压汞实验

bossliu 通过bossliu

压汞实验

压汞实验用仪器为美国Quantachrome公司生产的PM33-GT-12型全自动压汞仪,该仪器低压测定范围介于1.5~350kPa,高压范围介于0.14~227MPa;可测得的孔直径大约在1000μm到0.007μm(70Å)范围内;压缩气体采用干燥、非腐蚀性N2,测量压力为420 kPa(60psi),冷阱中的冷却剂采用液氮。试验前选取测试样品在50℃温度下真空脱气6h,测试样品重量。汞表面张力为0.48N/m,汞与煤样接触角为140°。


由于汞不能对煤进行润湿,若将汞注入煤孔内,需克服孔喉产生的毛细管阻力。设煤圆柱形孔隙半径为 ,长度为 ,则产生浸润面积 所需要的功为:

压汞实验插图

参照国际标准《Pore size distribution and porosity of solid materials by mercury porosimetry and methane adsorption, Part 1: Mercury porosimetry》(ISO 15901-1: 2005),利用美国康塔公司设计制造的Pore Master-33型号自动压汞仪对不同粒径的煤样进行孔隙结构特性分析测定,该仪器低压站的测试范围为1.5-350 kPa,高压站测试范围为140 KPa~231 MPa,测量孔径范围在7~10000 nm。

依据Washburn公式,从进汞体积及压力数据可以得到煤样的:

  • 孔容
  • 孔比表面积
  • 孔长

同时还能获得:

  • 孔隙率
  • 曲折度

(反应孔隙结构特征的参数 )

由于高压段压汞压力会对孔基质进行压缩,形成更大的孔容,对实验结果造成影响,所以压汞实验多用来获取大中孔的结构及分布特性。


图1~图3绘出了压汞实验中不同粒径煤样的进退汞曲线。

对比三种煤样可以发现:

  • 对于大粒径煤样进退汞曲线在高压段(尾部)呈翘起状,而对于小粒径煤样,曲线在高压端呈现水平分布的情况。这主要是低压区(大孔径段)大量进汞造成的,其反应了小粒径煤体大孔径段孔容激增的现象
  • 观察各曲线的进退汞滞后环(迟滞现象),可以大致获得煤体孔隙的一些结构特征。目前对压汞滞后环的解释存在争议:
  1. 一种解释认为汞注入细孔的接触角(前进接触角)和从细孔流出来的(后退接触角)不同,在最初注汞时汞不受孔壁面作用的支配,但在退汞时在一定程度上与壁面作用有关系,需要更大的压力使之退出;
  2. 另一种解释为存在墨水瓶状的瓶颈孔,汞先进入细瓶颈孔会使注汞压力显著提高,从而造成计算的孔径小于未有瓶颈孔存在的开口孔孔径;另外,也有解释为注汞压力对孔隙结构造成破坏,使得孔结构产生不可逆变化,形成了滞后环差异。
  3. 需要注意的是,虽然上述解释中出现了墨水瓶状的细瓶颈孔的解释,但压汞曲线依然是在圆柱形孔的假设上得出的,相当于小半径圆柱孔与大半径圆柱孔相串联的墨水瓶状孔。而其他从压汞滞后环得出平板形孔、锥形孔等形状的结论是值得商榷的,不宜与液氮实验的孔形分析原理相混淆。
压汞实验插图(1)
图1 柳塔煤样进退汞曲线 (a:1-3 mm;b:0.5-1 mm;c:0.25-0.5 mm;d:0.2-0.25 mm;e:0.074-0.2 mm;f:~0.074 mm)
压汞实验插图(2)
图2 双柳煤样进退汞曲线 (a:1-3 mm;b:0.5-1 mm;c:0.25-0.5 mm;d:0.2-0.25 mm;e:0.074-0.2 mm;f:~0.074 mm)
压汞实验插图(3)
图3 大宁煤样进退汞曲线 (a:1-3 mm;b:0.5-1 mm;c:0.25-0.5 mm;d:0.2-0.25 mm;e:0.074-0.2 mm;f:~0.074 mm)

对比三种煤样的滞后环,发现双柳煤样的滞后环最小,大宁煤样和柳塔煤样相近。基于上述滞后环理论的分析,从不同角度可以得出以下结论:

  • 双柳煤样微孔较柳塔、大宁煤样少,孔壁作用力弱,滞后环小(解释一);
  • 柳塔、大宁煤样存在一定的墨水瓶孔(解释二);
  • 较之双柳煤样,压汞对柳塔、大宁煤样的孔隙结构产生了更大的破坏(解释三)。

从压汞实验得出的压缩系数可以反映出煤基质所受的压缩效应的大小,也能从侧面反映出孔隙结构受到的破坏大小,如表1所示。

表 1 压缩系数统计

压汞实验插图(4)

压缩系数定义为每单位压力固体体积的相对变化量,其与煤的体积模量成反比。柳塔煤样平均压缩系数为5.77×10-10 m2/N;大宁煤样次之,为3.99×10-10 m2/N;双柳煤样最小,为2.41×10-10 m2/N。说明双柳煤样受到的压缩效应最小,产生的孔隙变形也是最小,宏观表现出的滞后环亦是最小的。而柳塔煤样的大滞后环很可能是由于煤体基质压缩导致孔隙结构变化引起的。

延伸阅读:基于压汞试验的煤可压缩性研究及压缩量校正 (提取码:rbnt)

而对于同一种变质程度不同粒径的煤样,滞后环形状的差异也主要体现在低压段,对于高压部分在统一纵坐标范围的情况下,形状基本一致(以大宁煤样为例,如图4所示)。这也说明就损伤过程来讲,并未对微孔的形态和结构造成太大的破坏。

压汞实验插图(5)
图4 大宁煤样不同粒径滞后环对比

从压汞实验中还可以得到煤粒的孔隙率和曲折度大小,这两个参数常用于表征多孔介质长时间扩散系数的变化规律。

如图5所示,各煤粒的孔隙率随着粒径的减小而大致呈增大趋势,说明煤粒损伤增加了开孔的数量。柳塔煤样从1-3 mm处的8.9%先降低至0.5-1 mm处的5.7%,随后直线升高至~0.074 mm处的12.6%;双柳煤样从1-3 mm处的3.6%先波动至0.5-1 mm处的2.8%,后又缓慢上升至~0.074 mm处的4.1%;大宁煤样1-3 mm处的粒内孔隙率为2.4%,后呈对数形式上升至~0.074 mm处的9.0%。

压汞实验插图(6)
图5 粒内孔隙率和曲折度随粒径的变化(a:粒内孔隙率;b:曲折度)

而对于曲折度,其随粒径变化的规律不明显,三种煤样均是在某一范围内波动,这说明控制煤粒曲折度的孔隙系统应是微孔系统,而微孔在煤粒损伤过程中并未收到大的破坏,所以煤样的曲折度并未产生大的变化

  • 柳塔煤样最小值出现在0.25-0.5 mm处(1.80),最大值出现在0.5-1 mm处(2.12),平均曲折度为2.0;
  • 双柳煤样最小值出现在0.2-0.25 mm处(1.76),最大值出现在1-3 mm处(2.15),平均曲折度亦为2.0;
  • 大宁煤样最小值出现在0.2-0.25 mm处(1.95),最大值出现在1- 3mm处(2.19),平均曲折度为2.04。所以在公式推导计算时可以取平均值2作为曲折度大小。

关于作者

bossliu

bossliu administrator

清醒 专注 努力

发表评论

Captcha Code