Оценка применимости адсорбционной модели для анализа структуры пор угля по адсорбции N2

Почему крошечные пространства в угле важны

Уголь может выглядеть как плотный чёрный камень, но под микроскопом он скорее похож на губку, полную мельчайших пустот. Эти скрытые пространства определяют, сколько метана может храниться в угле и как легко этот газ может уходить в шахту или извлекаться в качестве топлива. В этом исследовании поставлен простой, но важный вопрос: как наиболее точно «увидеть» и измерить эти невидимые поры, чтобы лучше предсказывать запасы газа, утечки и безопасность и эффективность угледобычи и добычи углекислого метана?

Заглядывая в уголь с помощью холодного газа

Исследователи изучили шесть образцов угля из китайских шахт, охватывающих низкую, среднюю и высокую степени метаморфизма — от мягкого газового угля до твёрдого антрацита. Они применили общепринятый лабораторный метод низкотемпературной адсорбции азота: порошок угля обдувается азотом при очень низкой температуре. Чем больше газа поверхность угля удерживает при разных давлениях, тем больше можно узнать о количестве пор, их размерах и связности. Измеренные «изотермы» — кривые зависимости захвата газа от давления — уже дали подсказку: в углях низкой и средней степени созревания много средних по размеру пор, тогда как в самых твёрдых образцах доминируют исключительно мелкие поры.

Старые мерила для пор оказываются недостаточными

Чтобы преобразовать эти кривые адсорбции в картину распределения размеров и объёмов пор, учёные полагаются на математические модели. Традиционные модели, такие как BET и BJH, предполагают гладкие, идеализированные поверхности и простые формы пор. Они хорошо работают для средних по размеру пор, но испытывают трудности с мельчайшими полостями, которые критичны для угля. Более современные модели на основе теории функционала плотности опускаются до молекулярного уровня, но часто используемая версия всё ещё предполагает идеально гладкие и однородные стенки пор. Реальный уголь далёк от этого: его внутренние поверхности шероховаты, химически неоднородны и организованы в сложные сети. При сравнении нескольких моделей на всех шести образцах команда выяснила, что многие из старых инструментов либо завышают, либо занижают ключевые параметры, такие как площадь поверхности и объём пор, особенно в самых твёрдых, наиболее трансформированных углях.

Более точная модель для шероховатой реальности

Сердцем исследования является усовершенствованный подход, называемый Quenched Solid Density Functional Theory (QSDFT). В отличие от моделей, которые представляют поры как зеркально‑гладкие каналы, QSDFT прямо учитывает шероховатость поверхности и энергетическую «пятнистость» в расчётах. Исследователи подогнали эту модель и другие к данным по адсорбции азота и оценили отклонения каждой модели от измерений. По всем рангам углей QSDFT последовательно давала наименьшие ошибки, часто ниже долей процента, в то время как более идеализированные модели могли ошибаться более чем на десять процентов в некоторых твёрдых углях. Дополнительная настройка QSDFT под разные формы пор показала, что угли низкой и средней степени созревания лучше описываются преимущественно цилиндрическими порами, тогда как для углей высокого ранга требуется сочетание узких щелевидных и цилиндрических пор, чтобы соответствовать реальности.

Как меняются поровые структуры по мере созревания угля

Имея надёжную модель, авторы затем картировали распределение размеров пор в каждом образце. В углях низкого и среднего ранга они наблюдали две основные группы пор: очень мелкие около одного‑двух миллиарных долей метра и вторая группа более крупных средних пор примерно от пяти до тридцати пяти нанометров. В углях высшего ранга картина сместилась: сильнейший сигнал исходил от пор всего в несколько нанометров в ширину, а средние поры встречались реже. Суммируя объёмы по размерам, авторы обнаружили, что поры меньше десяти нанометров доминируют во всех образцах, подтверждая, что эти крошечные пространства являются основными хранилищами газа. Очень крупные поры составляют лишь небольшую долю общего объёма и вносят относительно небольшой вклад в ёмкость по хранению газа.

Что это значит для газа и безопасности

Для неспециалистов главный вывод в том, что не весь уголь одинаково удерживает и отдает метан. По мере того как уголь переходит от мягкого к твёрдому, его внутренняя архитектура меняется: из бутылочно‑образных средних пор в направлении более плотных сетей ультра‑мелких щелей и каналов. Эта эволюция меняет механизм хранения газа и скорость его перемещения, влияя и на извлечение энергии, и на риск внезапных выбросов газа под землёй. Применение модели, лучше согласующейся с истинной шероховатой и неупорядоченной внутренней структурой угля, даёт более надёжную карту этих скрытых пространств. Улучшенная картина может помочь инженерам разрабатывать более безопасные горные практики и более эффективную добычу метана из угольных пластов, позволяя лучше использовать старое топливо и снижая вероятность опасных газовых аварий.

Цитирование: 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

Ключевые слова: поры угля, хранение метана, адсорбция азота, распределение размеров пор, моделирование QSDFT