FirePASS 과학

전 세계적으로 할로겐화 소화제 생산에 대한 금지와 생태학에 관한 관심이 높아짐에 따라 소화제 분야에서 환경적으로 허용되는 새로운 물질에 관한 광범위한 연구가 진행되고 있습니다. 그러나 소화제의 특성을 만족하면서 지구환경에 영향을 미치지 않는 화학 물질을 개발하는 것은 매우 어려운 일입니다.

이상적인 소화제는 환경친화적이면서 발화 및 화재 억제에 매우 효과적이어야 하며 동시에 화재예방과 진화를 위해 사용하는 동안 또는 사용한 이후에도 인간에게 자연 친화적이고 안정적이며 무독성이어야 합니다.

화재 예방 및 진압을 위해 우리는 열, 연료 및 산소로 구성된 화재의 "3요소"에 대해 오랫동안 연구했으며, 이 세 가지 요소 모두 연소를 시작하고 화재로 발전하는 데 결정적인 역할을 합니다.

대기의 79%를 구성하는 질소가 연소에 크게 영향을 줄 수 있다는 사실은 잘 알려져 있습니다. 일반적인 화염 온도 (1,100C 미만)의 질소 분자는 흡수 된 열복사를 반환하지 않습니다. 이로 인해 대기 중 질소 농도가 증가하면 방출된 열에너지의 총 손실이 비례적으로 증가하여 연소를 방해합니다. 또한, 기체 혼합물에서 질소 함량을 증가시키면 분자 운동 특성에 영향을 미쳐 연소에 필요한 산소 분자의 이용 가능성을 감소시킵니다.

FirePASS®의 발명은 뉴욕의 Hypoxico Inc. (www.hypoxico.eu)에서 진행한 Hypoxic Room System 연구 과정에서 알게 된 사실을 기반으로 합니다. 통상적인 고도의 저산소 환경에서 발화 및 연소 과정은 산소 분압이 동일한 (즉, 고산지대) 저산소 자연 고도 환경에서 발생하는 발화 및 연소 과정과는 매우 다르다는 것을 발견하였습니다.

예를 들어, 2,700m의 고도에서 4.51 인치 (114.5mm의 수은) 산소 분압이 있는 공기는 양초 연소 또는 종이 발화를 쉽게 지원할 수 있습니다. 그러나 동일한 산소 분압 (4.51 인치 또는 114.5mm 수은)으로 해당하는 정상기압 환경이 조성되면 양초가 타지 않고 종이에 불이 붙지 않습니다. 심지어 성냥도 산소가 함유된 화학물질이 있는 곳이 고갈되면 곧바로 불이 꺼집니다. 결과적으로, 통기성(호흡할 수 있는) 표준기압인 저산소 환경에 유입되는 모든 화재는 즉시 소멸됩니다. 등유 등 석유화학, 가스 라이터 또는 프로판 가스 토치는 이 환경에서도 발화되지 않습니다.

이러한 놀라운 관찰은 다음 질문으로 이어질 것입니다. "왜 같은 부분압력의 산소를 포함하는 두 환경(즉, 특정 부피당 같은 수의 산소 분자)이 발화 및 연소 과정에서 서로 다르게 영향을 미치는가?"

대답은 간단합니다. 이 두 환경에서 산소 농도의 차이는 연소를 지원하는 산소의 가용성을 줄입니다. 이것은 산소 분자의 운동 특성을 방해하는 질소 분자의 수가 증가했기 때문에 발생합니다. 즉, 정상기압 환경에서 질소 분자의 밀도가 증가하면 연소를 위한 산소 분자의 이용을 방해하는 "버퍼 영역"이 생성됩니다. 두 가스의 동 역학적 특성을 비교할 때, 질소 분자는 산소 분자보다 느리고 침투율이 낮습니다.(2.5 배)

[그림 1. 낮은기압 정상산소농도 환경]

그림 1은 9,000피트 또는 2.7km의 저산소 또는 자연환경에서 산소와 질소 분자의 밀도를 개략적으로 보여줍니다. (다음 설명을 단순화하기 위해 다른 모든 대기 가스는 무시하였습니다). 파란색 입자는 산소 분자를 나타내고 녹색 입자는 질소 분자를 나타냅니다.

[그림 2. 표준기압 저산소 환경(FirePASS)]

그림 2는 산소 부분압이 같지만 (4.51 인치 또는 114.5mm의 수은) 저산소 환경에서 수은 760mm의 표준 대기압에서 분자의 밀도를 보여줍니다. 이 환경은 체적 기준으로 약 15%의 산소를 함유하며 이는 인간의 삶에 완벽하게 적합하지만, 발화와 연소를 지원하기에는 충분하지 않습니다.

상기와 같이, 두 환경 모두 특정 부피당 같은 양의 산소 분자를 함유하고 있습니다. 그러나 두 번째 경우 (그림 2)의 질소 분자 대 산소 분자의 상대적인 양은 낮은 기업의 공기 (그림 1)의 4 : 1과 비교하여 대략 6 : 1입니다.

[그림 3. 표준기압, 정상산소농도 환경]

그림 3은 해발 고도가 9,000피트 또는 2.7km (114.5mm) 인 공기보다 산소 부분압력이 높은 해수면 대기를 보여줍니다. 지구 대기의 어느 위치에서나 (해발에서 에베레스트 산까지) 주변 공기는 20.94% 부피의 산소 농도를 가집니다. 그러나 해수면의 대기는 실질적으로 더 높은 압력을 받고 있습니다. 특정 부피당 가스 분자의 수가 증가함에 따라 가스 분자 사이의 거리가 줄어들고 연소를 지원하는 산소의 발화 능력에는 영향을 미치지 않습니다.

FirePASS Corporation의 전문가들은 표준기압 상태에서의 호흡기에 영향을 주지 않는 저산소 (산소 저감) 환경에서 발화 억제 및 화재진화 현상을 발견하고 연구했습니다. 이러한 연구를 실제로 적용한 결과 화재 예방 및 진화 시스템을 개발하고 특허를 취득했습니다.

FirePASS®는 다음과 같은 Halon 1301 대안에 필요한 모든 중요한 특성을 충족합니다.

  • 화재진압 효율
  • 재발화 방지
  • 오존파괴 방지
  • 지구온난화 대응
  • 화재예방 대기수명
  • 화재 억제(소화제) 잔류물 수준
  • 전도성
  • 금속 부식성
  • 중합제 호환성
  • 장기 보관 시 안정성
  • 화학물질, 연소, 분해 생성물의 독성
  • 확산속도
  • 안전 및 산업보건 요구사항

일반적인 (해수면) 기압에서 산소 함량이 16% 미만인 환경에서는 가연성 고체 및 액체를 발화시킬 수 없습니다. 반면에 인간은 건강에 해를 끼치지 않고 12~16% O2 (주변 20.94% O2 대신)로 산소 감소 대기를 쉽게 견딜 수 있습니다

두 가지 산소 의존 시스템, 불꽃 및 인체기능 간의 차이점을 설명하기 위해 도표 “산소- 정상기압, 저산소 환경에서 산소 – 헤모글로빈 포화 곡선 및 불꽃 소멸 곡선”을 아래와 같이 확인할 수 있습니다.

빨간색 곡선은 연소 강도의 감소를 나타냅니다. 이것은 안정된 불꽃의 높이에 해당하며 실험 환경에서 산소 함량에 따라 달라집니다. 20.94%의 대기 중 산소 함량에서 100%의 최대 불꽃 높이에 해당합니다. 그러나 O2의 18% 미만에서는 급속한 선형 감소가 나타납니다.

파란색 곡선은 흡기 된 공기에서 산소 분압에 대한 옥시헤모글로빈 포화도의 의존성을 보여줍니다. 산소 비율이 증가함에 따라 곡선이 빠르게 상승하기 때문에 60mm.Hg 이상인 폐포 pO2에 노출되면 헤모글로빈이 90% 이상 포화합니다 (정상기압 저산소 공기의 고도 3,300m 및 14% O2에 해당). 산소의 부분압만이 폐포의 모세관에서 헤모글로빈 포화를 결정한다는 점에 유의해야 합니다. 모든 후속 산소 수송 및 대사는 전적으로 심장혈관 시스템을 통한 산소 수요와 이용 가능성 사이의 균형에 의존합니다. 중성 희석 가스의 분압은 해수면 조건에서 이러한 생리학적 과정에 영향을 미치지 않습니다. 대조적으로, 연소 공정에서 산소의 이용 가능성 및 반응성은 다른 불활성인 희석 가스의 분자 농도에 크게 의존합니다. O2와 헤모글로빈의 친화력은 부분 압력에만 의존하지만, 연소 동역학은 기체 혼합물의 산소 비율에 따라 달라집니다.

인간이 거주하는 환경에서 저산소 통기성(호흡 가능한 상태)이 가능한 환경을 조성하면 발화 및 연소를 완전히 방지할 수 있어 화재의 위험이 없습니다. 반면에, 저산소 공기는 가압 용기에서 즉시 배출되거나 배관을 통해 정상적으로 통풍되는 건물로 전달되어 짧은 시간 안에 화재예방 시스템이 적용된 공간에서 화재를 진압하고 동시에 연소 가스를 배출하면서 화재로 인해 갇힌 점유자에게 호흡할 수 있도록 통기성 환경을 제공합니다.