연소의 원리와 소화 방식

연소는 가연물, 열, 산소라는 세 가지 조건이 충족될 때 시작된다. 이후 연소가 지속되는 과정에서는 자유 라디칼이 중심적인 역할을 한다. 자유 라디칼은 화학적으로 매우 불안정한 입자로, 연소 과정에서는 높은 온도에 의해 가연물 분자가 쪼개지면서 생성된다. 이렇게 생성된 자유 라디칼은 주변의 다른 분자와 연쇄적으로 반응하면서 그 수가 기하급수적으로 증가하고, 이로 인해 연소 반응의 속도가 폭발적으로 올라가 화재의 규모가 커진다. 따라서 자유 라디칼의 ⓐ수를 통제하는 것은 연소를 억제하는 소화 과정의 핵심이라 할 수 있다.

소화 방식에는 물리적 소화 방식과 화학적 소화 방식이 있고 물리적 소화 방식은 다시 냉각소화와 질식소화로 나뉜다. 냉각소화는 물이나 액화 이산화 탄소 등의 냉각제를 화염에 분사하여 자유 라디칼의 생성에 필요한 열을 제어하는 방식이다. 이 방식은 단위 시간당 가연물에서 방출되는 열의 양인 열 방출률과 단위 시간당 냉각제가 제거하는 열의 양인 열 제거율의 관계로 설명할 수 있다. 열이 제어되었다는 것은 기화 과정에서 냉각제의 열 제거율이 가연물의 열 방출률을 초과했다는 것으로, 열 방출률은 일반적으로 가연물이 천천히 연소할수록 낮은 값을 갖는다. 냉각제 분사로 ⓑ온도가 낮아지면 가연물에서 나온 가연성 기체와 산소 분자들의 운동 에너지가 감소하고 이에 따라 활성 분자의 수도 급감한다. 이때 화학 반응의 속도를 나타내는 반응 속도 상수는 활성 분자의 수에 정비례하므로 그 값이 급격히 감소한다. 활성 분자의 수가 줄어들어 자유 라디칼이 새롭게 생성되는 속도가 느려짐으로써 화염이 약해지는 것이다. 한편 냉각제가 기화하는 과정에서 부피가 팽창하기 때문에 주변의 산소 농도가 낮아지는 현상이 수반되며 이 역시 소화에 기여한다.

질식소화는 불활성 기체나 고체 분말을 살포하여 주변의 산소 농도를 한계 산소 농도 이하로 낮추는 방식이다. 한계 산소 농도란 연소가 지속적으로 유지되기 위해 필요한 최소한의 산소 농도를 의미하며, 가연물마다 고유의 값을 가진다. 일반적으로 가연물 일정량이 완전히 연소할 때 방출하는 열에너지의 총량인 연소열이 클수록 한계 산소 농도가 낮다. 연소 구역 내의 산소 농도가 한계 산소 농도 이하로 낮아지면 자유 라디칼 생성 반응의 빈도가 줄어 연쇄 반응이 둔화되고, 그로 인해 가연물이 방출하는 열의 양이 자연적으로 소실되는 열의 양보다 적어지는 열 균형의 붕괴가 일어나 화염이 약해진다.

화학적 소화 방식인 억제 소화는, 화염에 분사된 억제제가 높은 온도에서 분해되면서 방출한 포획제를 통해 이미 ⓒ활동 중인 자유 라디칼을 직접 제거하는 것이다. 억제제의 종류에 따라 ⓓ분해되는 온도는 다른데, 분자 내 결합력이 강한 억제제일수록 분해에 더 높은 온도가 필요하다. 포획제는 자유 라디칼과 결합하여 안정된 분자를 만들고, 이 과정이 반복되면서 화염이 약해진다.

배터리와 같은 특정 가연물에서 발생한 화재는 자유 라디칼을 통제하는 방식만으로는 완전한 소화가 어렵다. 가연물 내부에서 발열 반응이 연쇄적으로 지속되는 열 폭주 현상이 일어나, 연소에 필요한 조건이 외부로부터 유입되지 않아도 자체적으로 생성되기 때문이다. 따라서 열 폭주 현상을 제어하기 위해서는 냉각제를 가연물에 지속적으로 분사하여 열이 내부에 축적되는 것을 막아야 한다. 내부에 열이 남은 경우 가연물의 온도가 열 폭주를 일으키는 온도 이상으로 상승하여 재발화가 일어날 수 있다. 따라서 ⓔ충분히 지속적인 냉각이 이루어져야만 소화가 완료된다.