[科普中国]-北交大实验室事故背后：粉尘爆炸隐患离我们并不遥远

据北京消防微博消息：12月26日上午9点34分，北京交通大学发生一起严重的实验室安全生产事故。接到报警后，消防部门派出8个消防中队、30部消防车辆赶赴现场，并在10点20分左右扑灭明火。经调查，该事故系北京交通大学市政环境工程系学生在学校东校区2号楼环境工程实验室，进行垃圾渗滤液污水处理科研实验期间，现场发生爆炸。在痛惜之余，公众对事故发生的原因和事故责任的落实给予了极大的关注。目前，北京市应急管理局、市公安局、市消防总队已成立联合调查组，对事故原因进行调查。未经官方证实的传言称，事发实验室中储存有大量易燃易爆物质——镁粉。从已经公布的情况和爆炸及火灾较低的烈度来看，该事故由金属镁粉造成的可能性并不大。此外如果消息来源所称的镁粉不是金属镁粉而是镁的盐类或者氧化镁，其发生爆炸的可能性则很低。但撇开事故发生的具体原因，该事件也暴露出不少人对镁粉，或者说金属粉乃至各种易燃易爆粉尘的危险性了解不足。殊不知，粉尘爆炸绝非是专业人员才会接触到的职业风险，我们每个人的身边都可能潜藏着粉尘爆炸的隐患。那么，什么样的粉尘会有爆炸风险？发生粉尘爆炸需要具备哪些因素？我们又该如何有效规避风险？此外，如果粉尘发生了爆炸燃烧，应当如何处置？粉尘如何定义？工业生产过程中有哪些常见的粉尘发生源？粉尘是可以悬浮于空气中的微小固态颗粒，不同物质由于比重差异很大，能够随气体飞散的微粒粒径也有所不同。一般来说，直径在100微米以下的金属粉，就可以在空气中形成粉尘云。特制一等小麦粉粒径在140微米以下，而普通小麦粉粒径可达300微米。在对煤矿进行开采的同时，也会在井下形成大量煤的粉尘。此外，木材、皮革的加工过程也会形成飞散的尘粒，它们的粒径相对来说会更大。相对于同等组成的块体材料，粉体材料有着诸多的特殊性质，很多场合能够实现块体材料无法实现的应用。我们日常生活中最常接触的米粉、面粉、玉米粉以及杂粮谷物粉等，就是制作各类面食和杂粮面点的主要材料。只有将谷物磨成粉，人类才能在食品层面对其进行加工利用，否则就只能用来作为饲料或者工业原料。而金属粉体材料更是金属材料中的一个主要分支，在多种工业场合有着块体材料无法取代的作用。如利用微纳级别的金属粉体颗粒和有机溶剂配合，可以调制成多种电子浆料。这些浆料在电子器件的焊接、印刷电子电路的形成等领域具有极为广阔的应用场景，可以说是电子工业的基础原料之一。我们的手机、电脑、乃至高铁、飞机、航天器等产品的生产过程中，都无法缺少基于金属粉体制成的电子浆料。可以毫不夸张的说，所有电子产品中都有金属粉体的一份功劳。粉尘爆炸——三大条件缺一不可可燃性固体微粒在空气中形成一定浓度的粉尘云后，如果遇到引火源，就可能发生爆炸燃烧。因此，我们可以从这句话中归纳出粉尘爆炸所需要具备的三个条件——适宜的可燃粉尘浓度、助燃剂氧气以及体系某处达到最小点火能。首先，粉尘必须可燃，如果不能与氧气发生（剧烈的）氧化还原反应（即燃烧），则无论如何都无法被点燃，也自然不能发生爆炸。文章开头提到，如果所谓的镁粉是指氧化镁，那么这种粉体发生爆炸的可能性几乎不存在。实际上，氧化镁砖经常用作各种加热炉的内衬，这是因为他们具有将近2800度的熔点。其次，作为助燃剂，氧气的存在，是氧化还原反应能够发生的前提之一，缺乏氧气就无法形成有效的燃烧，更不会发生爆炸。可能发生燃烧爆炸的粉末体系本质上是氧气和可燃物粉末按照一定比例组成的混合物。因此，低于一定浓度的可燃粉尘由于各微粒间距太大，氧化还原反应在颗粒间无法传递，难以发生爆炸反应。而高于一定浓度的可燃粉尘由于挤占了氧气存在的空间，也会由于助燃剂不足而无法发生充分的氧化还原反应，爆炸倾向反而剧减。只有当氧气与可燃粉末处于一个合适的配比范围内，才可能发生燃烧爆炸。这个范围内的最小可燃物浓度，就称为爆炸下限浓度。最后，如果没有引火源的存在，即便满足上述两个条件，燃烧爆炸也不会发生。例如，面粉由于是由有机物构成，也具有一定可燃性，如果飞散后遇到煤气等明火，很可能发生爆炸。因此，制作面食的时候一定要远离煤气等明火，同时尽量避免面粉的飞散。需要注意的是，引火源绝不只是明火一种，实际上最小点火能本身就是一个能量值，明火产生的热能不过是诸多能量形式中的一种。常见的引火能形式还有静电、物理冲击、化学反应产热等等。静电在瞬间可以产生极高的能量，时间虽短却足以引发燃烧反应。发射子弹时撞针造成的物理冲击就可以引发子弹的底火爆炸，从而将其射出枪膛。而不少化学反应伴随的热量释放足以让体系达到数千度高温。以上三大条件只要齐备，基本就会在瞬间发生爆炸反应，而且爆炸过程中很可能伴随有更多库存粉尘的飞散，这些飞散的粉尘又会迅速发生二次甚至多次爆炸。幸运的是，以上三大条件中，缺乏任何一条就无法引发粉尘爆炸，只要切实针对以上三点做出有效防护，就能很好的规避灾难的发生。大多数金属并非可燃，为什么它们的粉尘反而具有相当的爆炸风险？比如像铝、锌、铁等金属的块体都无法在空气中发生燃烧，所以更不存在爆炸风险。可一旦将其加工为粉体材料，它们与块体金属完全不同的理化性质将会改变其与氧气发生作用的程度，进而造成危险。粉体材料区别于块体的最大差异就是巨大的比表面积，所谓比表面积指的是物质单位质量或单位体积下对应的表面积。以切西瓜为例，一颗完整西瓜的体积与切开后各瓣西瓜的总体积相等，但由于切瓜过程中暴露了大量的内部表面，各瓣西瓜的表面积总和要远远大于一颗完整的西瓜。粉体材料的比表面积随着其粒度的降低而迅速增大，粉体的比表面积高于块体若干数量级。如此一来，能够与氧气发生接触的面积也就随之增加。同时，微纳颗粒的表面又具备更高的反应活性，它们与氧气的作用能力远高于块体。以铝为例，块体铝即便在空气中用明火加热也不过是增加一点表面氧化层的厚度而已，而微纳铝粉形成的粉尘云一旦被明火点燃，就会由于各颗粒与氧气间迅猛的氧化反应而发生燃烧爆炸。下表中列出了数种常见金属粉体材料的爆炸倾向，我们对表中的参数含义做一个简单介绍。平均粒径越大，粉体粒径无需细化到很小的程度就有爆炸可能，因此较危险。爆炸下限浓度越小，说明发生爆炸的门槛越低，相对越危险。最大爆炸压力越大，证明爆炸发生后的破坏能量越大，因此越危险。爆炸指数的定义较复杂，不做具体介绍，该数值越大，表明爆炸发生的突然性越强，也因此更加危险。我们从中可以看出，铝粉和镁粉的爆炸下限浓度较低，最大爆炸压力较大，爆炸指数高，因此相对铁粉更加危险。而褐煤的煤粉同样有很高的爆燃倾向，因此世界各国煤矿井下时常发生粉尘爆炸事故也就不足为奇了。无论这次悲剧是否由金属粉尘爆炸造成，我们都应当对可燃性粉尘背后的安全隐患引起足够的警惕。无论是工矿企业还是千家万户，都存在发生粉尘爆炸的可能性。前事不忘后事之师，安全生产、平安生活当警钟长鸣。作者| 张昊 大阪大学助理教授审稿人| 侯军才 陕西理工大学材料学院副教授文章由腾讯科学“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”