第三节 煤的固态胶体性质
一、煤的润湿性及润湿热
1.煤的润湿性
当固体与液体接触时，可以用润湿程度表示它们之间的关系。如果固体分子与液体分子的作用力大于液体分子间的作用力，则固体可以被液体润湿；反之，则不能润湿。通常用液体的表面张力σ和固体表面之间的夹角θ来判断液体对固体的润湿程度，接触角为锐角时能润湿，接触角为钝角则不能润湿（见图2-10）。
图2-10 液体和固体间的润湿情况
煤与液体的接触角大小与反映煤化程度的指标w（C）和液体种类有关（见表2-19）。
表2-19 粉末测定法求出的不同煤的接触角
煤粉加压成型测定接触角时，对氮-水系统年轻煤的cosθ小，难润湿；对氮-苯系统（煤样先以水润湿再加苯）情况相反，cosθ随煤化程度增加而增加，即年老煤比年轻煤容易被润湿。
2.煤的润湿热
当煤被液体润湿时，由于煤分子和液体分子之间的作用力大于液体分子间的作用力，故有热量放出，称为润湿热。它的大小与液体种类和煤的表面积有关。常用的溶剂是甲醇，它的润湿力强，作用快，几分钟内润湿热基本上可全部释放出来。年轻煤的润湿热很高，随着w（C）增加而急剧下降，在w（C）接近90％时达到最低点，以后又逐渐回升。
导致热量释放的原因除表面润湿外还有一些其他因素，如年轻煤由于氧含量高，能与甲醇分子产生强烈的极化作用和氢键结合能放出热量，一部分矿物质与甲醇作用也能放热。此外也有吸热现象，如树脂的溶解、煤的体积膨胀和部分矿物质的作用等。所以用润湿热计算表面积不太准确，尤其对很年轻的煤误差更大。
二、煤的表面积
煤的表面积包括外表面积和内表面积两部分，但外表面所占比例极小，主要是内表面积。煤的表面积大小与煤的微观结构和化学反应性有密切关系，是重要的物理指标之一。煤表面积的大小通常用比表面积来表示，即单位质量的煤所具有的总表面积。
1.煤的比表面积（m2/g）测定方法
（1）B.E.T.法 由三位物理化学家所开发，原理是一定条件下测定被煤吸附的气体质量。假定被吸附的气体分子在煤表面成单分子层分布，这样根据吸附的气体质量和气体分子的截面积就可计算出煤的表面积。供吸附的气体有氮、二氧化碳和惰性气体氖、氩、氪、氙等。这是经典方法。
（2）孔体积法（P.D.法） 根据微孔体积和直径进行计算，测煤的比表面积。
（3）气相色谱法 把一定量煤样放在色谱柱内，在动态下测定柱后吸附气体的浓度随时间的变化，根据实验结果进行换算。这是新的测定方法。
2.煤的比表面积与煤化程度的关系
随着煤化程度的变化，煤的比表面积具有一定的变化规律。煤化程度低的煤和煤化程度高的煤其比表面积大，而中等煤化程度的煤，比表面积小，反映了煤化过程中，分子空间结构的变化。
对不同煤种用B.E.T.法测定所得比表面积数据列表2-20。
表2-20 煤的比表面积（B.E.T.法测定）
由表2-20可见，N2测得的比表面积最低，因为氮分子进入煤的内孔是活性扩散过程，在-196℃下只能进入较大的孔隙。不同气体和不同温度所得结果都不相同，大多无可比性。一般认为CO2（-78℃）和Xe（0℃）可测得煤的总面积，只是对含碳量为80％左右的煤需要用CO2（25℃）。
三、孔隙度和孔径分布
（一）煤的孔隙度
1.煤的孔隙度的计算
煤粒内部存在一定的孔隙，孔隙体积与煤的总体积之比称为孔隙度或气孔率，也可用单位质量煤包含的孔隙体积（cm3/g）表示。因为氦分子能充满煤的全部孔隙，而水银在不加压的条件下完全不能进入煤的孔隙，所以用式（2-14）可求出煤的孔隙度
（2-14）
式中 d氦，d汞——用氦和汞测定的煤的密度，g/cm3。
也可以用真相对密度和视相对密度来计算煤的孔隙度
（2-15）
2.孔隙度与煤化程度关系
孔隙度与煤化程度的关系可见图2-11，曲线形状是两边高，中间低。年轻烟煤的孔隙度基本在10％以上；随煤化度的提高孔隙率减少，这是由于煤化度的增加，煤在变质作用下结构渐趋紧密；w（C）=90％附近的煤孔隙度最低，约为3％；w（C）=90％以上，孔隙度随煤化程度增加而增加，这是由于煤化度增加后，煤的紧密程度增加产生体积收缩而裂隙增加所致。不过影响孔隙度的因素除含碳量外还受成煤条件、煤岩显微结构等因素的影响，所以同一含碳量，特别是年轻煤其孔隙度有一个相当大的波动范围。
图2-11 孔隙度与煤化程度的关系
（二）孔径分布
煤的孔径大小并不是均一的，按霍多特分级有：微孔，其直径小于100×10-10m；过渡孔，孔径为（100～1000）×10-10m；中孔，孔径为（1000～10000）×10-10m；大孔，孔的直径大于10000×10-10m。
1.孔径分布的测定
（1）压汞法 水银在无外压条件下不能进入煤的孔隙，若施加压力克服了表面张力产生的阻力，情况就发生变化。水银压力p和能进入的内孔半径r之间的关系
（2-16）
式中 σ——水银的表面张力，0.48N/m；
θ——水银与煤的接触角，140°。
r的单位为10×10-10m，p的单位为MPa。用此法可求得中孔孔径分布。因为煤有可压缩性，水银压力高时要加以校正。
（2）氮气（-196℃）等温吸附法 此法的特点是只能测过渡孔的孔隙体积，再换算到孔径。
直径小于1.2nm的微孔不能直接测定，而是用差减法求出微孔隙体积，即V3=V总-（V1+V2）。V总为孔隙体积总和，根据氦和水银测定的密度计算，V1为粗孔体积，V2为过渡孔体积。已知V3可估算出微孔的孔径。
2.孔隙体积的分布和煤化程度的关系
不同煤化程度煤的孔隙体积分布可见表2-21。由表可见对不同煤化程度的煤各种孔的分布有一定规律。
表2-21 孔隙体积分布和煤化程度的关系
①w（C）低于75％的褐煤粗孔占优势，过渡孔基本没有。
②w（C）75％～82％之间的煤过渡孔特别发达，孔隙总体积主要由过渡孔和微孔所决定。
③w（C）在88％～91％的煤微孔占优势，其体积占总体积70％以上。过渡孔一般很少。
可见，随煤化程度的逐渐提高，煤的孔径渐小，且孔体积中微孔体积所占的比例渐大，反映了煤的物理结构渐趋紧密化。