化學(xué)工業(yè)作為近代的新興領(lǐng)域，為社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)不竭動(dòng)力以及對(duì)我們的衣食住行帶來(lái)極大的便利。在早些年，人們對(duì)于化學(xué)的認(rèn)知可能更多地來(lái)源于生活，而隨著化學(xué)工業(yè)的飛速發(fā)展，構(gòu)建現(xiàn)代化學(xué)的理論體系愈來(lái)愈趨于完備和系統(tǒng)化。值得注意的是，在研究人員開(kāi)發(fā)新材料的過(guò)程中，如果化學(xué)反應(yīng)條件控制不當(dāng)，則可能會(huì)威脅到研究人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。在涉及化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生的事故通常分為這三類：爆炸、中毒以及火災(zāi)。這些事故通常會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)人員造成傷亡、財(cái)產(chǎn)損失以及對(duì)周?chē)h(huán)境的污染，有時(shí)甚至?xí)斐筛鼮閲?yán)重的次生災(zāi)害。與其他類型的事故相比，爆炸往往發(fā)生得更快、更強(qiáng)烈、更具破壞性。由于應(yīng)急反應(yīng)滯后，在爆炸事故發(fā)生后，造成的損害及影響可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，爆炸通常發(fā)生在反應(yīng)過(guò)程中，并且在高溫、高壓的封閉系統(tǒng)中更為常見(jiàn)。
【警鐘長(zhǎng)鳴 實(shí)驗(yàn)室爆炸事故(部分)】
2009年7月3日中午12時(shí)30分，一氧化碳中毒事件：浙大化學(xué)系教師莫某某、浙江某高校教師徐某某，于事發(fā)當(dāng)日在化學(xué)系催化研究所做實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，存在誤將本應(yīng)接入307實(shí)驗(yàn)室的一氧化碳?xì)怏w接至通向211室輸氣管的行為，博士研究生于某昏厥倒在催化研究所211室并死亡。
川大化工實(shí)驗(yàn)室發(fā)生爆炸，3名學(xué)生受傷。2011年4月14日15時(shí)45分，四川大學(xué)江安校區(qū)第一實(shí)驗(yàn)樓B座103化工學(xué)院一實(shí)驗(yàn)室，3名學(xué)生在做常壓流化床包衣實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)物料意外爆炸，導(dǎo)致3名學(xué)生受傷。
南京理工大學(xué)廢棄實(shí)驗(yàn)室爆炸致1死3傷。2013年4月30日上午9點(diǎn)左右，南京理工大學(xué)校內(nèi)一廢棄實(shí)驗(yàn)室拆遷施工發(fā)生意外爆炸，現(xiàn)場(chǎng)施工的4名工人2名重傷，2名輕傷，其中1名重傷人員經(jīng)醫(yī)院搶救無(wú)效死亡。
清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆炸事件。2015年12月18日上午10時(shí)10分左右，清華大學(xué)化學(xué)系何添樓二層的一間實(shí)驗(yàn)室發(fā)生爆炸火災(zāi)事故，一名正在做實(shí)驗(yàn)的孟姓博士后當(dāng)場(chǎng)死亡（突發(fā)！清華大學(xué)一實(shí)驗(yàn)室發(fā)生爆炸 事故造成一名博后死亡）。
2016年5月23日，上海青浦區(qū)發(fā)生一起工廠爆炸事故致華東理工一研究生及兩名工人死亡。(【悲劇】華東理工研究生在導(dǎo)師工廠爆炸中遇難)。
2016年9月21日上午10點(diǎn)30分左右，位于上海松江大學(xué)園區(qū)的東華大學(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院一實(shí)驗(yàn)室發(fā)生爆炸，兩名學(xué)生受重傷（關(guān)注 | 東華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆炸受傷學(xué)生訴學(xué)校 雙方同意調(diào)解）。
北京交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆炸事故。2018年12月26日15時(shí)，北京交通大學(xué)市政環(huán)境工程系學(xué)生在學(xué)校東校區(qū)2號(hào)樓環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行垃圾滲濾液污水處理科研實(shí)驗(yàn)期間，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生爆炸，事故造成3名參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生死亡（北交實(shí)驗(yàn)室爆炸事故調(diào)查報(bào)告公布：操作不規(guī)范，親人兩行淚）。
【研究成果】
實(shí)驗(yàn)室安全建設(shè)成為近些年人們所關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，也是教育主管部門(mén)嚴(yán)抓的重點(diǎn)問(wèn)題。一些關(guān)于實(shí)驗(yàn)室安全建設(shè)的研究也相繼開(kāi)展。近日，中科院福建物質(zhì)研究所李志華與王維課題組在化學(xué)反應(yīng)爆炸機(jī)理方面取得進(jìn)展。作者以鋅(II)-2,9,16,23-四羰基酞菁的合成為例子，采用熱分析法研究化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中爆炸的熱穩(wěn)定性，分析了化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生爆炸的原因，并提出了加強(qiáng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室防爆工作的技術(shù)要領(lǐng)和管理措施。該工作以標(biāo)題“Lesson Learned from an Explosion during Chemical Synthesis: Discussion and Preventative Strategies” 發(fā)表于ACS系列新刊ACS Chemical Health & Safety上。文章的第一作者是中科院福建物質(zhì)研究所李志華教授，中科院福建物質(zhì)研究所李志華教授和王維教授為本文的通訊作者。
【事故細(xì)節(jié)】
圖1 鋅（II）-2,9,16,23-四羰基酞菁的合成過(guò)程。
圖2 鋅（II）-2,9,16,23-四羰基酞菁的合成裝置。
作者以合成鋅（II）-2,9,16,23-四羰基酞菁的實(shí)驗(yàn)為事例，講述了事故的起因。以2,9,16,23-四甲氨基酞菁鋅（中間體）為原料，在鉬酸銨、醋酸鋅、尿素（大大過(guò)量）和氯化銨的存在下，在200 ℃下合成了Zn（II）-2,9,16,23-四甲氧基酞菁。得到中間體后，混合物在堿性條件下進(jìn)一步水解，得到目標(biāo)產(chǎn)物Zn（II）-2,9,16,23-四羰基酞菁。通常，2,9,16,23-四甲氨基酞菁鋅中間體的合成在油浴中進(jìn)行，使用500 mL三頸圓底燒瓶，該燒瓶配備有循環(huán)水作為冷卻劑的阿林冷凝器。事故當(dāng)天上午9:00，一名研究人員進(jìn)行了兩個(gè)相同的實(shí)驗(yàn)，冷卻水依次流過(guò)兩個(gè)阿林冷凝器。在圓底燒瓶中加入48.0 g偏苯三酸酐、23.0 g乙酸鋅、2.0 g四水鉬酸銨、2.0 g氯化銨和90.0 g尿素。并將燒瓶置于油浴中，在30分鐘內(nèi)將反應(yīng)溫度緩慢升高至200°C，此時(shí)，尿素和偏苯三酸酐熔化并溶解了所有其他化學(xué)品，這表明反應(yīng)按設(shè)計(jì)開(kāi)始。
【事故原因分析】
圖3 爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)照片。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)裝置的溫控系統(tǒng)及磁力攪拌系統(tǒng)運(yùn)行正常。可以肯定的是，反應(yīng)瓶中壓力過(guò)大是導(dǎo)致此次爆炸事故的直接原因。另外，值得注意的是，作者在此次實(shí)驗(yàn)中將反應(yīng)溫度由原本170℃升高至200℃下進(jìn)行，并且使用大量的偏苯三酸酐代替原有的偏苯三酸酐和鄰苯二甲酸酐，擴(kuò)大了反應(yīng)的總摩爾數(shù)。總體來(lái)講，此次爆炸事故主要源于反應(yīng)溫度的升高以及擴(kuò)大反應(yīng)的總摩爾數(shù)造成的。
圖4 熱分析技術(shù)模擬反應(yīng)過(guò)程。
為了進(jìn)一步探明此次爆炸前，反應(yīng)體系中發(fā)生的變化，作者采用熱分析技術(shù)來(lái)模擬反應(yīng)發(fā)生的過(guò)程。發(fā)現(xiàn)，在封閉系統(tǒng)中進(jìn)行相同反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)的熱行為似乎與開(kāi)放體系下有所不同。DSC結(jié)果表明，在110°C附近發(fā)生放熱過(guò)程，隨后，在高達(dá)200°C的溫度范圍內(nèi)，持續(xù)吸熱過(guò)程占主導(dǎo)地位。因?yàn)槟蛩胤纸馍傻臍怏w分子較少，與2,9,16,23-四甲氨基酞菁鋅相比，生成的小分子氣體有可能阻止平衡向正向進(jìn)行。紅外光譜結(jié)果表明，混合物在120 ℃下反應(yīng)1h后，反應(yīng)混合物在化學(xué)性質(zhì)上保持相似（具有類似的紅外吸收）。在110 ℃附近的放熱過(guò)程可能是偏苯三酸酐水解形成偏苯三甲酸，引發(fā)反應(yīng)。相反，混合物在200 ℃下反應(yīng)后，可以從紅外光譜中證實(shí)酞菁環(huán)的形成，同時(shí)也證實(shí)混合物在200 ℃反應(yīng)后形成了2,9,16,23-四甲氨基酞菁鋅。
值得指出的是，讀者可能不明白為什么要在反應(yīng)裝置中加入阿林冷凝器。這主要是因?yàn)榉磻?yīng)回流溶劑少，反應(yīng)系統(tǒng)中加入阿林冷凝器可能主要用于收集尿素/縮二脲蒸汽，并防止通風(fēng)柜受到尿素污染。因此，問(wèn)題的關(guān)鍵在于，固體在冷凝管中堵塞并將反應(yīng)系統(tǒng)變?yōu)榉忾]系統(tǒng)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)者在之前的反應(yīng)之后清洗器皿時(shí)，在阿林冷凝器中觀察到一些白色固體冷凝物。
圖5 封閉反應(yīng)系統(tǒng)中存在的四個(gè)誘發(fā)爆炸的因素。
從我們熟知的PV=nRT理想氣體定律中不難看出，在封閉系統(tǒng)中，壓力與溫度和物質(zhì)的量成正比，而與體積成反比。因此，增加封閉系統(tǒng)中的氣體量、升高溫度或減小系統(tǒng)體積都會(huì)導(dǎo)致體系的壓力增大，從而可能導(dǎo)致爆炸。
容器損壞：容器損壞將導(dǎo)致氣體釋放失控，導(dǎo)致爆炸。如果高壓容器壁受到破壞（如沖擊、腐蝕、火災(zāi)等），其最大承壓能力可能會(huì)顯著降低。事實(shí)上，由于操作或儲(chǔ)存不當(dāng)而導(dǎo)致的壓縮氣瓶爆炸，已經(jīng)多次被報(bào)道。
系統(tǒng)體積的減小：當(dāng)溫度保持不變時(shí)，氣體的壓力與其體積成反比。對(duì)于一個(gè)有氣體輸入或開(kāi)放的系統(tǒng)，當(dāng)氣體出口堵塞時(shí)，系統(tǒng)變成一個(gè)壓力增大的封閉系統(tǒng)。在這種情況下，氣體體積從無(wú)窮大的值（開(kāi)放系統(tǒng)）變?yōu)楣潭ㄖ怠３掷m(xù)供氣時(shí)可能引發(fā)爆炸。在上述事故中，尿素蒸汽和副產(chǎn)物冷凝堵塞冷凝管，形成一個(gè)封閉系統(tǒng)，導(dǎo)致爆炸。
溫度升高：升溫對(duì)封閉體系反應(yīng)主要有兩個(gè)影響。首先，根據(jù)理想氣體定律，一定量氣體的壓力與其絕對(duì)溫度成正比增加。如果反應(yīng)過(guò)熱（例如，由溫度控制器故障引起），反應(yīng)系統(tǒng)的壓力將急劇增加，并可能超過(guò)容器的設(shè)計(jì)極限，這通常會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的爆炸。第二，溫度升高會(huì)使大多數(shù)反應(yīng)的反應(yīng)速率進(jìn)行得更快。如果反應(yīng)是放熱的，所產(chǎn)生的熱量將進(jìn)一步加快反應(yīng)速度，可能導(dǎo)致爆炸。另一方面，如果反應(yīng)系統(tǒng)或恒壓容器從環(huán)境中獲得額外的能量（例如來(lái)自火、輻射或陽(yáng)光照射），則系統(tǒng)溫度也會(huì)隨著壓力的同時(shí)升高而升高。在這種情況下，雖然能量輸入可能不足以加速反應(yīng)，但仍可能發(fā)生爆炸。
氣體的生成：當(dāng)封閉系統(tǒng)中氣體含量超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，反應(yīng)容器可能發(fā)生爆炸。產(chǎn)生大量氣體的常見(jiàn)原因主要包括：溫度失控引起的氣體產(chǎn)生、反應(yīng)物混合不足、反應(yīng)物劇烈分解、外部氣體突然引入等。同時(shí)，眾所周知，爆炸性化學(xué)物質(zhì)，如硝基化合物和含疊氮化物的化合物的分解，可能會(huì)導(dǎo)致大量的氣體產(chǎn)生。
【降低爆炸事故的措施】
在實(shí)際的化學(xué)反應(yīng)中，通常是多個(gè)不利因素導(dǎo)致爆炸事故。因此，在封閉系統(tǒng)中預(yù)防爆炸應(yīng)綜合考慮各種因素。在進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以采取各種技術(shù)和管理措施來(lái)有效地防止爆炸。首先，在實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施前進(jìn)行安全設(shè)計(jì)是關(guān)鍵步驟。其次，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)采取防爆措施（如設(shè)置防爆措施、防止溫度失控、監(jiān)測(cè)壓力等）。最后，在不進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)按規(guī)范對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢查和維護(hù)。
化學(xué)實(shí)驗(yàn)的安全設(shè)計(jì)：化學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)一般應(yīng)符合以下原則：
（1）有明確的研究目的；
（2）符合化學(xué)原理；
（3）在可行的條件下進(jìn)行；
（4）制定安全措施；
（5）保持環(huán)境的可持續(xù)性。
對(duì)于特定類型的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，如課堂演示或公共科學(xué)演示，除了滿足上述原則外，還有進(jìn)一步的要求。
溫度控制和保護(hù)裝置：眾所周知，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，可編程溫度控制器通常用于控制反應(yīng)系統(tǒng)的溫度。一般來(lái)說(shuō)，溫度控制可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)控制設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)控制設(shè)備通常包括溫度傳感模塊、溫度顯示模塊和加熱模塊。一旦在溫度控制器上發(fā)現(xiàn)異常行為，應(yīng)采取連鎖控制措施（如切斷反應(yīng)物進(jìn)料、改變加熱條件、改變攪拌速度等），以避免過(guò)熱。需要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于那些溫度敏感的反應(yīng)，在一個(gè)特定的操作過(guò)程中，可以使用多個(gè)設(shè)備來(lái)監(jiān)測(cè)反應(yīng)溫度。
壓力監(jiān)測(cè)和保護(hù)裝置：在密閉空間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，壓力監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。應(yīng)將泄壓閥、氣球或緩沖瓶集成到反應(yīng)系統(tǒng)中，以便在壓力超過(guò)設(shè)計(jì)極限時(shí)進(jìn)行泄壓。此外，應(yīng)特別將薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)成釋放壓力的反應(yīng)系統(tǒng)，特別是潛在的爆炸性反應(yīng)。當(dāng)產(chǎn)生異常高壓時(shí)，通過(guò)薄弱點(diǎn)泄壓可以有效地防止爆炸事故的發(fā)生。
