إمكانية تطبيق نموذج امتزاز لتحليل بنية مسام الفحم بواسطة امتزاز N2

لماذا تهم الفراغات الدقيقة في الفحم

قد يبدو الفحم صخرًا أسود جامدًا، لكن تحت المجهر يشبه الإسفنج المليء بالثقوب الصغيرة. تتحكم هذه الفراغات الخفية في كمية غاز الميثان التي يمكن للفحم احتجازها ومدى سهولة هروب هذا الغاز إلى المناجم أو استخراجه كوقود. يطرح هذا البحث سؤالًا بسيطًا لكنه مهمًا: كيف يمكننا أن «نرى» ونقيس هذه المسام غير المرئية بدقة أكبر، حتى نتمكن من التنبؤ بشكل أفضل بتخزين الغاز، وتسرباته، وسلامة وكفاءة التعدين واستخراج غاز الفحم؟

النظر داخل الفحم بواسطة غاز بارد

درس الباحثون ستة عينات فحم من مناجم صينية شملت درجات تَفَحُّل منخفضة ومتوسطة وعالية، من فحم غازي طري إلى أنثراسيت صلب. استخدموا تقنية مخبرية راسخة تُسمى امتزاز النيتروجين عند درجة حرارة منخفضة، حيث يُسمح لغاز النيتروجين عند درجات حرارة منخفضة جدًا بالتغلغل حول الفحم المطحون. كلما امتص السطح كمية أكبر من الغاز عند ضغوط مختلفة، ازداد ما نعرفه عن عدد المسام وحجمها وكيفية اتصالها. أشارت منحنيات «التساوي الحراري» المقاسة — التي تُظهر امتصاص الغاز مقابل الضغط — إلى أن فحوم الرتب المنخفضة والمتوسطة تحتوي على العديد من المسام المتوسطة الحجم، بينما تهيمن المسام شديدة الصغر على أصعب أنواع الفحم.

المقاييس القديمة للمسام ليست كافية

لتحويل هذه المنحنيات إلى صورة عن أحجام المسام والحجم الكلي لها، يعتمد العلماء على نماذج رياضية. تتخيل النماذج التقليدية، مثل BET وBJH، أسطحًا ناعمة مثالية وأشكال مسامية بسيطة. تعمل هذه النماذج بشكل معقول للمسام متوسطة الحجم، لكنها تواجه صعوبة مع التجاويف الأصغر، وهي حاسمة في الفحم. تنتقل نماذج نظرية الدالة الكثافية الحديثة إلى مستوى جزيئي، لكن نسخة مستخدمة على نطاق واسع لا تزال تفترض جدرانًا داخلية ناعمة وموحدة تمامًا. الفحم الحقيقي ليس كذلك على الإطلاق: أسطحه الداخلية خشنة ومتنوعة كيميائيًا ومترابطة في شبكات معقدة. عندما قارن الفريق عدة نماذج عبر العينات الست، وجدوا أن العديد من هذه الأدوات القديمة إما تبالغ أو تقلل في تقدير خصائص أساسية مثل المساحة السطحية وحجم المسام، لا سيما في فحوم الدرجة العالية والمعدلة بشدة.

نموذج أدق للواقع الخشن

جوهر الدراسة هو نهج محسن يُسمى نظرية الدالة الكثافية الصلبة المجمّدة (QSDFT). على عكس النماذج التي تصوّر قنوات زجاجية ناعمة، تبني QSDFT خشونة السطح و"بقاع الطاقة" مباشرة في الحساب. ولاء الباحثون هذا النموذج، إلى جانب نماذج أخرى، لبيانات النيتروجين وقيموا مدى انحراف كل نموذج عن القياسات. عبر درجات الفحم المختلفة، أنتجت QSDFT أخطاءً أصغر باستمرار، غالبًا أقل من جزء مئوي واحد، بينما قد تكون النماذج المثالية أبعد بأكثر من عشرة بالمئة في بعض الفحوم الصعبة. عبر تعديل QSDFT أكثر لتلائم أشكال المسام المختلفة، أظهر الفريق أن فحوم الرتبة المنخفضة والمتوسطة توصف أفضل بوجود مسام أسطوانية إلى حد كبير، بينما تتطلب الفحوم عالية الرتبة مزيجًا من شقوق رفيعة وأسطوانات لمطابقة الواقع.

كيف تتغير أنماط المسام مع نضج الفحم

بما أن لديهم نموذجًا موثوقًا، قام المؤلفون بعد ذلك برسم كيفية توزيع أحجام المسام في كل عينة. في فحوم الرتب المنخفضة والمتوسطة، لاحظوا حزامين رئيسيين من المسام: صغيرة جدًا حول واحد إلى اثنين من الأنغسترومات (أي مليار من المتر)، ومجموعة ثانية من المسام الأكبر والمتوسطة الحجم من نحو خمسة إلى خمسة وثلاثين نانومترًا. في فحوم الرتبة الأعلى، تغير المشهد: جاء الإشارة الأقوى من مسام عرضها بضعة نانومترات فقط، بينما كانت المسام المتوسطة أكثر تشتتًا. عند جمع الحجم عبر الأحجام المختلفة، سيطرت المسام الأصغر من عشرة نانومترات على الإجمالي في جميع العينات، مما يؤكد أن هذه الفراغات الدقيقة هي مواقع التخزين الرئيسية للغاز. شكلت المسام الكبيرة جدًا حصة صغيرة فقط من الإجمالي، مساهمةً بقليل في قدرة الاحتفاظ بالغاز.

ما معنى هذا للغاز والسلامة

لغير المتخصصين، الخلاصة أن ليس كل الفحم متساوٍ فيما يتعلق بحجز وإطلاق الميثان. مع نضج الفحم من طري إلى صلب، يتحول هيكله الداخلي من مسام متوسطة الشكل كالقناني إلى شبكات أكثر كثافة من الشقوق والقنوات فائقة الصغر. يغير هذا التطور طريقة تخزين الغاز وسرعته في التحرك، مما يؤثر على كل من استرجاع الطاقة وخطر اندفاعات الغاز المفاجئة تحت الأرض. باستخدام نموذج يطابق بوضوح الداخل الخشن وغير المنتظم للفحم، يقدم هذا البحث خريطة أكثر موثوقية لهذه الفراغات الخفية. يمكن أن تساعد هذه الصورة المحسنة المهندسين على تصميم ممارسات تعدين أكثر أمانًا واستخراج غاز الفحم بكفاءة أكبر، مستفيدين بصورة أفضل من وقود قديم مع تقليل مخاطر الحوادث الغازية الخطيرة.

الاستشهاد: Liu, J., Xu, D., Zhao, L. et al. Feasibility and application of an adsorption model for coal pore structure analysis through N₂ adsorption. Sci Rep 16, 11942 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40118-0

الكلمات المفتاحية: مسام الفحم, تخزين الميثان, امتزاز النيتروجين, توزيع أحجام المسام, نمذجة QSDFT