低温氮吸附法与煤中微孔隙特征的研究

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1、第26卷第5期Vol.26No.5煤炭学报2001年10月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYC)ct.2001文章编号:0253一9993(2001)05一0552一05低温氮吸附法与煤中微孔隙特征的研究陈萍，唐修义(淮南工业学院资源与环境工程系，安徽淮南232001)摘要:对不同矿区24个煤样作了低温氮吸附试验，分析了吸附等温线及吸附回线的形态、类型，划分出L1,L2,L3型3种煤的低温氮吸附回线类型，讨论了其与煤中微孔隙发育特征的关系.试验结果表明，煤中孔隙是从小至分子级(孔径约0.86nm)大至无上限的较连续的孔系统，其中孔形结

2、构可分为:开放型透气性I类孔;一端封闭的不透气性II类孔;细颈瓶形ul类孔.煤中孔径约小于3nm的孔大多为一端封闭的n类孔;细颈瓶形孔的瓶颈直径也在3nm左右关键词:煤中微孔隙;吸附等温线;吸附回线中图分类号:TQ531.1文献标识码:A煤是一种多孔物质.煤中孔隙的性质(如大小、形态及其发育规律)直接关系到煤中气体(主要是甲烷)的吸附性、解吸性及其在煤层中的流动性.随着近年来越来越引起人们重视的煤层气资源的开发与利用，研究煤的孔隙特征已成为一项重要的基础性工作〔‘，“〕.用物理吸附作用原理分析测定吸附剂的比表面及微孔的特征，在化工行业已广泛使用[[3

3、,43.低温氮吸附法是最常用的方法，笔者将此方法用于煤中孔隙的研究，取得了一些有意义的研究成果.1煤的低温氮吸附等温线特征及其孔意义物理吸附的大量实验研究表明，吸附等温线可分为5种表1煤样采集地点类型(3,53.5种吸附等温线类型反映了吸附剂不同的表面性Table1Samplingsitesofcoal质、孔分布性质及吸附质与吸附剂相互作用的性质.本次试矿区矿名成煤时代煤层验采用ASAP一2000型测定仪(煤炭科学研究总院抚顺分院沈阳海河矿第三纪甲提供)对采自6个矿区11个煤层的24个煤样(表1)作了抚顺老虎台矿第三纪本层煤低温氮吸附试验，结果表明，

4、不同煤样的低温氮吸附等温线神府大柳塔矿侏罗纪2一2的形态均属于第II型[33(图1).吐哈盆地艾维尔沟矿侏罗纪5从图中可以看出，曲线的前半段上升缓慢，并呈向上凸淮北袁庄矿二叠纪3的形状，表明为由单分子层向多分子层吸附过渡的阶段;而淮北海孜矿二叠纪3在后半段，曲线急剧上升，表明在煤内较大的孔里发生了毛淮北张庄矿二叠纪3细凝聚造成吸附量的急剧增大:淮北岱河矿二叠纪‘3已知液氮的表面张力Y二8.85X10-3N/m，摩尔体积淮北百善矿二叠纪淮北杨庄矿二叠纪Vm=34.65X10一4衬，温度T=77.3K，接触角甲=00,淮南谢二矿二叠纪R二8.315J/(

5、K"mol)，当相对压力小于0.11时，根据收稿日期2001-04一18落金项目安徽省教育厅自然科学基金资助项目(99JL0197)万方数据第5期陈萍等:低温氮吸附法与煤中微孔隙特征的研究’1.2}{-0onR仁/登-一’一I/IM&I一一尸/参00.4r.一一._’0一一了了0.不0.6-一百.8一1.00‘0.20.40.6矿『下。相对压力P/P.相对压力P/Pe(b).08妙妙，，喇训V.O盆哪蓄0.40.2。一一0.2一0.40.60.81.0相对压力P/Po相对压力P/P,(c)图1不同煤样的低温氮吸附等温线Fig.1Adsorptioni

6、sothermsofdifferentcoalsamples(a)淮北杨庄煤样;(b)淮南B11b煤样;(c)淮北贫煤煤样;(d)新班土哈煤样Kelvin方程计算，产生毛细凝聚的最大孔半径为rk=一2YVmcosgyp/RTlnx=一2x8.85x10-3x34.65x10一4x1/8.315x77.3XIn0.11=0.43nm.在如此小的毛细孔隙里，氮气分子(分子直径约为0.43nm)只能以单个排列的方式充填在里边，而不可能再进行多分子层吸附，所以当相对压力小于0.11时，发生的只是在超微孔中的毛细充填以及在较大孔壁上的单分子层吸附.当相对压力大

7、于0.11时，半径小于0.43nn(直径小于0.86nn)的超微孔都已被填满，在较大孔壁上单分子层排布的分子数增多，甚至在某些表面张力的集中点进行了多层排布.相对压力逐渐增大，单分子层排满，吸附层加厚，当相对压力和某种孔的孔半径rk符合Kelvin方程时，便会在这种孔半径的孔里发生毛细凝聚[51，造成吸附量增多;相对压力继续增大，吸附层进一步加厚，同时也会在相应较大半径的孔里发生毛细凝聚[’];当相对压力接近1时，便会在更大的孔里发生毛细凝聚，造成吸附量的急剧增大，等温线急剧上升.不同煤的低温氮吸附等温线显示(图1)，虽然它们在形态上稍有差别，但它们

8、都是属于n型的，意味着煤中的孔是从小至分子级孔(孔径约0.86nm)，大至无上限孔(当然这是相对的)的较连续