저압 가스 흡착을 기반으로 한 석탄 기공 구조의 프랙탈 분석 및 메탄 흡착 용량에 미치는 영향: 미세기공 채움 모델의 관점

기공 구조 이질성을 이해하는 것은 석탄 층에서 메탄의 발생, 이동 및 회수에 대한 통찰력을 얻기 위해 매우 중요하다. 석탄의 기공 구조는 석탄 내 메탄의 공간적 분포에 직접적인 영향을 미친다. 기공 구조가 메탄 흡착에 미치는 영향은 기공 시스템의 다중 스케일 특성과 다양한 흡착 거동 때문에 상당한 연구의 관심을 끌었다. 본 연구는 저압 가스 흡착 실험을 통해 기공 구조와 기공 표면의 이질성을 드러내기 위해 프랙탈 특성을 분석한다. 미세기공 채움을 기반으로 한 흡착 용량 계산 모델이 CH4 등온 흡착 실험을 사용하여 적용되고 검증된다. 더 나아가, 프랙탈 차원에 따른 가스 흡착의 변화를 상관 분석을 통해 연구한다. 결과는 고품위 석탄이 저품위 석탄보다 큰 미세기공 프랙탈 차원을 가진 잘 개발된 미세기공을 나타내고, 저품위 석탄이 고품위 석탄보다 더 많은 메조/맥로 기공과 더 높은 메조/맥로 기공 프랙탈 차원을 갖는다는 것을 보여준다. 메조/맥로 기공과 미세기공의 프랙탈 차원은 각각 기공 구조의 표면 및 체적 특성을 설명할 수 있다. 기공 구조를 기반으로 한 미세기공 채움 모델은 석탄의 메탄 흡착 용량을 정량적으로 계산하는 데 사용될 수 있으며, 오차는 −32.6, 2.9, 3.2 및 14.3%이다. 이는 석탄의 흡착 거동을 이해하는 데 있어 단층 흡착 가설 대비 상당한 장점을 제공한다. 기공 구조의 프랙탈 차원은 각 흡착 형태에서 흡착 용량과 긍정적인 상관관계를 가지며, 메조/맥로 기공에서 0.792 및 0.842, 미세기공에서 0.821 및 0.743의 상관 계수를 보인다. 대부분의 메탄 분자가 미세기공에 저장되기 때문에, 미세기공의 프랙탈 차원은 석탄의 메탄 흡착 용량을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 발견은 다양한 지질 조건에서 석탄 내 메탄 발생에 영향을 미치는 메커니즘을 이해하는 데 중요한 의미를 가지며, 이를 통해 석탄 및 가스 분출의 위험을 평가하고 석탄층 메탄 자원을 추정하는 데 기여한다.