Ugrás a tartalomhoz

Szolgáltatástechnika

dr. Barótfi István

Mezőgazda Kiadó

3.4. A tüzek megelőzésének és oltásának vegyi anyagai

3.4. A tüzek megelőzésének és oltásának vegyi anyagai

3.4.1. A tűzmegelőzés, az égés és az oltás feltételei

A mindennapi életben és fogyasztásban is mind hatékonyabb tűzmegelőző és tűzoltási módszerek kidolgozása és alkalmazása válik szükségessé. Ezekben – a különböző építési, elektromos és egyéb biztonságtechnikai előírások mellett – egyre nagyobb szerep jut a különböző kémiai módszereknek és vegyi anyagoknak, ill. azok célszerű alkalmazásának.

Az égési reakciók mechanizmusának vizsgálatakor megállapították, hogy az anyagi rendszerek tűz-, ill. lángjelenségek kíséretében történő égése (az ún. „gyors égés”) csak akkor léphet fel, ha egyidejűleg három alapvető feltétel teljesül. Ezek a tényezők a következők :

– az éghető anyag,

– az égést biztosító közeg (ami főként az oxidációt lehetővé tevő oxigén),

– az anyag gyulladási hőmérsékletét elérő hőmérséklet.

A teljes égési folyamat maga több részfolyamatra bontható, amelyek közül az alapvető szakaszok a következők :

  1. Az anyag fokozatos felmelegedése, aminek sebessége függ az energiaközlés nagyságától, az éghető anyag tulajdonságaitól (hőkapacitásától, olvadási, ill. párolgási hőjétől, hővezető képességétől stb.).

  2. Az éghető anyag termikus bomlása (pirolízise), amelynek során az égési folyamatot befolyásoló éghető és/vagy nem éghető, gáz alakú, szilárd vagy folyékony bomlástermékek jönnek létre.

  3. A meggyulladás, ami függ az anyag lobbanáspontjától, az éghető bomlástermékek energiaközlés nélküli gyulladását jellemző öngyulladási hőmérséklettől.

  4. Az égés maga, amelynek az intenzitása az égési kémiai reakciók kinetikai faktoraitól függ.

  5. Az égés tovaterjedése, aminek sebessége az éghető anyag minőségétől, az égést elősegítő faktoroktól (az oxigén-hozzájutást elősegítő huzattól, a környezet hőmérsékletétől stb.) függ.

Mind az öt szakaszba különböző módszerekkel be lehet avatkozni, a részfolyamatok fizikai kémiáját figyelembe vevő megfelelő beavatkozások (égésgátló szerekkel, oltóanyagokkal, hűtőanyagokkal, oxigénelvonó anyagokkal) adják meg a tüzek megelőzésének és oltásának lehetőségét, ill. megvalósítását.

A tűz fogalma és így megelőzésének és oltásának kémiai módszerei eleve féltetelezik az első tényező – az éghető anyag – nyilvánvaló jelenlétét.

A cél tehát az, hogy a kémiai természetüknél fogva éghető anyagokat, a tűz megelőzése érdekében:

– helyettesítsük más, hasonlóan alkalmas, de nem éghető anyagokkal;

– eleve szigeteljük el az égést lehetővé tevő anyagoktól (pl. megfelelő, nem éghető bevonatokkal);

– csökkentsük lángra lobbanásuk valószínűségét gyulladási hőmérsékletük kémiai hatások útján történő növelésével (ún. égéskésleltetés, régebbi kifejezéssel lángmentesítés).

Ha pedig már a tűz fellépett, a cél az, hogy a tűz oltására olyan kémiai tulajdonságú anyagokkal avatkozzunk be, amelyek hatásosan

– lehetővé teszik az éghető anyag és az égést biztosító tápláló közeg egymástól való elválasztását;

– csökkentik az éghető anyag és az égést biztosító közeg közötti reakció sebességét;

– hűtik az égő anyagot, hogy annak az égés reakcióhője által megnövelt hőmérséklete az anyag gyulladási hőmérséklete alá csökkenjék.

Természetesen a fenti kémiai módszerek is csak akkor lehetnek igazán hatásosak, ha eleve betartják az olyan – számos korábbi tűzeset tapasztalatainak általánosítása alapján kidolgozott és hatóságilag rögzített – telepítési, építési, tárolási és kezelési előírásokat, amelyek csökkentik a tűz keletkezésének lehetőségét, megakadályozzák a már létrejött tűz továbbterjedését és megkönnyítik az oltását.

3.4.2. A tüzek megelőzésének kémiai módszerei és anyagai

Az éghető anyagokat sokféleképpen lehet helyettesíteni nem éghető anyagokkal.

A szerkezeti anyagok – pl.: fa, éghető műanyagok, gumi, textil stb. – esetenként és a célnak megfelelően főként fémekkel, szilikát- és oxidrendszerekkel (közönséges, ill. tűzálló téglák, beton, kőagyag stb.) és megfelelő, leginkább nagy klór- és fluortartalmú műanyagokkal (PVC, teflon stb.) vagy hőre keményedő anyagokkal (bakelit stb.) helyettesíthetők.

Nem szerkezeti anyagok esetén a rendkívül széles felhasználási terület és a legkülönbözőbb igények (pl. impregnálószerek, szigetelőanyagok, hűtőipari töltőgázok, szerves oldószerek, extraháló- és tisztítóanyagok stb.) következtében az éghető anyagok nem éghetőkkel való helyettesítésének igen nagy a variációs lehetősége. Hogy csak a néhány legfontosabbat említsünk: pl. nem éghető oldószer a tetraklór-metán és a triklór-etilén, nem éghető impregnáló anyagok a klórozott naftalin és a klórparafinok, nem éghető szigetelő-, kenő- és hidrofobizáló anyagok a különböző szilícium-organikus vegyületekből álló szilikonolajok, nem éghető gázok a nyomás alatt működő hűtőgépek különböző freon töltőgázai stb.

A hőre lágyuló műanyagok (pl. PVC) esetén figyelembe kell venni azt a tapasztalatot is, hogy az éghetőséget nemcsak a kémiai összetétel szabja meg, hanem erre bizonyos esetekben az összefüggő műanyag test – kábelszigetelés, cső, borítólemez stb. – tömege is hatással van.

Ennek oka az, hogy – bár kis tömegű PVC lángba tartva nem ég – az égés során a nagyobb tömegű műanyagból felszabaduló lágyítószer lobbanékony és éghető. A nagy kémény-, ill. kábeltüzek esetén a fém jó hővezetése a műanyag felforrósodását, további bomlását és ezzel a tűz terjedését és az égést méginkább elősegíti.

A PVC bomlása során ugyanakkor klór- és HCI-gáz is keletkezik, amely utóbbi a páratartalom hatására sósavvá alakulva a szerkezeti elemeket is oly mértékben károsíthatja, hogy azok meggyöngülve még kevésbé tudnak ellenállni a nagy hő hatásának, és az egész szerkezet összeomolhat (600 °C körül az acélgerendák mechanikai szilárdsága pl. már a felére csökken).

A műanyagok felhasználásakor tehát azok éghetőségvizsgálatát el kell végezni, ill. éghetőségüket ismerni kell.

Az éghető anyagok égést tápláló közegtől való megelőző elválasztásának fő módszere a nem éghető, ill. legalábbis jó hőtűrő festékekkel és lakkokkal történő bevonás. Az ilyen bevonatok főként a különböző klórkaucsuk-, szilikon, poliuretán-, metil-sztirol és fluórozott gyanta alapú lakkbevonatok.

A kémiai anyagokkal történő lángmentesítés (impregnálás), azaz a lángra lobbanási lehetőség csökkentésének fő objektumai a különböző fa, textil és papír alapú anyagok. Az éghető anyagokba különböző módszerekkel (vákuumitatással festéssel, merítéssel stb.) bevitt és ott belsőleg eloszlatott lángmentesítő anyagok hatásmechanizmusa olyan, hogy az anyagot egyrészt vagy önmagukban, vagy egy, a hő által megolvasztott réteg létrejöttével megvédik a levegő oxigénjének égést tápláló hatásától, másrészt a hő hatására a lángot hűtő, ún. oltógázok – vízgőz, CO2, SO2, N2 stb. – hasadnak le belőlük.

Ezeknek az anyagoknak az esetében nem hanyagolható el az a hatás sem, hogy a felületen eleve egy vékony elszenesedett réteget hoznak létre, ami egyrészt megvédi az alatta lévő részeket a tűz által okozott termikus behatásoktól, másrészt csökkenti az éghető gázok kifelé történő diffúzióját is, és ezáltal fékezi vagy megszakítja az oxidációs folyamatot.

Az ilyen mechanizmuson alapuló szervetlen lángmentesítő oldatok fő komponense általában a vízüveg (vizes Na2 SiO3, ill. K2SiO3-oldat), ami a védőréteget szolgáltatja. A másik fő komponens a jó impregnálást – azaz teljes behatolást, belső átitatást – elősegítő só; ezek vagy egyes ásványi savak ammóniumsói (NH4)2 HPO4, (NH4)2SO4, NH4Cl, vagy hamuzsír (K2CO3.2 H2O), bórax (Na2B4O710 H2O), CaCl26H2O, ZnSiF2 stb.

A főként vizes diszperzióban alkalmazott szerves komponenseket (pl. karbamid, paraformaldehid, keményítő stb.) tartalmazó lángmentesítő szerek fő védőhatása abban áll, hogy a meleg hatására egy felületi habréteget hoznak létre, és ez teszi lehetővé az éghető anyag elszigetelését a levegő oxigénjétől.

Hasonló – oxigéntől elzáró – hatást fejtenek ki a halogéntartalmú égésgátló szerek (pl.: foszfor-halogenidek, antimon-haloganidek). Működésük ugyanis egyrészt azon alapszik, hogy magas hőmérsékleten a belőlük keletkező gázok hígítják az éghető anyag termikus bomlásakor keletkező gázokat, másrészt azonban belőlük igen reakcióképes szabad gyökök is keletkeznek, amelyek gyorsan és könnyen egyesülni tudnak az OH-gyökökkel. Így az éghető anyag égését inhibiálják, negatív katalizátorként (antipirogén anyagként).

3.4.3. A tüzek oltásának kémiai módszerei és anyagai

A tüzek oltása az adott oltandó anyagnak megfelelő tulajdonságú, egy- vagy többkomponensű oltóanyagok alkalmazását igényli. Ezek közül egyesek egyféle típusú hatást (pl. csak hűtést vagy csak elszigetelést, elfojtást), mások többféle hatást is kifejtenek egyszerre (pl. hűtést és elszigetelést, hűtést és reakciósebesség-csökkentést stb.).

Az éghető anyag és az égést tápláló közeg egymástól történő elszigetelésének, ill. a tűz ilyen módon való elfojtásának fő módszere az inert oltógázokkal történő oltás. Az inert oltógázok közül leggyakrabban a CO2-ot és a N2-t, ill. a vízgőzt alkalmazzák. Az előbbi kettő főképpen zárt terek tüzeinek oltására alkalmas. A CO2 – az oltóporok mellett – az elektromos tüzek legfőbb és legalkalmasabb oltóanyaga.

Az éghető anyag és az égést tápláló közeg között a reakció sebességének csökkentésén alapuló oltási módszerek alapelve az oltásra alkalmazott adalékanyagok, főként a gáz alakú halogénszénhidrogének – mint pl. monobróm-metán, tetraklór-metán, különböző klór-fluor-metánok (freonok) vagy ezek elegyei – negatív katalitikus hatása. A magas hőmérsékletű lángban a bekerült oltógázból lehasadó szabad gyökök (pl. a Br-, C1 stb.) az égési láncreakcióban mint a láncvivőkkel reakcióba lépő, így a lánchosszat és ezen keresztül az égési reakció sebességét csökkentő negatív katalizátorok hatnak, inhibiálják az égési reakciót.

Az ilyen típusú oltási folyamatban mindig tekintettel kell lenni a halogénezett szénhidrogének eleve mérgező voltára, ill. a belőlük magas hőmérsékleten esetlegesen létrejövő termékek – pl. a COCl2 (foszgén!) – különlegesen mérgező tulajdonságára. Ezért erre a célra ma már inkább a nem toxikus freonokat (pl. a CBrClF2-t, az ún. BCF-t) használják.

Az égő anyag gyulladási hőmérséklete alá történő hűtésén alapuló oltási módszer legfőbb és legalkalmasabb anyaga a víz. A víz relatíve igen nagy párolgáshője következtében létrejövő hőelvonás akkor a legnagyobb mértékű, ha a víz finoman diszpergált, porlasztott állapotban kerül a hűtendő térbe. Az égési folyamat hője ekkor sokkal gyorsabban tudja felmelegíteni az egyes vízcseppeken át az egész bekerült vízmennyiséget, mintha az nem porlasztott, zárt vízsugár formájában kerülne be, így a gőzzé alakulás gyorsan megy végbe. Ez hirtelen nagy hőelvonást, ill. ennek következtében igen gyors, intenzív hűtőhatást eredményez.

A víz azonban nem minden anyagot nedvesít, és ilyen esetben könnyen és hatástalanul lepereg. Hogy az oltandó égő anyagokról az oltóvíz ne peregjen le, és hatását ott kifejtse, megfelelő – rövid poláris és hosszú szénláncú apoláris gyökökből álló, felületaktív – nedvesítőszereket (pl. szerves szulfocsoportokat, olajok szulfoklórozásával kapott szulfokloridok elszappanosítási termékeit, alkil-naftalin-szulfonátokat stb.) adagolnak a vízhez. Az így kapott oltófolyadék az ún. nedves víz, ami az oltandó anyagokra nézve hidrofil tulajdonságokkal rendelkezik.

A hűtőhatáson alapuló, nem vizes oltófolyadékok (mint pl. a szilikonolajok, lángcsökkentővel adalékolt olajok stb.) általában drágák és csak speciális esetekben – pl. könnyűfémek tüzeinél – kerülnek alkalmazásra akkor, amikor a vizes vagy adalékolt vizes oltás nem alkalmazható.

A kettős hatásmechanizmusú oltómódszerek legfontosabbika a hűtő- és elszigetelő- (elfojtó) hatást kombináló, habbal történő oltás.

A habbal történő oltás alapfolyadéka általában a víz (ritkán, pl. magnéziumtüzeknél ásványolaj). Alkalmas (az alkalmasságot nagymértékben befolyásolja az égő és oltó anyag minősége mellett az adalékanyagoknak a hab jó és ennek megfelelően gyors szétterülését biztosító határfelületi feszültségértéke is) felületaktív anyagokat elegyítve hozzá, belőle habképző berendezésekben levegővel vagy CO2-dal stabilis – a habképző folyadék eredeti térfogatának 50–100-, sőt korszerű anyagok és berendezések alkalmazása esetén több százszorosát is kitevő térfogatú – habot állítanak elő. A hab, megfelelően nagy mennyiségben az égő felületre juttatva, egyrészt megakadályozza a levegő oxigénjének a felületre jutását, másészt a hab diszperziós közege vizének elpárolgásakor a hőelvonás erős hűtőhatást fejt ki; sőt a hab egy részének megszűnésekor felszabaduló levegő vagy CO2 hozzájárul az elfojtó hatáshoz is.

A habbal történő oltásra először, de még ma is sokszor az ún. protein-, ill. fehérje alapú léghabokat használták, ill. használják (ezek a legolcsóbbak), amelyekben a diszperz fázis a levegő. Ma már elterjedtebbek, mert intenzívebbek a szintetikus tenzidoldatokkal gerjesztett habok. Mindkét fajta határfelületi feszültsége nagyobb, mint pl. az oltandó szénhidrogéneké és olajoké, ezért ezeket mechanikusan kell az oltandó felületre felvinni.

Lévén a hab stabilitása az oltóhatás szempontjából döntő jelentőségű, megfelelő stabilizáló adalékanyagokat is – mint pl. vízoldható akrilátok, vas-, nikkel-, cink- és kobalt-szulfát, cink-sztearát, poli (vinil-alkoholok) stb. – adagolnak a habanyaghoz. Ezek az ún. habkiadóssággal jellemzett anyagok. (Ez a mutatószám a hab térfogatának és az oldat térfogatának a hányadosa, és értéke a nehéz haboknál 20, a könnyű haboknál 200-tól 1000-ig terjed). Kellő habmennyiség és habvastagság esetén biztosítják, hogy az erősen habtörő, égő folyadékok (pl. az alkohol-, észter- és étertípusú vegyianyagok) se tudják a habot nagymértékben lebontani. Ennek következtében az égő folyadék a tűz teljes elfojtódása előtt esetleg – ha csak kis felületen is – érintkezni tudna a levegővel. Főként ilyen léghabokkal történik az oltás, égő folyadékok – vegyi anyagok, ásványolajok és termékeik – esetében.

Elszigetelő (elfojtó) és antikatalitikus hatás (sőt bizonyos mértékben a hűtőhatás) kombinációján alapul a gázleadásra képes oltóporok működési mechanizmusa. Leggyakrabban alkáli-hidrokarbonát alapú (45–48% NaHCO3 vagy KHCO3) a szemnagyság- és részecskeeloszlás-stabilitást növelő és a higroszkóposságot csökkentő adalékok) oltóporokat alkalmaznak. A tűz magas hőmérsékletén az oltókészülékből CO2 vagy N2 segédgáz nyomásának hatására a lángba bevitt NaHCO3 a

2 NaHCO3 (s) —— Na2CO3 (s) + H2O(g) + CO3 (g)

egyenlet szerint tud bomlani. A keletkező CO2 levegőtől való elszigetelő, lángelfojtó hatást, a keletkező víz csekély hűtőhatást fejt ki.

A tüzek oltóporral történő oltási mechanizmusában azonban mégsem ezek a hatások a döntőek, mégpedig azért, mert az előző egyenlet szerinti bomlás valójában csak kismértékben megy végbe, és a tűz megszűnése főképpen a lángba bevitt finom eloszlású, nagy diszperzitásfokú, bomlatlan porrészecskék égési reakciólánc-rövidítő, negatív katalitikus hatásának köszönhető.

Az inhibíciós mechanizmus lehet heterogén típusú, ahol az előző reakció szerint a keletkező „S” szilárd anyagon az égési „R’” láncvivő gyökök dezaktiválódnak vagy rekombinálódnak:

R’ + S RS, ill. RS + R’ RR + S,

vagy homogén típusú, amikor elgőzöléskor gáz alakú inhibitorok – alkálifém, alkáliföldfém, ill. alkáli-hidroxid – keletkeznek, és így dezaktiválják a lángvivő gyököket.

Az alkáli-hidrokarbonátokhoz hasonlóan – vagy még hatásosabban – viselkednek oltóporként használva az alkáli-oxalátok, ill. vas(II)-cianidok, amelyek a lángban elbomolva igen finom füstté (tehát igen nagy fajlagos felületű diszperz rendszerré) alakulnak, és így fejtik ki inhibíciós hatásukat.

Alkalmaznak oltóporként fő tömegében nem alkáli-hidrokarbonátot tartalmazó (vagy azt esetlegesen nem is tartalmazó), gázleadásra képes, ill. antikatalitikus inhibíciós oltóeffektust kifejtő egyéb anyagokat: pl. alkálifém-kloridot, (NH4)2 S04-ot, CaCO3-ot, (NH4)2 HPO4-ot, Al-sztearátot, bóraxot, dicián-amidot, különböző szerves polimerizációs termékeket stb., ill. porelegyeket is. Ezek közül egyesek a tűz magas hőmérsékletén egyszerre több tűzelfojtó (oxigént elszigetelő) hatást kifejtő gázt is fejlesztenek, egyrészt az oltópor bomlása, másrészt a belekevert éghető anyag oxigénlekötése folytán. Ilyen pl. az (NH4)2 SO4 és szénpor elegye, amelyek magas hőmérsékleten reagálnak, a következő egyenlet szerint:

2 (NH4)2 SO4 + 2 C + O2 = 4 NH3 + 2 CO2 + 2 SO2 + 2 H2O.

A gázleadásra nem képes oltóporok hatásmechanizmusa ugyanakkor kizárólag az antikatalitikus láncrövidítő hatáson alapul. Ilyen a nagyobb tüzeknél sok esetében alkalmazott mészkőliszt (CaCO3).