3D 化学实验:威猛的粉尘爆炸

前言

2015 年 6 月八仙乐园派对粉尘爆炸事故是台湾人心中永远的痛,因使用玉米澱粉和食用色素所製成的色粉在舞台灯的高温下,引发粉尘爆炸导致火灾事故,造成重大的伤亡。为使民众和学生深入了解粉尘爆炸的原理及概念,避免悲剧再度重演,本实验使用家用产品奶精粉、麵粉、糖粉及黑胡椒粉,以瞬间挤压方式,均匀地分散粉末在火焰上,发生旺盛的燃烧反应,产生粉尘爆炸的效果。

实验影片

请按此连结,戴红蓝眼镜,观看 3D 化学实验:威猛的粉尘爆炸 Powerful Dust Explosions 3D红蓝,YouTube。

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药品与器材

实验步骤

实验结果

下面分别是奶精粉、麵粉、糖粉及黑胡椒粉燃烧的情形,分别如图六~九所示。左图是 2D 的照片,右图是 3D 照片,必须带红蓝眼镜才能观看立体效果。

3D 化学实验:威猛的粉尘爆炸

图六、奶精粉燃烧的情形,2D 照片(左);3D 红蓝照片(右)

3D 化学实验:威猛的粉尘爆炸

图七、麵粉燃烧的情形,2D 照片(左);3D 红蓝照片(右)

3D 化学实验:威猛的粉尘爆炸

图八、糖粉燃烧的情形,2D 照片(左);3D 红蓝照片(右)

3D 化学实验:威猛的粉尘爆炸

图九、黑胡椒粉燃烧的情形,2D 照片(左);3D 红蓝照片(右)

原理和概念

燃烧三要素与粉尘爆炸四要件

燃烧三要素 (Fire triangle) 是指可燃物(如燃料)、助燃物(如氧气)、以及温度或热量要达到燃点,三要素必须并存才能发生,燃烧三要素又称为火三角,如图十左所示。可燃物是燃烧反应中的还原剂,助燃物是燃烧反应中的氧化剂,氧气是燃烧反应中最常见的助燃物,例如汽油点火燃烧,汽油是可燃物(还原剂),氧气是助燃物(氧化剂),汽油成分中的异辛烷燃点为 418 ℃。

可燃物在燃烧发生前会裂解为简单的气体分子,在外界因素(如光或热)的影响下,分子中的共价键裂解而形成化学活性非常强的原子或原子团,称此为游离基。由于燃烧过程中存在未受抑制的分解物(游离基)作为中间体,称为链式反应 (chain reaction)。因此有火燄的燃烧三要素应增加一个必要条件—链式反应,称此为燃烧四面体 (fire tetrahedron),如图十右所示。

3D 化学实验:威猛的粉尘爆炸

图十、燃烧三要素(左);燃烧四面体(右) (图片来源

爆炸 (Explosion) 是一物质系统在极短时间和有限的空间内迅速发生物理变化或化学反应,瞬间释放大量的能量,使爆炸的周围气体急遽膨胀,压力急速上升,瞬间对周围环境的介质做功,转变成机械能、光或热等其他能量形式,释放到压力较低的环境,通常会伴随光、热、声响的效应。

粉尘爆炸有四个必要条件: (1) 可燃的粉尘 (combustible dust):以固体粉末为主,例如奶精粉、麵粉、糖粉及黑胡椒粉;(2) 悬浮在空气中粉尘有足够高的浓度 (dispersion of dust):粉尘的浓度必须有效的浓度才会爆炸,粉尘浓度太低,反应速率不够快,而浓度太高,氧化剂的量不足而不容易发生爆炸;(3) 氧化剂 (oxidant):最常见的氧化剂为空气中的氧气;(4) 引火源 (ignition source):常见的火源有静电放电、摩擦、设备产生之电弧、表面发热、火焰等。在粉尘爆炸的传统的分析,侷限空间 (confinement of dust) 被认为是第五个条件,这并非是一项必要条件,此条件可以产生极大的物理损害和化学伤害。

3D 化学实验:威猛的粉尘爆炸

图十一、粉尘爆炸有五项条件 (图片来源

比较燃烧三要素与粉尘爆炸四要件

燃烧三要素:可燃物、助燃物、达到燃点。燃烧四面体:可燃物、助燃物、达到燃点、链式反应。粉尘爆炸四要件:可燃的粉尘、足够高的浓度、氧化剂、引火源。比较这三个观点,燃烧三要素、燃烧四面体及粉尘爆炸四要件有三项共同要件:可燃物、助燃物、达到燃点。比较燃烧三要素与粉尘爆炸四要件,粉尘爆炸多了一项「悬浮在空气中粉尘有足够高的浓度」要件;堆叠起来的玉米澱粉本身并不可燃,但是喷洒在空中而使粉末分散开来,粉尘就有足够高的浓度,以致颗粒的表面积增加很多,原本不可燃的玉米澱粉就变成可燃物。若把喷洒的玉米澱粉粉末视为可燃物,则玉米澱粉的粉尘爆炸也是合乎燃烧三要素。

然而,燃烧三要素和粉尘爆炸比燃烧四面体少一项「链式反应」的要件,事实上玉米澱粉的粉尘爆炸需要链式反应的要件才能发生。此外,本实验营造的粉尘爆炸现场和八仙乐园派对的事故现场都是开放空间,这些事实支持粉尘爆炸的第五个条件但非必要条件—侷限空间。

爆炸极限与点燃温度

分散的可燃物(如气态或汽化的燃料),与空气的混合,其浓度处于可燃烧的下限 (lower explosive limit, LEL) 和上限 (upper explosive limit, UEL) 之範围就可以燃烧,此範围称为可燃性限值 (flammability limits) 或爆炸极限 (explosive limits)。爆炸极限範围随着温度和压力而变化,通常在 25℃ 和大气压力下,以体积百分比表示,在内燃机(如汽油或柴油引擎)内放入最好的燃烧或爆炸的混合物是相当重要的,通常燃料和空气以化学计量的莫耳比是最佳的混合。若粉尘浓度低于爆炸下限,则悬浮颗粒间的距离较大,传递能量的速率较慢而不易发生爆炸;若浓度高于爆炸上限,则氧化剂的量不足,难以帮助燃烧而不易发生爆炸。氢气可燃性限值在 4-75%,其爆炸极限是 17-56%,其自动点燃温度在 500℃。亦即氢气在空气中的体积浓度在 17-56% 之间时,在 500℃ 就会爆炸,而其浓度小于 4.0% 或大于 75% 时,即使遇到火源,也不会爆炸。高雄气爆事件的可燃物—丙烯 (propylene),其可燃性限值在 2-11.1%,自动点燃温度在 458℃。八仙乐园派对粉尘爆炸的可燃物—玉米澱粉,其爆炸的浓度下限 30 g / m3,自动点燃温度在 400℃。糖粉爆炸的浓度下限为 100 g / m3,自动点燃温度在 480℃。

教学提示

安全

注意用火的安全问题,点燃火焰后,应立即离开火源,并準备好灭火器。示範的过程应全程携带安全眼镜和手套。示範这个实验教师应进行适当的风险评估。

废弃物处理

燃烧过的粉末倒入一般垃圾、铝箔盒丢弃到资源回收桶,其他器材以清水沖洗即可。

问题与参考答案

    气体或粉尘量越多、浓度愈高愈容易造成爆炸吗?请详述原因。
    答:否。若浓度高于爆炸上限,则氧化剂的量不足,难以帮助燃烧而不易发生爆炸。
    八仙乐园派对为什幺会造成粉尘爆炸?请详述。
    答:因为八仙乐园使用玉米澱粉和食用色素所製成的色粉为粉尘颗粒的可燃物;粉尘颗粒与氧气接触的表面积非常大,导致燃烧反应速率非常快速;当以二氧化碳钢瓶喷出粉尘达到有效浓度,也就是当浓度介于爆炸上限与爆炸下限之间的情形下;当晚使用的 BEAM200 电脑灯,灯泡裏头温度破千,长时间开启电脑灯,表面温度也能高于 400℃,超过玉米澱粉的燃点;当晚排对场地的人潮众多又拥挤,可视为一个侷限的空间。这些条件符合粉尘爆炸的要件,因此发生粉尘爆炸的悲剧。

参考资料

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