Clear Sky Science
הסברים מבוססי ראיות, עם מעט ז'רגון

Clear Sky Science · he

ניתנות וביצועי מודל ספיחה לניתוח מבנה הנקבוביות בפחם באמצעות ספיחת N2

· חזרה לאינדקס

מדוע מרחבים זעירים בפחם חשובים

פחם עשוי להיראות כצוק שחור מוצק, אבל תחת המיקרוסקופ הוא יותר כמו ספוג מלא חורים זעירים. המרחבים המוסתרים האלה קובעים כמה גז מתאן הפחם יכול להכיל וכמה בקלות הגז יכול לברוח למכרות או להיות מופק כדלק. המחקר שואל שאלה פשוטה אך מהותית: איך אפשר "לראות" ולמדוד בצורה המדויקת ביותר את הנקבוביות הבלתי נראות האלה, כדי שנוכל לחזות טוב יותר את אחסון הגז, דליפות גז ובטיחות ויעילות הכרייה והפקת גז מפצלי פחם?

בחינה של פנימי הפחם עם גז קר

החוקרים בחנו שישה דגימות פחם ממכרות בסין שנעו בין דרגות פחמיניזציה נמוכה, בינונית וגבוהה, מפחם גז רך עד אנטראתיט קשה. הם השתמשו בטכניקה מעבדתית מבוססת היטב הנקראת ספיחת חנקן בטמפרטורה נמוכה, שבה גז חנקן בטמפרטורה נמוכה מאוד מוּתר לאזור הדגימה של אבקת הפחם. ככל שמשטח הפחם יכול לקשור יותר גז בלחצים שונים, כך למידה על מספר הנקבוביות, גודלן ואופן חיבורן מתבהרת יותר. ה"איזותרמות" שנמדדו — עקומות המראות קליטת גז לעומת לחץ — רמזו כבר שקוהלים בדרגה נמוכה ובינונית מכילים רבות נקבוביות בגודל בינוני, בעוד שהפחמים הקשים ביותר נשלטים על ידי חללים קיצוניים זעירים.

Figure 1
Figure 1.

כלי מדידה ישנים מדי לנקבוביות

כדי להפוך את עקומות קליטת הגז לתמונה של גודל ועוצמת הנקבוביות, מדענים מסתמכים על מודלים מתמטיים. מודלים מסורתיים, כגון BET ו‑BJH, מדמיינים משטחים חלקים ואידיאליים וצורות נקבוביות פשוטות. הם עובדים בסבירות טובה לנקבוביות בגודל בינוני, אך מתקשים עם החללים הקטנים ביותר, שהן קריטיים בפחם. מודלים חדשים מבוססי תאוריית הצפיפות (DFT) יורדים לרמת המולקולה, אך גרסה שכיחה עדיין מניחה קירות חלקים ואחידים בתוך הנקבוביות. פחם אמיתי שונה לחלוטין: משטחיו הפנימיים גסים, מבחינה כימית משתנים ומסודרים ברשתות מורכבות. כאשר הקבוצה השוותה מספר מודלים על ששת הדגימות, הם מצאו שרבים מהכלים הישנים האלה או מעריכים יתר או מעריכים חסר תכונות מפתח כמו שטח פנים ונפח נקבוביות, במיוחד בפחמים הקשים והמשנים ביותר.

מודל חד יותר למציאות גסה

הלב של המחקר הוא גישה משופרת שנקראת תאוריית הצפיפות של מוצק מוקפא, QSDFT. שלא כמו מודלים המתארים תעלות מראות חלקות, QSDFT משלב גסות משטחית ו"כתמיות" אנרגטיות ישירות בחישוב. החוקרים התאימו מודל זה, יחד עם אחרים, לנתוני החנקן והעריכו עד כמה כל אחד סטה מהמדידות. לאורך דרגות הפחם, QSDFT הפיק באופן עקבי את השגיאות הקטנות ביותר, לעתים מתחת לשבר אחוז, בעוד שמודלים אידיאליים יותר יכלו להיות רחוקים ביותר מעשרה אחוזים בחלק מהפחמים הקשים. על ידי כיוונון נוסף של QSDFT לצורות נקבוביות שונות, הקבוצה הראתה שפחמים בדרגה נמוכה ובינונית מתוארים היטב בעיקר כנקבוביות בצורת גליל, בעוד שפחמים בדרגה גבוהה דורשים תערובת של חריצים צרים וגלילים כדי להתאים את המציאות.

איך דפוסי הנקבוביות משתנים בהתבגרות הפחם

עם מודל אמין ביד, המחברים מיפו לאחר מכן כיצד גדלי הנקבוביות מתפלגים בכל פחם. בפחמים בדרגה נמוכה ובינונית הם זיהו שתי רצועות עיקריות של נקבוביות: קטנטנות סביב אחד עד שני מיליארדוית המטר, וקבוצה שנייה של נקבוביות בינוניות‑גדולות בגודל של כ‑חמישה עד שלושים וחמישה ננומטר. בפחמים בדרגה הגבוהה, התמונה השתנתה: האות החזק ביותר הגיע מנקבוביות שרוחבן רק כמה ננומטרים, כאשר הנקבוביות הבינוניות התפזרו פחות. כאשר חישבו את הנפח המצטבר על פני הגדלים, נקבוביות קטנות מ‑10 ננומטר שלטו בכל הדגימות, מאששות שהמרחבים הזעירים האלה הם אתרי האחסון העיקריים לגז. נקבוביות גדולות מאוד היוו רק חלק קטן מהסך, ותורמות מעט יחסית לקיבולת אחסון הגז.

Figure 2
Figure 2.

מה זה אומר לגבי גז ובטיחות

עבור קהל שאינו מומחה, המסקנה היא שלא כל פחם שווה כשמדובר בכידון ושחרור מתאן. ככל שהפחם מתבגר מרך לקשה, הארכיטקטורה הפנימית שלו משתנה מנקבוביות ממקור בצורת בקבוקיות לנקבוביות צפופות של חריצים ותעלות זעירות. האבולוציה הזו משנה כיצד הגז מאוחסן וכמה מהר הוא יכול לנוע, ומשפיעה הן על ניצול אנרגיה והן על הסיכון לפיצוצי גז פתאומיים מתחת לאדמה. על‑ידי שימוש במודל שמתאים טוב יותר לפנים הגסות והבלתי מסודרות של הפחם, המחקר מספק מפה מהימנה יותר של אותם מרחבים נסתרים. התמונה המשופרת הזו יכולה לסייע למהנדסים לתכנן פרקטיקות כרייה בטוחות יותר והפקת גז מפצלי פחם יעילה יותר, לנצל טוב יותר דלק ישן ולהפחית את הסיכוי לתאונות גז מסוכנות.

ציטוט: 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

מילות מפתח: נקבוביות פחם, אחסון מתאן, ספיחת חנקן, התפלגות גדלי נקבוביות, מידול QSDFT