基于原子力顯微鏡觀測的煤中顯微組分微觀形貌與孔隙結構

張小梅 ，王紹清 ，陳 昊 ，鄧金松 ，霍立琦

（中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院, 北京 100083）

0 引 言

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）不僅能提供物質表面單個原子和分子的排列狀態，分辨率達納米級或埃米級，而且對測試環境要求低（大氣、真空或液態環境），制樣簡單，對樣品無損害，因此，被廣泛應用于化學、物理、生物及材料等科學領域[1-5]。以往煤的AFM 研究，主要是定性或定量分析煤樣表面的微觀形貌特征及其孔隙結構[6-11]，LARRIE[8]通過AFM 研究昆士蘭Bowen 盆地煤中顯微組分孔隙結構，指出煤中顯微組分孔隙結構對煤層氣儲存和運移有重要作用；LIU 等[10]研究了超微煤顆粒的AFM 形貌特征，指出顆粒粒徑對煤表面微觀結構的影響，表明了將AFM 應用于煤顯微組分形貌及孔隙結構分析的可行性。煤炭不僅是重要的能源來源之一，也是重要的材料原料[12-13]。作為能源來源時，煤的物理性質為煤炭加工及利用提供重要屬性基礎，在其轉化過程中（如液化、氣化及燃燒等）有著不可忽視的作用[14-18]。如煤液化過程中煤及顯微組分表面微觀形貌變化本質是化學結構及成分變化的表現[15]。作為材料原料時，能制備性能優越的碳材料，如以煤為原材料制備活性炭、石墨、石墨烯等[19-21]。煤是一種復雜的混合物，其非均質性、成分多樣性及結構復雜性往往對煤研究造成一定困難。顯微組分是煤的主要有機組分，各顯微組分組成及其性質是影響煤炭資源綜合應用的重要因素之一。因此，筆者以榆橫礦區小紀汗煤礦煤樣為研究對象，基于煤巖學和煤質學分析，以AFM 為表征手段，結合分形理論，綜合分析煤中顯微組分的表面微觀形貌和孔隙結構特征，為該區煤的綜合利用提供理論支撐。……