核磁共振冷凍測孔法-低場核磁

核磁共振冷凍測孔法(NMR cryoporometry,NMR-C)是一種新興的孔隙表征技術(shù),可覆蓋納米孔隙的測試范圍,可實現(xiàn)對同一樣品的連續(xù)測量,還能直接、高效地獲取孔徑分布、孔隙度等信息。測試過程對樣品擾動小,在頁巖等低滲介質(zhì)的納米孔隙研究中展現(xiàn)出了潛力,可對其他孔隙表征技術(shù)進行補充。

低溫核磁系統(tǒng)框架圖

核磁共振冷凍測孔法通過采集變溫條件下的核磁共振信號來表征多孔介質(zhì)孔隙內(nèi)液體隨溫度的相變過程,基于受限材料的相變理論,對多孔材料的孔隙度、孔徑分布等性質(zhì)進行深入研究。

核磁共振冷凍測孔法的實質(zhì)是利用流體固、液態(tài)核磁共振弛豫性質(zhì)的差異來表征孔隙結(jié)構(gòu)特征。在實際測量過程中,首先將某種液體(一般為潤濕性液體)飽和填充于待測的多孔固體材料中,通過儀器配備的冷卻裝置進行變溫操作,測量相應(yīng)相變過程的液體變化量,從而獲得熔化(或凝固)曲線,分析孔隙的相關(guān)信息。

圖中描述了多孔材料中孔隙內(nèi)物質(zhì)的相變過程。隨著溫度升高，孔隙內(nèi)液體(水）從小孔到大孔逐漸開始融化，材料中液體物質(zhì)逐漸增加，根據(jù)Gibbs–Thomson方程，液體總含量隨溫度升高而增加的過程可以看作是孔隙體積從小孔到大孔的累積過程，所以準(zhǔn)確測量多孔材料變溫過程中液體的體積，可以得到材料的孔徑分布。

多孔材料中物質(zhì)相變行為

常規(guī)的核磁共振弛豫法不能反映孔隙的孔徑,需要進行系數(shù)換算得到孔徑分布。而核磁共振冷凍測孔法不但具有常規(guī)核磁共振技術(shù)的優(yōu)勢,還能提高微孔、中孔的測試精度,測試范圍也能滿足低滲頁巖的需求。

核磁共振冷凍測孔法是一種具有研究意義與應(yīng)用價值的孔隙結(jié)構(gòu)表征方法.目前,NMR-C已被廣泛用于研究介孔二氧化硅、生物細(xì)胞、木材等材料，并且在頁巖等巖石的孔隙表征方面也具有廣闊的應(yīng)用前景.

不同表征方法頁巖孔徑分布結(jié)果對比圖

相較于傳統(tǒng)的方法,核磁共振冷凍測孔法在納米介質(zhì)孔隙研究方面的優(yōu)點可概括如下:

(1)該方法較壓汞法、氮氣吸附法等能較好地表征納米孔隙結(jié)構(gòu),且可在水相環(huán)境下進行測試。

(2)NMR-C利用核磁共振技術(shù)對孔內(nèi)信息進行直接獲取,減小了對孔隙結(jié)構(gòu)的破壞,也使得測試過程更加直接、快速。

(3)通過改變樣品形態(tài)以及利用流體的毛細(xì)、擴散等作用,NMR-C可獲得閉孔信息,可用于低滲介質(zhì)有效孔隙度、總孔隙度的對比研究。  

推薦儀器：核磁共振納米孔隙分析儀NMRC12-010V  

[參考資料： 核磁共振冷凍測孔法及其在頁巖納米孔隙表征的應(yīng)用[J]. 科學(xué)通報, 2016, 21(v.61):71-78.]