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1、第26卷第5期Vol.26No.5煤炭學(xué)報2001年10月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYC)ct.2001文章編號:0253一9993(2001)05一0552一05低溫氮吸附法與煤中微孔隙特征的研究陳萍，唐修義(淮南工業(yè)學(xué)院資源與環(huán)境工程系，安徽淮南232001)摘要:對不同礦區(qū)24個煤樣作了低溫氮吸附試驗，分析了吸附等溫線及吸附回線的形態(tài)、類型，劃分出L1,L2,L3型3種煤的低溫氮吸附回線類型，討論了其與煤中微孔隙發(fā)育特征的關(guān)系.試驗結(jié)果表明，煤中孔隙是從小至分子級(孔徑約0.86nm)大至無上限的較連續(xù)的孔系統(tǒng)，其中孔形結(jié)
2、構(gòu)可分為:開放型透氣性I類孔;一端封閉的不透氣性II類孔;細頸瓶形ul類孔.煤中孔徑約小于3nm的孔大多為一端封閉的n類孔;細頸瓶形孔的瓶頸直徑也在3nm左右關(guān)鍵詞:煤中微孔隙;吸附等溫線;吸附回線中圖分類號:TQ531.1文獻標識碼:A煤是一種多孔物質(zhì).煤中孔隙的性質(zhì)(如大小、形態(tài)及其發(fā)育規(guī)律)直接關(guān)系到煤中氣體(主要是甲烷)的吸附性、解吸性及其在煤層中的流動性.隨著近年來越來越引起人們重視的煤層氣資源的開發(fā)與利用，研究煤的孔隙特征已成為一項重要的基礎(chǔ)性工作〔‘，“〕.用物理吸附作用原理分析測定吸附劑的比表面及微孔的特征，在化工行業(yè)已廣泛使用[[3
3、,43.低溫氮吸附法是最常用的方法，筆者將此方法用于煤中孔隙的研究，取得了一些有意義的研究成果.1煤的低溫氮吸附等溫線特征及其孔意義物理吸附的大量實驗研究表明，吸附等溫線可分為5種表1煤樣采集地點類型(3,53.5種吸附等溫線類型反映了吸附劑不同的表面性Table1Samplingsitesofcoal質(zhì)、孔分布性質(zhì)及吸附質(zhì)與吸附劑相互作用的性質(zhì).本次試礦區(qū)礦名成煤時代煤層驗采用ASAP一2000型測定儀(煤炭科學(xué)研究總院撫順分院沈陽海河礦第三紀甲提供)對采自6個礦區(qū)11個煤層的24個煤樣(表1)作了撫順老虎臺礦第三紀本層煤低溫氮吸附試驗，結(jié)果表明，
4、不同煤樣的低溫氮吸附等溫線神府大柳塔礦侏羅紀2一2的形態(tài)均屬于第II型[33(圖1).吐哈盆地艾維爾溝礦侏羅紀5從圖中可以看出，曲線的前半段上升緩慢，并呈向上凸淮北袁莊礦二疊紀3的形狀，表明為由單分子層向多分子層吸附過渡的階段;而淮北海孜礦二疊紀3在后半段，曲線急劇上升，表明在煤內(nèi)較大的孔里發(fā)生了毛淮北張莊礦二疊紀3細凝聚造成吸附量的急劇增大:淮北岱河礦二疊紀‘3已知液氮的表面張力Y二8.85X10-3N/m，摩爾體積淮北百善礦二疊紀淮北楊莊礦二疊紀Vm=34.65X10一4襯，溫度T=77.3K，接觸角甲=00,淮南謝二礦二疊紀R二8.315J/(
5、K"mol)，當(dāng)相對壓力小于0.11時，根據(jù)收稿日期2001-04一18落金項目安徽省教育廳自然科學(xué)基金資助項目(99JL0197)萬方數(shù)據(jù)第5期陳萍等:低溫氮吸附法與煤中微孔隙特征的研究’1.2}{-0onR仁/登-一’一I/IM&I一一尸/參00.4r.一一._’0一一了了0.不0.6-一百.8一1.00‘0.20.40.6礦『下。相對壓力P/P.相對壓力P/Pe(b).08妙妙，，喇訓(xùn)V.O盆哪蓄0.40.2。一一0.2一0.40.60.81.0相對壓力P/Po相對壓力P/P,(c)圖1不同煤樣的低溫氮吸附等溫線Fig.1Adsorptioni
6、sothermsofdifferentcoalsamples(a)淮北楊莊煤樣;(b)淮南B11b煤樣;(c)淮北貧煤煤樣;(d)新班土哈煤樣Kelvin方程計算，產(chǎn)生毛細凝聚的最大孔半徑為rk=一2YVmcosgyp/RTlnx=一2x8.85x10-3x34.65x10一4x1/8.315x77.3XIn0.11=0.43nm.在如此小的毛細孔隙里，氮氣分子(分子直徑約為0.43nm)只能以單個排列的方式充填在里邊，而不可能再進行多分子層吸附，所以當(dāng)相對壓力小于0.11時，發(fā)生的只是在超微孔中的毛細充填以及在較大孔壁上的單分子層吸附.當(dāng)相對壓力大
7、于0.11時，半徑小于0.43nn(直徑小于0.86nn)的超微孔都已被填滿，在較大孔壁上單分子層排布的分子數(shù)增多，甚至在某些表面張力的集中點進行了多層排布.相對壓力逐漸增大，單分子層排滿，吸附層加厚，當(dāng)相對壓力和某種孔的孔半徑rk符合Kelvin方程時，便會在這種孔半徑的孔里發(fā)生毛細凝聚[51，造成吸附量增多;相對壓力繼續(xù)增大，吸附層進一步加厚，同時也會在相應(yīng)較大半徑的孔里發(fā)生毛細凝聚[’];當(dāng)相對壓力接近1時，便會在更大的孔里發(fā)生毛細凝聚，造成吸附量的急劇增大，等溫線急劇上升.不同煤的低溫氮吸附等溫線顯示(圖1)，雖然它們在形態(tài)上稍有差別，但它們
8、都是屬于n型的，意味著煤中的孔是從小至分子級孔(孔徑約0.86nm)，大至無上限孔(當(dāng)然這是相對的)的較連續(xù)
