Многие технологические процессы, связанные с получением или переработкой пылевидных материалов, являются пожаро- и взрывоопасными. Взрывы промышленных пылей представляют большую опасность, так как часто влекут за собой не только большие материальные убытки, но и гибель людей. По данным зарубежной статистики, в США в 1965 г. на различных производствах, получающих и перерабатывающих пылевидные материалы и порошки, произошло 1173 взрыва, которые причинили убыток на сумму 119,4 млн. долларов; при этом погибли 681 человек, 1791 человек получили ранения.

Пыль – это дисперсная система, состоящая из газообразной дисперсионной среды и твердой дисперсной фазы. Пыли по общей классификации коллоидно-дисперсных систем относятся к аэрозолям, в которых дисперсионной средой является воздух, а дисперсной фазой – твердое вещество в раздробленном состоянии (с частицами размером менее 100 мкм).

Пыль может образовываться при механическом измельчении твердых тел, а также при получении порошкообразных и пылеобразных веществ методами кристаллизации и сублимации; может находиться в осевшем и во взвешенном состоянии. Осевшая пыль называется аэрогелем (пыль – гель). Пыль, находящаяся во взвешенном в воздухе состоянии, называется аэрозолем (пыль – аэровзвесь). Аэрогели и аэровзвеси являются гетерогенными системами. Однако аэровзвеси по своим свойствам занимают промежуточное место между аэрогелями и гомогенными газо- и паровоздушными смесями. Аэровзвеси сходны с аэрогелями тем, что обе эти системы являются гетерогенными, дисперсными системами с одинаковой твердой фазой и поведение их определяется физико-химическими свойствами твердой фазы. С газо- и паровоздушными смесями аэровзвеси сходны тем, что горение большинства из них протекает в виде взрыва, поэтому аэровзвеси, как и газовоздушные смеси, характеризуются многими однотипными параметрами. Горение аэрогелей протекает аналогично горению твердых веществ. Поэтому аэровзвеси более пожаровзрывоопасны, чем аэрогели.

Из свойств аэровзвесей наиболее важными являются: дисперсность, химическая активность, адсорбционная способность, склонность к электризации.

Дисперсность. Дисперсностью называется степень измельченности частичек пыли. Так, если кубик объемом 1 см³ разбить на n³ кубиков, то каждый кубик будет иметь ребро см. Отсюда . Величина n называется степенью дисперсности. Следовательно, степень дисперсности – это величина обратная диаметру пылинки. Чем больше степень дисперсности, тем меньше диаметр пылинок.

Для частиц неправильной формы вводится понятие эквивалентного диаметра. Это диаметр шара, имеющего объем, равный объему средней частицы пыли. Средний диаметр характеризует полидисперсную пыль (пыль, состоящую из пылинок различного диаметра).

Дисперсный состав пыли определяют методами микроскопии, седиментометрии и механического разделения (ситовой и фильтрационный анализ). Наиболее распространенным методом является ситовой рассев, позволяющий определять состав пыли с частицами размером до 40 мкм и выявлять относительное содержание частиц различ

ных размеров. Со степенью дисперсности пыли тесно связана удельная поверхность пыли, которая увеличивается с повышением степени дисперсности пыли (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Изменение удельной поверхности вещества при его дроблении

Как видно из табл. 6.1, величина удельной поверхности частицы S₀ прямо пропорциональна степени дисперсности:

,

где R – коэффициент, зависящий от геометрической формы частиц; для шара R = 1, для куба  R = 0,806,  для цилиндра R = 0,58 – 0,86 и т.д.

Конфигурация пылинок зависит в основном от рода твердого тела, а не от способа получения пыли. Так, волокнистые материалы (лен, жгут, хлопок и др.) образуют пылинки удлиненной формы с малым поперечным сечением.

Степень дисперсности оказывает влияние на все другие свойства пыли. С увеличением степени дисперсности повышается химическая активность пыли, ее адсорбционная способность, склонность к электризации, понижается температура самовоспламенения и величина нижнего концентрационного предела воспламенения.

Химическая активность. Под химической активностью понимается способность пыли вступать в реакции с различными веществами, в том числе и в реакции окисления и горения. Химическая активность пыли определяется природой вещества, из которого она образована (качественный и количественный состав и строение молекул вещества), и в большой степени зависит от ее дисперсности. С увеличением дисперсности возрастает химическая активность пыли. Это объясняется тем, что химическая реакция между твердым веществом (пылинками) и газообразным окислителем протекает на поверхности твердого вещества. Скорость реакции зависит от размера поверхности соприкосновения реагирующих веществ, а так как с увеличением дисперсности увеличивается  удельная поверхность, химическая активность возрастает. Например, если 500 г каменного угля в кусках сгорает в течение нескольких минут, то  500 г каменноугольной пыли сгорает за доли секунды. Металлы – железо, алюминий, цинк, обычно не горящие при нормальных условиях, в состоянии пудры моментально самовозгораются при контакте с воздухом. Поэтому пудры и порошки этих металлов готовят в среде инертного газа (N₂ или Ar) и перетируют с твердым жиром. Химическая активность зависит от количества дефектов молекулярных и кристаллических структур, число которых, в свою очередь, зависит от дисперсности и природы вещества.

Адсорбционная способность. Твердые частицы пыли способны адсорбировать окружающие пары и газы. Адсорбцией называется поглощение паров и газов поверхностью вещества. Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция протекает за счет сил межмолекулярного взаимодействия (сил Ван-дер-Ваальса).

Физическая адсорбция протекает самопроизвольно, и адсорбируемые пары и газы стремятся полностью занять всю поверхность каждой пылинки.

Величина адсорбированных пылинкой паров и газов зависит от поверхности пылинки и величины дипольного момента молекул адсорбируемых газов и самого твердого вещества, из которого образовалась пыль. Так, энергия взаимодействия между двумя молекулами определяется уравнением

,

где m₁ и m₂ – дипольные моменты молекул соответственно адсорбированного газа и твердого тела; r – расстояние между молекулами; k – константа Больцмана; Т – абсолютная температура.

Вещества пористой структуры обладают более высокой адсорбционной способностью. Так, 50 см³ сажи могут адсорбировать 950 см³ воздуха.

Помимо физической адсорбции на поверхности пылинок протекает хемосорб-  ция – поверхностная химическая реакция паров и газов адсорбируемого вещества с поверхностью твердой пылинки. хемосорбция основывается на силах валентных и координационных связей.

Физическая и химическая адсорбция сопровождаются выделением тепла. Поэтому пыли в состоянии геля могут самонагреваться и самовозгораться. Отмечены случаи    самовозгорания газовой сажи при хранении ее в бункерах и мешках, уложенных в шта-бели.

Адсорбированные на поверхности пылинки молекулы паров и газов повышают устойчивость аэровзвеси, увеличивают возможность окисления, ускоряют подготовку пыли к горению. Адсорбция пылью ионов из воздуха способствует ее электризации. Но если пыль адсорбирует негорючие газы (N₂, СО₂), ее пожарная опасность уменьшается, понижается склонность пыли к самовозгоранию, повышается температура самовоспламенения, снижается склонность пыли ко взрыву. Это явление находит практическое применение  на объектах народного хозяйства.

Склонность пыли к электризации. При размоле твердых веществ, транспортировании их по пылепроводам и при движении пыли по воздуху пылинки способны электризоваться.

Электризацией называется способность пыли приобретать заряды статического электричества. Электризация пылинок происходит: в результате адсорбции ионов газов из воздуха, где пыль находится во взвешенном состоянии; при трении пыли о твердую поверхность или о воздух; при дроблении или измельчении твердого вещества. Так, заряды зерна в дробилках достигают 10 – 11 кВ, а на вальцах – 5 – 7 кВ. Знак заряда, приобретаемый пылью, зависит от диэлектрической постоянной пыли и того тела, о которое происходит трение. Величина заряда статического электричества зависит от скорости движения пыли (силы трения), степени дисперсности пыли, величины удельного электрического сопротивления j и от влажности пыли и воздуха. Чем больше скорость движения пыли и больше степень дисперсности, тем больше величина заряда статического электричества. Например, потенциал заряда пыли каменного угля дисперсностью 200 мкм при скорости движения пылевоздушной смеси 2,25 м/с составляет 6 кВ. При увеличении скорости движения до 3,5 м/с потенциал заряда возрастает до 7,5 кВ.

При транспортировании аэровзвеси по трубопроводу потенциал зарядов изменяется по его сечению. Наиболее низкий потенциал наблюдается вблизи стенок трубопровода, а наиболее высокий – на расстоянии 2 см от стенок.

По величине удельного электрического сопротивления можно судить об опасности электризации пыли. При удельном электрическом сопротивлении меньше 10⁶ Ом×см пыль практически малоопасна в отношении электризации. Эффективным методом борьбы с накапливанием зарядов статического электричества является повышение относительной влажности воздуха. При влажности воздуха 70 % электризация пыли опасности уже не представляет, однако во многих случаях такую влажность в условиях производства поддерживать невозможно, так как она может оказывать вредное воздействие на качество изделий. Основным и обычно эффективным мероприятием обеспечения безопасности в этих случаях может быть тщательное заземление и соединение всех металлических частей устройства как неподвижных, так и движущихся.

Пожарная опасность аэрогелей характеризуется температурой воспламенения, температурой самовоспламенения, температурой самонагревания, которая определяет склонность пыли к самовозгоранию.

Температура воспламенения аэрогеля – это та наинизшая температура, при которой пыль, окисляясь и разлагаясь, выделяет достаточное для воспламенения от источника зажигания количество газообразных и парообразных продуктов. При этом горение их продолжается после удаления источника зажигания. При воздействии на пыль-гель определенного количества тепла она нагревается до температуры воспламенения, при которой начинается ее разложение, сопровождаемое выделением тепла. Образующиеся пары и газы воспламеняются и сгорают, при этом выделяется тепло, которое в дальнейшем активизирует процесс горения.

Таким образом, для воспламенения пыли большое значение имеет интенсивность и количество подводимого источником зажигания тепла, а также масса пыли-геля, временно нагретой источником зажигания до температуры воспламенения, так как горение возникает лишь тогда, когда тепловыделение, обусловленное экзотермическими реакциями, больше теплопотерь. Температура воспламенения веществ может изменяться в зависимости от ряда факторов. С увеличением степени дисперсности температура воспламенения понижается. Увеличение влажности приводит к повышению температуры воспламенения целлюлозных и полимерных пылей.

Процентное содержание кислорода в воздухе также влияет на величину температуры воспламенения. Для целлюлозных и полимерных пылей с увеличением концентрации кислорода температура воспламенения понижается, а увеличение концентрации СО₂, N₂, Н₂О приводит к ее повышению. Для металлических пудр и порошков наоборот. Например, порошки тория, урана, церия, титана будут иметь более низкую температуру воспламенения в водяном паре или атмосфере СО₂.

Для аэрогелей важным параметром является температура тления. В процессе нагрева пыли при определенной температуре образуются на некоторых участках обугленные продукты реакции, которые при дальнейшем нагревании переходят в пирофорное состояние и самопроизвольно накаляются до свечения (пыль начинает тлеть). Следовательно, температурой тления называется наинизшая температура разогрева пыли-геля, при которой на отдельных участках ее появляется тление. Тлеющая пыль представляет собой большую опасность, так как при слабом встряхивании тлеющей массы она моментально самовоспламеняется, что обусловлено большим притоком кислорода

воздуха. Температура тления зависит так же, как и температура воспламенения, от степени дисперсности пыли, ее влажности, теплоемкости и теплопроводности.

Температура самовоспламенения пыли-геля тоже является весьма важным параметром, характеризующим ее пожарную опасность. Это та наинизшая температура нагрева пыли, при которой резко ускоряются экзотермические реакции, приводящие к пламенному горению. Чем ниже температура самовоспламенения, тем более опасна пыль. Величина температуры самовоспламенения зависит от измельченности пыли. Чем выше степень дисперсности пыли, тем ниже температура самовоспламенения. Температура самовоспламенения полимерных и целлюлозных пылей понижается с увеличением концентрации кислорода в воздухе и с уменьшением влажности пыли.

Многие аэрогели склонны к самовозгоранию – процессу самопроизвольного разогрева до температуры самовоспламенения. Самопроизвольный разогрев аэрогеля возможен при достижении им температуры самонагревания под воздействием внешнего источника тепла, а также в результате физических или биологических тепловых процессов (процессов адсорбции, жизнедеятельности микроорганизмов и т.д.). Продолжительность самонагревания аэрогеля может быть различной и зависит от разности скоростей тепловыделения и теплоотдачи и от температуры самонагревания. Чем ниже температура самонагревания аэрогеля, тем большую опасность в отношении самовозгорания представляет такая пыль.

В процессе самонагревания полимерных и целлюлозных аэрогелей происходит их обугливание во внутренней части. Образующийся уголь адсорбирует пары и газы и нагревается до тления. Способность этих аэрогелей распространять тление внутри слоя представляет большую опасность тем, что подготавливает к горению большую массу пыли, которая при определенных условиях переходит из состояния тления в пламенное горение на большой поверхности.

Наиболее подвержены микробиологическому самовозгоранию травяная мука, древесная мука и древесные опилки. Тепловыделение этих пылей обусловлено жизнедеятельностью растительных клеток и микроорганизмов, при этом пыль нагревается до температуры разложения и в отдельных местах обугливается. Образующийся уголь адсорбирует пары и газы, нагреваясь до температуры, при которой интенсивно окисляется и начинает тлеть. Металлические пудры и порошки обладают склонностью к химическому самовозгоранию при взаимодействии их с окислителями (кислородом, хлором, бромом). Процесс самовозгорания происходит при обычной (комнатной) температуре. Так, алюминиевая пудра самовозгорается в атмосфере хлора и в парах галоидоуглеводородов со взрывом.

Увлажнение металлических аэрогелей ускоряет процесс самовозгорания, так как пары воды лучше проникают через оксидную пленку металла. На склонность металлических пудр и порошков к самовозгоранию оказывает влияние дисперсность частиц. Например, циркониевая пыль самовозгорается при дисперсности частиц до 3 мкм, пыли с более крупными частицами не самовозгораются. Аэрогели железа, никеля, меди самовозгораются при размере частиц до 0,01 – 0,03 мкм.