المحاكاة الجزيئية لتأثير حجم المسام على خواص امتزاز CH4 في الأنثراسايت

لماذا تهم الفراغات الصغيرة في الفحم

في أعماق الأرض، يمتد في الفحم متاهة غير مرئية من المسام التي تحجز غاز الميثان. هذا الغاز يعد وقودًا ذا قيمة وخطراً كبيرًا في المناجم. تستخدِم الدراسة وراء هذا المقال «تجارب» جزيئية حاسوبية لرصد سلوك الميثان داخل مسام الفحم التي تتفاوت من صغيرة للغاية إلى واسعة نسبيًا. فهم هذا العالم الخفي يساعد المهندسين على تقدير كمية غاز الميثان القابلة للإنتاج من طبقات الفحم بشكل أفضل، مع تقليل مخاطر النفاثات الغازية المفاجئة ودعم أهداف المناخ من خلال استخدام الميثان بشكل أكثر أمانًا وكفاءة.

نظرة داخل الفحم بمقياس جزيئي

ركز الباحثون على الأنثراسايت، وهو فحم صلب وذو درجة عالية يحتوي على العديد من المسام الصغيرة جدًا. بنوا نموذجًا رقميًا مفصّلًا لهذا الفحم، وتحققوا من أن كثافته وبنية مسامه تتطابق مع القياسات المخبرية الحقيقية. ثم أنشأوا سلسلة من المسام المثالية الشبيهة بالشِقوق التي غطّت عرضها تقريبًا كامل النطاق الواقعي في الفحم، من نحو حجم جزيء ميثان واحد (0.4 نانومتر) حتى قنوات واسعة بعرض 200 نانومتر. باستخدام طريقة محاكاة إحصائية تُسمى مونت كارلو الكبير المايكاني-التركيبي (Grand Canonical Monte Carlo)، سمحوا لجزيئات الميثان بالدخول والخروج من هذه نماذج المسام عند ضغوط مختلفة، محاكون بذلك ظروفًا تمتد من الطبقات الضحلة إلى العميقة من طبقات الفحم.

كيف يغير حجم المسام تخزين الميثان

أظهرت المحاكاة أن الميثان لا يملأ كل المسام بنفس الطريقة. في أصغر المسام، تكون الجدران قريبة جدًا بحيث تتداخل قوى جذبها للجزيئات، مما يسحب الميثان إلى طبقة كثيفة شبيهة بالسائل تملأ التجويف عمليًا. مع توسع المسام إلى نطاق متوسط الحجم، يشكل الميثان أولاً طبقة مفردة مرتبة إلى حد ما على طول الجدران، ثم يضيف طبقات إضافية مع ارتفاع الضغط، تاركًا بعض الغاز منخفض الكثافة في المركز. في أكبر المسام، يكون تأثير الجدران ضعيفًا فقط: تتكوّن طبقتان مرتخيتان قرب السطح، بينما يتصرف معظم الغاز في الوسط تقريبًا كغاز حر وغير محتبس. عبر جميع أحجام المسام، يزيد الضغط من كمية الميثان المخزنة، لكن ذلك يحدث عبر ثلاث مراحل واضحة: نمو سريع عند الضغط المنخفض، زيادة أكثر تدرجًا عند الضغط المعتدل، واستواء تدريجي عند الضغط العالي مع اقتراب التخزين من التشبع.

دمج النماذج الكلاسيكية في صورة واحدة

لتحويل هذه الأنماط المعقدة إلى معادلات عملية، اختبر الفريق ثلاث نماذج امتزاز معروفة جيدًا. وجدوا أن نموذج دوبينين–أستاخوف (Dubinin–Astakhov) يصف بشكل أفضل ملء أصغر المسام جدًا؛ ونموذج لانغموير (Langmuir) يلتقط سلوك المسام المتوسطة التي تهيمن عليها طبقة واحدة على الجدار؛ ونموذج بيت (BET) متعدد الطبقات هو الأنسب للمسام الكبيرة حيث تتعايش طبقات السطح مع الغاز الحر. من خلال ربط معلمات كل نموذج مباشرة بحجم المسام، جمعوا هذه الأجزاء في نموذج واحد «للمسامات الكاملة» يمكنه التنبؤ بكمية الميثان التي سيحتفظ بها عرض مسام معين عند ضغط محدد. عندما قارنوا توقعات هذا النموذج الموحد مع المحاكاة المفصّلة، كانت الفروقات عمومًا أقل من ستة بالمئة، مما يشير إلى أن الوصف المبسط ما يزال يلتقط الفيزياء الأساسية.

ما تكشفه كثافة الغاز المحبوس

بدلًا من الاكتفاء بعدّ عدد الجزيئات التي تدخل كل مسام، تساءل المؤلفون أيضًا عن مدى إحكام حزم الميثان، معبرين عن ذلك بكثافة متوسطة داخل المسام. وجدوا أن هذه الكثافة تنخفض بشدة مع زيادة حجم المسام. في أصغر المسام، تصل كثافة الميثان إلى قيم قريبة من كثافة الميثان السائل، مما يبيّن قوة تأثير الجدران في تقييده. مع نمو المسام إلى النطاق المتوسط، تنخفض الكثافة بشكل حاد لأن جزءًا أكبر من الحيز يشغله غاز مرتبط بشكل ضعيف أو غاز حر. في أكبر المسام، تتغير الكثافة ببطء مع الحجم، لتستقر عند قيم أقل بكثير من تلك الموجودة في التجاويف الصغيرة. يؤكد هذا النمط أن المسام الصغيرة هي مواقع تخزين تهيمن عليها الطاقة، بينما تعمل المسام الكبيرة أشبه بحاويات حجمية للغاز المضغوط.

من المسام الخفية إلى طاقة أكثر أمانًا وأنظف

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن ليس كل المسام في الفحم تساهم بالمثل في احتجاز الميثان: المسام الأصغر تعبئ الغاز بكفاءة عالية، والمسامات المتوسطة تضيف سعة أكبر ولكن بكثافة أقل، والمسامات الأكبر تستضيف في المقام الأول غازًا حرًا يتأثر بقوة بالضغط. من خلال نسج هذه السلوكيات في نموذج تنبؤي واحد، توفر الدراسة أداة لتحسين تقدير احتياطيات الميثان في طبقات الفحم ولتخطيط استخراج أكثر أمانًا. إن معرفة كيفية تخزين الميثان على مقاييس مختلفة يمكن أن يساعد في تقليل مخاطر الانفجارات في المناجم مع تحسين تصميم إنتاج غاز الميثان من الفحم بما يدعم مزيج طاقة أقل انبعاثًا للكربون.

الاستشهاد: Bai, Y., Yang, L., Hu, B. et al. Molecular simulation of pore size effect on CH₄ adsorption characteristics in anthracite. Sci Rep 16, 11975 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41355-z

الكلمات المفتاحية: ميثان أحشاء الفحم, امتزاز الغاز, بنية المسام, المحاكاة الجزيئية, الأنثراسايت