20.5. Определение пористости ТГИ

Пористость ТГИ, структура пористой системы и её удельная по­верхность определяют фильтрационные, диффузионные и сорбционные процессы в условиях естественного залегания ТГИ, при их хранении и превращениях под действием различных физических и физико-хими­ческих факторов.

ТГИ представляют собой пористые материалы с системой пор и трещин, различающихся по размерам, форме, взаимному расположению и доступности их для реагентов. Размеры пор в углях колеблются в пределах от 3·10^-10 до 10^-2 м.

В зависимости от диаметра входного отверстия поры углей подразделяются на: микропоры с диаметром менее 1,5-2 нм; переходные поры с диаметром 2-200 нм; макропоры с диаметром более 200 нм.

Пустоты в углях размером более 10^-4 м классифицируют по их происхождению:

1. Микротрещины эндогенные, экзогенные;

2. Пустоты, возникшие на месте клеточных полостей сосудистых пучков растений (внутрифрагментарная пористость);

3. Пустоты, образованные недостаточно плотной упаковкой фрагментов растений;

4. Пустоты в угле вследствие выщелачивания органических и минеральных веществ.

При исследовании пористой структуры ТГИ широко используют различные методы.

Общий объём пор (Р_r) можно определить по формуле 20.1 на основании данных о действительной (d^d_r) и кажущейся (d^d_а) плотности ТГИ.

Метод определения суммарного объёма открытых пор основан на заполнении водой при кипячении навески угля в воде и удалении избытка воды с поверхности зёрен [26].

Навеску высушенного при температуре 110±5ºС угля в количестве 10 г переносят в коническую колбу, заливают 100 мл воды, фиксируют её уровень и кипятят 15 мин. Затем добавляют дистиллированную воду до первоначального объёма и охлаждают колбу до температуры 20ºС.

На дно воронки для отсасывания помещают бумажный фильтр, смачивают его водой и создают разряжение в колбе 80±5 гПа с помощью водяного насоса.

Содержимое конической колбы сливают в воронку для отсасывания и разравнивают уголь по поверхности фильтра. Поворотом крана начинают отсасывание. Через 3 мин уголь из воронки ссыпают в бюкс, в котором перед опытом взвешивалась навеска угля, закрывают его крышкой и взвешивают.

Суммарный объём пор (в см³/г) вычисляют по формуле:

V_Σ = (G₁ – G)/ρ · G₁ , (20.6)

где G и G₁ – масса угля сухого и влажного, г;

ρ – плотность воды, г/см³.

Плотность воды принимают равной 1 г/см³ для любой комнатной температуры до 35ºС.

Результатом анализа является среднее двух определений.

Для изучения пористости ТГИ применяются также методы определения теплоты их смачивания (теплоты адсорбции) раз­личными жидкостями, ртутной порометрии а также получения и изучения изотерм адсорб­ции паров, газов и жидкостей. Адсорбционные методы исследования позволяют получать обширную информацию о пористой структуре уг­лей, определять объёмы микропор и переходных пор, распределение пор по эффективным радиусам и их удельную поверхность.

Многочисленными исследованиями было установлено, что в углях преобладают поры с малыми размерами (5-8)·10^{-10 м. Установлено, что объём микропор} в углях превышает 50-60% общего объёма пор. Поверхность переходных пор в углях невелика по сравнению с по­верхностью микропор и уменьшается в метаморфи­ческом ряду от 40 м²/г (для бурых углей) до 3 м²/г (для антрацитов).

Наличие переходных пор во многом обусловливает высокую влажность малометаморфизированных углей.

Объём макропор и пустот углей также значительно меньше, нежели объём микропор. Он уменьшается в ряду каменных углей и возрастает от тощих углей к антрацитам за счёт появления микротрещин и пустот вследствие протекания при ме­таморфизме усадки неэластичного материала угля. Наличием таких трещин объясняется повышенная гигроскопическая влажность антра­цитов по сравнению с тощими углями.

Суммарная пористость гумусовых каменных углей изменяется в метаморфическом ряду по кривой с миниму­мом в области углей с содержанием углерода 86-88 % (рис. 20.4).

Во время определения удельной внутренней поверхности углей различными методами были получены числовые значения, изменяющиеся от десятых долей квадратного метра на грамм угля до 400 м²/г. При этом установлено, что она закономерно уменьшается от длиннопламенных углей к тощим и вновь несколько увеличивается в антрацитах. По дан­ным теплоты смачивания метанолом рассчитана внутренняя удельная поверхность петрографических микрокомпонентов донецких углей: витринита – 36-155 м²/г (уменьшается от угля марки Д к углю марки Т), инертинита – 14-22 м²/г, липтинита газового угля – 20-30 м²/г.

Рисунок 20.4. Изменение суммарной пористости углей и антрацитов в зависимости от стадии метаморфизма

Пористость углей играет важную роль при их взаимодействии с газами, жидкостями, в том числе химическими реагентами. Она определяет сорбционную активность углей в процессах их использования и переработки.

Внезапные выбросы угля и метана также связаны с пористостью углей. Метан, выделяющийся в процессе углеобразования, остается в углях в адсорбированном виде в порах. При добыче в результате дробления угольной массы возникает десорбция метана из пор, что приводит к выбросам.