摘要：用氣體密度儀方法，分別以氫氣，氦氣和氫+氦混合氣體作介質(zhì)對(duì)八個(gè)阿崗煤樣進(jìn)行了密度測(cè)試。測(cè)得的密度結(jié)果表明：煤的氫介密度值和氦介質(zhì)密度值之間存在顯著差異。即氫介質(zhì)密度明顯高于氦介密度，原因是氫在煤的表面（中）有吸附/吸收作用。氫氣的吸附系數(shù)隨煤樣碳含量的增加而增高。根據(jù)用H2-He（氫+氦）混合氣體測(cè)得的密度值隨測(cè)試介質(zhì)中氫的分壓的變化曲線，用外推法求得了煤樣的真密度值，這種外推真密度與用純氦介質(zhì)測(cè)得的密度數(shù)據(jù)非常接近。通過對(duì)煤中礦物質(zhì)進(jìn)行校正求得了煤有機(jī)質(zhì)的密度。煤有機(jī)質(zhì)的密度與煤階相關(guān)，從年輕煤開始，有機(jī)質(zhì)密度隨碳含量增加而減小，到碳含量達(dá)82%左右時(shí)達(dá)到一個(gè)極小值，隨后，煤有機(jī)質(zhì)密度隨著碳含量的增加而增大。
一．前言
用氣體密度儀測(cè)定煤樣密度的原理是基于測(cè)定已知質(zhì)量（重量）的煤樣在一個(gè)已知體積的樣品室中所占的體積。樣品室中不被樣品所占的體積是通過監(jiān)測(cè)樣品室中的氣體介質(zhì)在向第二個(gè)已知體積的膨脹室（參比室）膨脹時(shí)的壓力變化來測(cè)量的。對(duì)于含有大量孔隙的煤樣而言，密度的測(cè)試及依賴于測(cè)試介質(zhì)氣體的性質(zhì)也和煤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。介質(zhì)氣體分子的大小，它對(duì)樣品的吸附/吸收特性和煤的孔空隙結(jié)構(gòu)都是影響測(cè)試的重要因素。理想的用于煤的真密度測(cè)試的氣體介質(zhì)分子應(yīng)對(duì)煤樣沒有吸附/吸收作用，而且能夠進(jìn)入所有的孔隙體積。
氦分子是*小的球狀分子。氫分子是*小的線狀和圓柱形分子。氫分子的動(dòng)力學(xué)直徑大于氦分子，但是其垂直于圓柱軸的截面積小于氦分子的截面積。這兩種分子都具有很強(qiáng)的進(jìn)入孔隙的能力，氫分子可能比氦分子更易進(jìn)入煤的孔隙。初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：用氣體密度儀采用氫作為測(cè)試介質(zhì)測(cè)得的煤樣的密度明顯地大于氦密度。氫密度和氦密度的明顯差異，一種可能是由于氫具有比氦更高的進(jìn)入孔隙的能力，假如在這種情況下，氫介質(zhì)測(cè)定的密度將是煤樣的真密度；另一種可能原因是氫氣分子對(duì)煤樣有吸附/吸收作用，如果是這種情況，煤的氫密度將是錯(cuò)誤的，就不是煤樣的真密度。如果氦分子比氫分子有更強(qiáng)的進(jìn)入孔隙的能力，而煤的氫密度值又高于氦密度值，那么，就只能解釋為氫分子對(duì)煤樣有吸附作用。在本研究中采用氫-氦混合氣體（49.13%H2 + 50.87%的He）作測(cè)試介質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以探索研究這幾種可能性。
本文中，作者報(bào)道了用氣體密度儀方法，分別以H2氣、He（氦）氣和H2+He混合氣體為介質(zhì)對(duì)8個(gè)阿崗煤樣的密度測(cè)試結(jié)果。對(duì)氫密度明顯高于氦密度的問題進(jìn)行了討論。
二．
儀器與方法
本文的實(shí)驗(yàn)用的是Accupyc 1330 型氣體密度儀，該儀器是通過測(cè)量樣品室（體積已知）中氣體介質(zhì)的壓力變化來求得樣品密度的。儀器的方法原理示于圖1。氣體密度儀包括一個(gè)測(cè)試樣品室，一個(gè)膨脹室和三個(gè)閥門（充氣閥，膨脹閥，放氣閥），一個(gè)壓力傳感器。用該儀器測(cè)試密度時(shí)，直接檢測(cè)氣體介質(zhì)從樣品室膨脹到膨脹室過程中的壓力變化，在已知樣品質(zhì)量的情況下，根據(jù)上述的壓力變化就能夠計(jì)算樣品的體積和密度。氣體膨脹之前和膨脹后，樣品室和膨脹室中氣體的P—V—T（壓力—體積—溫度）參數(shù)列于表1。
表1： 膨脹前后樣品室和膨脹室中氣體的P—V—T 參數(shù)
膨脹前 膨脹后
樣品室 膨脹室內(nèi) 樣品室內(nèi) 膨脹室
P Pcell,1+Patm Patm Pcell,2+Patm Pcell,1+Patm
V Vcell-Va Vexp Vcell-Vg Vexp
T Ta Ta Ta Ta
參數(shù)： P， 表壓（Psig）； Patm, 大氣壓力（Psig）; V， 體積（cm3）; cell, 樣室；exp ，膨脹室；Ta ， 儀器的（環(huán)境）溫度.
因?yàn)榕蛎浨昂蟮臍怏w摩爾數(shù)（N）是恒定不變的，如果在儀器的工作壓力（<20Psig）,測(cè)試環(huán)境溫度（298K）下，測(cè)試介質(zhì)氣體是理想氣體，則
（ncell + nexp） 膨脹前 = （ ncell +nexp） 膨脹后 （1）
根據(jù)理想氣體方程，（1）式可轉(zhuǎn)換為：
（Pcell.1+Patm）Vf PatmVexp Vf （Pcell.2+Patm） （Pcell.2+Patm）Vexp
————————— + ————— = ———————— + ————————— （2）
RTa RTa RTa RTa
式中Vf是樣品室中氣體占有的自由體積。重新排列式（2），得出：
Pcell.2
Vf = ——————— Vexp （3）
Pcell.1-Pcell.2
由于 Vs=Vcell—Vf （4）
把式（3）代入式（4），得到式（5）：
Pcell.2
Vs = Vcell — ———————— Vexp （5）
Pcell.1—Pcell.2
*后，用式（6）計(jì)算煤樣的密度：
W
r = W/Vs = —————————————————— （6）
Pcell.2
Vcell －－ ———————— Vexp
Pcell.1—Pcell.2
在式2、3、5、6中的壓力 Pcell.1 和Pcell.2 是用連接到樣品室的壓力傳感器測(cè)得的（見圖1）。式2、3、4、5、6中的樣品室體積（Vcell）和膨脹室體積（Vexp） 是用標(biāo)準(zhǔn)體積鋼球標(biāo)定得出的。
用本方法測(cè)密度，在以下兩種情況下測(cè)得的數(shù)據(jù)不能作為真密度：（1）當(dāng)測(cè)定含有孔隙的物質(zhì)的密度時(shí)，如果介質(zhì)氣體不能滲入全部的空隙，則測(cè)試的密度值偏低；（2）如果介質(zhì)氣體在樣品表面有吸附發(fā)生或能夠被樣品吸收，則測(cè)試結(jié)果高于真密度。
三．介質(zhì)氣體進(jìn)入樣品孔隙能力對(duì)測(cè)試的影響
如果介質(zhì)氣體不能滲入樣品所有的孔隙體積，則樣品的真實(shí)體積Vs,true應(yīng)為：
Vs,true = Vs,m—Vpore （7）
式中：Vs,m 是測(cè)得的樣品體積； Vpore 是介質(zhì)氣體不能滲入的孔空隙體積；
從式7，可以得到式8：
rtrue = W / Vs,true = W / （ Vs,m – Vpore ） （8）
由式8，可以得到式9：
1 / r true = Vs,m / W – Vpore / W = 1 / r m — e （9）
式中，e 是介質(zhì)氣體不能滲入的空隙率，即：
e = V pore / W （10）
根據(jù)式9，如果e >0, 則r true > r m ，即測(cè)試的密度小于真密度。
原創(chuàng)作者：貝士德儀器科技（北京）有限公司
技術(shù)支持：阿儀網(wǎng) 總訪問量：1837140
