يُستخدم بنزويل بيروكسيد (BPO) على نطاق واسع في الصناعات الكيميائية كمُحفِّز للبلمرة وكعامل تبييض، إلا أن قدرته على إحداث انفجار غباري تُشكِّل خطرًا جسيمًا. تنبع خصائصه الانفجارية من عدم استقراره المتأصل، وخاصةً رابطة الأكسجين-الأكسجين في بنيته الجزيئية، والتي تتحلل بسرعة، مُطلقةً طاقةً ومُشعلةً جزيئات الغبار المحيطة. يُبرز هذا الخطر أهمية تطوير مثبطات عالية الأداء لمنع انفجارات غبار BPO، وهي أولوية للسلامة في البيئات الصناعية.
انفجارات الغبار في البيئات الصناعية معقدة، وتشمل عوامل مختلفة مثل حجم جسيمات الغبار، ومستويات الأكسجين المحيطة، ومصادر الاشتعال. يتطلب تثبيط هذه الانفجارات مواد قادرة على كبح مراحل متعددة من عملية الاحتراق. يستكشف هذا البحث تطوير وفعالية مثبط مسحوق الماء الجاف الجديد القائم على الفوسفور، MAP-DW، لقمع انفجارات غبار عمليات التعهيد الخارجي (BPO). من خلال التحليل التجريبي والمحاكاة الحركية، تقدم الدراسة رؤى ثاقبة حول الآليات الكيميائية التي يحدّ بها MAP-DW من انفجارات غبار عمليات التعهيد الخارجي (BPO)، مما يوفر بيانات قيّمة للصناعة الكيميائية في تبني ممارسات أكثر أمانًا للتعامل مع بيروكسيد الهيدروجين.
ترتبط القدرة الانفجارية لـ BPO بشكل أساسي بعدم استقرار رابطة البيروكسيد، وخاصةً رابطة الأكسجين-الأكسجين. عند حدوث اضطراب حراري أو ميكانيكي، يتحلل BPO، مُطلقًا الأكسجين والجذور الحرة. يمكن لهذه الجزيئات التفاعلية أن تُطلق تفاعلات متسلسلة سريعة تتفاقم إلى احتراق انفجاري. ويزداد احتمال حدوث مثل هذه الانفجارات في البيئات الصناعية حيث يمكن أن يصل غبار BPO، إذا انتشر في الهواء، إلى تركيزات ضمن الحدود الانفجارية.
تُحدَّد خصائص انفجار عملية التعهيد الخارجي (BPO) بمعايير مثل أقصى ضغط انفجار، وأقصى معدل لارتفاع الضغط، وأدنى طاقة اشتعال. تُعدّ هذه المؤشرات أساسية في تقييم القدرة الانفجارية للغبار في البيئات المغلقة. ويتطلب التحكم في هذه المعايير مثبطات لا تُبطئ معدل التفاعل فحسب، بل تُعطِّل أيضًا التفاعلات الكيميائية المتسلسلة الكامنة وراء الانفجار.
يُعد تطوير MAP-DW كمثبط تقدمًا واعدًا في مجال إخماد الانفجارات لعدة أسباب. MAP-DW عبارة عن مسحوق مائي جاف قائم على الفوسفور، يعمل عن طريق امتصاص الحرارة، وتخفيف الأكسجين، والتقاط الجذور الحرة المسؤولة عن استمرار الاحتراق. يُعدّ استخدام المواد القائمة على الفوسفور أمرًا استراتيجيًا، إذ تشتهر مركبات الفوسفور بخصائصها المثبطة للحريق، والتي يمكنها أن تُعيق عملية الاحتراق.
يلتقط الفوسفور في MAP-DW بشكل أساسي الهيدروكسيل (OH•) والجذور التفاعلية الأخرى، مما يقلل من توافر الأنواع التي تُديم التفاعلات المتسلسلة. علاوة على ذلك، يُعزز وجود الأمونيا (NH3) والماء (H2O) في تركيبة MAP-DW قدرته على التثبيط من خلال توفير تأثير مُشترك يجمع بين التبريد وإزالة الجذور الحرة والعزل الحراري.
لتحديد فعالية مثبط MAP-DW في الحد من انفجارات غبار BPO، أُجريت تجارب بتركيزات مختلفة. قاست هذه التجارب معايير أساسية، بما في ذلك أقصى ضغط انفجار ومعدل ارتفاع الضغط، وهما عاملان أساسيان لفهم ديناميكيات انفجار الغبار. عند تركيز مثالي من BPO، أظهر MAP-DW قدرة ملحوظة على الحد من شدة الانفجار، حيث خفّض أقصى ضغط انفجار بنسبة 96.48% ومعدل ارتفاع الضغط الأقصى بنسبة 99.58%. تشير هذه النتائج إلى كفاءة MAP-DW في الحد من انفجارات غبار BPO، حيث أن حتى تركيزًا صغيرًا من المثبط كان قادرًا على تقليل شدة الانفجار بشكل كبير.
حاكى الإعداد التجريبي الظروف الصناعية، مما سمح للباحثين بمحاكاة أداء المثبط في سيناريوهات واقعية. إن ملاحظة هذه الانخفاضات الكبيرة في الضغط ومعدل الارتفاع تُبرز إمكانات MAP-DW في تطبيقات السلامة الصناعية.
تنشأ فعالية قمع MAP-DW من عدة آليات مترابطة:
امتصاص الحرارة: مع تكثيف عملية الاحتراق، تتولد حرارة كبيرة، مما يُحفز تحلل BPO. يمتص MAP-DW جزءًا من هذه الحرارة، مما يُبطئ معدل التفاعل. تُقلل الطاقة التي يمتصها المُثبط من الكمية المتاحة لإشعال المزيد من جزيئات الغبار، مما يُخفف التفاعل المتسلسل بفعالية.
تخفيف الأكسجين: يتطلب الاحتراق إمدادًا مستمرًا بالأكسجين. يُطلق MAP-DW غازات، منها الأمونيا (NH3)، مما يُخفف تركيز الأكسجين المحيط بموقع الاحتراق، مما يُقلل من كمية الوقود اللازمة لانتشار الانفجار.
العزل الحراري: تُشكّل جزيئات MAP-DW طبقة عازلة حراريًا حول غبار BPO، مما يُقلّل من انتقال الحرارة إلى الجزيئات المحيطة. يمنع هذا العزل جزيئات الغبار المجاورة من الوصول إلى درجة اشتعالها، وبالتالي احتواء الانفجار.
إزالة الجذور الحرة: إن أهم جانب في قدرة MAP-DW على التثبيط هو قدرته على التقاط الجذور الحرة التي تُغذي التفاعلات المتسلسلة. تعمل المكونات المحتوية على الفوسفور في MAP-DW بنشاط على إزالة الجذور الحرة مثل OH• وH•، والتي تُعتبر أساسية في الحفاظ على دورات التفاعل السريعة التي تُحفز الانفجار. ومن خلال مقاطعة هذه الدورات، يُمكن لـ MAP-DW تقليل شدة الانفجار ومدته بشكل كبير.
ساهمت عمليات المحاكاة الحركية بشكل كبير في توضيح التفاعلات المحددة بين مكونات MAP-DW والجذور التفاعلية. أظهرت عمليات المحاكاة أن المواد القائمة على الفوسفور في MAP-DW تُنشئ دورة قمع، حيث تقوم هذه المركبات بالتقاط الجذور بشكل متكرر عند ظهورها. تُحد هذه العملية من توافر المواد الأولية للتفاعل المتسلسل، مما يُبطئ عملية الاحتراق ويوقفها في النهاية.
بالإضافة إلى ذلك، كشفت عمليات المحاكاة عن تأثير تثبيط تآزري بين الفوسفور والأمونيا والماء ضمن تركيبة MAP-DW. يلعب كلٌّ من هذه المكونات دورًا في تحييد المواد المتفاعلة وتقليل الحرارة الناتجة عن التفاعل. هذا التآزر بين عناصر التثبيط يجعل MAP-DW مثبطًا قويًا، قادرًا على العمل على جبهات متعددة لمنع انتشار الانفجار.
لتطبيق MAP-DW آثارٌ بالغة الأهمية على الصناعات التي تُعالَج فيها عمليات التعهيد الخارجي (BPO) وغيرها من البيروكسيدات. فمن خلال تخفيف المخاطر المرتبطة بانفجارات غبار عمليات التعهيد الخارجي، يُقدّم MAP-DW حلاً عمليًا للسلامة في المنشآت العاملة في إنتاج البوليمرات والتبييض وغيرها من العمليات التي تستخدم البيروكسيدات. كما تُعزّز سهولة استخدام MAP-DW كمسحوق جاف فائدته العملية، مما يسمح بتشتيته في المناطق المعرضة للغبار أو مزجه مع عمليات التعهيد الخارجي أثناء المناولة.
علاوة على ذلك، يُرسي تطوير مثبطات مثل MAP-DW سابقةً لمزيد من التقدم في تكنولوجيا إخماد الانفجارات. بالتركيز على الآليات الكيميائية على المستوى الجزيئي، يُمكن تصميم مثبطات مستقبلية لاستهداف جذور أو مسارات تفاعل محددة، مما يُعزز السلامة في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية.
تُقدم دراسة MAP-DW، كمثبط جديد لانفجارات غبار التعهيد الخارجي (BPO)، رؤىً جوهرية حول آليات إخماد الانفجارات. تُجسّد تركيبة MAP-DW القائمة على الفوسفور نهجًا متعدد الجوانب للتثبيط، يجمع بين امتصاص الحرارة، وتخفيف الأكسجين، والعزل الحراري، وإزالة الجذور الحرة. تُؤكد النتائج التجريبية والمحاكاة الحركية فعاليته، مع تحقيق انخفاضات كبيرة في ضغط الانفجار ومعدل ارتفاع الضغط في ظل الظروف المثلى.
في قطاع تُشكّل فيه الانفجارات الناتجة عن البيروكسيد خطرًا كبيرًا، يُمثّل MAP-DW نقلة نوعية في إجراءات السلامة. وتُمثّل قدرته على التخفيف من آثار الانفجارات من خلال التقاط الجذور الحرة الرئيسية على المستوى الجزيئي مساهمة قيّمة في ممارسات السلامة الصناعية. لا يُسهم هذا البحث في تعزيز فهمنا لقمع الانفجارات فحسب، بل يُمهّد أيضًا الطريق لتطوير مثبطات أكثر فعالية لمجموعة واسعة من المواد القابلة للاحتراق.
