尽管它在人类生活中无处不在,化学家们仍然没有解开火焰中发生的事情。Kit Chapman报道。

2017年6月14日,英国醒来时看到肆虐的地狱上空出现黑色烟雾漩涡。在伦敦西部,24层的格伦费尔大厦起火,外部覆层造成了堆叠效应——类似于烟囱——将其破坏蔓延到整个建筑。这是英国自二战以来最严重的住宅火灾,造成72人死亡,居民被困在楼上。火灾科学家克莱尔·本森(Claire Benson)记得那天早上惊恐地看到新闻。她回忆说:“那天早上我醒来时非常愤怒。“因为这不应该发生。”

格伦费尔大火期间拍摄的照片

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如果以更现实的方式测试包层材料,格伦费尔大厦的灾难是否可以避免?

格伦费尔大火以及其他重大火灾,如法国巴黎圣母院被毁以及美国和澳大利亚2019/20年的野火,都表明了要了解如何预防和控制火灾,还有很多工作要做。尽管燃烧是大多数人生活中最熟悉的现象之一,但令人惊讶的是,我们对东西燃烧的方式和原因知之甚少。

值得一试

尽管距离迈克尔·法拉第(Michael Faraday)关于蜡烛化学历史的演讲已经170多年了,但我们仍然难以完全理解火。然而,一支蜡烛仍然是一个完美的开始。这是一种扩散火焰,燃烧只发生在燃料和空气之间的界面——一个称为反应区的区域,大约200µg深。火焰内部是完全无氧的环境。

蜡烛的图像

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即使是我们熟悉的蜡烛火焰也不像它看起来那么简单

但意大利帕尔马大学的副教授Ludovico Cademartiri解释说,即使这样也可能过于简单。“如果你在街上对别人说:‘你需要什么来生火?他们会说你需要空气,你需要燃料,你需要燃烧。就是这样。这并没有错,但它给人一种简单的错误印象。“燃烧是典型的复杂系统,”Cademartiri说。“最简单的碳氢化合物燃烧——甲烷和氧气——通过数百种不同的化学反应以不同的速度产生数百种不同的中间产物和副产物。”这些速率取决于温度,而温度在火焰中变化很大。副产品之一是煤烟,它是一种具有相当大的热容量的固体,因此会被加热并发光。对大多数人来说,很难理解仅仅两种试剂的反应背后隐藏着多少复杂性。”

这种复杂性就是为什么火仍然如此难以理解。在美国哈佛大学完成博士后工作期间,Cademartiri与George Whitesides实验室和美国国防高级研究计划局的博士后同事一起开发了火焰抑制剂。有一次,他问美国海军的一位燃烧专家,从化学水平上讲,什么时候火才能熄灭。我问他,我们是否真的能确定导致特定火焰熄灭的因果链。他说没有。”

最简单的碳氢化合物燃烧会产生数百种不同的中间产物和副产物

在2008年至2011年期间,该小组的任务是寻找其他方法来控制封闭环境中的火灾,比如在装甲车内部,水的破坏同样具有毁灭性。怀特塞德斯的团队专注于不需要抑制剂的灭火策略,并取得了成功。“碳氢化合物的燃烧产生离子和电子,它们成为火焰本身成分的一部分。所以,实际上,火焰的一部分是稀释的等离子体,”Cademartiri说。通过创造一个振荡的,高度集中的电场,该团队能够偏转并熄灭火焰大约一米高。事实证明,这个想法非常受欢迎,甚至被DC漫画公司使用,新的女超人拉娜·朗操纵电流熄灭了大火,打败了莱克斯·卢瑟。不幸的是,在现实世界中,所需的电场梯度意味着它不能扩大到火焰的几厘米基础上。

Cademartiri说,研究小组还能够利用声波阻碍空气与火焰的接触,从而使火焰的反应区窒息。“但我们需要非常低的频率,在55Hz到60Hz之间,大约130分贝。另一方面,它的规模比电场大得多。我们想过用它来扑灭野火,试着控制火势。但我们一直未能进行可行性研究。

野火在哪里

野火也是一种扩散火焰,在全世界范围内都是一个巨大的挑战。2019年,美国国家跨部门消防中心报告称,美国发生了50477起野火,烧毁了超过18600公里的森林2土地——这是五年来的最低点——每年的压制成本总计约为30亿美元(24亿英镑)。大气化学家克里斯托·瓦斯克斯亲眼目睹了这种程度的破坏。2019年,作为美国加州理工学院的博士候选人,她在一架改装的道格拉斯DC-8飞机的船体中,与其他科学家和他们的仪器一起工作。他们正从爱达荷州的博伊西起飞,以检测太平洋西北地区肆虐的大火烟雾。在本科实习期间,瓦斯克斯参加了横跨加州中部的大气采样任务,并爱上了飞行实地工作。当她发现一架为她的博士学位评估野火的飞机上有一个座位时,她抓住了这个机会登上了飞机。

一张来自澳大利亚野火的图片

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2019/20年澳大利亚的野火造成了广泛的破坏,并导致大量野生动物死亡

“我们晚上去看了一场大火,你可以看到火焰的光芒和所有的烟雾。瓦斯奎兹回忆道。“太疯狂了。飞机在羽流中做之字形运动,你必须为每件事计时,这样你才能在真正进入羽流时得到那一两秒钟的时间。然后你会感到机舱里充满了烟雾,这很可怕。还有火焰热量的对流,所以这个平面是湍流和弹跳的。这就像一场有趣的过山车,你要学会服用大量晕车药Dramamine。”

这次飞行是Firex-AQ任务的一部分,该任务是美国国家航空航天局、美国国家海洋和大气管理局(Noaa)和40多个合作伙伴的合资企业,旨在评估烟雾的复杂化学成分。瓦斯奎兹和另一位同事的任务是操作飞行时间电离质谱仪,该质谱仪使用氟化试剂离子与她的目标化合物聚集在一起。在飞行过程中,研究小组测量了气溶胶、氮氧化物(NOx)、碳氢化合物,”她说。“我测量了含氧碳氢化合物——最终以烟雾形式产生的氧化产物。不是吹牛什么的,但他们真的很难衡量,因为他们是如此的被动。我们必须把仪器放在飞机的窗口(飞机有一个定制的进气口);我们的很多化合物都是超粘性的,比如硝酸,所以我们需要把入口非常短,否则它们就会卡在仪器的壁上。”

大部分野火烟雾仍然是一个谜。虽然之前的Firex任务查明了烟雾中呋喃类化合物的化学机理,其中很大一部分反应仍不清楚。异氰酸(HNCO)中NO含量仅为30%x2010年,尽管在火灾中仍有大量不明半挥发性有机化合物影响建模。而且,即使它们已经被识别出来,它们是如何工作的还不清楚。例如,NOx烟柱释放的挥发性有机化合物会发生光氧化作用,但有时只会产生臭氧。这似乎取决于火中的前体,羽流冷却的速度和NO的效率x转化为硝酸盐过氧乙酰基等产品。

瓦斯克斯解释说:“野火会产生臭氧和所有这些有毒气体,但它们产生的化合物在很大程度上取决于火灾的特性和相对湿度。”Firex的主要动机是了解烟羽的化学成分和组成,这样我们就可以创建模型来预测火灾如何影响空气质量,并可能为急救人员提供火灾如何移动的想法。我们还关注公共卫生和土地管理,因为很多农场在下个季节之前使用火来清理田地。了解在什么样的天气条件下进行这项工作对该地区的空气质量很重要。”

尘暴

野外的大火会产生大量令人不快的气体,而城市大火则会产生一种完全不同的空气混合物。在法国巴黎,来自历史古迹研究实验室的修复科学家正在巴黎圣母院的废墟中工作,这座历史悠久的大教堂于2019年4月15日发生火灾,震惊了全世界。法国政府承诺在五年内重新开放这座大教堂,研究人员对其暴露在外的遗迹进行了研究,以了解历史进程。但从健康的角度来看,一场比丢失的艺术品更大的悲剧正在上演——大火烟雾中出现了奇怪的黄色。

这是在巴黎圣母院大火期间拍摄的照片

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巴黎圣母院大火对这座深受喜爱的建筑造成了巨大破坏,烟雾也使整个城市的铅含量达到危险水平

在地狱般的大火中,教堂屋顶上的数百吨铅融化了。这是前所未有的规模,以至于巴黎警方警告人们擦拭房屋和场所,以避免铅中毒。直到9月一项由《纽约时报》大教堂周围的灰尘比安全标准高出1300倍,覆盖了巴黎市中心的大部分地区。

这样的有毒物质接触每天都在世界各地发生,尽管规模要小得多。Jennifer Keir是加拿大渥太华大学的环境化学家和毒理学家,研究消防员接触重金属的情况。基尔解释说,大多数研究都关注了消防员在训练场景中的暴露情况,但训练房中燃烧的木托盘并不能反映真实火灾中污染物的种类。基尔说:“我们想要捕捉到在紧急情况下他们在工作中接触到的东西。”“所以我们与渥太华消防部门合作,研究了他们的尿液样本、皮肤湿巾和空气样本。我们发现他们受到了严重的辐射。在尿液代谢产物方面,我们看到消防员参加火灾后出现了巨大的峰值。基尔的样本在消防员防护装备下的皮肤上检测出了锑和铅等金属的浓度,多环芳烃的含量也有所增加。她说:“其中一些是生物积累。”“你会在几天内排出很多,但即使你排出了它们,它们仍然在造成伤害。基尔说,并非所有危险都来自火灾。 Often, protective equipment and firefighting foams include perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances (PFAS), a family of fluorinated compounds used as flame retardants and surfactants but已知对健康有害.她说:“不知怎么的,消防员似乎也有这种习惯。”

消防员明显暴露在污染物中

了解暴露只是基尔工作的一半。由于消防员无法避免暴露——在紧急救援过程中需要空气流动来保持凉爽,防止他们过热——她专注于火灾后的净化。“消防部门有一种做法,火灾发生后要立即擦拭,因为我们知道皮肤暴露在空气中。有些公司在推广湿巾,在消防员回到卡车上,回到车站洗澡之前,可以清洁皮肤。但目前还没有真正的科学研究来研究这一点,以及这些去污方法是否真的能消除他们所暴露的大量危害。“由于新冠肺炎大流行,基尔的工作目前被搁置,但一旦完成,将有助于在火灾发生时保护消防员。”

推倒标准

也许火灾科学家最大的作用就是从预防火灾开始。从法拉第的导师汉弗莱·戴维(Humphry Davy)在安全灯中的作用,到用于烟雾探测器的镅-241(地球上不存在的一种同位素)的创造,化学家在历史上一直参与消防安全工作。当本森看到格伦费尔灾难的发生时,正是这种对安全的追求让她惊骇不已。本森是伦敦南岸大学的高级讲师,她的主要兴趣是低压环境中的火灾,但她也曾与伦敦消防队合作,并对建筑材料的化学反应感兴趣。问题是安全标准就像火灾本身一样复杂。

她解释说:“我非常同情那些必须制定标准的人。”“对于沙发材料,我们可以说它必须在一段时间内抵抗一定瓦数的火焰。我们对建筑材料也是如此。问题是你可以选择很多不同的特征。这是一种东西,虽然你可以说某样东西不会迅速燃烧,但它仍然会产生烟雾。即使只是燃烧本身也是一个问题-你是在说抵抗点火,直到某一点才应该点燃吗?不同的材料可能有很高的自燃温度,但在暴露在明火中时会很快点燃。”

本森说,这只是第一个障碍。由于不完全燃烧,材料可能会形成碳炭层,因此即使着火也会很快熄灭。这可能比需要更长的时间来点燃,但不会停止燃烧的材料更安全。“然后你就可以在材料表面得到火焰的速度。还有热释放率,当一种材料快速释放大量能量时,在继续燃烧方面可能会更危险。”

我很同情那些必须制定标准的人

英国消防协会(FPA)对所进行测试的批评格伦费尔大厦外墙的缺陷引发了几个担忧。隔热材料由聚异氰尿酸酯制成,并通过建造一个三层楼高的塔进行测试。本森说:“在底部,他们创造了一个木制的婴儿床,一个木制的格子。”“使用它是为了有一个已知的热释放率,所以我们可以往回推断,这是一个很好的、干净的可比测试。”但FPA提出的观点是,它不能代表环境,因为它大部分是塑料,[比木材]有更高的热释放率……另一个很好的观点是,测试是在一个非常大的仓库里进行的,那里没有空气流动。我不知道你是否曾把手伸出过高楼的窗户外,但二三十层楼高的风是完全不同的。”

人们希望这些标准能够更新,以更好地反映现实世界,并防止类似格伦费尔的灾难再次发生。这项任务需要化学家和材料科学家与消防部门和建筑师合作。即使到那时,我们也只是刚刚开始了解火的奥秘,并应对它带来的极其复杂的科学挑战。

基特·查普曼是一名生活在英国南安普顿的科学作家