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安全話題| 實驗室常見的爆炸源有哪些?

2018-12-27 12:46:01 作者：欣博士來源：材料匠分享至：

導讀

香港浸會大學學生宿舍偉倫樓南座22日凌晨1時發(fā)生火警，懷疑有學生慶祝生日，撒面粉引起粉塵爆炸。共有12名學生受傷，包括4男8女，大部份手腳及面部燒傷。

面粉為什么會爆炸

當大量極細的面粉粉塵懸浮于空中，并達到一定的濃度時，比如每立方米空氣中含有9.7g面粉時，一旦遇有火苗或者火星，瞬間就會燃燒起來，形成猛烈的爆炸。

因為粉塵具有較大的比表面積，與塊狀物質(zhì)相比，粉塵化學活性強，接觸空氣面積大，吸附氧分子多，氧化放熱過程快。當條件適當時，如果其中某一粒粉塵被火點燃，就會像原子彈那樣發(fā)生連鎖反應，爆炸就發(fā)生了。

為何實驗室更危險

高校實驗室科研過程中經(jīng)常使用各種化學藥品和儀器設備，會遇到有高低溫、高低壓的的實驗條件和高電壓、高頻和帶有輻射源的儀器設備，再加上培訓不足，人員流動過大，因此實驗室成為是安全事故的高發(fā)區(qū)。非營利組織安全機構的James Kaufmans指出：實驗室發(fā)生事故的概率比工廠高100倍。據(jù)統(tǒng)計，其中98%的實驗室安全事故屬于人為因素，人為因素包括不安全行為和不安全環(huán)境。

不安全行為：主要由下列問題引起的，不正確的安全態(tài)度、缺乏必要的安全知識和及技術、不恰當?shù)纳砗筒磺‘敪h(huán)境和設備引起的行為；不安全環(huán)境：是指實驗場所中，工作環(huán)境、設備設施等對人產(chǎn)生的危險因素。

世界著名安全管理專家Herbert William Heinrich將傷亡事故從起源至發(fā)生過程劃分為五個因素：社會環(huán)境、人為過失、不安全動作、意外事件、傷亡。假如第一塊“骨牌”傾倒，就會一個接著一個全部傾倒，從而導致傷亡事故。如果控制處于中心地位的不安全動作的“骨牌”，則后續(xù)動作無效，使傾倒系列中斷，則事故不會發(fā)生，故預防工作的中心就是消除人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)。

事故因果連鎖論事故雖然由不安全行為和不安全環(huán)境引起的，但兩者乃由危險源控制不足所引起，根本原因是管理不善、不重視安全、缺乏安全意識和決心。

新事故因果連鎖論公安消防部隊的李志紅統(tǒng)計了2001年到2013年間發(fā)生在實驗室的100起典型事故發(fā)現(xiàn)，實驗室最常見事故是的爆炸和火災，主要由易燃氣體和液體引起，而由爆炸物引起的相對來說比較少。易燃氣體、易燃固體、腐蝕性物質(zhì)事故、氧化性物質(zhì)和有機過氧化物等5類危險品引起的事故共71起。

實驗安全知識

因此，了解和預防爆炸是實驗室安全的重中之重。爆炸通常可以可分為物理性爆炸和化學性爆炸。

物理性爆炸：物質(zhì)因狀態(tài)或壓力發(fā)生突變而形成的爆炸；化學性爆炸：由于物質(zhì)發(fā)生極迅速的化學反應，產(chǎn)生高溫、高壓而引起的爆炸。

實驗室易發(fā)生物理性爆炸的儀器：高壓氣瓶、水熱反應釜和管式爐等。

物料性爆炸案例及分析

1、封管事故

某高校李某在進行實驗時，往玻璃封管內(nèi)加入氨水20mL，硫酸亞鐵1g ，原料4g，加熱溫度160℃。當事人在觀察油浴溫度時，封管突然發(fā)生爆炸，整個反應體系被完全炸碎。當事人額頭受傷，幸虧當時戴防護眼睛，才使雙眼沒有受到傷害。

事故分析：實驗室常用的耐高壓封管建議安全使用壓力一般不超過6個大氣壓，而26%濃度的氨水（實驗室常用的氨水濃度29%左右）在110℃的飽和c就達到10個大氣壓以上。實驗時沒有計算氨水飽和蒸汽壓。

2、水熱反應釜爆炸

2004年，清華大學逸夫科技樓水熱反應釜爆炸事故。

事故分析：水熱反應絕對禁止使用馬弗爐，馬弗爐最高使用溫度都是700℃以上，弗爐的熱電偶是電位差計的原理，很多是以室溫作為零點補償，在低溫使用時顯示溫度和實際使用溫度并不一致，實驗室的馬弗爐往往沒有定期校正，造成溫度誤差更大，有可能顯示溫度和實際溫度相差幾十度。幾十度的溫差不僅會造成做的水熱反應沒有任何科學價值，還會造成危險。水熱反應應該使用專用防爆烘箱。

預防物理性爆炸的注意事項：

水熱反應時：

1、盡量選有氣壓表和減壓閥的水熱反應釜在專用防爆烘箱中進行。當使用簡易反應釜時，應該考慮不同的情況。使用聚四氟乙烯內(nèi)襯，最高使用溫度≤230℃，長時間使用溫度≤200℃，體系壓力≤3Mpa，升降溫速率≤5℃/min 。當使用PPL對位聚苯內(nèi)襯，最高使用溫度≤280℃，長時間使用溫度≤250℃，體系壓力≤3Mpa，升降溫速率：≤5℃/min。

2、反應體系不能是產(chǎn)生氣體和爆炸的反應體系。

3、水熱反應時，物料填充度不要超過80%。物料填充度主要是考慮溶液受熱膨脹時體積的變化，減少物料填充度并不會明顯減低反應時體系的壓力，故不能減少物料填充度而提高反應溫度。并且反應體系壓力要依照反應體系根據(jù)克拉帕隆-克勞休斯方程計算反應氣壓，最大壓力不超過3Mpa。

4.考慮到內(nèi)襯老化，烘箱顯示溫度和實際溫度的差異，和未知反應等因素，體系實際使用溫度預留部分安全值，一般建議值在20℃以上。

使用管式爐時：當兩端堵住加熱時，氣腔內(nèi)的氣體因為受熱膨脹。理想氣體定律：PV=NRT，當加熱為1000℃時，腔內(nèi)的氣壓為三個大氣壓以上，而管式爐本身不耐壓，因此發(fā)生爆炸。密閉的反應體系非常容易產(chǎn)生高壓而造成爆炸，在設計密閉的反應體系的試驗時，要考慮反應會不會產(chǎn)生大量的熱，反應物體積變化等種種因素。如配制溶液時，錯將水往濃硫酸里倒，或者配制濃的氫氧化鈉時未等冷卻就將瓶塞塞住搖動都會發(fā)生爆炸。減壓蒸餾時，若使用平底燒瓶或錐瓶做蒸餾瓶或接收瓶，因其平底處不能承受較大的負壓而發(fā)生爆炸。

化學性爆炸分為支鏈爆炸和熱爆炸。

支鏈爆炸：由于存在支化反應，即一個自由基的反應產(chǎn)生許多個自由基，如H2+O2的反應，消耗一個H又產(chǎn)生3個H， H的數(shù)目將以指數(shù)地增加，引起的爆炸。乙烯、乙炔、苯、乙醇、乙醚、丙酮、乙酸乙酯、一氧化碳、水煤氣和氨氣等可燃性氣體與空氣混合至爆炸極限，一旦有一熱源誘發(fā)，極易發(fā)生支鏈爆炸；熱爆炸：當一放熱反應在無法散熱情況下進行時，反應熱將使系統(tǒng)溫度劇烈上升，而溫度又使反應速率按指數(shù)規(guī)律上升。這種循環(huán)很快，使反應在短時間內(nèi)放出大置熱而發(fā)生爆炸。過氧化物、高氯酸鹽、疊氮鉛、乙炔銅、三硝基甲苯等易爆物質(zhì)，受震或受熱可能發(fā)生熱爆炸。

化學性爆炸案例及分析

3、氣瓶爆炸死亡事故

2015年4月5日12時40分許，在中國礦業(yè)大學化工學院實驗室發(fā)生一起氣瓶爆炸死亡事故，造成1人死亡，4人受傷。直接經(jīng)濟損失約200萬元人民幣。

事故分析：氣瓶裝有甲烷、氧氣、氮氣的混合氣體，氣瓶內(nèi)甲烷含量達到爆炸極限范圍，開啟氣瓶閥門時，氣流快速流出引起的摩擦熱能或靜電，導致瓶內(nèi)氣體反應爆炸，是事故發(fā)生直接原因。實驗人員在實驗時操作不當，是導致事故發(fā)生間接原因。

何添樓火災事故2015年12月18日清華某博后進行催化加氫實驗，氫氣鋼瓶爆炸造成一名實驗人員死亡鋼瓶原長度大概一米，爆炸后只剩上半部大概40公分。

4、美國國德克薩斯州理工大學爆炸

2010年1月7日，美國德克薩斯州理工大學化學與生物化學系實驗室發(fā)生了爆炸，1名5年級學生與1名1年級學生進行合成高氯酸肼鎳衍生物（NPH）課題實驗，通常為了表征新合成的高氯酸肼鎳衍生物（NPH）物質(zhì)活性需要進行示差掃描熱量分析、落錘沖擊性、熱重分析等試驗，而每次合成實驗得到的反應物一般在50-300mg，為了避免多次合成，兩名學生在沒有咨詢首席研究員的情況下，擅自放大合成實驗規(guī)模，一次性得到了10gNPH。爆炸導致1名畢業(yè)生失去了3根手指，手和臉部被燒傷，一只眼睛被化學物質(zhì)燒傷事故分析：

1）美國德州理工大學研究工作中，對物質(zhì)本身危害性沒有得到有效評估和控制；2）美國德州理工大學實驗室安全管理程序只是沿用（美國職業(yè)安全與衛(wèi)生署）《實驗室危害化學品工作場所暴露標準》，而此標準旨在處理危害化學品暴露環(huán)境中對身體健康危害，而沒有關注化學品物質(zhì)危害；

5、上海有機所爆炸

2006年，某同學將多次合成的產(chǎn)物（多氮化合物）裝瓶保存，在裝瓶過程中有一小塊產(chǎn)物粘在瓶口，當事人用不銹鋼撥下粘在瓶口的產(chǎn)物時發(fā)生爆炸，當事人眼角膜、臉和手被割傷，耳膜受到巨大的爆炸聲震傷。

事故分析：不銹鋼勺與多氮化合物撞擊引爆化合物，該化合物為易爆高危藥品。而類似的事故在上海有機所1年前就發(fā)生過。

預防化學性爆炸的注意事項：

關于氣瓶：氣瓶顏色和年檢的規(guī)定：