新興的孔隙表征技術(shù)-核磁共振冷凍測(cè)孔法的測(cè)試方法與應(yīng)用

核磁共振冷凍測(cè)孔法-低場(chǎng)核磁

核磁共振冷凍測(cè)孔法(NMR cryoporometry,NMR-C)是一種新興的孔隙表征技術(shù),可覆蓋納米孔隙的測(cè)試范圍,可實(shí)現(xiàn)對(duì)同一樣品的連續(xù)測(cè)量,還能直接、高效地獲取孔徑分布、孔隙度等信息。測(cè)試過程對(duì)樣品擾動(dòng)小,在頁巖等低滲介質(zhì)的納米孔隙研究中展現(xiàn)出了潛力,可對(duì)其他孔隙表征技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充。

低溫核磁系統(tǒng)框架圖

核磁共振冷凍測(cè)孔法通過采集變溫條件下的核磁共振信號(hào)來表征多孔介質(zhì)孔隙內(nèi)液體隨溫度的相變過程,基于受限材料的相變理論,對(duì)多孔材料的孔隙度、孔徑分布等性質(zhì)進(jìn)行深入研究。

核磁共振冷凍測(cè)孔法的實(shí)質(zhì)是利用流體固、液態(tài)核磁共振弛豫性質(zhì)的差異來表征孔隙結(jié)構(gòu)特征。在實(shí)際測(cè)量過程中,首先將某種液體(一般為潤(rùn)濕性液體)飽和填充于待測(cè)的多孔固體材料中,通過儀器配備的冷卻裝置進(jìn)行變溫操作,測(cè)量相應(yīng)相變過程的液體變化量,從而獲得熔化(或凝固)曲線,分析孔隙的相關(guān)信息。

圖中描述了多孔材料中孔隙內(nèi)物質(zhì)的相變過程。隨著溫度升高，孔隙內(nèi)液體(水）從小孔到大孔逐漸開始融化，材料中液體物質(zhì)逐漸增加，根據(jù)Gibbs–Thomson方程，液體總含量隨溫度升高而增加的過程可以看作是孔隙體積從小孔到大孔的累積過程，所以準(zhǔn)確測(cè)量多孔材料變溫過程中液體的體積，可以得到材料的孔徑分布。

多孔材料中物質(zhì)相變行為

常規(guī)的核磁共振弛豫法不能反映孔隙的孔徑,需要進(jìn)行系數(shù)換算得到孔徑分布。而核磁共振冷凍測(cè)孔法不但具有常規(guī)核磁共振技術(shù)的優(yōu)勢(shì),還能提高微孔、中孔的測(cè)試精度,測(cè)試范圍也能滿足低滲頁巖的需求。

核磁共振冷凍測(cè)孔法是一種具有研究意義與應(yīng)用價(jià)值的孔隙結(jié)構(gòu)表征方法.目前,NMR-C已被廣泛用于研究介孔二氧化硅、生物細(xì)胞、木材等材料，并且在頁巖等巖石的孔隙表征方面也具有廣闊的應(yīng)用前景.

不同表征方法頁巖孔徑分布結(jié)果對(duì)比圖

相較于傳統(tǒng)的方法,核磁共振冷凍測(cè)孔法在納米介質(zhì)孔隙研究方面的優(yōu)點(diǎn)可概括如下:

(1)該方法較壓汞法、氮?dú)馕�附法等能較好地表征納米孔隙結(jié)構(gòu),且可在水相環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。

(2)NMR-C利用核磁共振技術(shù)對(duì)孔內(nèi)信息進(jìn)行直接獲取,減小了對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的破壞,也使得測(cè)試過程更加直接、快速。

(3)通過改變樣品形態(tài)以及利用流體的毛細(xì)、擴(kuò)散等作用,NMR-C可獲得閉孔信息,可用于低滲介質(zhì)有效孔隙度、總孔隙度的對(duì)比研究。  
 

核磁共振納米孔隙分析儀NMRC12-010V

[參考資料： 核磁共振冷凍測(cè)孔法及其在頁巖納米孔隙表征的應(yīng)用[J]. 科學(xué)通報(bào), 2016, 21(v.61):71-78.]