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礦井瓦斯防治：表面活性劑溶液表面張力、泡沫特性及對甲烷緩釋效應（三）
來源：《煤炭科學技術》 瀏覽 245 次 發(fā)布時間:2024-11-04
2.2表面活性劑溶液對氣體緩釋效應分析
經(jīng)氣相色譜試驗測定，計算出注甲烷的錐形瓶上方氣體檢測結(jié)果如圖10所示。式（1）計算出結(jié)果繪制點線圖表示氣相色譜檢測到的注入氣體占比，APG0810溶液上方甲烷占比大于SDBS，說明APG0810對甲烷的緩釋效應低于SDBS。隨著2種溶液質(zhì)量分數(shù)增加，氣相色譜試驗測得甲烷含量逐漸減少。
圖10表面活性劑對甲烷緩釋效應隨溶液質(zhì)量分數(shù)變化
通過式（4）計算得到泡沫中注入氣體含量。圖10中柱狀圖可以看出，SDBS溶液泡沫對甲烷的束縛效果明顯優(yōu)于APG0810，APG0810溶液由于發(fā)泡性及泡沫穩(wěn)定性均弱于SDBS，故對甲烷束縛能力較差。質(zhì)量分數(shù)為0.05%的SDBS可控制27.43 mL甲烷，0.15%的SDBS可控制43.649 mL甲烷，占總注入甲烷體積87%。質(zhì)量分數(shù)為0.15%的APG0810溶液可控制31.33 mL甲烷，占總注入甲烷體積62.6%。
圖11所示為注入氮氣的氣相色譜檢測結(jié)果。根據(jù)式（1）計算出錐形瓶上方氮氣占比如圖11點線圖所示。測得溶液上方甲烷含量隨著溶液濃度增加有明顯降低趨勢，溶液質(zhì)量分數(shù)從0.02%到0.05%時直線斜率明顯變大，這是由于表面活性劑溶液質(zhì)量分數(shù)增長較大，溶液內(nèi)兩親性基團變多，溶液泡沫穩(wěn)定性變強。隨著溶液質(zhì)量分數(shù)不斷增大，斜率逐漸降低，是由于溶液接近臨界膠束濃度，對泡沫形成與穩(wěn)定改變作用變得不明顯。
圖11表面活性劑對氮氣緩釋效應隨溶液質(zhì)量分數(shù)變化
表面活性劑泡沫對氮氣緩釋作用結(jié)果如圖11所示。相同質(zhì)量分數(shù)下，SDBS溶液對氮氣的緩釋效應優(yōu)于APG0810，質(zhì)量分數(shù)為0.15%時，SDBS和APG0810溶液泡沫阻礙氮氣體積分別為49.102 mL和37.042 mL。
表面活性劑對氮氣的緩釋效果強于甲烷氣體。這是由于甲烷氣體摩爾質(zhì)量低于氮氣，分子間作用力較小，使得甲烷分子在泡沫結(jié)構(gòu)中擴散速率大于氮氣分子，容易使泡沫結(jié)構(gòu)破裂。
圖12為注入二氧化碳的氣相色譜檢測結(jié)果，計算出表面活性劑泡沫對二氧化碳的緩釋作用結(jié)果如圖12柱狀圖所示。相同質(zhì)量分數(shù)下，SDBS溶液對二氧化碳的緩釋效應優(yōu)于APG0810。然而兩種表面活性劑對二氧化碳緩釋效應均不顯著，SDBS表面活性劑溶液在質(zhì)量分數(shù)最大時10 min內(nèi)只控制了8.46 mL二氧化碳氣體，APG0810只控制了7.74 mL二氧化碳氣體。
圖12表面活性劑對CO2釋效應隨溶液質(zhì)量分數(shù)變化
盡管二氧化碳的摩爾質(zhì)量在3種氣體中最大，但是二氧化碳為酸性氣體，表面活性劑泡沫在酸性環(huán)境下不易維持，所以試驗測得SDBS表面活性劑溶液對二氧化碳的緩釋效應比其他甲烷低，質(zhì)量分數(shù)為0.15%時泡沫中二氧化碳體積比甲烷低約35 mL，而APG0810溶液降低約23 mL，這是由于其為非離子表面活性劑，受環(huán)境酸堿度影響程度較小，緩釋效應降低幅度低于SDBS溶液。
兩種表面活性劑容易泡沫結(jié)構(gòu)在質(zhì)量分數(shù)為0.15%時對甲烷的緩釋效果最好，為研究泡沫結(jié)構(gòu)對甲烷的有效緩釋時長，探索其時間規(guī)律，對質(zhì)量分數(shù)為0.15%時的兩種表面活性劑溶液分別在通入甲烷氣體后10、20、40、60、90、120 min的錐形瓶上方氣體進行氣相色譜試驗，檢測甲烷占比，并計算了每個時刻泡沫結(jié)構(gòu)中甲烷體積，繪制圖像如圖13所示。
圖13表面活性劑泡沫對甲烷緩釋作用隨時間變化
隨著時間推移，兩種表面活性劑在通入甲烷氣體后產(chǎn)生的泡沫結(jié)構(gòu)均逐漸潰滅，對甲烷的緩釋效應也逐漸衰弱。但由于兩種表面活性劑發(fā)泡性能和泡沫穩(wěn)定性不同的原因，SDBS泡沫結(jié)構(gòu)消散速率較慢，對甲烷的緩釋效應衰減較慢。質(zhì)量分數(shù)為0.15%APG0810溶液在60 min時對甲烷的緩釋效應衰減到約為40%，而SDBS溶液在120 min時對約占通入甲烷總體積49.16%的甲烷仍有阻礙效應，該時刻APG0810泡沫結(jié)構(gòu)幾乎完全潰滅，對甲烷逸散無有效緩釋作用。
經(jīng)過以上試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，表面活性劑溶液的泡沫對甲烷的緩釋效應與表面活性劑溶液的泡沫性質(zhì)有強相關性，表面活性劑溶液發(fā)泡性越強，泡沫穩(wěn)定性越強，對氣體緩釋作用就越強。
為探索表面活性劑溶液對甲烷的緩釋效應與泡沫性質(zhì)的關系，繪制泡沫中甲烷體積與發(fā)泡性關系，并用Boltzmann函數(shù)擬合獲得關系式，如圖14、圖15所示，擬合函數(shù)見表1。圖14擬合了表面活性劑溶液泡沫中甲烷體積隨著發(fā)泡性變化曲線，發(fā)泡性包含注入空氣的發(fā)泡性及注入甲烷的發(fā)泡性?？梢钥闯鰺o論是注入空氣還是甲烷，擬合度均在0.9以上，且均隨著發(fā)泡性增強，泡沫對甲烷的緩釋作用越強。
圖14泡沫中甲烷體積與泡沫高度擬合曲線
圖15泡沫中甲烷體積與泡沫半衰期擬合曲線
圖15為表面活性劑溶液泡沫中甲烷體積隨泡沫半衰期變化的曲線，半衰期包括甲烷泡沫半衰期和空氣泡沫半衰期。擬合度均在0.9以上，且均隨著泡沫穩(wěn)定性增強，泡沫對甲烷的緩釋作用越強。
以上擬合數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，泡沫對甲烷的緩釋效果主要由泡沫發(fā)泡性和穩(wěn)定性決定。空氣?表面活性劑泡沫與甲烷-表面活性劑泡沫性質(zhì)均與其對甲烷緩釋效應的擬合度較高，可直接采取空氣?表面活性劑泡沫各項參數(shù)表示泡沫性質(zhì)。泡沫發(fā)泡性越強，意味著在瓦斯釋放初始階段，瓦斯氣體通過表面活性劑溶液時，表面活性劑溶液產(chǎn)生豐富泡沫結(jié)構(gòu)可阻擋瓦斯釋放于外界大氣中。泡沫穩(wěn)定性越強，意味著在瓦斯涌出之后一段時間內(nèi)泡沫結(jié)構(gòu)不易破裂，對瓦斯控制時間較長。發(fā)泡性和泡沫穩(wěn)定性綜合決定了對甲烷是否有良好的控制瓦斯釋放作用。
表1表面活性劑溶液泡沫對甲烷緩釋效應與泡沫性質(zhì)擬合關系式
3.結(jié)論
1）隨著表面活性劑溶液質(zhì)量分數(shù)增加，表面張力均呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，且下降幅度逐漸減緩。質(zhì)量分數(shù)相同時，SDBS溶液表面張力小于APG0810溶液，在質(zhì)量分數(shù)為0.15%時，SDBS和APG0810溶液表面張力分別從72.518 mN/m降至31.833 mN/m和33.407 mN/m。表面活性劑中所含離子不同及表面活性劑臨界膠束濃度共同決定溶液黏度。SDBS溶液黏度隨質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢，APG0810溶液相反，在質(zhì)量分數(shù)為0.05%時兩種表面活性劑溶液黏度相差0.041 MPa·s，達到最大值。
2）隨著表面活性劑溶液質(zhì)量分數(shù)增加，發(fā)泡率及泡沫穩(wěn)定性均有所提升，接近臨界膠束濃度時增長幅度較為緩慢。質(zhì)量分數(shù)為0.15%時SDBS和APG0810在注入空氣時發(fā)泡高度分別為44 mm和40 mm。質(zhì)量分數(shù)為0.15%時SDBS溶液泡沫半衰期最大為786.5 s，相同質(zhì)量分數(shù)下SDBS泡沫性質(zhì)均比APG0810溶液優(yōu)越。
3）泡沫液膜厚度隨著表面活性劑溶液質(zhì)量分數(shù)增加有增加趨勢。APG0810溶液泡沫液膜較厚。注入甲烷情況下，溶液質(zhì)量分數(shù)0.15%時，APG0810溶液在泡沫液膜厚度達到最大，約為0.303 mm，SDBS溶液泡沫液膜厚度約為0.297 mm。
4）泡沫穩(wěn)定性是決定甲烷緩釋效應的關鍵因素，泡沫穩(wěn)定性越強，越能有效控制甲烷流動。可直接采取空氣-表面活性劑泡沫的各項參數(shù)表示泡沫性質(zhì)。陰離子表面活性劑SDBS表現(xiàn)較好，泡沫穩(wěn)定性較強，隨著時間推移，SDBS也有比APG0810更好控制甲烷釋放的效果。質(zhì)量分數(shù)為0.15%時，10 min內(nèi)SDBS可以控制約占總通入甲烷體積87%的甲烷。120 min后仍可控制約占通入總體積49.16%的甲烷。
5）僅研究了同一氣體壓力下表面活性劑溶液泡沫結(jié)構(gòu)對甲烷的緩釋效應，在后期研究中會進行相關研究。本研究為表面活性劑抑制瓦斯解吸及其機理探索提供一個新角度。
礦井瓦斯防治：表面活性劑溶液表面張力、泡沫特性及對甲烷緩釋效應（一）