thì quá trình đốt cháy hoàn toàn không xảy ra và bụi, khói và khí lại được tạo ra.

Chúng thường gây nguy hiểm cho những người mắc kẹt trong đám cháy. Để hiểu rõ hơn bạn có thể tham khảo thêm bài viết khác liên quan tại đây nhé!

Nhiều vật chất phổ biến có thể cháy, nhưng may mắn thay, nhiệt độ cao là cần thiết để bắt đầu phản ứng, nhiệt độ yêu cầu tối thiểu được gọi là nhiệt độ đánh lửa.

Tuy nhiên các phản ứng oxy hóa rất tỏa nhiệt và nhiệt tỏa ra có thể duy trì hoặc tăng nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao thì phản ứng càng nhanh.

Nếu nhiệt được sản xuất trong phản ứng nhanh hơn nó có thể tỏa ra xung quanh, và một vụ nổ nhiệt có thể xảy ra tại địa điểm đó.

“Điểm chớp cháy” của nhiên liệu là nhiệt độ tối thiểu mà nhiên liệu phải được đốt nóng hơi để đốt cháy trong sự hiện diện của không khí với ngọn lửa tự do; một số ví dụ như – methanol, 11 oC; dietyl ete, -45 oC; n-hexan, -21 oC; benzen, -11 oC.

“Nhiệt độ đánh lửa” của khí là nhiệt độ tối thiểu mà tại đó một hỗn hợp dễ cháy của nó và không khí bốc cháy trong trường hợp không có một ngọn lửa; một số ví dụ như – hydro, 580 oC; xăng, 550 oC; khí gas, 600-650 oC.

Nhiệt từ đám cháy có thể được truyền bằng ba phương pháp là dẫn, đối lưu và bức xạ. Trong đó nhiệt dẫn được truyền bằng cách truyền động năng xuống theo một gradient nhiệt độ thông qua tiếp xúc trực tiếp của vật liệu.

Đây thường không phải là một quá trình quan trọng mà cháy lan tràn. Điều quan trọng nhất là sự đối lưu trong đó nhiệt được truyền bởi sự chuyển động của vật chất chính nó, trong đó lửa đang ở trạng thái khí.

Tuy nhiên bức xạ cũng rất quan trọng, đây là sự truyền nhiệt bằng sự phát xạ bức xạ hồng ngoại từ vật liệu trong ngọn lửa và chuyển đổi bức xạ này trở thành nhiệt khi hấp thụ bởi một vật thể khác.

Sự bức xạ cũng như đối lưu có thể ngăn người ta đến gần chỗ đám cháy. Một ngọn lửa có thể lây lan bằng cả hai phương pháp, làm tăng nhiệt độ của vật chất khác đến nhiệt độ đánh lửa của nó.

Phân loại đám cháy và cách dập tắt

Dựa vào loại vật liệu bị cháy thì đám cháy được chia thành 5 loại: A, B, C, D, K như dưới đây:

• Đám cháy loại A: là phổ biến nhất, nó bắt nguồn từ những vật liệu dễ cháy như gỗ, giấy, lụa, nhựa, vải, rác… Đối với loại đám cháy này có thể sử dụng các chất chữa cháy như nước, khí co2, hoặc bọt chữa cháy.
• Đám cháy loại B: bất kì đám cháy nào bắt nguồn từ chất lỏng, chất khí hoặc nguyên liệu dễ cháy đều gọi là lửa nhóm B. Đám cháy loại này thường phổ biến trong các ngành công nghiệp xử lý sơn,chất bôi trơn, nhiên liệu.  Trường hợp xảy ra đám cháy loại này thì cách ly chất cháy khỏi oxy bằng cách phủ kín là tốt nhất.
• Đám cháy loại C: đám cháy điện và các thiết bị điện tử được gọi chung là đám cháy C. Phương pháp dập tắt gồm có biện pháp cắt điện và sử dụng hóa chất không dẫn điện.
• Đám cháy loại D: gồm các kim loại dễ cháy như: titan, kali, magie, nhôm. Loại này rất phổ biến trong các phòng thí nghiệm. Đối với đám cháy loại này thì sử dụng chất bột khô là biện pháp chữa cháy tốt nhất.
• Đám cháy loại K: đám cháy loại này còn được gọi là lửa nhà bếp, xuất phát từ các chất lỏng dễ cháy như mỡ, dầu, chất béo xảy ra khi nấu ăn. Đây là một trong những đám cháy rất phổ biến và vô cùng nguy hiểm. Cách tốt nhất để dập tắt lửa của loại đám cháy này là sử dụng bình chữa cháy hóa chất ướt.

Dựa trên cách phân loại này, người ta đã đưa ra ba cách tiếp cận để dập lửa đám cháy đó là starvation, smothering và cooling (xem thêm ở đầu bài viết).

Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu hóa học đằng sau các loại bình chữa cháy nhé!

Hóa học đằng sau các bình chữa cháy

Nước

Chức năng của nước chỉ đơn giản là làm mát nhiên liệu đang cháy. Nước rẻ tiền, và có thể được dẫn vào chỗ cháy dưới áp lực cao.

Các tòa nhà được cung cấp với vòi phun nước hoạt động tự động nếu nhiệt độ tăng trên một giá trị nhất định.

Các ống nước chữa cháy trong các tòa nhà có thể cung cấp nước áp lực cao từ mặt đất. Nhiều tòa nhà có cuộn vòi chữa cháy được kết nối với nguồn cấp nước sẵn sàng cho trường hợp khẩn cấp.

Hoạt động làm mát của nước chủ yếu là do hơi nóng của nó. Nhiệt dung mol của nước lỏng, Cp,m, là 75 J K-1 mol-1 và nhiệt dung riêng của nó, cp, là 4,18 J K-1 g-1.

Do đó, một lít nước sẽ hấp thụ 313 kJ nhiệt khi đi từ 25oC đến 100oC. Trong khi đó, nhiệt lượng mol hóa hơi của nó, ∆vapH (H2O, l), là 42 kJ mol-1, thì một lít nước lỏng ở 100oC sẽ hấp thụ 2300 kJ khi bốc hơi hoàn toàn.

Bây giờ, chúng ta sẽ xem xét bao nhiêu nhiệt được cung cấp bằng cách đốt gỗ. Gỗ phần lớn được tạo thành từ cellulose, một polymer của glucose.

Nhiệt lượng mol của quá trình đốt cháy glucose, ∆cH(C6H12O6), là -2804 kJ mol-1, và từ đó có thể dễ dàng tính được rằng 1 kg glucose sẽ giải phóng 15 600 kJ nhiệt khi đốt cháy hoàn toàn.

Như vậy dùng khoảng bảy lít nước sẽ là cần thiết để hấp thụ nhiệt được cung cấp bởi một kg gỗ đang cháy.

Nước chỉ nên được sử dụng trên đám cháy loại A, nhiên liệu rắn. Hầu hết các chất lỏng hữu cơ có tỉ trọng thấp hơn nước và sẽ nổi lên trên và tiếp tục cháy.

Dẫn đến việc những giọt chất lỏng cháy tách ra cũng có thể xảy ra. Trường hợp thiết bị điện nếu dính nước có thể gây chập điện dẫn đến tia lửa điện có thể đốt cháy vật chất và vật chất trở nên dẫn điện.

Các kim loại phản ứng như natri phản ứng mạnh với nước ở nhiệt độ môi trường để tạo ra hydro dễ cháy và các kim loại ít phản ứng như nhôm cũng phản ứng rất cao và tỏa nhiệt ở nhiệt độ cao hơn:

2 Al(rắn) + 6 H2O(khí) → 2 Al(OH)3 + 3 H2(khí)
2 H2(khí) + O2(khí) → 2 H2O(khí)

Bình chữa cháy nước đơn giản nhất có thiết kế là một ống nối với nguồn cấp nước áp lực cao.

Vòi ống nước phải có khả năng cung cấp 14 lít mỗi phút và áp lực cần thiết cho việc này là 225 kPa cho vòi 13 mm và 150 kPa cho vòi 19 mm.

Bình chữa cháy xách tay loại nước được sử dụng để kích hoạt bằng cách lật ngược chúng, điều này làm cho axit sunfuric trộn với natri bicarbonate giải phóng carbon dioxide để cung cấp áp lực cần thiết.

Nhưng loại bình này hiện đang bị cấm. Bình chữa cháy hiện đại chỉ đơn giản là dùng áp lực có đủ khí nitơ để xả nước hoặc có một hộp chứa rất dễ bay hơi chất lỏng, thường là carbon dioxide.

Để kích hoạt bình chữa cháy, cartridge được mở trong một số cách và chất lỏng bay hơi cung cấp áp lực cần thiết để đẩy nước ra ngoài.

Bọt (Foam)

Bọt là một khối ổn định của bọt khí chứa đầy và có tỉ trọng thấp hơn dầu, xăng hoặc nước.

Các chất hoạt động bề mặt mang lại đặc tính bề mặt nước phù hợp cho sự hình thành bọt là hòa tan trong nước và khi áp suất được giải phóng lên hỗn hợp dung dịch và quá trình tạo bọt được xảy ra.

Bọt hoạt động bằng cách:

• Làm smothering bề mặt nhiên liệu dập tắt đám cháy.
• Tách bề mặt nhiên liệu khỏi ngọn lửa.
• Làm mát nhiên liệu và môi trường xung quanh.
• Ngăn chặn sự phóng thích hơi dễ cháy có thể trộn với không khí.

Một loạt các chất hoạt động bề mặt, dựa trên fluorocarbons, hydrocarbon, protein thủy phân và dung môi được sử dụng, công thức đặc biệt thay đổi theo loại đám cháy. Chúng được sử dụng trên cả loại A và loại B.

Carbon dioxide

Carbon dioxide có một điểm ba (triple point, nơi mà áp suất và nhiệt độ trong đó hình thức khí, lỏng và rắn cùng tồn tại) ở 5.11 atm và -57 oC so với nước 6 x 10-3 atm và 0 oC.

Như vậy trong khi nước đá tan chảy thành nước lỏng ở 0 oC ở áp suất 1 atm và sau đó phải được gia nhiệt đến 100 oC cho nó để đun sôi, các chất rắn carbon dioxide (đá khô), được chuyển trực tiếp từ chất rắn sang chất khí tại áp suất khí quyển, và điều này xảy ra ở -78 oC.

Tuy nhiên, nếu khí carbon dioxide ở 25 oC bị nén đến áp suất trên 67 atm thì nó hóa lỏng. Điều này làm cho carbon dioxide là một vật liệu lý tưởng để chữa cháy vì nó có thể được giữ ở dạng lỏng trong các xi lanh có áp suất.

Và khi van được mở ra nó bốc hơi nhanh chóng tạo ra một đám mây khí carbon dioxide rất lạnh, sự mở rộng nhanh chóng làm mát nhanh chóng, do hiệu ứng Joule-Thomson.

Hơn nữa do carbon dioxide đậm đặc hơn không khí, nó có thể tạo thành một tấm chăn bao phủ trên vật liệu cháy.

Vì thế, nó là hiệu ứng smothering và đóng vai trò quan trọng hơn hiệu ứng làm mát. Và dĩ nhiên là CO2 không thể bị oxy hóa thêm.

Bình chữa cháy CO2 không nên được sử dụng trên các đám cháy loại A vì vụ nổ có thể phân tán quá trình cháy mịn các hạt rắn hoặc giọt chất lỏng và do đó lan truyền lửa.

Hơn nữa chúng không đủ tác dụng làm mát trên chất rắn cháy.

BCF (Halon 1211)

BCF hoặc Halon 1211 có công thức hóa học là CF2ClBr, các số ký hiệu phía sau là số lượng carbon, flo, clo và các nguyên tử brom tương ứng trên mỗi phân tử.

Tất nhiên Halon 1211 không trải qua quá trình tự đốt cháy. Điểm sôi của nó là -4 oC và do đó nó dễ dàng bị hóa lỏng bởi áp suất tại nhiệt độ phòng và nó có áp suất hơi 2,3 atm ở 20 oC.

Tỉ trọng hơi của nó là 16,5 g L-1 so với 1,1 g L-1 của CO2.

Do đó, nó có đặc tính tuyệt vời để dập tắt đám cháy và phun ra từ thùng chứa của nó với áp suất thấp hơn nhiều so với CO2 và không có khả năng phân tán một đám cháy.

Xì hơi không phải là cách duy nhất để chúng làm việc. Chúng đóng vai trò là người nhặt các gốc tự do trong ngọn lửa, chấm dứt các phản ứng chuỗi lan truyền.

(Theo một nghĩa nào đó, chúng là chất chống oxy hóa). Nó có thể phù hợp cho tất cả các loại đám cháy.

Tuy nhiên, BCF đã dần được hạn chế sử dụng do nghị định thư Montreal vì chúng có khả năng gây suy giảm tầng ozone.

Tuy nhiên, việc phân phối có thể sẽ được đưa ra cho việc sử dụng trong hàng không, hàng hải và vận chuyển cho đến khi lựa chọn thay thế khả thi được tìm thấy.

Bột khô

Ngoài cát còn có hai loại bột khô chính được sử dụng trong chữa cháy.

Đó là hóa chất khô thường xuyên sử dụng cho đám cháy loại B hoặc C, với thành phần chính là natri bicarbonate (NaHCO3) và hóa chất khô đa năng cho các đám cháy loại A, B và C, với thành phần chính là mono-amoni photphat (NH4H2PO4). Sau này người ta đã gần như thay thế hoàn toàn (99%) so với trước đây.

Các loại bột được đẩy hay phun ra khỏi thùng chứa của chúng bằng áp suất nitơ hoặc bằng cartridge CO2 như trong bình chữa cháy nước.

Natri bicarbonate tan chảy và phân hủy ở 270 oC khi đun nóng. Phản ứng cân bằng

2NaHCO3 → H2O + CO2 + Na2CO3

là phản ứng nhiệt theo hướng thuận; ∆rH = 91 kJ mol-1. Đây là phản ứng thu nhiệt với hằng số cân bằng tăng theo nhiệt độ. Nó thay đổi từ 1,8 x 10^-5 lúc 25 oC đến 4 x 10^8 tại 427 oC.

Do đó, ở nhiệt độ của lửa được hấp thụ bởi bicarbonate thì carbon dioxide và nước được tạo ra.

Do đó natri bicarbonate hoạt động bằng cách hấp thụ nhiệt từ lửa và đưa ra các sản phẩm sẽ giúp làm smothering nó. Na2CO3 tự tan chảy ở 851 oC.

Dữ liệu cho điểm nóng chảy của mono-ammonium phosphate ở 190 oC, không đề cập đến sự phân hủy.

Để tìm hiểu thêm về cách thức hoạt động của hợp chất này, nhà khoa học John Packer  đã tiến hàng đun nóng một số NH4H2PO4 trong nồi nấu kim loại bằng đầu đốt bunsen.

Ngay khi nó tan chảy xuất hiện “sôi”, những bong bóng giống như vết phồng lớn hình thành và chúng khá to khi chúng vỡ. Không có mùi amoniac.

Sự sủi bọt chấm dứt sau một thời gian ngắn và dạng lỏng nhớt xuất hiện.

Tiếp theo, ông đã nghiên cứu hợp chất này bằng phương pháp phân tích nhiệt quét vi sai (DSC), trong đó ghi lại lượng nhiệt hấp thụ khi nhiệt độ tăng đều.

Khi một chất rắn tan chảy, chúng cho thấy một đỉnh sắc nét tại điểm nóng chảy. NH4H2PO4 cho thấy một lượng lớn nhiệt hấp thụ ở điểm nóng chảy, nhưng hấp thụ liên tục lên tới 350 oC.

Lúc này 260 J g-1 nhiệt đã được hấp thụ. Chúng cho thấy hai sự hấp thụ nhỏ hơn nữa ở 410-430 và 500-580 oC, đề nghị sự thay đổi hóa học hơn nữa.

Làm mát đến 25 oC một chất rắn màu trắng hình thành, nhưng khi hâm nóng hợp chất không hấp thụ nhiệt hoặc tan chảy.

Giải thích khả dĩ nhất cho tất cả những điều này là anion của muối trải qua quá trình trùng hợp và loại bỏ nước, bước đầu tiên là:

2 (HO)2PO2- → (HO)PO-O-PO(OH)2- + H2

Do đó, hợp chất này cũng hoạt động bằng cách nóng chảy ở nhiệt độ tương đối thấp, hấp thụ một lượng lớn lượng nhiệt và nước được tạo ra, với chất lỏng làm smothering đám cháy hiệu quả.

Các bình chữa cháy loại nhỏ và xe chữa cháy hay sử dụng bột khô. Vì bình CO2 nhỏ nhất chứa 2 kg CO2 và vì các xi lanh phải chịu được áp lực cao hơn nhiều hơn bột khô vì thế chúng cồng kềnh và đắt tiền.

Trong khi đó, 1 kg bột khô có hiệu quả tương đương 4 kg CO2.

Ngoài ra, hỏa hoạn có thể được ngăn chặn bằng cách sử dụng các vật liệu không cháy nếu có thể. Trong silicat các nguyên tố vật chất khác ngoài oxy đã ở trạng thái oxy hóa cao nhất.

Vì vậy, chúng không cháy và tất nhiên được sử dụng rộng rãi trong xây dựng như bê tông, gạch và kính.

Tường thường được xây dựng bằng tấm thạch cao. Với một ngọn lửa trong một căn phòng, tấm thạch cao hấp thụ nhiệt, mỗi kg thạch cao giải phóng 200 g nước.

CaSO4.2H2O → CaSO4.½H2O + 1 ½H2O

Nước này hoạt động như một rào cản nhiệt, đảm bảo rằng nhiệt độ đằng sau tấm thạch cao không tăng đáng kể trên điểm sôi của nước và do đó ngăn chặn đám cháy băng qua bức tường.

Trên đây là một vài điều thú vị về hóa học đằng sau các phương pháp chữa cháy. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai.

Lần sau nếu có ai hỏi về chúng thì hãy nhớ về hóa học đằng sau nhé!

Tuyên bố từ chối trách nhiệm: