УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ. ЕМКОСТЬ КАТИОННОГО ОБМЕНА

Под удельной поверхностью пористой среды понимают пол­ную поверхность твердых частиц, образующих твердую фазу этой среды, или полную поверхность поровых каналов среды, отнесенную к единице массы твердой фазы или к единице объе­ма пористой среды.

В инженерной геологии, петрографии, почвоведении удель­ную поверхность S_TB относят к единице массы твердой фазы и выражают в м²/г. В петрофизике принято относить удельную поверхность к единице объема породы, выражая ее в м^-1 или см^-1. Для перехода от значения S_TB в м²/г к значению S_п в м^-1 пользуются формулой

где δ_тв в г/см³; k_n — в долях единицы.

При выражении S_п в см^-1 в правой части формулы (2.8) добавляют множитель 10⁴.

Удельную поверхность S_n можно определять на ненарушен­ном образце, S_TB — на порошке, приготовленном путем дезинте­грирования минерального скелета образца без нарушения его первоначальной дисперсности. В каждом случае исследуемый объект отмывают от минеральных солей и органических приме­сей и высушивают при температуре 140 °С.

Наиболее физически обоснованным и технологически совер­шенным считают способ определения удельной поверхности, свя­занный с получением изотермы адсорбции инертного газа, на­пример азота или аргона, и последующей интерпретацией по­лученных результатов по методике Брунауэра — Эммета — Тел-лера (БЭТ). Наибольшее распространение в отечественной и зарубежной лабораторной практике получил вариант этого способа, заключающийся в получении изотермы адсорбции азота при низкой температуре. Рассмотрим упрощенную моди­фикацию этого способа.

1. Отмытый образец породы произвольной формы вакууми-руют с откачкой до 10^-3 мм рт. ст. и прогревают до температу­ры 140°С.

2. В специальную ампулу, содержащую изучаемый образец, последовательно впускают дискретные порции азота при темпе­ратуре —196 °С. После каждого впуска измеряют равновесное давление паров азота в ампуле с образцом р_равн и в буферном объеме p_v. В системе координат р_равн — p_v наносят точки, соот­ветствующие каждому измерению, соединяя которые, получают прямую, пересекающую ось абсцисс в точке р=(р₀)_m- Это зна­чение соответствует давлению азота в объеме V, которое необ­ходимо для образования завершенного монослоя адсорбирован­ных молекул N₂.

Здесь же помещают контрольный график, проходящий через начало координат, получаемый на основании измерений р_равн и p_v по той же программе, как для изучаемого образца, но для образца из оргстекла, на котором адсорбция азота не происхо­дит.

3. Значение S_ТВ рассчитывают по формуле

Значение S_п рассчитывают затем по формуле (2.8).

В лабораторной практике достаточно широко используют другой способ определения S_ТВ, основанный на получении изо­терм адсорбции паров воды с последующим расчетом мини­мальной гигроскопической влажности образца. Этот способ не требует специальной сложной аппаратуры, поэтому более до­ступен для лабораторий, выполняющих массовые исслетования образцов. Экстрагированный и высушенный образец помещают в эксикатор, в котором последовательно создают различную упругость водяных паров. При каждом фиксированном значе­нии р определяют массу образца m и рассчитывают как массу влаги m_ω, поглощенной образцом, так и разность масс влаж­ного т_вл и сухого гп_с образцов. Опыт проводят при постоянной температуре. Затем в прямоугольной системе координат нано­сят точки с координатами m_ω и p/p_s, откладывая по оси абсцисс отношение текущего значения р к максимальной упругости па­ров p_s. Соединяя точки, получают изотерму адсорбции паров воды. Если изотерма имеет четко выраженное плато — участок, параллельный оси абсцисс, для дальнейших расчетов использу­ют величину m_ω, соответствующую этому плато (рис. 1). Если плато отсутствует, берут значение m_ω , соответствующее plp_s = = 0,3—0,35. Полагают, что это значение соответствует заверше­нию образования монослоя адсорбированной воды Вепичину m_ω = m_Г называют минимальной гигроскопической влажностью. Если ау_г выражена в г, количество адсорбированной воды в г-экв составит ω_T/18, а величина S_ТВ в м²/г:

S_п рассчитывают затем по формуле (2.8). Рекомендуется брать σ=10-=-17-10-⁷ г-экв/м².

Преимуществом рассмотренных способов определения S_TB является возможность решения задачи на образцах породы лю­бой формы без разрушения образца. Благодаря тому, что обра­зец не подвергается обработке раствором НС1 и не дезинтегри­руется, получаемые рассмотренными способами значения S_ТВ и S_П являются более полными и объективными характеристика-

ми присутствия в породе высокодисперсных компонент, в том числе глинистой.

Благоприятными объектами исследования для применения рассмотренных способов являются гидрофильные осадочные по­роды всех классов, принимающих участие в геологическом раз­резе нефтяных и газовых месторождений, — терригенные, карбо­натные, вулканогенные и смешанного состава.

Значительными возможностями обладает способ определе­ния параметров S_ТВ и S_п, основанный на определении емкости ионного обмена твердой фазы образца породы. Сущность ион­ного обмена состоит в том, что природный или синтетический адсорбент-ионобменник, находящийся в водном растворе элект­ролита, имеет определенный состав ионов, образующих внеш­нюю обкладку двойного слоя на границе твердая фаза — жид­кость, который находится в строгом соответствии с составом тех же ионов в свободном растворе. Для природных адсорбентов-ионобменников, в первую очередь глин, характерен поло­жительный заряд внешней обкладки двойного слоя, которая со­стоит в основном из катионов. Поэтому для глин и других вы­сокодисперсных породообразующих минералов осадочных горных пород типичен катионный обмен.