微生物降解过程中低阶煤的多尺度孔隙重组：多重分形视角

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Multiscale pore reorganization in low-rank coal during microbial degradation: A multifractal perspective

　　

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  微生物降解驱动多尺度煤孔隙的阶段依赖型重组。
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  多重分形分析揭示了不同孔隙尺度下异质性响应的差异。
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  跨尺度相关性表明分级孔隙网络存在协同演化。
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  微生物与煤的相互作用促进孔隙重开、扩大以及裂隙连通性。
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  在微生物改造过程中形成了分级储存-扩散-渗流网络。

引言

煤层气（CBM）是一种与含煤地层相关的重要非常规能源资源[1], [2], [3]。其高效采收不仅对提高煤系能源资源利用率和减少煤矿开采过程中的瓦斯灾害具有重要意义，而且对于减少甲烷逃逸排放也至关重要[4], [5]。然而，随着埋深更大位置的煤炭资源被逐步开采，煤储层日益表现为孔裂隙网络发育不良、结构非均质性显著、渗透率低以及强甲烷吸附能力等特征。这些特性限制了甲烷的解吸、扩散和渗流，从而制约了煤层气的高效采收[6], [7]。因此，开发有效方法以改善低渗透性煤中的孔隙连通性和气体运移通道仍然是一项重要挑战。微生物煤生物转化提供了一种环境可持续的方法，用于增强低渗透性煤储层的孔隙结构。微生物产生的有机酸、胞外酶及其他生物活性代谢产物可改变煤的有机基质和矿物组分，从而引发基质溶解、孔隙壁刻蚀以及原有孔隙通道的重新开启[8], [9]。

在过去十年中，已有大量工作致力于阐明微生物降解对煤化学成分和孔隙结构的影响 [10], [11], [12], [13], [14]。Liu [15] 报道中煤阶煤表现出最高的甲烷产量和生产速率，并证明煤的初始理化性质（包括镜质组反射率、灰分产率、挥发分和粘土矿物含量）在调控微生物多样性和产甲烷活性方面发挥着关键作用。Yang[16], [17] 表明，涉及CO?的微生物过程通过煤基质的功能转化和亲水界面的形成显著降低了甲烷吸附容量和亲和力，而非通过孔隙丢失实现。Bao [18], [19] 提出微生物煤生物气化经历一个动态的三阶段过程，每个阶段涉及序贯的酸化产酸和产甲烷作用，在此期间微生物活性持续增强孔隙连通性，同时降解煤的有机骨架。Liu和Zheng [20] 证明微生物降解促进了微孔向介孔和大孔的转化，从而改善了孔隙连通性和结构均质性，同时改变了煤中的官能团和芳香结构。Hu和Bao [21], [22], [23] 进一步证实煤有机质在微生物转化过程中经历了准阶梯式降解过程，同时将甲烷产量和CO?封存容量提高了12-17%，并提出了煤层气-CO?协同利用策略。Zhang[24] 发现表面活性剂Triton X-100将甲烷产量提高了152.66%，尽管协同效应强烈依赖于孔隙尺寸，大孔的贡献比微孔更为有效。Yi [25] 分离出一个高效固碳微生物菌群，在优化条件下能够显著降低CO?浓度，同时微孔比表面积和大孔体积增加，碳利用代谢途径也发生了重构。Shan [26] 进一步建立了"孔隙扩大-底物释放-微生物增殖-气体产量增加"的正反馈机制，证明生物气化过程中的烃类降解具有强烈的结构依赖性。

尽管取得了上述进展，但关于微生物处理对煤孔隙结构影响的报告仍存在不一致性。这些差异可能源于煤阶和初始岩石学/矿物学组成的差异、微生物群落组成和代谢能力的不同、营养和氧化还原条件的差异、煤粒度和处理时间的不同 [27]。这些耦合因素可能导致孔隙开启、扩大、堵塞和跨尺度转化同时发生，这意味着比表面积和总孔体积等传统参数的变化并不一定代表孔隙网络重组的全貌[28], [29], [30]。

煤含有从分子尺度微孔到微米尺度裂隙的分级孔裂隙系统。由于LP-CO₂吸附、LP-N₂吸附和MIP探测的是该孔隙尺寸谱的不同部分，单一表征技术无法充分描述其多尺度演化 [31], [32], [33]。此外，常规单分形分析将孔隙复杂性简化为单一的平均标度指数，因此无法区分低概率和高概率孔体积子集之间的异质性响应。多重分形分析通过广义维数和奇异性谱提供互补信息，使得不同孔隙尺寸域的孔隙分布异质性和谱不对称性变化可以进行比较 [34], [35], [36]。

因此，本研究聚焦于微生物降解过程中孔隙系统的时间依赖性和跨尺度重组。本研究整合了LP-CO₂吸附、LP-N₂吸附、MIP、SEM和多重分形分析，以识别微孔、介孔和大孔-裂隙系统的阶段依赖变化。由于未直接测量甲烷吸附-解吸、扩散系数和渗透率，本研究仅限于孔隙结构演化及其对甲烷赋存和运移的潜在影响，而非对增强煤层气产量的直接评估。

因此，本研究选取鄂尔多斯盆地彬长矿区的低煤阶煤作为研究对象。对不同微生物降解时长处理的煤样，采用低压CO?吸附（LP-CO?）、低压N?吸附（LP-N?）和压汞法（MIP）进行了全面表征，以量化全孔径范围内的孔隙结构。进一步采用扫描电子显微镜（SEM）表征了表面孔隙形貌和裂隙连通性。在此基础上，引入多重分形分析以定量评估不同尺度下孔隙分布的异质性和复杂性。研究重点在于阐明微生物降解过程中多尺度孔隙系统的阶段依赖响应、跨尺度转化和协同重组路径，以及其对甲烷吸附、扩散和渗流的结构性影响。研究结果有望为微生物改造低渗透煤储层和煤层气资源的高效开发提供理论支持。

章节片段

煤样采集

煤样采集自鄂尔多斯盆地彬长矿区的小庄煤矿。采样后立即将煤样密封于无菌气密容器中并运送至实验室。使用锉刀去除暴露于大气中的风化表层，以消除运输过程中可能的微生物污染。随后，将煤样破碎至2-5 mm粒度，研磨至60-80目，然后在

LP-CO?吸附等温线和微孔特征

如图1所示，原煤的最大CO?吸附量为10.63 cm3 g?1（标准状态）。经微生物降解20、40、60和80天后，相应的吸附量分别为9.09、9.61、16.78和16.92 cm3 g?1（标准状态）。吸附量先降低随后增加，最终达到稳定水平。

QSDFT得到的孔径分布（图2）显示，0.3-0.8 nm范围内的孔体积在

微生物降解过程中多尺度孔隙系统的差异多重分形响应

本研究采用的阶段划分是基于孔体积参数、多重分形特征和SEM观察的协同变化进行的操作分类，而非基于独立测量的微生物生长动力学。20-40 d期被定义为初始阶段，因为小孔可及性降低且CO₂可及孔隙系统的异质性增加，而大孔-裂隙系统的变化相对有限。60 d

结论

通过低温CO?吸附、低温N?吸附、压汞法（MIP）和扫描电子显微镜（SEM）实验，结合多重分形和相关性分析，系统揭示了微生物降解过程中煤中不同尺度孔隙的分阶段演化特征和协同重构机制。主要结论如下：

• (1)
  微生物降解引发了显著的阶段和尺度依赖

基金

本研究获得国家重点研发计划（2023YFC3009000）资助。

CRediT作者贡献声明

王凯： 方法论、基金获取。李莉： 初稿撰写、数据整理。舒龙勇： 基金获取、数据整理。范永鹏： 审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

王凯|李莉|舒龙勇|范永鹏