低場核磁共振研究三種氣體競爭吸附

注氣驅(qū)替煤層瓦斯技術(shù)是提高煤層氣采收率、井下瓦斯強化抽采消突等方面的重要措施之一,已在美國、日本、中國等國家開展了相關(guān)試驗。它在創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價值、保證礦山安全的同時還能封存C02等溫室氣體,具有巨大的應(yīng)用價值。

已有文獻(xiàn)研究了CH4,N2,CO2三種氣體競爭吸附在煤層中的競爭吸附和驅(qū)替行為。強吸附性氣體濃度越大,競爭吸附優(yōu)勢越明顯,吸附總量越大,強吸附性氣體能驅(qū)替弱吸附性氣體。低場核磁共振技術(shù)可以從分子間作用力角度闡明三種氣體競爭吸附。

先前的諸多研究主要是競爭吸附和驅(qū)替行為的最終狀態(tài)進(jìn)行研究和評價,而對整個競爭吸附過程和驅(qū)替過程的演化規(guī)律的定量描述以及現(xiàn)象背后的微觀機制研究相對較少。

可以利用低場核磁共振技術(shù)快速、無損、信息量豐富等的特點,在明確CH4的NMR信號特征之后,通過測試CH4與CO2,N2三種氣體競爭吸附在煤樣中相互作用過程的低場核磁共振信號,用核磁共振的方法闡明三種氣體競爭吸附過程。

低場核磁共振基本原理

低場核磁共振技術(shù)是指含H原子核的流體在受到外部磁場強度改變后.其自旋磁矩將發(fā)生改變,從而產(chǎn)生核磁共振信號,通常選用橫向弛豫時間T2作為表征信號,弛豫時間是由體弛豫、表面弛豫和擴(kuò)散弛像共同作用的結(jié)果,當(dāng)樣品在勻強磁場中,且采集短回波時間較小時,表面弛豫起主要作用。

為了研究CO2,CH4,N2三種氣體競爭吸附對煤的競爭吸附特征,利用低場核磁共振技術(shù)探測煤樣中CH4中由元素的含量和分布,而CO2和N2分子中沒有H,不產(chǎn)生核磁共振信號,當(dāng)煤中吸附氣體含量和狀態(tài)發(fā)生改變時,可以通過T2譜中CH4的核磁共振信號來判斷,進(jìn)而分析各種氣體間的競爭吸附關(guān)系和演化規(guī)律。