基于NMR定量表征和分析水煤漿水分狀態(tài)

核心觀點

水煤漿中水分狀態(tài)與含量的變化是產生其宏觀流變特性的根本原因，研究水分狀態(tài)的遷移變化有助于從微觀機理上闡釋水煤漿流變特性的變化規(guī)律，進而為管道輸煤系統(tǒng)工藝參數設計和優(yōu)化提供依據。

1.試驗原材料

試驗選用煤粉作為原材料，經50、70、100、200、270目篩網篩分得到樣品，然后經水洗篩分，烘干后得到顆粒粒徑相對單一的A、B、C、D四種煤粉，各自的顆粒粒徑分布見圖1，顆粒粒徑及不均勻系數見圖2。

圖1：煤粉顆粒粒徑分布

圖2： 煤粉顆粒物理特性

2.試驗設備與測試方法

試驗采用蘇州紐邁分析儀器有限公司生產的PQ001型核磁共振分析儀進行測試。儀器具體參數與CPMG試驗參數設置可參考原文，在此不再贅述。

試驗測試方法

試驗結果

1.漿體不同水分狀態(tài)分析
不同濃度、不同粒徑的水煤漿反演后的弛豫信號如下圖3所示。

圖3 水煤漿弛豫時間T2分布

從上圖中更可以看出：
① 各樣品的T2分布均包括三個弛豫峰，不同濃度水煤漿產生的弛豫信號存在明顯差異，且隨著濃度增加，最右側峰逐漸變弱。
② 不同粒徑的水煤漿，各峰加權平均T2值隨濃度的增加而減小，整個T2譜存在左移的趨勢。

2.漿體不同水分狀態(tài)的定量分析
水煤漿中存在三種不同狀態(tài)的水分，分別為顆粒表面的吸附水、顆粒間的間隙水、自由水，三種水分由于其物理化學狀態(tài)不同，自由活動能力存在本質差異。具體如下圖所示。

圖4 漿體中不同狀態(tài)水分示意圖

根據上節(jié)中不同狀態(tài)T2圖譜的峰面積占比，可以得到不同濃度和不同粒徑條件下水煤漿中吸附水、間隙水和自由水占總水分含量的比例，進而將其各自對應的水含量定量化。

圖5 濃度與不同狀態(tài)水量的關系

3.不同粒徑下不同狀態(tài)水分含量分析

圖6 粒徑與不同狀態(tài)水分含量關系曲線

圖6a為不同濃度下，顆粒粒徑對間隙水量的影響，從整體變化趨勢來看，在一定濃度下，間隙水量隨顆粒粒徑的增加而減少，其變化幅度以濃度55%為分界線。
圖6b為不同濃度下粒徑與自由水量的關系，可以看出，當濃度小于55%時，顆粒粒徑越大，單位質量顆粒所含的自由水量越多；當濃度大于55%時，自由水量變化不大，接近于0；這是由于顆粒粒徑越小，其吸附能力和團聚作用也就越強，更多的水分以間隙水和吸附水的狀態(tài)存在。

結論

1）不同粒徑、不同濃度水煤漿主要存在三個不同水分狀態(tài)的弛豫峰，分別對應吸附水、間隙水和自由水。
（2）在一定粒徑下，吸附水含量與濃度無關，間隙水的含量隨著濃度的增大而增多，自由水的含量則隨濃度的增大而減少。在一定濃度下，吸附水和間隙水量與粒徑呈負相關，自由水量與粒徑呈正相關。
（3）顆粒粒徑和濃度是影響不同狀態(tài)水分含量的重要因素。產生影響的根本原因是顆粒間距的大小以及細顆粒與水分子之間的吸附作用和顆粒間的團聚作用的強弱。

參考文獻：
龍海潮,夏建新,曹斌.基于低場核磁共振技術的水煤漿水分狀態(tài)與定量分析[J].泥沙研究,2018,43(03):44-49.

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推薦儀器：
核磁共振含油含水率分析儀PQ001-20-025V