CN109900620B - 一种探测多孔物质孔隙度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及孔隙度探测领域，具体涉及一种探测多孔物质孔隙度的方法，在饱水操作前，设置有将待测样品放置在用于扩宽样品表面张力的液体中浸泡，然后用纯水对样品孔隙内的液体进行置换的步骤。本发明提供的探测方法在对多孔物质的孔隙度进行测定时，在液体的作用下，多孔物质的表面张力扩大，从而可以使得多孔物质的疏水性有所减弱，同时，液体还能在一定程度上起到将待测样品孔隙内留存的杂质进行溶解的作用，故在饱水操作时纯水能够更多地充满多孔物质的孔隙，从而使得测试结果更准确。

Description

一种探测多孔物质孔隙度的方法

技术领域

本发明涉及孔隙度探测领域，具体涉及一种探测多孔物质孔隙度的方法。

背景技术

孔隙度是用来反映多孔物质的孔隙状况的一个指标，孔隙度大则说明多孔物质较疏松，容纳水分和养分的量大，孔隙度小则说明多孔物质较坚实，水分和养分的容纳量小。

低温核磁技术是目前可以用于测定样品孔隙度的一项新兴技术，低温核磁孔隙分析仪主要表征的是样品中特定直径的孔隙体积总和与该样品质量的比值，即单位质量下的孔隙体积，单位为cm³/g，主要用于分析对样品有主要贡献的孔隙范围以及一定粒径前的累计孔隙度。其中，根据样品的不同特性，进行相应的饱水操作以测定孔隙体积是孔隙度测定实验的关键环节。现有的饱水操作，都是基于土壤、岩石等样品开发出来的，具体操作为：将样品放置于通过在开口处设置透水石以形成密闭状态的容器中，对容器注入纯水并抽真空，通过抽真空产生的负压将纯水压入至样品的孔隙中。

生物质炭是指作物秸秆等生物质材料在限氧或无氧条件下经低温或相对低温(＜700℃)热裂解而成的一种含碳丰富、难溶、稳定、高度芳香化的固体物质。由于生物质炭与土壤和岩石相比，拥有较强的疏水性且孔隙致密，直径分布也较为广泛，故普通的抽真空加压无法使水充满全部孔隙，即由于生物质炭与土壤、岩石的特性不同，采用现有的饱水操作无法使水真正充满生物质炭的全部孔隙，从而导致生物质炭孔隙度的测定结果误差较大。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的由于生物质炭拥有较强的疏水性且孔隙致密，普通的抽真空加压无法使水充满其全部孔隙，从而导致生物质炭孔隙度的测定结果误差较大的缺陷，从而提供一种探测多孔物质孔隙度的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种探测多孔物质孔隙度的方法，在饱水操作前，设置有将待测样品放置在用于扩宽样品表面张力的液体中浸泡，然后用纯水对样品孔隙内的所述液体进行置换的步骤。

进一步的，所述液体为乙醇。

进一步的，将完成表面张力扩宽的待测样品从液体中取出，并放入纯水中浸泡5-6min进行洗涤，重复浸泡洗涤4-5次，最后一次静置时间为1h。

进一步的，包括以下步骤，

所述待测样品破碎到直径2mm左右；然后放置在用于扩宽样品表面张力的液体中浸泡，最后用纯水对样品孔隙内的所述液体进行置换；所述置换后，进行饱水操作，测定待测样品的孔隙总体积并计算所述孔隙度。

进一步的，在将待测样品放置于用于扩宽样品表面张力的液体中前还包括用纯水浸泡清洗待测样品2-3次，然后将待测样品在65℃下烘至恒重的步骤。

进一步的，所述饱水操作为将待测样品放置于密闭状态的容器中，对容器抽真空并注纯水以使纯水充满待测样品的孔隙。

进一步的，所述容器的开口处设置有生料带以对容器进行密封，所述生料带上开设有供纯水通过的小孔。

进一步的，所述容器为色谱瓶，抽真空时间为2小时，保持真空状态时间为8小时，负压值为0.1。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的探测多孔物质孔隙度的方法，通过在饱水操作前设置将待测样品放置在用于扩宽样品表面张力的液体中充分浸泡，然后再用纯水对液体进行置换的步骤，在对多孔物质的孔隙度进行测定时，在液体的作用下，多孔物质的表面张力扩大，从而可以使得多孔物质的疏水性有所减弱，同时，液体还能在一定程度上起到将待测样品孔隙内留存的杂质进行溶解的作用，与现有技术对比，本发明在对多孔物质进行饱水操作时，纯水能够更多地充满多孔物质的孔隙，从而使得测试结果更准确。

2.本发明提供的液体，通过将液体设定为乙醇，首先，乙醇的挥发性较好，能完全挥发，且乙醇的氢离子含量较低，故乙醇对实验结果的干扰性较小，其次，乙醇无毒且经济成本较低，故选用乙醇作为溶液既能提高实验结果的准确性，又能节约实验成本。

3.本发明提供的探测多孔物质孔隙度的方法，在饱水操作时，容器的密闭是通过在容器的开口处设置透水石实现的，而由于生物质炭质地很脆且密度较小，故不经过预处理的生物质炭样品在抽真空时易引起喷瓶，并黏附于透水石上，本发明首先通过将样品的直径设置为2mm左右，一方面可以增大待测样品的沉度，从而避免抽真空时引起喷瓶现象，另一方面可以减少待测样品表面的浮炭，从而减小待测样品重量的损失，同时，通过设置生料带将容器开口进行密封，从而可以防止待测样品黏附在透水石上，从而进一步提高实验结果的准确性。

4.本发明提供的探测多孔物质孔隙度的方法，通过对样品进行纯水浸泡清洗的预处理，可以有效的减少样品上残留的杂质对实验结果的干扰，从而使得实验结果更加精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明试验例2的数据结果的曲线图。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

本发明具体是指：本发明涉及一种探测多孔物质孔隙度的方法，包括以下步骤：测定待测样品的质量，然后将待测样品放置用于扩宽样品表面张力的液体中浸泡，待待测样品完成表面张力扩张后，用纯水对待测样品孔隙内的液体进行置换，然后对待测样品进行饱水操作测得待测样品的体积，并计算待测样品的孔隙度。

其中，由于乙醇挥发性好，且乙醇的氢离子含量较低，无毒且经济成本较低，故乙醇是用作扩宽样品表面张力的液体的最优选择。

待测样品的浸泡可以在色谱瓶或烧杯等容器中进行，浸泡时间为至少5min，以保证待测样品的表面张力扩张完全，置换步骤的具体操作为：待待测样品完成表面张力扩张后，将待测样品从液体中取出，并放入纯水中浸泡5-6min进行浸泡置换，重复浸泡置换步骤4-5次，最后一次静置时间为1h。

具体的，可以采用镊子等工具将待测样品从液体中取出并放入纯水中，也可利用注射器将容器中的液体抽出，并往容器中注入纯水。其中采用注射器抽出液体的方式，由于注射器的针口较小，故注射器在能够在将液体完全抽出的同时也可以避免将待测样品的碎屑抽走，从而可以避免待测样品重量的损失。

孔隙度的计算由低温核磁孔隙分析仪完成，本发明实施例中涉及的低温核磁孔隙分析仪均为购自纽迈公司的NMRC12-010V,其中，待测样品质量的测定可以为放置在称量纸上进行去皮测定，或直接将待测样品放置在浸泡步骤用的仪器中进行去皮测定。

为降低在实验过程中各步骤中造成的待测样品的质量损失对实验结果造成的影响，还可以对待测样品在以下方案中选择至少一项进行处理：

1.待测样品的大小选择直径为2mm左右，这样设置一方面可以增大待测样品的沉度，避免抽真空时引起喷瓶现象而造成待测样品质量损失，另一方面可以减少待测样品表面的浮炭，从而可以减少在置换或饱水操作时造成的待测样品质量损失。

2.在将待测样品放置于用于扩宽样品表面张力的液体中前先用纯水浸泡清洗待测样品2-3次，然后将待测样品在65℃下烘至恒重，烘干步骤在烘箱内进行即可，通过对样品进行纯水浸泡清洗的预处理，可以有效的减少样品上残留的杂质的质量对实验结果的干扰，从而使得实验结果更加精确。

饱水操作的具体步骤为将待测样品放置于密闭状态的容器中，对容器抽真空并注入纯水以使纯水在负压的作用充满待测样品的孔隙，通常饱水操作的容器选用的是色谱瓶，通过在色谱瓶上放置透水石以形成色谱瓶的密闭状态，抽真空时间为2小时，保持真空状态时间为8小时，负压值为0.1。

由于在抽真空时，待测样品可能会黏附在透水石上从而造成待测样品的质量损失，故在实际操作时，可在色谱瓶的开口处设置生料带以对色谱瓶进行密封，同时用针头在生料带上戳出若干可供纯水通过的小孔，从而可以在一定程度上防止待测样品吸附在透水石上。

孔隙度的计算过程具体为：待测样品饱水成功后，取出色谱瓶，此时从外观上看，待测样品与水分界线明显，且摇动之后迅速恢复原样，然后将生料带取下，用注射器小心抽干色谱瓶中的纯水，注意不要抽走样品，然后将装有样品的色谱瓶放入准备就绪的低温核磁孔隙分析仪的一起样品仓中，输入待测样品质量，在-35-0℃的温度范围内设定合适的升温程序，先将温度降低直至将待测样品孔隙内的纯水进行冰冻，然后逐渐升温，使得待测样品孔隙内的水逐渐融化，从而以融化的水的体积表征待测样品孔隙的体积，如针对生物质炭可以设定的升温程序为：设置固定温度点-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、-3℃、-2℃、-1.5℃、-1℃、-0.5℃、0℃，各温度点的保持时间为5min，然后打开低温单元进行测试，仪器根据温度点的设置自动升温并在固定温度点稳定进行数据采集并根据测得的所有孔径体积的总和除以质量计算出累计孔隙度PI。

除上述有说明的外，实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1

本实施例涉及一种探测多孔物质孔隙度的方法，包括以下步骤：

S1、待测样品制备：将生物质炭进行破碎过筛，取直径2mm左右的炭样。

S2、待测样品预处理：用纯水浸泡清洗待测样品3次，初步除掉待测样品表面吸附的浮灰，然后在65℃下将待测样品烘至恒重，保证待测样品完全干燥。

S3、饱水前操作：将干燥后的待测样品放置在色谱瓶中，对其进行去皮称重，得到待测样品的质量m(精确到0.001)，然后往色谱瓶内加入乙醇，并静置五分钟使待测样品得到充分浸泡，然后用注射器将色谱瓶内的乙醇抽出，并注入纯水，静置五分钟，将色谱瓶内的纯水抽出并重新注入纯水，重复5次，最后一次注入纯水后静置1小时再将纯水抽出，直至把乙醇清洗置换干净。

S4、饱水操作：将生料带罩于色谱瓶的瓶口封严，并用针头在生料带上戳出若干小孔，然后将透水石压在色谱瓶开口上，对色谱瓶抽真空并注入纯水，抽真空时间为2小时，然后保持真空状态8小时，负压值为0.1，使得在纯水在负压作用下填满生物质炭的孔隙。

S5、孔隙度测定：待测样品饱水成功后取出色谱瓶，将生料带取下，用注射器小心抽干色谱瓶中的纯水，注意不要抽走样品。然后将样品放入准备就绪的低温核磁孔隙分析仪的仪器样品仓中，输入S3中称量得到的待测样品质量m，设定升温程序，即设定固定温度点-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、-3℃、-2℃、-1.5℃、-1℃、-0.5℃、0℃，各温度点的保持时间为5min，打开低温单元，开始测试。待升温程序结束，得到累计孔隙度PI值。

实施例2

本实施例涉及一种探测多孔物质孔隙度的方法，包括以下步骤：

S1、待测样品制备：将生物质炭粗碎，得到炭块炭粉等大小不一的炭样并混匀。

S2、待测样品预处理：用纯水浸泡清洗待测样品3次，初步除掉待测样品表面吸附的浮灰，然后将待测样品烘至恒重，保证待测样品完全干燥。

S3、饱水前操作：将干燥后的待测样品放置在色谱瓶中，对其进行去皮称重，得到待测样品的质量m(精确到0.001)，然后往色谱瓶内加入乙醇，并静置五分钟使待测样品得到充分浸泡，然后用注射器将色谱瓶内的乙醇抽出，并注入纯水，静置五分钟，将色谱瓶内的纯水抽出并重新注入纯水，重复5次，最后一次注入纯水后静置1小时再将纯水抽出，直至把乙醇清洗置换干净。

S4、饱水操作：将生料带罩于色谱瓶的瓶口封严，并用针头在生料带上戳出若干小孔，然后将透水石压在色谱瓶开口上，对色谱瓶抽真空并注入纯水，抽真空时间为2小时，然后保持真空状态8小时，负压值为0.1，使得在纯水在负压作用下填满生物质炭的孔隙。

S5、孔隙度测定：待测样品饱水成功后取出色谱瓶，将生料带取下，用注射器小心抽干色谱瓶中的纯水，注意不要抽走样品。然后将样品放入准备就绪的低温核磁孔隙分析仪的仪器样品仓中，输入S3中称量得到的待测样品质量m，设定升温程序，即设定固定温度点-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、-3℃、-2℃、-1.5℃、-1℃、-0.5℃、0℃，各温度点的保持时间为5min，打开低温单元，开始测试。待升温程序结束，得到累计孔隙度PI值。

实施例3

本实施例涉及一种探测多孔物质孔隙度的方法，包括以下步骤：

S1、待测样品制备：将生物质炭进行破碎过筛，取直径2mm左右的炭样。

S2、饱水前操作：将干燥后的待测样品放置在色谱瓶中，对其进行去皮称重，得到待测样品的质量m(精确到0.001)，然后往色谱瓶内加入乙醇，并静置五分钟使待测样品得到充分浸泡，然后用注射器将色谱瓶内的乙醇抽出，并注入纯水，静置五分钟，将色谱瓶内的纯水抽出并重新注入纯水，重复5次，最后一次注入纯水后静置1小时再将纯水抽出，直至把乙醇清洗置换干净。

S4、饱水操作：将生料带罩于色谱瓶的瓶口封严，并用针头在生料带上戳出若干小孔，然后将透水石压在色谱瓶开口上，对色谱瓶抽真空并注入纯水，抽真空时间为2小时，然后保持真空状态8小时，负压值为0.1，使得在纯水在负压作用下填满生物质炭的孔隙。

S5、孔隙度测定：待测样品饱水成功后取出色谱瓶，将生料带取下，用注射器小心抽干色谱瓶中的纯水，注意不要抽走样品。然后将样品放入准备就绪的低温核磁孔隙分析仪的仪器样品仓中，输入S3中称量得到的待测样品质量m，设定升温程序，即设定固定温度点-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、-3℃、-2℃、-1.5℃、-1℃、-0.5℃、0℃，各温度点的保持时间为5min，打开低温单元，开始测试。待升温程序结束，得到累计孔隙度PI值。

实施例4

本实施例涉及一种探测多孔物质孔隙度的方法，包括以下步骤：

S1、待测样品制备：将生物质炭粗碎，得到炭块炭粉等大小不一的炭样并混匀。

S2、饱水前操作：将干燥后的待测样品放置在色谱瓶中，对其进行去皮称重，得到待测样品的质量m(精确到0.001)，然后往色谱瓶内加入乙醇，并静置五分钟使待测样品得到充分浸泡，然后用注射器将色谱瓶内的乙醇抽出，并注入纯水，静置五分钟，将色谱瓶内的纯水抽出并重新注入纯水，重复5次，最后一次注入纯水后静置1小时再将纯水抽出，直至把乙醇清洗置换干净。

S3、饱水操作：将生料带罩于色谱瓶的瓶口封严，并用针头在生料带上戳出若干小孔，然后将透水石压在色谱瓶开口上，对色谱瓶抽真空并注入纯水，抽真空时间为2小时，然后保持真空状态8小时，负压值为0.1，使得在纯水在负压作用下填满生物质炭的孔隙。

S4、孔隙度测定：待测样品饱水成功后取出色谱瓶，将生料带取下，用注射器小心抽干色谱瓶中的纯水，注意不要抽走样品。然后将样品放入准备就绪的低温核磁孔隙分析仪的仪器样品仓中，输入S3中称量得到的待测样品质量m，设定升温程序，即设定固定温度点-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、-3℃、-2℃、-1.5℃、-1℃、-0.5℃、0℃，各温度点的保持时间为5min，打开低温单元，开始测试。待升温程序结束，得到累计孔隙度PI值。

对比例1

本对比例涉及一种探测多孔物质孔隙度的方法，包括以下步骤：

S1、待测样品制备：将生物质炭粗碎，得到炭块炭粉等大小不一的炭样并混匀。

S2、饱水操作：将干燥后的待测样品放置在色谱瓶中，对其进行去皮称重，得到待测样品的质量m(精确到0.001)，然后将透水石压在色谱瓶开口上，对色谱瓶抽真空并注入纯水，抽真空时间为2小时，然后保持真空状态8小时，负压值为0.1，使得在纯水在负压作用下填满生物质炭的孔隙。

S3、孔隙度测定：待测样品饱水成功后取出色谱瓶，将生料带取下，用注射器小心抽干色谱瓶中的纯水，注意不要抽走样品。然后将样品放入准备就绪的低温核磁孔隙分析仪的仪器样品仓中，输入S3中称量得到的待测样品质量m，设定升温程序，即设定固定温度点-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、-3℃、-2℃、-1.5℃、-1℃、-0.5℃、0℃，各温度点的保持时间为5min，打开低温单元，开始测试。待升温程序结束，得到累计孔隙度PI值。

试验例1

采用各实施例及对比例1中的方法对同一批生物质炭进行检测，对待测样品的质量进行观察并记录，在置换后及饱水后各观察一次，同时对饱水操作后色谱瓶内样品状态作初步评估，试验结果见表1。

表1.各实施例及对比例的实验现象及结果

试验例2

取同一批生物质炭的50个样品，平均分为五组，分别标号样品1-10，各组分别采用实施例1-4及对比例1提供的方法对孔隙度进行平行实验测试，并将得到的测试结果累计孔隙度PI值记录在表2中，各实施例及对比例的PI值浮动曲线见图1。

表2.各实施例及对比例测定的PI值

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比例1
						样品1(cm<sup>3</sup>/g)	1.637	1.227	1.287	1.190	0.626
样品2(cm<sup>3</sup>/g)	1.621	1.122	1.174	1.088	0.433
						样品3(cm<sup>3</sup>/g)	1.605	1.260	1.315	1.186	0.802
样品4(cm<sup>3</sup>/g)	1.636	1.114	1.400	1.112	0.489
						样品5(cm<sup>3</sup>/g)	1.629	1.229	1.298	1.211	0.534
样品6(cm<sup>3</sup>/g)	1.630	1.076	1.332	1.108	0.298
						样品7(cm<sup>3</sup>/g)	1.633	1.230	1.311	1.011	0.756
样品8(cm<sup>3</sup>/g)	1.638	1.112	1.276	1.098	0.333
						样品9(cm<sup>3</sup>/g)	1.634	1.098	1.322	1.172	0.398
样品10(cm<sup>3</sup>/g)	1.635	1.212	1.290	1.145	0.892

根据表2及图1可以发现，采用实施例1提供的测试方法测得的10个生物质炭样品的累计孔隙度PI的几乎没有特别明显的波动，实施例2-4提供的测试方法测得的累计孔隙度PI值虽然均有一定的波动，但波动较小，而对比例1提供的测试方法测得的累计孔隙度PI值波动较大，说明实施例1-4提供的测试方法相比较于对比例1提供的测试方法均能在一定程度上减小实验误差，从而使得测得的结果更精确。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种探测多孔物质孔隙度的方法，其特征在于，在饱水操作前，设置有将待测样品放置在用于扩宽样品表面张力的液体中浸泡，然后用纯水对样品孔隙内的所述液体进行置换的步骤;

所述置换包括以下步骤：将完成表面张力扩宽的待测样品从液体中取出，并放入纯水中浸泡5-6min进行浸泡置换，重复浸泡置换步骤4-5次，最后一次静置时间为1h；

孔隙度的探测和计算由低温核磁孔隙分析仪完成；多孔物质为生物质炭；

选取直径2mm左右的多孔物质作为待测样品；在将待测样品放置于用于扩宽样品表面张力的液体中前还包括用纯水浸泡清洗待测样品2-3次，然后将待测样品在65℃下烘至恒重的步骤；

所述饱水操作为将待测样品放置于密闭状态的容器中，对容器抽真空并注纯水以使纯水充满待测样品的孔隙。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体为乙醇。

3.根据权利要求1-2任一所述的方法，其特征在于，包括以下步骤，

然后将待测样品放置在用于扩宽样品表面张力的液体中浸泡，最后用纯水对样品孔隙内的所述液体进行置换；所述置换后，进行饱水操作，测定待测样品的孔隙总体积并计算所述孔隙度。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述容器的开口处设置有生料带以对容器进行密封，所述生料带上开设有供纯水通过的小孔。

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