[科普中國]-北交大實驗室事故背后：粉塵爆炸隱患離我們并不遙遠

據(jù)北京消防微博消息：12月26日上午9點34分，北京交通大學發(fā)生一起嚴重的實驗室安全生產(chǎn)事故。接到報警后，消防部門派出8個消防中隊、30部消防車輛趕赴現(xiàn)場，并在10點20分左右撲滅明火。經(jīng)調(diào)查，該事故系北京交通大學市政環(huán)境工程系學生在學校東校區(qū)2號樓環(huán)境工程實驗室，進行垃圾滲濾液污水處理科研實驗期間，現(xiàn)場發(fā)生爆炸。在痛惜之余，公眾對事故發(fā)生的原因和事故責任的落實給予了極大的關注。目前，北京市應急管理局、市公安局、市消防總隊已成立聯(lián)合調(diào)查組，對事故原因進行調(diào)查。未經(jīng)官方證實的傳言稱，事發(fā)實驗室中儲存有大量易燃易爆物質(zhì)——鎂粉。從已經(jīng)公布的情況和爆炸及火災較低的烈度來看，該事故由金屬鎂粉造成的可能性并不大。此外如果消息來源所稱的鎂粉不是金屬鎂粉而是鎂的鹽類或者氧化鎂，其發(fā)生爆炸的可能性則很低。但撇開事故發(fā)生的具體原因，該事件也暴露出不少人對鎂粉，或者說金屬粉乃至各種易燃易爆粉塵的危險性了解不足。殊不知，粉塵爆炸絕非是專業(yè)人員才會接觸到的職業(yè)風險，我們每個人的身邊都可能潛藏著粉塵爆炸的隱患。那么，什么樣的粉塵會有爆炸風險？發(fā)生粉塵爆炸需要具備哪些因素？我們又該如何有效規(guī)避風險？此外，如果粉塵發(fā)生了爆炸燃燒，應當如何處置？粉塵如何定義？工業(yè)生產(chǎn)過程中有哪些常見的粉塵發(fā)生源？粉塵是可以懸浮于空氣中的微小固態(tài)顆粒，不同物質(zhì)由于比重差異很大，能夠隨氣體飛散的微粒粒徑也有所不同。一般來說，直徑在100微米以下的金屬粉，就可以在空氣中形成粉塵云。特制一等小麥粉粒徑在140微米以下，而普通小麥粉粒徑可達300微米。在對煤礦進行開采的同時，也會在井下形成大量煤的粉塵。此外，木材、皮革的加工過程也會形成飛散的塵粒，它們的粒徑相對來說會更大。相對于同等組成的塊體材料，粉體材料有著諸多的特殊性質(zhì)，很多場合能夠?qū)崿F(xiàn)塊體材料無法實現(xiàn)的應用。我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛＝佑|的米粉、面粉、玉米粉以及雜糧谷物粉等，就是制作各類面食和雜糧面點的主要材料。只有將谷物磨成粉，人類才能在食品層面對其進行加工利用，否則就只能用來作為飼料或者工業(yè)原料。而金屬粉體材料更是金屬材料中的一個主要分支，在多種工業(yè)場合有著塊體材料無法取代的作用。如利用微納級別的金屬粉體顆粒和有機溶劑配合，可以調(diào)制成多種電子漿料。這些漿料在電子器件的焊接、印刷電子電路的形成等領域具有極為廣闊的應用場景，可以說是電子工業(yè)的基礎原料之一。我們的手機、電腦、乃至高鐵、飛機、航天器等產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，都無法缺少基于金屬粉體制成的電子漿料?？梢院敛豢鋸埖恼f，所有電子產(chǎn)品中都有金屬粉體的一份功勞。粉塵爆炸——三大條件缺一不可可燃性固體微粒在空氣中形成一定濃度的粉塵云后，如果遇到引火源，就可能發(fā)生爆炸燃燒。因此，我們可以從這句話中歸納出粉塵爆炸所需要具備的三個條件——適宜的可燃粉塵濃度、助燃劑氧氣以及體系某處達到最小點火能。首先，粉塵必須可燃，如果不能與氧氣發(fā)生（劇烈的）氧化還原反應（即燃燒），則無論如何都無法被點燃，也自然不能發(fā)生爆炸。文章開頭提到，如果所謂的鎂粉是指氧化鎂，那么這種粉體發(fā)生爆炸的可能性幾乎不存在。實際上，氧化鎂磚經(jīng)常用作各種加熱爐的內(nèi)襯，這是因為他們具有將近2800度的熔點。其次，作為助燃劑，氧氣的存在，是氧化還原反應能夠發(fā)生的前提之一，缺乏氧氣就無法形成有效的燃燒，更不會發(fā)生爆炸。可能發(fā)生燃燒爆炸的粉末體系本質(zhì)上是氧氣和可燃物粉末按照一定比例組成的混合物。因此，低于一定濃度的可燃粉塵由于各微粒間距太大，氧化還原反應在顆粒間無法傳遞，難以發(fā)生爆炸反應。而高于一定濃度的可燃粉塵由于擠占了氧氣存在的空間，也會由于助燃劑不足而無法發(fā)生充分的氧化還原反應，爆炸傾向反而劇減。只有當氧氣與可燃粉末處于一個合適的配比范圍內(nèi)，才可能發(fā)生燃燒爆炸。這個范圍內(nèi)的最小可燃物濃度，就稱為爆炸下限濃度。最后，如果沒有引火源的存在，即便滿足上述兩個條件，燃燒爆炸也不會發(fā)生。例如，面粉由于是由有機物構成，也具有一定可燃性，如果飛散后遇到煤氣等明火，很可能發(fā)生爆炸。因此，制作面食的時候一定要遠離煤氣等明火，同時盡量避免面粉的飛散。需要注意的是，引火源絕不只是明火一種，實際上最小點火能本身就是一個能量值，明火產(chǎn)生的熱能不過是諸多能量形式中的一種。常見的引火能形式還有靜電、物理沖擊、化學反應產(chǎn)熱等等。靜電在瞬間可以產(chǎn)生極高的能量，時間雖短卻足以引發(fā)燃燒反應。發(fā)射子彈時撞針造成的物理沖擊就可以引發(fā)子彈的底火爆炸，從而將其射出槍膛。而不少化學反應伴隨的熱量釋放足以讓體系達到數(shù)千度高溫。以上三大條件只要齊備，基本就會在瞬間發(fā)生爆炸反應，而且爆炸過程中很可能伴隨有更多庫存粉塵的飛散，這些飛散的粉塵又會迅速發(fā)生二次甚至多次爆炸。幸運的是，以上三大條件中，缺乏任何一條就無法引發(fā)粉塵爆炸，只要切實針對以上三點做出有效防護，就能很好的規(guī)避災難的發(fā)生。大多數(shù)金屬并非可燃，為什么它們的粉塵反而具有相當?shù)谋L險？比如像鋁、鋅、鐵等金屬的塊體都無法在空氣中發(fā)生燃燒，所以更不存在爆炸風險?？梢坏⑵浼庸榉垠w材料，它們與塊體金屬完全不同的理化性質(zhì)將會改變其與氧氣發(fā)生作用的程度，進而造成危險。粉體材料區(qū)別于塊體的最大差異就是巨大的比表面積，所謂比表面積指的是物質(zhì)單位質(zhì)量或單位體積下對應的表面積。以切西瓜為例，一顆完整西瓜的體積與切開后各瓣西瓜的總體積相等，但由于切瓜過程中暴露了大量的內(nèi)部表面，各瓣西瓜的表面積總和要遠遠大于一顆完整的西瓜。粉體材料的比表面積隨著其粒度的降低而迅速增大，粉體的比表面積高于塊體若干數(shù)量級。如此一來，能夠與氧氣發(fā)生接觸的面積也就隨之增加。同時，微納顆粒的表面又具備更高的反應活性，它們與氧氣的作用能力遠高于塊體。以鋁為例，塊體鋁即便在空氣中用明火加熱也不過是增加一點表面氧化層的厚度而已，而微納鋁粉形成的粉塵云一旦被明火點燃，就會由于各顆粒與氧氣間迅猛的氧化反應而發(fā)生燃燒爆炸。下表中列出了數(shù)種常見金屬粉體材料的爆炸傾向，我們對表中的參數(shù)含義做一個簡單介紹。平均粒徑越大，粉體粒徑無需細化到很小的程度就有爆炸可能，因此較危險。爆炸下限濃度越小，說明發(fā)生爆炸的門檻越低，相對越危險。最大爆炸壓力越大，證明爆炸發(fā)生后的破壞能量越大，因此越危險。爆炸指數(shù)的定義較復雜，不做具體介紹，該數(shù)值越大，表明爆炸發(fā)生的突然性越強，也因此更加危險。我們從中可以看出，鋁粉和鎂粉的爆炸下限濃度較低，最大爆炸壓力較大，爆炸指數(shù)高，因此相對鐵粉更加危險。而褐煤的煤粉同樣有很高的爆燃傾向，因此世界各國煤礦井下時常發(fā)生粉塵爆炸事故也就不足為奇了。無論這次悲劇是否由金屬粉塵爆炸造成，我們都應當對可燃性粉塵背后的安全隱患引起足夠的警惕。無論是工礦企業(yè)還是千家萬戶，都存在發(fā)生粉塵爆炸的可能性。前事不忘后事之師，安全生產(chǎn)、平安生活當警鐘長鳴。作者| 張昊 大阪大學助理教授審稿人| 侯軍才 陜西理工大學材料學院副教授文章由騰訊科學“科普中國頭條創(chuàng)作與推送項目”團隊推出轉(zhuǎn)載請注明來自“科普中國”