Odun ve Odun Esaslı Malzemelerin Yanma Mekanizması

Odun ve odun esaslı malzemelerde düşük ve yüksek sıcaklığın etkisiyle meydana gelen değişimleri kısaca şu şekilde özetlemek mümkündür.

Düşük sıcaklık işlemleri (200 ℃’ nin altındaki sıcaklıklarda) —Su uzaklaşması (100–120 ℃ )

—Düşük termal dekompozisyon reaksiyonların meydana gelmesi Yüksek sıcaklık işlemleri (200 ℃’nin üzerinde)

— Termal bozunma: Sıcaklık etkisi ile kimyasal bozunma —Yanma (Tutuşma)

—Kor haline gelme

—Duman oluşması (İlhan, 1988).

Burada, kısaca yüksek sıcaklık etkisiyle odunda ortaya çıkan kimyasal bozunmanın türleri ele alınarak açıklanacaktır.

4.3.1.1 Termal Bozunma

Odunun termal bozunması, 200 ℃’ nin üzerindeki sıcaklıklarda odun yapısında meydana gelen kimyasal bozunmalarla kendini göstermektedir. Genel anlamda odunun termal bozunması, asıl hücre çeperi bileşenlerinin (hemiselülozun, selülozun, ligninin ) termal bozunma reaksiyonlarının bir özeti olarak kabul edilmektedir.

Termogravimetrik analiz (TGA) sonuçlarına göre; selülozun kütle kayıpları yaklaşık 100 ℃’ de başlar, 100–300 ℃’ ler arasında yavaş olarak seyreder. Fakat 300 ℃ kütle kayıp oranı artış gösterir ve 400 ℃’ de başlangıçtaki kütlenin % 80’nin den fazlası uçuçu bileşikler haline dönüşür (Kotalainen, 2000). Selüloz yanabilen uçucu bileşiklerin meydana gelmesinden sorumlu olan asıl odun bileşenidir. Selülozda bozunma; dehidrasyon, hidroliz, oksidasyon, dekarboksilasyon vb. reaksiyonlar yoluyla olmaktadır. Selülozun termal bozunması su, asit ve oksijen varlığında hızlanabilmektedir. Sıcaklık arttıkça ise selülozun polimerizasyon derecesi azalmakta, ayrıca serbest radikaller ortaya çıkmakta ve karbonil, karboksil ve hidroperoksit grupları oluşmaktadır. Termal bozunma oranları ısı devam ettikçe artmaktadır.

Selülozun bozunması iki yolla oluşmaktadır. İlk yol düşük sıcaklık derecelerinde meydana gelirken bu sıcaklık derecelerinden sonra (yaklaşık 310 ℃) ise ikinci yol meydana gelmeye başlamaktadır. Sıcaklık, 450 ℃ civarına doğru arttıkça ise uçucu bileşiklerin meydana gelme süreci tamamlanır. Örnekte meydana gelen ağırlık kaybı ise kömürün bozunması sebebiyledir (Beall ve Eickner, 1970; Juneja, 1975; Nanassy ve

Fung, 1976; Kotalainen, 2000; Liodakis ve ark., 2003; Liu ve ark., 2004; Nassar ve MacKay, 1985; Plotnikova, 2003).

Şekil 4.3. Selülozun pirolizi ve yanması (Levan, 1989).

Hemiselülozlar, selülozdan termal olarak daha az stabildir. Bunun sebebi olarak kristalenliğin az olması gösterilmektedir. Bunun yanı sıra, hemiselülozun pirolizinde selüloza nazaran daha çok yanmayan gaz ve daha az kömürleşmiş kısımlar kalmaktadır. Termal bozunma yoğun olarak 200 ℃ ile 260 ℃ ’ ye kadar ki sıcaklıklarda gerçekleşir. Yapısının heterojen olması sebebiyle termal davranışlarının açıklanması kompleks bir durumdur. Ksilan(pentozan) odun selülozunda daha çok reaktiftir ve pentozanlar genelde bozunmaya ve bozunma reaksiyonlarına karşı daha çok meyillidir. Ayrıca, ksilan ve arabinogalaktanın termal reaksiyonlarının çoğu ekzotermiktir. Ksilan selülozdan sonra YA uçucu bozunma ürünlerinin en önemli kaynağıdır. Reaktifliği sebebiyle, ksilan piroliz reaksiyonunun başlama ve ilerleme aşamalarında büyük bir etki sahibidir (Kotailenen, 2000).

Lignin, odunun pirolizinde ekzotermik kademelerin asıl sorumlu faktörüdür. Ligninin pirolizinde karbon karbon ve eter bağları ayrılarak fenoller oluşmaktadır. Lignin, selülozun pirolizinden daha çok kömürleşmiş tabaka oluşturur. Ligninin yapısı genellikle çeşitli lignin piroliz ürünlerini belirlemek amacıyla kütle spektrometresi yardımıyla belirlenir. Yaklaşık 200 ℃’ de gerçekleşen dehidrasyon reaksiyonları ligninin termal bozunmasının asıl sorumlusudur. Kütle kayıpları bu sıcaklık derecesinde görülmeye başlanmakta, 150 ℃ ve 300 ℃’ ler arasında ise α- ve β-aril-alkil eter bağları meydana gelmektedir. Yaklaşık, 300 ℃’ de ise alifatik yan zincirler aromatik halkadan uzaklaşmaya başlamaktadır. Sonuç olarak; lignin yapı üniteleri arasındaki C-C bağları 370 ℃ - 400 ℃’ de ayrılmaktadır. Sıcaklık 720 ℃’ ye ulaştığında, başlangıçtaki lignin

kütlesinin yaklaşık % 50’ si kalır. Maksimum kütle kayıp sıcaklıkları, yüksek ısıtma oranlarına bağlı olarak artmaktadır (Levan, 1989).

4.3.1.2. Tutuşma

Odun ve odun esaslı materyaller bütün organik materyaller gibi yüksek sıcaklığa maruz kaldığında kimyasal olarak yapıları bozulmakta (piroliz) ve bunun sonucunda kömür ve gaz oluşturmaktadırlar (White ve Dietenberg, 1999). Odundan ayrılan gazlar, hava ile karşılaştığında, sıcaklığa bağlı olarak bir alev varlığında veya alev olmaksızın tutuşabilmektedir. Materyalin tutuşması ve yanması çok sayıda faktöre bağlı olarak gerçekleşmektedir. Bu faktörleri; materyalin yapısal özelliklerinden kaynaklanan faktörler ve çevresel koşullardan kaynaklanan faktörler şeklinde sınıflandırmak mümkündür. Odun türü, odunun anatomik özellikleri, kimyasal bileşimleri, yoğunluğu, rutubet miktarı, örnek boyutu ve geometrisi, kalınlığı, yüzey alanı, piroliz karakteristikleri, ısı iletkenlikleri materyal özelliklerinden kaynaklanan faktörler grubuna girerken; ısıtma miktarı, ısı kaynağı, maruz kalma süresi, ortamda var olan oksijen oranı, hava sirkülasyonu ve havalandırma ve sıcaklık ise çevresel koşullardan kaynaklanan faktörler grubuna girmektedir (White ve Nordheim, 1992; Holmes, 1974; Juneja, 1977; LeVan, 1984; Schartell ve Hull, 2007).

4.3.1.3. Kor Haline Gelme

Odun ve odun esaslı malzemeler, alev ile yandıktan sonra kor haline gelmekte ve bir süre daha kor halinde içten yanmaya devam etmektedirler. Bu aşama, ancak sıvı ve gaz fazların oluşmasıyla mümkündür. Karbon ile oksijenin birleşerek karbondioksit oluşturması iki aşamada meydana gelir.

1. C+1/2 O2 --- CO+26.43 kcal/mol (1. aşama yüzeyde gerçekleşir)

2. CO+1/2 O2 ---CO2+ 67.96 kcal /mol (2. aşama ise bir gaz fazı reaksiyonudur)

Bu ikinci aşamada, CO daha büyük bir enerji açığa çıkartmak suretiyle yanmaktadır. Yüzeydeki kömürleşme, yanma devam ederken 600–700 ℃’ da kendiliğinden oluşur. Korlaşma, kömür tabakasındaki karbonun yanmasının bir sonucudur ve bu aşama kömürün tamamen yanmasına kadar devam eder. Genellikle, etkili bir FR kimyasalının bu aşamada kömürleşme miktarını artırması ve böylece yanma direncini arttırması beklenilmektedir (İlhan, 1998).

4.3.1.4. Duman ve Gaz Oluşumu

Odun ve odun esaslı levha ürünlerinde yanma olayı tamamlandığında, ortamda oluşan ısı ve ışıktan başka çeşitli yanma ürünleri de meydana gelmektedir. Bu yanma ürünleri, duman ve uçucu gazlardır. Bu oluşumlar kolaylıkla ortamda yayılabilmekte, yanmanın kontrol altına alınması durumunda dahi yayılımlarını engellemek mümkün olamayabilmektedir. Tam yanmanın olmadığı durumlarda; karbonmonoksit; formik asit, asetik asit, metan ve diğer bazı gazlar ve buharlar da meydana gelmektedir. Duman ve gaz oluşumu, binalardaki yangın esnasında; insan hayatı için en büyük tehlikeyi oluşturan ve meydana gelen ölümlerin çoğuna sebep olan asıl etkendir (İlhan, 1998; Siau ve ark.,1975; Hull ve ark., 2002).