基于NMR定量表征和分析水煤浆水分状态

核心观点

水煤浆中水分状态与含量的变化是产生其宏观流变特性的根本原因，研究水分状态的迁移变化有助于从微观机理上阐释水煤浆流变特性的变化规律，进而为管道输煤系统工艺参数设计和优化提供依据。

1.试验原材料

试验选用煤粉作为原材料，经50、70、100、200、270目筛网筛分得到样品，然后经水洗筛分，烘干后得到颗粒粒径相对单一的A、B、C、D四种煤粉，各自的颗粒粒径分布见图1，颗粒粒径及不均匀系数见图2。

图1：煤粉颗粒粒径分布

图2： 煤粉颗粒物理特性

2.试验设备与测试方法

试验采用苏州纽迈分析仪器有限公司生产的PQ001型核磁共振分析仪进行测试。仪器具体参数与CPMG试验参数设置可参考原文，在此不再赘述。

试验测试方法

试验结果

1.浆体不同水分状态分析
不同浓度、不同粒径的水煤浆反演后的弛豫信号如下图3所示。

图3 水煤浆弛豫时间T2分布

从上图中更可以看出：
① 各样品的T2分布均包括三个弛豫峰，不同浓度水煤浆产生的弛豫信号存在明显差异，且随着浓度增加，最右侧峰逐渐变弱。
② 不同粒径的水煤浆，各峰加权平均T2值随浓度的增加而减小，整个T2谱存在左移的趋势。

2.浆体不同水分状态的定量分析
水煤浆中存在三种不同状态的水分，分别为颗粒表面的吸附水、颗粒间的间隙水、自由水，三种水分由于其物理化学状态不同，自由活动能力存在本质差异。具体如下图所示。

图4 浆体中不同状态水分示意图

根据上节中不同状态T2图谱的峰面积占比，可以得到不同浓度和不同粒径条件下水煤浆中吸附水、间隙水和自由水占总水分含量的比例，进而将其各自对应的水含量定量化。

图5 浓度与不同状态水量的关系

3.不同粒径下不同状态水分含量分析

图6 粒径与不同状态水分含量关系曲线

图6a为不同浓度下，颗粒粒径对间隙水量的影响，从整体变化趋势来看，在一定浓度下，间隙水量随颗粒粒径的增加而减少，其变化幅度以浓度55%为分界线。
图6b为不同浓度下粒径与自由水量的关系，可以看出，当浓度小于55%时，颗粒粒径越大，单位质量颗粒所含的自由水量越多；当浓度大于55%时，自由水量变化不大，接近于0；这是由于颗粒粒径越小，其吸附能力和团聚作用也就越强，更多的水分以间隙水和吸附水的状态存在。

结论

1）不同粒径、不同浓度水煤浆主要存在三个不同水分状态的弛豫峰，分别对应吸附水、间隙水和自由水。
（2）在一定粒径下，吸附水含量与浓度无关，间隙水的含量随着浓度的增大而增多，自由水的含量则随浓度的增大而减少。在一定浓度下，吸附水和间隙水量与粒径呈负相关，自由水量与粒径呈正相关。
（3）颗粒粒径和浓度是影响不同状态水分含量的重要因素。产生影响的根本原因是颗粒间距的大小以及细颗粒与水分子之间的吸附作用和颗粒间的团聚作用的强弱。

参考文献：
龙海潮,夏建新,曹斌.基于低场核磁共振技术的水煤浆水分状态与定量分析[J].泥沙研究,2018,43(03):44-49.

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推荐仪器：
核磁共振含油含水率分析仪PQ001-20-025V