Изменение динамических параметров воды в объеме пор ископаемых углей в зависимости от температуры

Abstract

Представлены результаты измерений методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) времен релаксации Т₁ и Т₂ и коэффициента самодиффузии воды в порах двух образцов ископаемых углей, насыщенных влагой в лабораторных условиях. Измерения проведены на спектрометре спин-эхо и cтационарном ЯМР-спектрометре широких линий на резонансных частотах спинов ядер водорода ¹Н на частоте 20 MHz при температурах от 115 до 308 K. Оба метода ЯМР показали существование фазового перехода воды в объеме пор углей в интервале температур 180–230 K. Согласно формуле Уо–Федина энергия фазового перехода U0 = 27–53 kJ/mol. Из аррениусовых зависимостей для Т₂ получены энергии активации, которые изменяются от Еа = 18 kJ/mol при высоких температурах до Еа = 4 kJ/mol в области низких температур. Отклонение температурной зависимости коэффициента самодиффузии от аррениусовой объясняется переходом от объемной к поверхностной диффузии при низких температурах. Обсуждается зависимость энергии активации вблизи температуры фазового перехода воды и энергии фазового перехода от размера пор.

Наведено результати вимірювань методом ЯМР часів релаксації Т₁ та Т₂ та коефіцієнту самодифузії води в порах двох зразків викопного вугілля, що насичені вологою, у лабораторних умовах. Вимірювання проводилися на спектрометрі спінового еха та стаціонарному ЯМР широких ліній на резонансних частотах спінів ядер водню ¹Н на частоті f ≈ 20 МHz при температурах від 115 до 308 K. Обидва методи ЯМР показали існування фазового переходу води в об’ємі пор вугілля в інтервалі температур 180–230 K. Згідно з формулою Уо–Федіна енергія фазового переходу U0 = 27–53 kJ/mol. З ареніусових залежностей для Т₂ отримано енергії активації, які змінюються від Еа = 18 kJ/mol при високих температурах до Еа = 4 kJ/mol в області низьких температур. Відхилення температурної залежності коефіцієнту самодифузії від ареніусової пояснюється переходом від об’ємної до поверхневої дифузії при низьких температурах. Обговорюється залежність енергії активації поблизу температури фазового переходу води та енергії фазового переходу від розміру пор.

The relaxation times T₁ and T₂ and the self-diffusion coefficient observed by the nuclear magnetic resonance (NMR) methods for water in pores of two coal samples saturated with moisture in laboratory are submitted. Measurements were made by a spin-echo and a stationary broad-band nuclear magnetic resonance spectrometers. The resonant frequency of spins of nucleus of hydrogen ¹H was 20 MHz at temperatures from 115 to 308 K. The both NMR methods have shown the existence of phase transition of water in coal pores in the 180–230 K temperature range. According to Uo–Fedin, the energy of phase transition U0 = 27–53 kJ/mol. The activation energies of T₂ have been obtained which change from Ea = 18 kJ/mol at high temperatures to Ea = 4 kJ/mol at low temperatures. Deviation of the temperature dependence of self-diffusion coefficient from the Arrhenius one is explained by the transition from volumetric to surface diffusion at low temperatures. Dependence of the activation energy near the temperature of phase transition of water and of the phase transition energy on the pore size is discussed.