분말 소화약제

 

개요

 

 고체 물질의 미세한 분말은 정도의 차이는 있으나 소화 능력을 가지고 있으며, 분말이 미세하면 미세할수록 이 능력은 커진다. 이러한 특성을 이용한 것이 분말 소화약제이다.

 분말소화약제는 탄산수소나트륨, 탄산수소칼륨, 제1인산암모늄 등의 물질을 미세한 분말로 만들어 유동성을 높인 후 이를 가스압(주로 N2 또는 CO2의 압력)으로 분출시켜 소화하는 약제이다.

 사용되는 분말의 입도는 10~70㎛범위이며 최적의 소화효과를 나타내는 입도는 20~25㎛이다

 분말소화약제는 습기와 반응하여 고화되기 때문에 이를 방지하기 위하여 금속의 스테아린산엽이나 실리콘 수지등(현재는 대부분 실리콘 수지를 사용한다.)으로 방습 가공을 해야 한다.

 분말소화설비는 가압 가스의 충전 상태에 따라 축압식과 가압식으로 구분된다. 축압식은 약제 저장 탱크에 분말 소화약제를 충전한 후 가압용 가스를 함께 충전한 방식이고 가압식은 약제 저장 탱크와는 별도로 가압용 가스용기를 설치하여 이를 약제 저장 탱크에 주입시켜 약제를 외부로 방출시키는 방식이다.

 이 약제의 주된 소화 효과는 분말 운무에 의한 방사열의 차단 효과, 부촉매 효과, 발생한 불연성 가스에 의한 질식 효과등으로 가연석 액체의 표면 화재에 매우 효과적이다. 또한 분말이 비전도체이기 때문에 전기화재에도 효과가 있다. 일반적으로 유류화재와 전기화재에 효과적이나 제3종 분말 소화약제의 경우는 유류화재, 전기화재는 물론 일반화재에도 효과가 있다.

종류 및 특성

 

 분말 소화약제는 적응 화재에 따라 크게 두가지로 분류한다. 즉 유류화재(B급화재)나 전기화재(C급화재)에 사용하는 BC분말과, B.C급화재는 물론이고 일반화재(A급화재)에도 사용할수 있는 ABC분말로 나누어진다.

 BC분말에는 제1종 분말(탄산수소나트륨을 주성분으로 한 분말), 제2종 분말(탄산수소칼륨을 주성분으로 한 분말), 제4종 분말(탄산수소칼륨과 요소가 반응한 분말)이 있으며, ABC 분말에는 제3종 분말(인산염을 주성분으로 한 분말)이 있다. 이외에도 특수 용도의 CDC(Compatible Dry Chemical)분말과 금속화재용 분말이 있다.

종  별	주 성 분	분 자 식	색  상	적 응   화 재
제1종 분말	중탄산나트륨	NaHCO3	백색	B급, C급
제2종 분말	중탄산칼륨	KHCO3	담회색	B급, C급
제3종 분말	제일인산암모늄	NH4H2PO4	담홍색	A급, B급, C급
제4종 분말	중탄산칼륨 + 요소	KHCO3 + (NH2)2CO	회색	B급, C급

* A급 : 일반화재, B급 : 유류화재, C급: 전기화재

제1종 분말 소화약제

가. 개요

 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 주성분으로 하고 이들이 습기에 의해 고화되는 현상을 막기 위해 금속의 스테아린산염이나 실리콘수지로 표면 처리(방습처리)하고 분말의 유동성을 높여 주기 위하여 탄산마그네슘(MgCO3), 인산삼칼슘(Ca3(PO4)2)등의 분신제를 첨가한 약제로 백색으로 착색되어 었다.

 

나. 소화 효과

 초기에 이 약제의 소화 효과는 ①주성분인 탄산수소나트륨이 열분해 될 때 발생하는 이산화탄소와 수증기에 의한 질식 효과②열 분해시의 흡열 반응에 의한 냉각 효과 ③분말 운무에 의한 열방사의 차단 효과에 의한것이라고 생각했었다. 그러나 이 약제의 강력한 소화 능력을 생각하면 이상의 효과보다 ④연소시 생성된 활성기가 분말의 표면에 흡착되거나, 탄산수소나트륨의 Na+이온에 의해 안정화되어 연쇄 반응이 차단되는 효과가 큰 영향을 미치는 것으로 이해되고 있다.

 탄산수소나트륨은 약 60℃분근에서 분해되기 시작하여 270℃와 850℃ 이상에서 다음과 같이 열분해된다.

270℃에서 2NaHCO3 -> Na2CO3 + H2O +Co2 - Q kcal

850℃에서 2NaHCO3 -> Na2O + H2O +2Co2 - Q kcal

 특해 이 약제는 가연성 액체 중에서도 일반적인 요리용 기름이나 지방질 기름의 화재시에 이들 물질과 결합하여 에스테르가 알칼리의 작용으로 가수분해되어 알코올과 산의 알칼리염이 되는 반응인 비누화(saponification)반응을 일으킨다. 이때 생성된 비누상 물질은 가연성 액체의 표면을 덮어서 질식소화 효과와 재발화 억제 효과를 나타낸다.

 초기의 분말 소화약제의 입자는 거칠었으나 현재는 가스압으로 방출하기 때문에 유동성을 높이기 위하여 어느 정도 세분화 하고 있다. 또한 입자의 세분화는 입자의 표면적을 크게 하여 화염과 접촉하는 면적을 크게 하기 때문에 반응이 촉진되어 소화 효과를 향상시킨다.

 이 약제는 유류화재 및 전기화재에는 유효하나 일반화재에는 일반적으로 잘 사용되지 않는다.(일반 가연물의 표면 화재에는 일시적인 소화 효과가 있음)

2. 제2종 분말 소화약제

가. 개요

 주성분이 탄산수소칼륨(KHCO3)으로 바뀐 것 이외에는 제 1종 분말 소화약제와 거의 동일하다. 제 1종에 비하여 소화 효과는 우수한 편이다.

 탄산수소칼륨의 개략적인 성상은 표와 같으며 약제는 담회색으로 착색되어 있다.

나. 소화 효과

 소화효과는 제1종 분말 소화약제와 거의 비슷하나 소화 능력은 제 1종 분말 소화약제 보다 우수하다(소화에 필요한 약제량으로 계산할 때 약 2배정도 우수), 그러나 이 약제는 요리용 기늠이나 지방질 기름과 바누화 반응을 일으키지 않기 때문에 이경우에는 제 1종 분말 소화약제보다 소화력이 떨어진다.

 제 2종 분말 소화약제가 제1종 분말 소화약제보다 소화능력이 우수한 이유는 칼륨(K)이 나트륨(Na)보다 반응성이 더 크기 때문이다. 즉, 칼륨 이온(K+)이 나트륨 이온(Na+)보다 화학적 소화 효과(부촉매 효과)가 크다. 알칽리 금속에서 화학적 소화효과는 원자 번호에 의해 Cs > Rb > K > Na > Li의 순서대로 커진다. 이러한 시각에서 보면 칼륨보다 원자 번호가 더 큰 루비듐(Rb), 세슘(Cs)은 더 큰 소화 능력을 가지고 있음을 알고 있으나, 고가이기 때문에 실용화는 어려운 실정이다.

 탄산수소나트륨 계열의 것은 불꽃과 만나면 황색의 빛을 내는 반면, 탄산수소칼륨 계열의 것은 자주색의 빛을 내기 때문에 일명 purple K(미구 Ansul사의 상품명)라고도 부른다.

 이 약제 역시 유류화재 및 전기화재에는 유효하나 일반화재에는 일반적으로 잘 사용되지 않는다. 소화 효과는 제1종 분말 소화약제와 거의 비슷하다.

3. 제 3종 분말 소화약제

가. 개요

 분말 소화약제는 불꽃 연소에는 대단한 소화력을 발휘하지만 작열 연소의 소화에는 그다지 큰 소화력을 발휘하지 못하는 단점이 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위해서 만들어진 약제가 제 3종 분말 소화 약제이다. A급, B급, C급의 어떤 화재에도 사용할수 있기 때문에 일명 ABC분말 소화약제라고도 부른다.

 주성분은 알칼리성의 제1인산암모늄(NH4H4PO4)(중탄산칼륨과 중칸산나트륨은 산성염)이며 약제는 담홍색으로 착색되어 있다.

나. 소화 효과

 소화 효과는 ①열분해시 흡열 반응에 의한 냉각 효과 ② 열분해시 발생되는 불연성 가스(NH3, H2O등)에 의한 질식 효과 ③ 반응 과정에서 생성된 메타인산의 방진 효과 ④열분해시 유리된 NH4와 분말 표면의 흡착에 의한 부촉매 효과 ⑤분말 운무에 의한 열방사의 차단 효과 ⑥오르소인산에 의한 섬유소의 탈수 탄화 작용 등 이다.

 

 제 3종 분말 소화약제는 다른 분말 소화약제와 달리 A급화재에도 적용할수 있으며 그 이유는 다음과 같다.

 ① 제 1인산암모늄이 열분해될 때 생성되는 오르쏘인산이 목재, 섬유, 종이 등을 구성하고 있는 섬유소를 탈수 탄환시켜 난연성의 탄소와 물로 변화시키기 때문에 연소 반응이 중단된다.

 ②섬유소를 탈수.탈환시킨 오르쏘인산은 다시 고온에서 위의 반응식과 같이 열분해되어 최종적으로 가장 안정된 유리상의 메타인산이 된다. 이 메타인산의 가연물의 표면에 유상의 피막을 형성하여 연소에 필요한 산소의 유입을 차단하기 때문에 연소가 중단된다.

 따라서 일반 가연물의 불꽃 연소는 물론 작열 연소에도 효과가 있으며, 한번 소화된 목재 등은 불꽃을 가까이 해도 쉽게 재착화되지 않은다. 그러나 제2종과 마찬가지로 요리용 기름이나 지방질 기름과는 비누화 반응을 일으키지 않기 때문에 이들의 화재에는 사용되지 않는다.

 우리나라에서는 차고나 주차장에 설치하는 분말 소화 설비의 소화약제는 제3종 분말을 사용하도록 규정하고 있다. 이 약제는 앞에서 설명한 것처럼, A급 , B급, C급의 어느 화재에도 사용할 수 있다. 

4. 제4종 분말 소화약제

 제2종 분말을 개량한 것으로 탄산수소칼륨(KHCO3)과 요소(CO(NH2)2)와늬 반응물(KC2N2H3O3)을 주성분으로 하며, 약제는 회색으로 착색되어 있다.

 성분이 동일한 분말 소화약제는 입자가 작아지면 작아질수록 소화 효과는 커진다. 그러나 입자가 너무 작아지면 같은 가스 압력에서 방사 도달 거리가 짧아지고, 비표면적이 증가하여 방습 가공이 곤란해지는 단점도 있다. 따라서 방사시까지는 입자가 어느 정도 크기로 유지되어 있다가 방사 후 분말이 화염과 접촉되면서 입자가 미세하게 분리된다면 위와 같은 단점을 보완할 수 있을것이다. 이와 같은 개념을 가지고 영국의 ICI사에서 만든 모넥스(상품명)가 탄산수소칼륨과 요소와의 반응물이다.

 이것은 단독으로도 소화력이 큰 탄산수소칼륨에 요소를 결합시킨 것으로 입자는 보통 크기이지만 이것이 화염과 만나면 산탄처럼 미세한 입자가 분해되어서 커다란 비표면적을 갖기 때문에 큰 소화력을 발휘하게 된다.

 이 약제의 소화력은 분말 소화약제 중 가장 우수하다. 특히 B급, C급화재에는 소화 효과가 우수하나 A급화재에는 별 효과가 없다.

소화효과

 

 소화 효과에는 질식효과, 냉각효과, 방사열 차단 효과, 화학적 소화 효과등이 있으며, 제3종 분말의 경우는 이상의 효과 이외에도 메타인산에 의한 방진 효과가 추가 된다.

 

1. 질식효과(Smothering effect)

 질식 효과는 분말 소화약제가 열에 의해 분해될 때 발생되는 CO2, 수증기 등의 불연성 기체에 의해 공기중의 산소 농도가 저하되어 나타나는 현상이다. 

2. 냉각효과(Cooling Effect)

 열분해시 나타나는 흡열 반응에 의한 냉각 효과와 고체 분말에 의한 화염 온도 저하(고농도인 경우)

3. 방사열의 차단 효과(Radiation Shielding Effcet)

 분말 소화약제는 방출되면 화염과 가연물 사이에 분말의 운무를 형성하여 화염으로 부터의 방사열을 차단한다. 따라서 가연 물질의 온도가 저하되어 연소가 지속되지 못한다. 각종 실험결과, 이 효과는 중요한 소화 효과의 하나로 판명되었으며 특히 유류화재의 소화시에 큰 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다.

4. 화학적 소화 효과(Chain-breaking Reaction)

 연소의 연쇄 반응을 중단시켜 소화하는 화학적 소화 효과이다. 이 효과는 가연물의 연소시 발생되는 H*나 OH*등의 활성기에 의한 연쇄 반응을 차단하는 것이다.

5. 방진 효과

 방진효과는 제3종 분말 소화약제에서만 나타나는 소화 효과로서 제1인산암모늄이 열분해될 때 생성되는 용융 유리상의 메타인산이 가연물의 표면에 불침투의 층을 만들어서 산소와의 접촉을 차단하는 것이다.

6. 탈수.탈환 효과

 대부분의 일반 가연물의 연소는 열분해시 생성되는 가연성 기체의 의해 일어나는데 제1인산암모늄은 이와 같은 기체의 발생을 억제하기 때문에 연소가 중지된다.

 제1인산암모늄은 190℃부근에서 암모니아와 오르쏘인산으로 열분해된다. 이때 생성된 오르쏘인산은 목재, 섬유, 종이 등을 구성하고 있는 섬유소를 탈수.탈환시켜 난연성의 탄소와 물로 분해시키기 때문에 연소 반응이 중단된다.

분말식자동소화장치