学术报告：煤酸化与有机溶剂萃取对纳米孔隙结构的影响机制研究
一、研究基本信息
本文研究由Fangfang Wang, Xiaodong Zhang, Shuo Zhang, Kang Wang等人完成，隶属于河南理工大学能源科学与工程学院。研究成果发表于国际期刊《Fuel》（期刊编号：0016-2361），文章编号为310（2022）122467，线上发布时间为2021年11月11日。
二、研究背景
研究领域涉及煤化工与煤层气储层改性技术，重点关注煤纳米级孔隙结构在不同化学处理下的变化特性。随着开采深度增加，煤层的气体含量逐渐提升但渗透性普遍较差，因此储层改性成为提高煤层气（CBM）产能的重要技术途径。
近年来，液压压裂技术得到广泛应用，但面临水资源消耗大以及压裂液添加剂可能导致煤层损伤等问题。针对这一现象，探索更加适宜的煤层压裂液成为研究热点。同时，基于溶剂的煤处理技术近年来在煤物理化学结构研究中表现出显著效果，尤其是四氢呋喃（tetrahydrofuran, THF）等溶剂的前期研究发现，溶剂处理可能改变煤的宏分子结构及孔隙网络特性。这为优化压裂液配方以提高煤层气产能提供了参考依据。
本研究以中挥发分烟煤为研究对象，结合酸化与不同浓度THF溶剂处理，深入探讨煤孔隙结构在酸化和溶剂萃取前后的差异及其形成机制，为煤层气储层压裂液的优化提供理论支持。
三、研究过程与方法
1. 研究对象与样品准备
- 研究对象：取自中国山西省古交矿区的新鲜工作面中挥发分烟煤。
- 样品处理：
- 煤样磨细至80-100目，烘干至重量恒定（温度105°C，12小时后重量变化小于0.01%）。
- 烘干后的煤样分组进行酸化和溶剂萃取实验。
2. 酸化实验
酸化旨在溶解煤中的大部分矿物质以改善孔隙结构与孔隙连通性： - 酸化步骤： - 将100克煤样分批与1000毫升5 mol/L的盐酸（HCl）混合，搅拌处理24小时。 - 静置分离后，加入去离子水清洗至滤液达到中性，真空干燥至恒重。 - 再以相似方法加入40%氢氟酸（HF）进行处理，用以去除硅酸盐矿物，得到酸化煤（DC）。
3. 溶剂萃取实验
- 实验分组：煤样分为酸化前（RC）和酸化后（DC）两组，每组以四种THF浓度（25%、50%、75%、100%）溶液处理，分别命名为RC-1、RC-2、RC-3、RC-4及DC-1、DC-2、DC-3、DC-4。
- 操作步骤：
- 每组煤样25克，加入250毫升对应浓度THF溶剂（煤样量与溶剂体积比为1:10）。
- 在25°C条件下磁力搅拌萃取120小时，后续进行离心、过滤、浓缩及干燥处理。
4. 低温液氮吸附实验
为表征煤样孔隙结构变化，使用Tristar-ii 3020自动比表面积与孔径分布测试仪： - 测试条件： - 温度：77.3 K，相对压力范围：0.01-1。 - 使用高纯氮作为吸附剂，样品约1克。 - 测定纳米级孔隙的比表面积（SSA）与孔隙体积（PV）等参数，采用Brunauer-Emmett-Teller（BET）多层吸附原理及Barret-Joyner-Halenda（BJH）方法。
5. 数据分析与孔隙分形特性计算
- 使用FHH模型计算孔隙分形维数（d值）：公式为ln V = (d-3)ln[ln(p0/p)] + C。
- 对比不同样品的吸附曲线与孔径分布特性，分析酸化与溶剂萃取的累积效应。
四、主要研究结果
1. 萃取率
- 对于原煤样品（RC），THF浓度与萃取率呈正相关。
- 对于酸化煤样品（DC），萃取率在使用50%浓度THF时达到最大，其萃取率显著高于未酸化煤，且随着THF浓度增加，酸化处理的优势减弱。
2. 孔隙特性对比
- 酸化煤样的BET-SSA减少，BJH-PV和平均孔径增加。
- 不同浓度THF处理后：
- 原煤样品（RC）：SSA和PV不同程度下降，孔径分布趋于稳定。
- 酸化煤样品（DC）：SSA和PV均增加，尤其在5-10 nm孔径范围内表现最显著。
- 50%浓度THF对酸化煤样具有最佳孔隙改善效果。
3. 孔隙回线与分形维数
- 原煤样的吸附/脱附曲线表现为L1型（闭孔为主，弱连通性）。
- 酸化煤样则显示L2型（开放孔比例增加），特别是50%浓度THF处理后表现最为明显。
- 分形维数d值表明：酸化使煤孔表面更平滑，且THF萃取对酸化煤的孔隙复杂性有增强效应。
4. 吸附行为
- 氮气吸附能力呈规律性变化：
- 原煤随THF浓度增加，吸附量呈倒N型趋势减小。
- 酸化煤则呈正N型趋势，并在50%浓度THF处理下达到最大吸附量（1.47 cm³/g）。
五、研究结论和价值
- 科学价值：研究深入剖析了酸化与溶剂处理对煤储层孔隙特征的微观调控机制，为理解煤层中气体吸附/解吸行为和压裂液优化设计提供了科学基础。
- 应用价值：指出将酸与THF结合使用是改善煤孔隙结构的理想方法，并提出50%浓度THF为现场应用最佳选择，具有重要的工程参考意义。
六、研究亮点
- 提出了酸化结合溶剂萃取优化煤体孔隙的创新方法。
- 通过实验首次系统阐明THF萃取浓度对煤酸化前后的孔隙演变规律。
- 基于低温液氮吸附和分形特性分析方法，揭示了煤纳米孔隙系统的复杂性。
七、其他重要讨论
尽管THF具有低沸点、高溶解效能等优点，但其与储层的兼容性、对环境（如地下水）的影响及经济性仍是下一步研究重点。
上述研究结果明显为煤层气开采领域带来了科学与工程上的双重突破。