Không phải ngọn lửa nào cũng cần một que diêm, có những chất khí hoàn toàn có thể tự bốc cháy dù xung quanh không hề có tia lửa hay nguồn nhiệt rõ ràng. Đó là lý do vì sao nhóm khí này luôn được xếp vào mức nguy hiểm đặc biệt, song, lại có đóng góp quan trọng trong công nghiệp và phòng thí nghiệm.
Ngọn lửa có thể được hình thành mà không cần bị tác động từ nguồn nhiệt bên ngoài. Ảnh: Getty Images / Tahlia Russell.
Khí tự bốc cháy là gì?
Khí tự bốc cháy (pyrophoric gas) là những loại khí có khả năng bắt lửa ngay khi tiếp xúc với không khí mà không cần đến tia lửa, ngọn lửa hay một nguồn nhiệt từ bên ngoài. Chỉ trong điều kiện nhiệt độ phòng, tự thân chúng đã có thể xảy ra phản ứng đủ mạnh để ngọn lửa xuất hiện gần như tức thời.
Điều đặc biệt nằm ở chính sự tương tác giữa khí và môi trường xung quanh. Khi tiếp xúc với oxy, trong một số trường hợp có sự tham gia của hơi ẩm trong không khí, các chất này có thể phản ứng rất mạnh. Năng lượng được giải phóng từ phản ứng đủ lớn để làm nhiệt độ tăng nhanh từ đó kích hoạt quá trình cháy của chính chất khí. Nói cách khác, không phải không khí tạo ra ngọn lửa mà sự tiếp xúc với không khí có thể tự khởi động chuỗi phản ứng dẫn đến cháy. Đây cũng là lý do khí tự bốc cháy được xem là một trong những dạng khí nguy hiểm đặc biệt.
Năm cái tên thường được nhắc đến khi nói về nhóm khí này là silan, photphin, diboran, arsin và germane. Trong đó:
Silan (SiH₄)
Silan là một trong những khí tự bốc cháy quan trọng nhất trong ngành công nghiệp bán dẫn. Nó được sử dụng làm nguồn silicon trong nhiều quy trình chế tạo vật liệu bán dẫn, đặc biệt là tạo các lớp màng silicon mỏng trên bề mặt linh kiện. Silan cũng có vai trò trong sản xuất pin mặt trời và một số công nghệ vật liệu tiên tiến.
Điều đáng chú ý là silan có thể tự bốc cháy khi tiếp xúc với không khí. Trong những điều kiện nhất định, phản ứng có thể diễn ra rất nhanh và gây ra cháy mạnh, thậm chí dẫn đến hiện tượng nổ. Vì vậy, trong môi trường sản xuất, việc kiểm soát rò rỉ và ngăn silan tiếp xúc ngoài ý muốn với không khí có ý nghĩa đặc biệt quan trọng.
Photphin (PH₃)
Photphin, hay phosphine, là một khí có mùi đặc trưng khi xuất hiện ở nồng độ đủ để cảm nhận, nhưng điều đáng lo ngại hơn nhiều lại nằm ở độc tính rất cao của nó. Trong công nghiệp bán dẫn, photphin được sử dụng như một nguồn phospho để pha tạp vật liệu silicon, giúp điều chỉnh các tính chất điện của chất bán dẫn.
Photphin cũng từng được sử dụng trong kiểm soát côn trùng và khử trùng kho nông sản. Tuy nhiên, khả năng cháy và độc tính khiến đây không phải là một hóa chất có thể sử dụng tùy tiện. Đặc biệt, sự hiện diện của một số tạp chất hoặc điều kiện môi trường nhất định có thể làm thay đổi đáng kể hành vi cháy của khí.
Các khí tự bốc cháy là một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng sản xuất chất bán dẫn, giữ vai trò kiểm soát quy trình chính xác, ngăn ngừa ô nhiễm và nâng cao tính chất luyện kim. Ảnh: Getty Images / SweetBunFactory.
Diboran (B₂H₆)
Diboran là một hợp chất của boron và hydro, được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn phục vụ quá trình pha tạp silicon. Đây là một ví dụ điển hình cho thấy những loại khí nguy hiểm vẫn có thể đóng vai trò quan trọng trong các công nghệ đòi hỏi độ chính xác rất cao.
Diboran có khả năng phản ứng mạnh với không khí và có thể bắt cháy, đồng thời có độc tính, khiến việc lưu trữ và sử dụng phải được thực hiện trong những hệ thống được thiết kế chuyên dụng. Với loại khí này, nguy cơ không chỉ đến từ ngọn lửa mà còn từ chính việc con người có thể tiếp xúc với khí bị rò rỉ.
Arsin (AsH₃)
Arsin là hợp chất của asen và hydro có khả năng tự bốc cháy trong những điều kiện thích hợp và có thể tạo ra nguy cơ cháy khi thoát ra môi trường chứa oxy. Trong công nghiệp, nó được sử dụng trong một số quy trình sản xuất chất bán dẫn như một chất điều chỉnh đặc tính của vật liệu. Tuy nhiên, đằng sau vai trò công nghệ đó là một trong những đặc tính nguy hiểm nhất của chất này: độc tính cực cao.
Chính sự kết hợp giữa khả năng cháy và độc tính cao khiến arsin được kiểm soát đặc biệt nghiêm ngặt trong các cơ sở sử dụng.
Germane (GeH₄)
Germane (hay gecman) là hợp chất của germani và hydro, được sử dụng trong một số quy trình sản xuất linh kiện bán dẫn tiên tiến và vật liệu quang điện tử, bao gồm các ứng dụng liên quan đến công nghệ sợi quang.
Giống nhiều khí tự cháy khác, GeH₄ có khả năng bắt cháy trong không khí và cũng có độc tính. Tuy nhiên, mức độ và tốc độ tự bốc cháy của nó có thể phụ thuộc vào những yếu tố như nồng độ, áp suất, nhiệt độ và điều kiện tiếp xúc với không khí.
Mặc dù nguy hiểm, những loại khí này không dễ bắt gặp trong đời sống hằng ngày. Điểm chung của chúng là chỉ xuất hiện trong những môi trường công nghiệp và phòng thí nghiệm được kiểm soát chặt chẽ, với hệ thống chứa, đường ống và thiết bị an toàn chuyên dụng.
Sự khác biệt giữa khí tự cháy và khí dễ cháy
Rò rỉ khí tự bốc cháy có thể tạo nên những trận hỏa hoạn gây thiệt hại lớn, việc kiểm soát loại khí này cũng đặc biệt khó khăn. Ảnh: Getty Images / iStockphoto / Dale_Stagg.
Với một loại khí dễ cháy (flammable gas) thông thường như hydro hoặc propan, bản thân khí có khả năng cháy nhưng không tự phát cháy chỉ khi đang tiếp xúc với không khí ở điều kiện nhiệt độ phòng. Nếu được chứa trong một đường ống hoặc hệ thống kín và không có nguồn gây cháy, khí có thể duy trì trạng thái ổn định trong một khoảng thời gian dài. Muốn loại khí này bốc cháy cần có một tác nhân đủ để khởi động phản ứng, chẳng hạn tia lửa điện, ngọn lửa, bề mặt có nhiệt độ cao hoặc thậm chí một phóng điện do tĩnh điện.
Điều đó tạo ra một khoảng an toàn nhất định, chỉ cần kiểm soát được nguồn gây cháy thì có thể giảm đáng kể nguy cơ cháy. Nếu loại bỏ các tác nhân này, dù bị rò rỉ cũng chưa chắc có thể lập tức bốc cháy, nhờ đó mà chúng ta có thời gian phát hiện và xử lý kịp thời.
Nhưng, với khí tự bốc cháy thì lại là một câu chuyện hoàn toàn khác. Những khí có tính pyrophoric không cần chờ một tia lửa hay bề mặt nóng từ bên ngoài. Ngay thời khắc chúng thoát khỏi hệ thống chứa và tiếp xúc với không khí, chúng có thể phản ứng rất nhanh với oxy và tự tạo ra lượng nhiệt đủ để bốc cháy. Đây chính là lý do khiến việc kiểm soát khí tự bốc cháy trở nên đặc biệt khó khăn.
Với khí dễ cháy thông thường, người ta có thể tập trung loại bỏ nguồn đánh lửa. Nhưng với khí tự bốc cháy, oxy trong không khí lại chính là một phần của vấn đề bởi ngay cả không khí trong môi trường xung quanh cũng có thể trở thành tác nhân khiến khí bắt cháy.
Mọi khí tự cháy đều là khí dễ cháy, nhưng không phải mọi khí dễ cháy đều có tính tự bốc cháy. “Dễ cháy” nói về khả năng bắt lửa khi có điều kiện thích hợp, còn “tự cháy” mô tả khả năng tự khởi động quá trình cháy khi tiếp xúc với môi trường thích hợp mà không cần nguồn mồi bên ngoài.
Tiêu chuẩn quy định phân loại và quản lý khí tự bốc cháy tại Việt Nam
Trên thực tế, một hóa chất có thể đồng thời được phân loại là khí dễ cháy, khí độc hoặc mang những nguy cơ khác. Vì vậy, việc quản lý chúng không thể chỉ dựa vào khả năng bắt cháy mà phải xem xét toàn bộ đặc tính nguy hiểm của từng chất.
Trong hệ thống GHS (Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals), khí dễ cháy được phân loại dựa trên các đặc tính nguy hiểm và được thể hiện thông qua hệ thống nhãn cảnh báo, biểu tượng nguy hiểm, từ cảnh báo và các câu cảnh báo nguy cơ. Việt Nam cũng đã xây dựng hệ thống quản lý hóa chất theo hướng hài hòa với GHS thông qua các quy định về phân loại, ghi nhãn và phiếu an toàn hóa chất.
Điều này đặc biệt quan trọng đối với nhóm khí tự bốc cháy, bởi một chất có thể đồng thời mang nhiều “lớp nguy hiểm”. Nói cách khác, một loại khí vừa có khả năng tự bốc cháy vừa độc hại sẽ không được quản lý đơn giản như một bình khí dễ cháy thông thường. Các yêu cầu về lưu trữ, vận chuyển, sử dụng, thông gió, phát hiện rò rỉ, thiết bị bảo hộ và phương án ứng phó sự cố phải được xây dựng dựa trên toàn bộ các mối nguy đã được xác định trong quá trình phân loại hóa chất.
Đối với hoạt động công nghiệp, việc quản lý hóa chất nguy hiểm còn liên quan đến các quy định của pháp luật về hóa chất, an toàn lao động, phòng cháy chữa cháy, vận chuyển hàng nguy hiểm và các yêu cầu kỹ thuật có liên quan. Vì vậy, doanh nghiệp sử dụng khí tự bốc cháy cần căn cứ vào phân loại nguy hiểm cụ thể của từng hóa chất, phiếu an toàn hóa chất (SDS), nhãn hóa chất và các quy định pháp luật hiện hành, thay vì áp dụng một quy trình chung cho tất cả các loại khí.
Một điểm khác cũng cần lưu ý là phân loại nguy hiểm khi sử dụng và phân loại khi vận chuyển không hoàn toàn giống nhau. Khi vận chuyển hàng nguy hiểm, hóa chất được xác định theo hệ thống phân loại vận tải tương ứng, trong đó mối nguy chính và các mối nguy phụ có thể quyết định cách đóng gói, ghi nhãn, phương tiện vận chuyển và các yêu cầu an toàn đi kèm.
Đây cũng là lý do các cơ sở sử dụng những loại khí này, đặc biệt trong ngành bán dẫn và sản xuất hóa chất chuyên dụng, thường phải xây dựng hệ thống kiểm soát nhiều tầng: từ thiết bị chứa và đường ống kín, hệ thống phát hiện rò rỉ, thông gió, kiểm soát khí thải cho đến quy trình ứng phó sự cố. Với những khí vừa cháy vừa độc, mục tiêu không chỉ là ngăn một vụ cháy xảy ra, mà còn phải ngăn khí thoát ra môi trường và bảo vệ con người trước nguy cơ phơi nhiễm.
