Viabilidad y aplicación de un modelo de adsorción para el análisis de la estructura porosa del carbón mediante adsorción de N2

Por qué importan los espacios diminutos en el carbón

El carbón puede parecer una roca negra sólida, pero bajo el microscopio es más parecido a una esponja llena de pequeños huecos. Estos espacios ocultos controlan cuánto metano puede almacenar el carbón y con qué facilidad ese gas puede escapar a las minas o producirse como combustible. Este estudio plantea una pregunta simple pero importante: ¿cómo podemos “ver” y medir con mayor precisión esos poros invisibles, para así predecir mejor el almacenamiento de gas, las fugas y la seguridad y eficiencia de la minería de carbón y la producción de metano en lechos carboníferos?

Mirar dentro del carbón con gas frío

Los investigadores examinaron seis muestras de carbón de minas chinas que abarcaron grados bajos, medios y altos de carbonificación, desde carbones blandos con más gas hasta antracita dura. Usaron una técnica de laboratorio bien establecida llamada adsorción de nitrógeno a baja temperatura, en la que se hace circular nitrógeno a muy baja temperatura alrededor de carbón pulverizado. Cuanto más gas puede retener la superficie del carbón a distintas presiones, más aprendemos sobre cuántos poros hay, su tamaño y cómo están conectados. Las isotermas medidas —curvas que muestran la adsorción frente a la presión— ya sugerían que los carbones de rango bajo y medio contienen muchos poros de tamaño medio, mientras que los carbones más duros están dominados por poros extremadamente pequeños.

Los antiguos patrones para poros se quedan cortos

Para convertir estas curvas de adsorción en una imagen del tamaño y volumen de los poros, los científicos recurren a modelos matemáticos. Los modelos tradicionales, como BET y BJH, imaginan superficies lisas e ideales y formas de poro simples. Funcionan razonablemente bien para poros de tamaño medio, pero tienen dificultades con las cavidades más pequeñas, que son cruciales en el carbón. Los modelos más recientes basados en la teoría del funcional de la densidad descienden al nivel molecular, pero una versión común aún asume paredes perfectamente lisas y uniformes dentro de los poros. El carbón real no se parece a eso: sus superficies internas son rugosas, químicamente variadas y están dispuestas en redes complejas. Cuando el equipo comparó varios modelos en las seis muestras, encontró que muchas de estas herramientas antiguas sobrestimaban o subestimaban propiedades clave como el área superficial y el volumen de poros, especialmente en los carbones más duros y más alterados.

Un modelo más preciso para una realidad rugosa

El núcleo del estudio es un enfoque refinado llamado Teoría del Funcional de Densidad de Sólido Congelado, o QSDFT. A diferencia de los modelos que representan canales de espejo, QSDFT incorpora directamente la rugosidad superficial y la “irregularidad” energética en el cálculo. Los investigadores ajustaron este modelo, junto con otros, a los datos de nitrógeno y evaluaron cuánto se desviaba cada uno de las mediciones. A lo largo de los distintos rangos de carbón, QSDFT produjo de forma consistente los errores más pequeños, a menudo por debajo de una fracción de por ciento, mientras que modelos más idealizados podían desviarse en más del diez por ciento en algunos carbones duros. Al afinar aún más QSDFT para diferentes formas de poro, el equipo mostró que los carbones de rango bajo y medio se describen mejor con poros mayoritariamente cilíndricos, mientras que los carbones de alto rango requieren una mezcla de rendijas delgadas y cilindros para ajustarse a la realidad.

Cómo cambian los patrones de poros a medida que madura el carbón

Con un modelo fiable, los autores mapearon cómo se distribuyen los tamaños de poro en cada carbón. En los carbones de rango bajo y medio observaron dos bandas principales de poros: poros muy pequeños alrededor de uno a dos nanómetros, y un segundo grupo de poros más grandes y de tamaño medio de aproximadamente cinco a treinta y cinco nanómetros. En los carbones de mayor rango, la imagen cambió: la señal más fuerte procedía de poros de solo unos pocos nanómetros de ancho, con los poros de tamaño medio más escasos. Al sumar el volumen por tamaños, los poros menores de diez nanómetros dominaron en todas las muestras, confirmando que estos espacios diminutos son los principales sitios de almacenamiento de gas. Los poros muy grandes constituyeron solo una pequeña fracción del total, contribuyendo relativamente poco a la capacidad de almacenamiento de gas.

Qué significa esto para el gas y la seguridad

Para el público general, la conclusión es que no todo el carbón es igual en cuanto a atrapar y liberar metano. A medida que el carbón madura de blando a duro, su arquitectura interna cambia de poros en forma de botella de tamaño medio a redes más densas de rendijas y canales ultras pequeños. Esta evolución altera cómo se almacena el gas y la rapidez con que puede moverse, afectando tanto la recuperación energética como el riesgo de estallidos repentinos de gas bajo tierra. Al usar un modelo que se ajusta mejor al interior rugoso y desordenado del carbón, este estudio ofrece un mapa más fiable de esos espacios ocultos. Esa imagen mejorada puede ayudar a los ingenieros a diseñar prácticas mineras más seguras y una extracción de metano en lechos carboníferos más eficiente, aprovechando mejor un combustible tradicional mientras se reducen las probabilidades de accidentes por gas peligrosos.

Cita: 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

Palabras clave: poros del carbón, almacenamiento de metano, adsorción de nitrógeno, distribución del tamaño de poro, modelado QSDFT