Fattibilità e applicazione di un modello di adsorbimento per l’analisi della struttura porosa del carbone tramite adsorbimento di N2

Perché i piccoli spazi nel carbone sono importanti

Il carbone può sembrare un solido nero compatto, ma al microscopio è più simile a una spugna piena di piccoli fori. Questi spazi nascosti controllano quanto metano il carbone può immagazzinare e quanto facilmente quel gas può fuoriuscire nelle miniere o essere prodotto come combustibile. Questo studio pone una domanda semplice ma cruciale: come possiamo “vedere” e misurare nel modo più accurato possibile questi pori invisibili, in modo da prevedere meglio lo stoccaggio del gas, le fughe di metano e la sicurezza e l’efficienza dell’estrazione del carbone e della produzione di gas da giacimenti carboniferi?

Osservare il carbone con gas freddo

I ricercatori hanno esaminato sei campioni di carbone provenienti da miniere cinesi che coprivano gradi di carbonificazione bassi, medi e alti, dal carbone gassoso più morbido all’antracite dura. Hanno utilizzato una tecnica di laboratorio consolidata chiamata adsorbimento di azoto a bassa temperatura, in cui l’azoto a temperatura molto bassa fluisce attorno al carbone polverizzato. Più gas la superficie del carbone può trattenere a diverse pressioni, più si apprende su quanti pori ci sono, quanto sono grandi e come sono connessi. Le isoterme misurate — curve che mostrano l’assorbimento di gas in funzione della pressione — suggerivano già che i carboni di rango basso e medio contengono molti pori di dimensione intermedia, mentre i carboni più duri sono dominati da pori estremamente piccoli.

I vecchi criteri per i pori non bastano

Per trasformare queste curve di assorbimento in un’immagine delle dimensioni e del volume dei pori, gli scienziati si affidano a modelli matematici. I modelli tradizionali, come BET e BJH, immaginano superfici lisce e ideali e forme di pori semplici. Funzionano ragionevolmente bene per pori di dimensione media, ma fanno fatica con le cavità più piccole, che sono cruciali nel carbone. I modelli più recenti basati sulla teoria del funzionale della densità scendono al livello molecolare, ma una versione comunemente usata assume ancora pareti perfettamente lisce e uniformi all’interno dei pori. Il carbone reale non somiglia affatto a questo: le sue superfici interne sono ruvide, chimicamente variabili e disposte in reti complesse. Quando il team ha confrontato diversi modelli su tutti e sei i campioni, ha riscontrato che molti di questi strumenti più vecchi sovrastimavano o sottostimavano proprietà chiave come l’area superficiale e il volume dei pori, specialmente nei carboni più duri e più alterati.

Un modello più nitido per una realtà ruvida

Il cuore dello studio è un approccio perfezionato chiamato Quenched Solid Density Functional Theory, o QSDFT. A differenza dei modelli che immaginano canali specularmente lisci, QSDFT incorpora direttamente nella stima la rugosità superficiale e la “a macchie” energetica. I ricercatori hanno adattato questo modello, insieme ad altri, ai dati di azoto e hanno valutato quanto ciascuno si discostasse dalle misure. Attraverso i diversi gradi di carbonificazione, QSDFT ha prodotto costantemente gli errori più piccoli, spesso inferiori a una frazione di percento, mentre i modelli più idealizzati potevano discostarsi di oltre il dieci percento in alcuni carboni duri. Affinando ulteriormente QSDFT per diverse forme dei pori, il team ha mostrato che i carboni di rango basso e medio sono meglio descritti come prevalentemente costituiti da pori cilindrici, mentre i carboni ad alto rango richiedono una miscela di fessure sottili e cilindri per avvicinarsi alla realtà.

Come cambiano i modelli di pori con la maturazione del carbone

Con un modello affidabile a disposizione, gli autori hanno quindi tracciato come sono distribuite le dimensioni dei pori in ciascun carbone. Nei carboni di rango basso e medio hanno osservato due fasce principali di pori: quelli molto piccoli intorno a uno‑due miliardesimi di metro, e un secondo gruppo di pori più grandi e di dimensione intermedia da circa cinque a trentacinque nanometri. Nei carboni di rango più alto l’immagine cambia: il segnale più forte proviene da pori larghi solo pochi nanometri, con i pori di dimensione intermedia distribuiti più debolmente. Sommando il volume attraverso le dimensioni, i pori più piccoli di dieci nanometri predominano in tutti i campioni, confermando che questi spazi minuscoli sono i principali siti di stoccaggio del gas. I pori molto grandi rappresentano soltanto una piccola quota del totale, contribuendo relativamente poco alla capacità di immagazzinamento del gas.

Implicazioni per il gas e la sicurezza

Per i non specialisti, la conclusione è che non tutto il carbone è uguale quando si tratta di intrappolare e rilasciare metano. Con la maturazione del carbone, dalla forma più morbida a quella più dura, la sua architettura interna evolve da pori a bottiglia di dimensione intermedia verso reti più dense di fessure e canali ultra‑piccoli. Questa evoluzione modifica il modo in cui il gas è immagazzinato e la velocità con cui può muoversi, influenzando sia il recupero di energia sia il rischio di violente emissioni di gas in sotterraneo. Utilizzando un modello che corrisponde meglio all’interno effettivamente ruvido e disordinato del carbone, questo studio offre una mappa più affidabile di quegli spazi nascosti. Questa immagine migliorata può aiutare gli ingegneri a progettare pratiche minerarie più sicure e un’estrazione del gas da giacimenti carboniferi più efficiente, sfruttando meglio un combustibile tradizionale e riducendo le possibilità di pericolosi incidenti dovuti al gas.

Citazione: 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

Parole chiave: pori del carbone, stoccaggio del metano, adsorbimento di azoto, distribuzione delle dimensioni dei pori, modellazione QSDFT