부촉매소화 정의, 원리, 메커니즘 (연쇄반응 반응식)

부촉매소화 정의, 원리, 메커니즘 (연쇄반응 반응식)

부촉매소화

화재 진압용으로 사용되는 소화약제에는 여러가지가 있습니다. 그 중에서 가스계 소화약제는 부촉매효과를 갖는 특이한 소화약제입니다. 부촉매소화는 냉각, 질식, 희석, 부촉매 소화 중에서 가장 효과적이고 가장 효율적인 소화방법이라 할 수 있습니다. 그 이유는 부촉매소화를 활용하면 적은 양의 약제로도 화재를 진압할 수 있기 때문입니다. 다만, 심부화재의 경우에는 부촉매소화가 적응성이 떨어질 수 있습니다.

 

 

부촉매소화 정의

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부촉매 소화: 연소의 연쇄반응을 억제하여 화재를 진압하는 소화

억제소화, 화학소화라고도 합니다. 촉매라는 단어는 많이 들어보셨을 겁니다. A는 B의 촉매제가 되었다 이런 말이 많이 쓰입니다. 화학에서도 촉매는 자신은 반응에 참여하지 않으면서 활성화 에너지를 낮춰 반응속도를 증가시켜주는 물질로 사용됩니다. 촉매를 사용하면 반응속도를 크게 늘릴 수 있는데, 이를 정촉매라고 합니다. 반대인 부촉매가 있습니다. 부촉매소화는 말 그대로 자신은 반응하지 않으면서 화재가 점점 커지지 못하게 막는 것을 말합니다. 이름만 들으면 거의 만능 소화약제로 보입니다. 부촉매소화를 이해하려면 연소의 4요소인 연쇄반응을 이해해야 합니다.

 

<화재시 발생하는 연쇄 반응 (Chain Reaction)>

$$RH + E \to R^- + H^+$$

$$H^+ + O_2 \to OH_- + O^(2-)$$

$$O^(2-) + RH \to OH^- + R^-$$

$$OH^- + RH \to H_2O + R^-$$

(RH: 가연물)

화재가 발생했을 때 일어나는 연쇄반응은 연소의 4요소로 화재가 계속 유지될 수 있도록 해줍니다. 가연물이 고온의 점화원에 의해 열분해되면 불안정한 물질인 활성라디칼($H_+,O^(2-),OH^-$)이 생성됩니다. 이 활성라디칼은 불안정한 물질이기 때문에 다른 물질과 반응하려는 성질이 매우 강합니다. 그래서 이 활성라디칼은 주변에 있는 가연물과 반응합니다. 그러면 가연물은 또 분해되어 열을 발생하게 됩니다. 이것이 연쇄반응의 기본적인 원리입니다.

불, 연소의 3요소 - 산소, 가연물, 열원

불, 연소의 3요소인 산소, 가연물, 열원과 더불어 연소가 지속적으로 유지되기 위해서는 연쇄 반응이 필요합니다. 연쇄반응을 통해 화재는 주변의 가연물을 분해하고 열을 발생시켜 화재가 더욱 커지게 합니다.

 

 

부촉매소화 원리, 메커니즘

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<CFC-11의 부촉매소화 효과>

$$CF_3Cl \to CF_3^+ + Cl^-$$

$$Cl^- + H+ \to HCl$$

$$HCl + OH^- \to Cl^- + H_2O $$

연쇄반응과 비교해보면 아시겠지만, 가연물과 반응해야할 활성라디칼이 할로겐족 원소인 염소(Cl)이온과 반응해서 물($H_2O$)이 됩니다. 물은 매우 안정적인 물질입니다. 그래서 다른 물질과 크게 반응하지 않습니다. 즉, 염소이온이 연쇄반응을 막는 것입니다.

<Halon 1301 의 부촉매소화 효과>

$$CF_3Br \to CF_3^+ + Br^-$$

$$Br^- + H+ \to HBr$$

$$HBr + OH^- \to Br^- + H_2O $$

할론소화약제인 Halon 1301도 브롬 이온이 활성라디칼과 반응하여 연쇄반응이 이어지지 못하도록 막습니다. 활성라디칼이 가연물이 아닌 활성라디칼끼리 반응하도록 하기 때문에 화재는 가연물로 전파되지 못하고 점점 작아지게 됩니다. 그러다가 불이 꺼지게 되는 것입니다. 여기서 중요한 건 CFC-11 약제에서도 마찬가지 이지만 $Cl^-$와 $Br^-$가 다시 재생산된다는 것입니다. 즉, 활성라디칼과 반응한 할로겐족 원소가 다시 원상태로 돌아와서 다른 활성라디칼과 반응하는 것입니다. 이 때문에 부'촉매'라는 이름이 붙은 것입니다. 촉매는 결과적으로 자신은 반응하지 않은 것처럼 보이지만, 이렇게 중간 과정을 거쳐 원래 상태도 돌아오게 됩니다.

부촉매소화의 현실

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다만, 부촉매소화를 이용한 소화약제는 현재 국제적으로 생산이 금지되어 있습니다. 부촉매소화약제의 성분이 오존층을 파괴하는 원인물질이기 때문입니다.

 

<부촉매소화 약제의 오존층 파괴 메커니즘>

$$CF_3Br \to CF_3^+ + Br^-$$

$$Br^- + O_3 \to BrO + O_2$$

$$2BrO \to 2Br^- + O_2 $$

여기서도 브롬이온(할로겐족 원소)은 오존과 반응하여 재생산됩니다. 브롬, 염소 이온 한개는 오존을 수천, 수만개까지 파괴할 수 있습니다. 소화약제에는 어마어마한 양의 할로겐족 원소가 있기 때문에 성층권에 있는 오존은 더 많이 파괴됩니다. 그래서 국제적으로 할론소화약제를 금지시킨 것입니다. 오존층이 사라지만 생태계에 악영향을 미치고, 인간에게도 해를 입히기 때문입니다. 소화약제로서 기능은 좋지만, 환경을 파괴하기 때문에 사용이 금지된 것입니다. 그래서 할론소화약제를 대체할 수 있는 청정소화약제(Clean Agent)가 개발되었습니다. 할론소화약제와 비슷하지만 부촉매효과가 약한 F(플루오린)위주로 약제가 구성됩니다. 자세한 사항은 아래 링크를 참고 바랍니다.

https://ikkujun.com/1484

이상으로 부촉매소화에 대해 간단하게 알아보았습니다. 부촉매소화약제는 현재 생산되지도 않고 기존에 설치되었던 부촉매소화약제도 청정소화약제로 대체되고 있습니다. 그래도 워낙 소화효과가 좋기 때문에 화재가 발생하면 큰 피해가 우려되는 항공기, 선박 등에는 한정적으로 설치를 허가해주는 것이 좋지 않을까 생각합니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.