第三節 煤的固態膠體性質
一、煤的潤濕性及潤濕熱
1.煤的潤濕性
當固體與液體接觸時，可以用潤濕程度表示它們之間的關系。如果固體分子與液體分子的作用力大于液體分子間的作用力，則固體可以被液體潤濕；反之，則不能潤濕。通常用液體的表面張力σ和固體表面之間的夾角θ來判斷液體對固體的潤濕程度，接觸角為銳角時能潤濕，接觸角為鈍角則不能潤濕（見圖2-10）。
圖2-10 液體和固體間的潤濕情況
煤與液體的接觸角大小與反映煤化程度的指標w（C）和液體種類有關（見表2-19）。
表2-19 粉末測定法求出的不同煤的接觸角
煤粉加壓成型測定接觸角時，對氮-水系統年輕煤的cosθ小，難潤濕；對氮-苯系統（煤樣先以水潤濕再加苯）情況相反，cosθ隨煤化程度增加而增加，即年老煤比年輕煤容易被潤濕。
2.煤的潤濕熱
當煤被液體潤濕時，由于煤分子和液體分子之間的作用力大于液體分子間的作用力，故有熱量放出，稱為潤濕熱。它的大小與液體種類和煤的表面積有關。常用的溶劑是甲醇，它的潤濕力強，作用快，幾分鐘內潤濕熱基本上可全部釋放出來。年輕煤的潤濕熱很高，隨著w（C）增加而急劇下降，在w（C）接近90％時達到最低點，以后又逐漸回升。
導致熱量釋放的原因除表面潤濕外還有一些其他因素，如年輕煤由于氧含量高，能與甲醇分子產生強烈的極化作用和氫鍵結合能放出熱量，一部分礦物質與甲醇作用也能放熱。此外也有吸熱現象，如樹脂的溶解、煤的體積膨脹和部分礦物質的作用等。所以用潤濕熱計算表面積不太準確，尤其對很年輕的煤誤差更大。
二、煤的表面積
煤的表面積包括外表面積和內表面積兩部分，但外表面所占比例極小，主要是內表面積。煤的表面積大小與煤的微觀結構和化學反應性有密切關系，是重要的物理指標之一。煤表面積的大小通常用比表面積來表示，即單位質量的煤所具有的總表面積。
1.煤的比表面積（m2/g）測定方法
（1）B.E.T.法 由三位物理化學家所開發，原理是一定條件下測定被煤吸附的氣體質量。假定被吸附的氣體分子在煤表面成單分子層分布，這樣根據吸附的氣體質量和氣體分子的截面積就可計算出煤的表面積。供吸附的氣體有氮、二氧化碳和惰性氣體氖、氬、氪、氙等。這是經典方法。
（2）孔體積法（P.D.法） 根據微孔體積和直徑進行計算，測煤的比表面積。
（3）氣相色譜法 把一定量煤樣放在色譜柱內，在動態下測定柱后吸附氣體的濃度隨時間的變化，根據實驗結果進行換算。這是新的測定方法。
2.煤的比表面積與煤化程度的關系
隨著煤化程度的變化，煤的比表面積具有一定的變化規律。煤化程度低的煤和煤化程度高的煤其比表面積大，而中等煤化程度的煤，比表面積小，反映了煤化過程中，分子空間結構的變化。
對不同煤種用B.E.T.法測定所得比表面積數據列表2-20。
表2-20 煤的比表面積（B.E.T.法測定）
由表2-20可見，N2測得的比表面積最低，因為氮分子進入煤的內孔是活性擴散過程，在-196℃下只能進入較大的孔隙。不同氣體和不同溫度所得結果都不相同，大多無可比性。一般認為CO2（-78℃）和Xe（0℃）可測得煤的總面積，只是對含碳量為80％左右的煤需要用CO2（25℃）。
三、孔隙度和孔徑分布
（一）煤的孔隙度
1.煤的孔隙度的計算
煤粒內部存在一定的孔隙，孔隙體積與煤的總體積之比稱為孔隙度或氣孔率，也可用單位質量煤包含的孔隙體積（cm3/g）表示。因為氦分子能充滿煤的全部孔隙，而水銀在不加壓的條件下完全不能進入煤的孔隙，所以用式（2-14）可求出煤的孔隙度
（2-14）
式中 d氦，d汞——用氦和汞測定的煤的密度，g/cm3。
也可以用真相對密度和視相對密度來計算煤的孔隙度
（2-15）
2.孔隙度與煤化程度關系
孔隙度與煤化程度的關系可見圖2-11，曲線形狀是兩邊高，中間低。年輕煙煤的孔隙度基本在10％以上；隨煤化度的提高孔隙率減少，這是由于煤化度的增加，煤在變質作用下結構漸趨緊密；w（C）=90％附近的煤孔隙度最低，約為3％；w（C）=90％以上，孔隙度隨煤化程度增加而增加，這是由于煤化度增加后，煤的緊密程度增加產生體積收縮而裂隙增加所致。不過影響孔隙度的因素除含碳量外還受成煤條件、煤巖顯微結構等因素的影響，所以同一含碳量，特別是年輕煤其孔隙度有一個相當大的波動范圍。
圖2-11 孔隙度與煤化程度的關系
（二）孔徑分布
煤的孔徑大小并不是均一的，按霍多特分級有：微孔，其直徑小于100×10-10m；過渡孔，孔徑為（100～1000）×10-10m；中孔，孔徑為（1000～10000）×10-10m；大孔，孔的直徑大于10000×10-10m。
1.孔徑分布的測定
（1）壓汞法 水銀在無外壓條件下不能進入煤的孔隙，若施加壓力克服了表面張力產生的阻力，情況就發生變化。水銀壓力p和能進入的內孔半徑r之間的關系
（2-16）
式中 σ——水銀的表面張力，0.48N/m；
θ——水銀與煤的接觸角，140°。
r的單位為10×10-10m，p的單位為MPa。用此法可求得中孔孔徑分布。因為煤有可壓縮性，水銀壓力高時要加以校正。
（2）氮氣（-196℃）等溫吸附法 此法的特點是只能測過渡孔的孔隙體積，再換算到孔徑。
直徑小于1.2nm的微孔不能直接測定，而是用差減法求出微孔隙體積，即V3=V總-（V1+V2）。V總為孔隙體積總和，根據氦和水銀測定的密度計算，V1為粗孔體積，V2為過渡孔體積。已知V3可估算出微孔的孔徑。
2.孔隙體積的分布和煤化程度的關系
不同煤化程度煤的孔隙體積分布可見表2-21。由表可見對不同煤化程度的煤各種孔的分布有一定規律。
表2-21 孔隙體積分布和煤化程度的關系
①w（C）低于75％的褐煤粗孔占優勢，過渡孔基本沒有。
②w（C）75％～82％之間的煤過渡孔特別發達，孔隙總體積主要由過渡孔和微孔所決定。
③w（C）在88％～91％的煤微孔占優勢，其體積占總體積70％以上。過渡孔一般很少。
可見，隨煤化程度的逐漸提高，煤的孔徑漸小，且孔體積中微孔體積所占的比例漸大，反映了煤的物理結構漸趨緊密化。