Machbarkeit und Anwendung eines Adsorptionsmodells zur Analyse der Kohlenporenstruktur mittels N2‑Adsorption

Warum winzige Räume in Kohle wichtig sind

Kohle mag wie ein festes, schwarzes Gestein erscheinen, doch unter dem Mikroskop ähnelt sie eher einem Schwamm voller winziger Hohlräume. Diese verborgenen Räume bestimmen, wie viel Methangas die Kohle speichern kann und wie leicht dieses Gas in Stollen entweichen oder als Brennstoff gewonnen werden kann. Diese Studie stellt eine einfache, aber wichtige Frage: Wie kann man diese unsichtbaren Poren am genauesten "sehen" und messen, um Gaslagerung, Gasverluste sowie die Sicherheit und Effizienz von Bergbau und Kohleflözgasförderung besser vorherzusagen?

In die Kohle blicken mit kaltem Gas

Die Forscher untersuchten sechs Kohlenproben aus chinesischen Bergwerken, die verschiedene Inkohlungsgrade abdeckten – von weichen Gaskohlen bis zu hartem Anthrazit. Sie verwendeten eine etablierte Labormethode, die Niedrigtemperatur‑Stickstoffadsorption: Dabei wird Stickstoffgas bei sehr niedriger Temperatur an fein gemahlenem Kohlenstoff vorbeigeführt. Je mehr Gas die Kohleoberfläche bei unterschiedlichen Drücken aufnehmen kann, desto mehr erfahren wir über die Anzahl der Poren, deren Größe und wie sie miteinander verbunden sind. Die gemessenen "Isothermen" – Kurven, die Gasaufnahme gegen Druck zeigen – deuteten bereits darauf hin, dass nieder‑ und mittlere Inkohlungsgrade viele mittelgroße Poren enthalten, während die härtesten Kohlen von extrem kleinen Poren dominiert werden.

Alte Messlatten für Poren reichen nicht aus

Um diese Gasaufnahmekurven in ein Bild von Porengröße und -volumen zu übersetzen, verlassen sich Wissenschaftler auf mathematische Modelle. Traditionelle Modelle wie BET und BJH stellen glatte, ideale Oberflächen und einfache Porenformen vor. Sie funktionieren einigermaßen gut für mittelgroße Poren, haben aber Schwierigkeiten mit den kleinsten Hohlräumen, die in Kohle entscheidend sind. Neuere dichtefunktionaltheoretische Modelle reichen bis auf molekularer Ebene, doch eine häufig verwendete Version nimmt immer noch perfekt glatte, gleichförmige Wände innerhalb der Poren an. Reale Kohle ist ganz anders: Ihre inneren Oberflächen sind rau, chemisch heterogen und in komplexen Netzwerken angeordnet. Beim Vergleich mehrerer Modelle über alle sechs Proben stellten die Autoren fest, dass viele dieser älteren Werkzeuge Schlüsselgrößen wie spezifische Oberfläche und Porenvolumen entweder überschätzten oder unterschätzten, besonders bei den härtesten, am stärksten veränderten Kohlen.

Ein schärferes Modell für raue Realität

Der Kern der Studie ist ein verfeinerter Ansatz namens Quenched Solid Density Functional Theory (QSDFT). Anders als Modelle, die spiegelglatte Kanäle annehmen, berücksichtigt QSDFT Oberflächenrauheit und energetische "Patchiness" direkt in der Rechnung. Die Forscher passten dieses Modell sowie andere an die Stickstoffdaten an und bewerteten, wie weit jedes Modell von den Messwerten abwich. Über die Inkohlungsgrade hinweg lieferte QSDFT konsistent die geringsten Fehler, oft unter einem Bruchteil eines Prozents, während idealisiertere Modelle in einigen harten Kohlen um mehr als zehn Prozent abweichen konnten. Durch weitere Anpassung von QSDFT an unterschiedliche Porenformen zeigte das Team, dass nieder‑ und mittelgradige Kohlen am besten durch überwiegend zylindrische Poren beschrieben werden, während hochgradig inkohlte Kohlen eine Mischung aus dünnen Spalten und Zylindern benötigen, um die Realität abzubilden.

Wie sich Porenmuster mit der Reifung der Kohle ändern

Mit einem verlässlichen Modell erstellten die Autoren anschließend Karten zur Verteilung der Porengrößen in jeder Kohleprobe. In nieder‑ und mittelgradigen Kohlen beobachteten sie zwei Hauptbereiche von Poren: sehr kleine Poren um ein bis zwei Milliardstel Meter (1–2 nm) und eine zweite Gruppe größerer, mittelgroßer Poren von etwa fünf bis fünfunddreißig Nanometern. In den höchstgradigen Kohlen verschob sich das Bild: Das stärkste Signal kam von Poren mit nur wenigen Nanometern Durchmesser, während mittelgroße Poren dünner verteilt waren. Bei der Summierung der Volumina über die Größen hinweg dominierten in allen Proben Poren kleiner als zehn Nanometer, was bestätigt, dass diese winzigen Räume die wichtigsten Speichermedien für Gas sind. Sehr große Poren machten nur einen kleinen Anteil des Gesamtvolumens aus und trugen vergleichsweise wenig zur Gasspeicherung bei.

Was das für Gas und Sicherheit bedeutet

Für Nicht‑Spezialisten lautet die Erkenntnis, dass Kohle bei der Speicherung und Freisetzung von Methan nicht gleich ist. Mit zunehmender Reife verändert sich die interne Architektur von flaschenförmigen, mittelgroßen Poren hin zu dichteren Netzwerken aus ultraschmalen Spalten und Kanälen. Diese Entwicklung verändert, wie Gas gespeichert wird und wie schnell es sich bewegen kann — was sowohl die Energiegewinnung als auch das Risiko plötzlicher Gasausbrüche unter Tage beeinflusst. Durch die Verwendung eines Modells, das besser zur tatsächlichen rauen, ungeordneten Innenstruktur der Kohle passt, liefert die Studie eine verlässlichere Karte dieser verborgenen Räume. Dieses verbesserte Bild kann Ingenieuren helfen, sicherere Bergbaumethoden und effizientere Kohleflözgasförderung zu entwickeln, wodurch die Nutzung eines alten Brennstoffs optimiert und die Wahrscheinlichkeit gefährlicher Gasunfälle verringert wird.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: Kohlenporen, Methanspeicherung, Stickstoffadsorption, Porengrößenverteilung, QSDFT‑Modellierung