核磁共振冷冻测孔法-低场核磁

核磁共振冷冻测孔法(NMR cryoporometry,NMR-C)是一种新兴的孔隙表征技术,可覆盖纳米孔隙的测试范围,可实现对同一样品的连续测量,还能直接、高效地获取孔径分布、孔隙度等信息。测试过程对样品扰动小,在页岩等低渗介质的纳米孔隙研究中展现出了潜力,可对其他孔隙表征技术进行补充。

低温核磁系统框架图

核磁共振冷冻测孔法通过采集变温条件下的核磁共振信号来表征多孔介质孔隙内液体随温度的相变过程,基于受限材料的相变理论,对多孔材料的孔隙度、孔径分布等性质进行深入研究。

 

核磁共振冷冻测孔法的实质是利用流体固、液态核磁共振弛豫性质的差异来表征孔隙结构特征。在实际测量过程中,首先将某种液体(一般为润湿性液体)饱和填充于待测的多孔固体材料中,通过仪器配备的冷却装置进行变温操作,测量相应相变过程的液体变化量,从而获得熔化(或凝固)曲线,分析孔隙的相关信息。

 

图中描述了多孔材料中孔隙内物质的相变过程。随着温度升高，孔隙内液体(水）从小孔到大孔逐渐开始融化，材料中液体物质逐渐增加，根据Gibbs–Thomson方程，液体总含量随温度升高而增加的过程可以看作是孔隙体积从小孔到大孔的累积过程，所以准确测量多孔材料变温过程中液体的体积，可以得到材料的孔径分布。

多孔材料中物质相变行为

常规的核磁共振弛豫法不能反映孔隙的孔径,需要进行系数换算得到孔径分布。而核磁共振冷冻测孔法不但具有常规核磁共振技术的优势,还能提高微孔、中孔的测试精度,测试范围也能满足低渗页岩的需求。

 

核磁共振冷冻测孔法是一种具有研究意义与应用价值的孔隙结构表征方法.目前,NMR-C已被广泛用于研究介孔二氧化硅、生物细胞、木材等材料，并且在页岩等岩石的孔隙表征方面也具有广阔的应用前景.

不同表征方法页岩孔径分布结果对比图

相较于传统的方法,核磁共振冷冻测孔法在纳米介质孔隙研究方面的优点可概括如下:

 

(1)该方法较压汞法、氮气吸附法等能较好地表征纳米孔隙结构,且可在水相环境下进行测试。

 

(2)NMR-C利用核磁共振技术对孔内信息进行直接获取,减小了对孔隙结构的破坏,也使得测试过程更加直接、快速。

 

(3)通过改变样品形态以及利用流体的毛细、扩散等作用,NMR-C可获得闭孔信息,可用于低渗介质有效孔隙度、总孔隙度的对比研究。  

推荐仪器：核磁共振纳米孔隙分析仪NMRC12-010V  

 

[参考资料： 核磁共振冷冻测孔法及其在页岩纳米孔隙表征的应用[J]. 科学通报, 2016, 21(v.61):71-78.]