嚴(yán) 敏，楊 婷，林海飛，閆冬潔，李 泳，霍世豪

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)試驗(yàn)室,陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 中國煤炭工業(yè)協(xié)會西部礦井瓦斯智能抽采工程研究中心，陜西 西安 710054）

0 引言

煤是我國的主要能源之一，含瓦斯煤體在開采過程中容易出現(xiàn)瓦斯異常涌出現(xiàn)象，不僅會造成經(jīng)濟(jì)損失，人員傷亡，大量瓦斯排放到大氣中還會加重溫室效應(yīng)[1]。諸多專家學(xué)者提出向煤層注表面活性劑溶液解決瓦斯異常涌出等問題。陳紹杰[1]、陳學(xué)習(xí)等[2]通過瓦斯解吸試驗(yàn)研究了煤層注入表面活性劑溶液后對煤層瓦斯瓦斯解吸效果的影響，結(jié)果表明添加表面活性劑可大幅度降低水的表面張力，提高煤體的潤濕效果，抑制煤體瓦斯解吸。吉丹妮等[3]研究發(fā)現(xiàn)煤層注水過程中添加表面活性劑能夠抑制煤體瓦斯解吸速率。李智峰[4]、吳強(qiáng)等[5-7]認(rèn)為表面活性劑溶液注入煤層可促進(jìn)生成甲烷水合物，從而起到防治瓦斯涌出效果，并利用自制高壓釜反應(yīng)器對表面活性劑溶液促進(jìn)甲烷水合物的效果進(jìn)行研究。HUANG 等[8]研究表明烷烴-表面活性劑體系對甲烷有較好的溶解效果，可起到抑制瓦斯解吸效果。CAI 等[9]研究結(jié)果表明陰離子表面活性劑溶液可加快瓦斯水合物形成速率。張志增等[10]研究認(rèn)為膠束分子大的溶液對甲烷吸收效果較好。

諸多專家研究了表面活性劑溶液對煤的作用機(jī)理。LI 等[11]采用體積法進(jìn)行甲烷解吸試驗(yàn)，結(jié)果顯示潤濕性越好，越有利于甲烷解吸。YUE 等[12]研制了一種集等壓加水、等壓解吸及自吸高度測量為一體的裝置，研究結(jié)果認(rèn)為自發(fā)吸脹是充分潤濕煤體的關(guān)鍵。朱鍇等[13]利用自制瓦斯解吸測試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，對表面活性劑抑制瓦斯解吸進(jìn)行機(jī)理解釋，研究認(rèn)為由于毛細(xì)作用力，表面活性劑溶液可封堵甲烷。HUANG 等[14]研究結(jié)果認(rèn)為表面活性劑可堵塞煤中孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)而抑制瓦斯解吸。LI 等[15]研究結(jié)果表明潤濕性改性對煤層甲烷吸附解吸有較大影響。WANG 等[16]研究結(jié)果表明十二烷基硫酸鈉可降低煤體滲透性。JIN[17]、李樹剛[18]、ZHOU[19]、GUO等[20]采用分子動力學(xué)模擬方法研究了離子表面活性劑對低階煤潤濕性影響。林海飛等[21-23]研究認(rèn)為液體潤濕性越好，對煤體瓦斯解吸效應(yīng)越好。李樹剛等[24]的紅外光譜檢測結(jié)果表明表面活性劑可增加煤樣親水性官能團(tuán)，增強(qiáng)煤的親水性。WU 等[25]研究結(jié)果顯示酶促碳酸鹽沉淀與表面活性劑協(xié)同作用可增加對煤的潤濕性。楊兆中等[26]利用分子模擬軟件Materials Studio（MS）研究泡沫壓裂液添加劑對煤層甲烷擴(kuò)散影響，結(jié)果顯示起泡劑是降低含水煤層中甲烷擴(kuò)散能力的主要因素，穩(wěn)泡劑會進(jìn)一步降低甲烷擴(kuò)散能力。

向煤層注入表面活性劑溶液的作用效果及作用機(jī)理已有較多研究，大多認(rèn)為表面活性劑溶液對煤中瓦斯有封堵作用，然而表面活性劑溶液與氣體混合易發(fā)泡，形成的泡沫液膜不易消散，也會影響瓦斯流動及解吸。目前有關(guān)于表面活性劑泡沫對瓦斯影響作用研究較少。為了實(shí)現(xiàn)對瓦斯釋放速率的有效控制，探索表面活性劑溶液泡沫特性對甲烷緩釋作用效果尤為重要。本研究從表面活性劑溶液性質(zhì)、表面活性劑泡沫特性角度，測定了溶液表面張力、黏度、發(fā)泡率、泡沫穩(wěn)定性及甲烷緩釋率等參數(shù)，對表面活性劑溶液泡沫特性與甲烷緩釋效應(yīng)之間的變化規(guī)律開展了試驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)分析。本文為表面活性劑抑制瓦斯解吸的機(jī)理研究提供一個新角度，為礦井瓦斯防治，煤炭綠色開采提供一定的理論支撐。

1 試驗(yàn)方案

文章通過表面活性劑溶液基礎(chǔ)性質(zhì)檢測、泡沫性質(zhì)檢測試驗(yàn)、泡沫性質(zhì)對氣體緩釋效應(yīng)試驗(yàn)，對表面活性劑溶液的泡沫特性以及泡沫對甲烷緩釋效應(yīng)進(jìn)行研究。

1.1 試驗(yàn)材料及流程

相關(guān)研究表明十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）[28]和辛癸基葡糖苷（APG0810）對煤體瓦斯解吸抑制效果較好，故試驗(yàn)選取上述兩種表面活性劑進(jìn)行試驗(yàn)。陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），分子式為C18H29NaO3S，非離子表面活性劑為辛癸基葡糖苷（APG0810），分子式為C16H32O6，使用去離子水配置不同濃度表面活性劑溶液。使用99.9%純度甲烷、氮?dú)?、二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行泡沫性質(zhì)檢測及氣體緩釋試驗(yàn)。

試驗(yàn)流程如圖1 所示。將兩種表面活性劑配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%、0.02%、0.05%、0.1%、0.15%的溶液，使用QBZY 全自動表面張力儀對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)表面活性劑溶液以及去離子水進(jìn)行表面張力測量，NDJ-9S 數(shù)顯粘度計(jì)測表面活性劑溶液黏度，注氣法檢測溶液泡沫性質(zhì)，蔡司stemi508 體式顯微鏡觀察泡沫形態(tài)。上述基礎(chǔ)參數(shù)測定結(jié)束后，使用自行研制的表面活性劑溶液對甲烷緩釋試驗(yàn)裝置進(jìn)行泡沫對甲烷緩釋效應(yīng)影響試驗(yàn)，并采用Trace300 氣相色譜儀定量檢測分析。

圖1 試驗(yàn)流程Fig.1 Flow chart of experiment

1.2 表面活性劑溶液物化特性

1.2.1 表面活性劑溶液基礎(chǔ)物化參數(shù)測定

表面活性劑溶液基礎(chǔ)物化特性包括表面張力和溶液黏度[29]。相關(guān)研究表明當(dāng)2 種表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.15%后表面張力下降不明顯，故本研究將2 種表面活性劑分別配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%、0.02%、0.05%、0.1%、0.15%的溶液，使用QBZY 全自動表面張力儀采用鉑金環(huán)法對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)表面活性劑溶液以及去離子水進(jìn)行表面張力測量。試驗(yàn)溫度設(shè)定為25 ℃室溫，環(huán)境濕度為56%。為減少試驗(yàn)誤差，每個表面活性劑溶液測試3 次，求取平均值作為最終表面張力值。使用NDJ-9S 數(shù)顯粘度計(jì)測表面活性劑溶液黏度，每組試驗(yàn)測5 次，求其平均值作為最終黏度。

1.2.2 表面活性劑泡沫形態(tài)測定

利用蔡司stemi508 體式顯微鏡觀察泡沫液膜厚度。向觀察皿內(nèi)表面活性劑溶液中分別注入甲烷、空氣、氮?dú)?、二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生泡沫，在注入氣體10 s時(shí)拍照記錄氣泡形態(tài)。最后測量不同溶液產(chǎn)生泡沫液膜的厚度。

1.2.3 表面活性劑泡沫性質(zhì)測定

本試驗(yàn)檢測表面活性劑溶液泡沫性質(zhì)，包括溶液發(fā)泡性和泡沫穩(wěn)定性[27]。表面活性劑發(fā)泡高度表征發(fā)泡性，泡沫半衰期表征泡沫穩(wěn)定性。注完氣體后泡沫最高高度為發(fā)泡高度，泡沫高度下降為最高高度一半所用時(shí)間為泡沫半衰期。

向容量為100 mL 的比色管中注入30 mL 表面活性劑溶液，分別將50 mL 甲烷、空氣、氮?dú)?、二氧化碳?00 mL/min 的速率通入液體中。利用相機(jī)全程采集發(fā)泡高度和半衰期參數(shù)，每組溶液測3 次，取算數(shù)平均值作為最終數(shù)據(jù)。

1.3 表面活性劑對氣體緩釋效應(yīng)

采取自主研發(fā)的泡沫對氣體緩釋效應(yīng)試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2 所示。將250 mL 表面活性劑溶液置于密閉錐形瓶，使用微型流量計(jì)控制甲烷氣體勻速向表面活性劑溶液中以300 mL/min 速度通入50 mL 氣體。試驗(yàn)具體步驟如下：

圖2 試驗(yàn)裝置示意Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

1）試驗(yàn)前進(jìn)行氣密性檢測，檢測無漏氣情況再進(jìn)行試驗(yàn)。每次試驗(yàn)前將先向?qū)夤芡ㄈ氪郎y氣體，將導(dǎo)氣管中空氣排凈，防止管路中空氣對試驗(yàn)造成誤差。

2）將待測250 mL 表面活性劑溶液置于錐形瓶中，打開閥門2、閥門3，打開微型流量計(jì)，通過微型流量計(jì)控制氣體以300 mL/min 的速度通入錐形瓶液體中，每次試驗(yàn)通入50 mL 氣體。

3）進(jìn)氣結(jié)束后關(guān)閉閥門2、閥門3，從通入氣體開始計(jì)時(shí)，10 min 后從導(dǎo)氣管2 處使用進(jìn)樣器抽取10 mL 上層氣體進(jìn)行氣相色譜試驗(yàn)，得到氣相色譜圖，通過歸一法計(jì)算上層氣體中甲烷占比。氣相色譜定量分析歸一化法其計(jì)算見式（1）：

式中：Pi為被測組分i 的百分含量；A1、A2、··、An為1～n的峰面積；f1、f2、··、fn為組分1～n的相對校正因子。

計(jì)算表面活性劑泡沫對氣體的緩釋效應(yīng)時(shí)，應(yīng)考慮到空氣中本來就含有氣體占比。假設(shè)錐形瓶上方由于注入氣體釋放出的組分含量為Xi；原有大氣中注入氣體占比為ai；通入氣體體積為Vg，泡沫層體積Vf=Vg-Xi，錐形瓶上方除去泡沫的氣體空間體積為V-Vf。推理計(jì)算公式如（2）所示。計(jì)算模型圖如圖3 所示。

圖3 表面活性劑溶液泡沫中氣體體積計(jì)算模型示意Fig.3 Schematic of calculation model for volume of gas in surfactant solution foam

整理式（2），得出表面活性劑溶液泡沫中氣體體積計(jì)算公式：

錐形瓶上方總體積V為340 mL，通入氣體體積為50 mL，整理式（3），得出表面活性劑溶液泡沫中氣體體積計(jì)算公式：

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表面活性劑基礎(chǔ)參數(shù)測定結(jié)果

SDBS 和APG0810 表面活性劑溶液表面張力隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化如圖4 所示，隨著表面活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，表面張力逐漸降低，降低幅度逐漸減緩。

圖4 溶液表面張力隨表面活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.4 Surface tension of solution as a function of mass fraction

2 種表面活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.05%，加入少量表面活性劑即可使液體表面張力有較大幅度降低。表面活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%時(shí)，SDBS 和APG0810 溶液表面張力降幅較純水分別為29.81%和24.5%。該質(zhì)量分?jǐn)?shù)下表面張力降幅最大。這是由于表面活性劑提供了兩親性基團(tuán)，親水基和非親水基的作用使得溶液表面張力下降。

相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，SDBS 溶液表面張力普遍比APG0810 溶液低。在表面活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%、0.02%、0.05%時(shí)，SDBS 分別較APG0810 溶液低7.03%、13.92%、6.03%。這是由于APG0810 為非離子表面活性劑，在水中不電離出離子，SDBS 為陰離子表面活性劑，在水中電離出陰離子，同種電荷間斥力在宏觀上表現(xiàn)出表面張力低的現(xiàn)象。

溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.05%之后，兩種表面活性劑的添加已不能使表面張力大幅度降低。這是由于溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高，臨近臨界膠束濃度，溶液表面張力不再發(fā)生大幅度改變。

表面活性劑溶液黏度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化如圖5 所示。液體在流動時(shí)，在其分子間產(chǎn)生內(nèi)摩擦的性質(zhì)，稱為液體黏性，黏性大小用黏度表示，是流體反抗形變的能力[29]。

圖5 不同表面活性劑溶液黏度隨表面活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.5 Viscosity of different surfactants with mass fraction changes

APG0810 溶液黏度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加略有上升趨勢，這是由于APG0810 分子量較大，對液體有一定增稠作用，隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增強(qiáng)，分子之間團(tuán)聚作用提高，分子間運(yùn)動摩擦力增強(qiáng)而表現(xiàn)出黏度增大現(xiàn)象。APG0810 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.01%～0.02%處溶液黏度幾乎保持不變，這是由于溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加幅度較小，且未形成膠束基團(tuán)。APG0810 溶液0.02%～0.05%時(shí)溶液黏度發(fā)生較大幅度改變，這是由于溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅大，其中基團(tuán)濃度升高，基團(tuán)之間接觸概率變高，導(dǎo)致溶液黏度增加。

然后我們立即練習(xí)，她假裝要求：“媽媽，我要看電視！”我說：“你知道的。那你去轉(zhuǎn)你的選擇輪吧，看看可以做什么?！彼D(zhuǎn)了一下——躺下來思考。她撲上床，躺在枕頭上，閉上眼睛，臉上全是笑。

SDBS 溶液黏度隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而減小，這是由于SDBS 分子在水中可以解離出陰離子，同種離子之間存在靜電斥力，降低了分子之間接觸摩擦概率，進(jìn)而表現(xiàn)為溶液黏度減小現(xiàn)象。質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.05%～0.10%時(shí)略有增加趨勢，這是由于此時(shí)溶液濃度接近臨界膠束濃度，溶液中存在一定膠束團(tuán)聚，造成溶液內(nèi)部分子運(yùn)動時(shí)摩擦力增大，表現(xiàn)出黏度增加現(xiàn)象。

在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí)兩種表面活性劑溶液黏度相差0.041 MPa·s，達(dá)到最大值，這是由于在該質(zhì)量分?jǐn)?shù)下SDBS 溶液未形成膠束，且離子之間斥力最大，而APG0810 溶液開始形成膠束，溶液內(nèi)分子間碰撞概率變大。

顯微鏡觀察泡沫形態(tài)如圖6 所示，測量泡沫液膜厚度，得到如圖7 所示變化圖。2 種表面活性劑泡沫液膜厚度隨溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加均有增加趨勢，SDBS 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%和0.15%時(shí)泡沫中出現(xiàn)了明顯微小泡沫液膜結(jié)構(gòu)，意味著泡沫液膜數(shù)量逐漸增多。

圖6 不同表面活性劑溶液泡沫表觀圖像Fig.6 Surface image of the solution foam of different surfactants

圖7 泡沫液膜厚度隨兩種表面活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.7 Thickness of the foam layer varies with the quality of the two surfactants

APG0810 液膜總體略厚于SDBS。這是由于APG0810 溶液表面張力大于SDBS，表面張力是指液體表面分子的向心收縮力，表面張力可使液滴表面積收縮到最小程度。液體表面張力越高，液體分子越容易聚集，表面張力越低，液體內(nèi)分子間向心收縮力越小，越容易分散開。因?yàn)锳PG0810 溶液具有較高的表面張力和黏度，故而泡沫結(jié)構(gòu)上分子間作用力較強(qiáng)，單位面積內(nèi)會聚集更多水分子在氣泡液膜上導(dǎo)致液膜測量結(jié)果偏厚，而SDBS 溶液由于表面張力低，黏度低，氣泡液膜上分子間作用力弱，分子容易鋪展開，故而所測氣泡液膜偏薄。

在溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)SDBS 溶液產(chǎn)生的泡沫液膜厚度有略大于APG0810 的趨勢，注入空氣條件下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%時(shí)SDBS 和APG0810 溶液泡沫液膜厚度分別為0.321 mm 和0.315 mm，兩者僅相差0.006 mm。這是由于隨著溶液濃度增大，APG0810已臨近臨界膠束濃度，而SDBS 臨界膠束濃度大于APG0810，所以在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)，APG0810 溶液產(chǎn)生的泡沫液膜厚度已變化不明顯，而SDBS 溶液泡沫液膜仍然有提高聚集水分子的能力，導(dǎo)致液膜厚度增加。

對比相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下不同氣體注入時(shí)表面活性劑泡沫液膜厚度進(jìn)行分析。注入空氣情況下，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%時(shí)，APG0810 溶液在泡沫液膜最大，約為0.315 mm，注入甲烷泡沫液膜厚度比空氣低0.006 mm，SDBS 溶液泡沫液膜厚度為0.297 mm，注入甲烷泡沫液膜厚度比空氣低0.004 mm，這是由于甲烷氣體密度低于空氣，擴(kuò)散速率比空氣快。APG0810 和SDBS 溶液在二氧化碳注入時(shí)比空氣分別低0.002 mm 和0.004 mm。這是由于二氧化碳?xì)怏w為酸性氣體，離子型表面活性劑溶液在酸性環(huán)境不易形成泡沫液膜結(jié)構(gòu)，非離子表面活性劑溶液則不易受酸堿度干擾。

表面活性劑溶液發(fā)泡率檢測結(jié)果如圖8 所示，兩種表面活性劑溶液發(fā)泡率均隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而逐漸升高，當(dāng)表面活性劑溶液接近臨界膠束濃度時(shí)，發(fā)泡率升高速率減緩。質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，SDBS 溶液泡沫高度總是大于APG0810 溶液。

圖8 不同氣體注入表面活性劑后泡沫高度隨溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.8 Variation of foam height with solution mass fraction after injection of surfactant with different gases

對比不同表面活性劑溶液在注入單一氣體條件下泡沫高度差異性進(jìn)行分析，質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，無論注入任何氣體，SDBS 溶液發(fā)泡性均優(yōu)于APG0810。這是由于相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)SDBS 表面張力普遍低于APG0810 溶液，表面張力低的液體更易形成泡沫結(jié)構(gòu)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，兩種溶液發(fā)泡率相差較大。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí)，注入空氣的情況下，SDBS 和APG0810 發(fā)泡高度分別為16 mm 和5 mm，兩者相差11 mm。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)，SDBS 和APG0810溶液發(fā)泡高度分別為35 mm 和6 mm，相差29 mm。出現(xiàn)以上結(jié)果是因?yàn)樵跐舛容^低時(shí)，兩種溶液表面張力差別較大，SDBS 比APG0810 表面張力低，向溶液中通入相同體積氣體時(shí)更容易形成泡沫。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)觀察到溶液泡沫表現(xiàn)出一邊注入氣體一邊消散的現(xiàn)象，APG0810 溶液泡沫消散速度較快，故泡沫高度低。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)SDBS 與APG0810發(fā)泡高度接近，分別為44 mm 和40 mm。這是由于濃度較高時(shí)兩種表面活性劑溶液表面張力均較低，在短時(shí)間內(nèi)泡沫不易消散，且注入氣體體積均為50 mL，故兩種表面活性劑溶液在該質(zhì)量分?jǐn)?shù)下泡沫高度相差不大。

對比同一種溶液通入不同氣體的高度進(jìn)行分析，空氣、氮?dú)饧岸趸甲⑷胍后w發(fā)泡性規(guī)律基本一致，均在質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高時(shí)發(fā)泡率達(dá)到最大。通入甲烷時(shí)則在SDBS 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)就達(dá)到了與0.15%接近的發(fā)泡高度。APG0810 在甲烷注入時(shí)也比其他氣體總體發(fā)泡率高，這是由于甲烷的摩爾質(zhì)量最低，氣體密度低，分子擴(kuò)散快，泡沫膨脹速率變快導(dǎo)致的。

圖9 為不同氣體注入溶液中穩(wěn)泡性的變化規(guī)律。隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，泡沫穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。在溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，SDBS 溶液泡沫穩(wěn)定性均優(yōu)于APG0810。

圖9 不同氣體注入表面活性劑后泡沫半衰期隨溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.9 Change of foam half-life with solution mass fraction after injection of surfactant with different gases

對比不同表面活性劑溶液在注入單一氣體條件下泡沫穩(wěn)定性的差異性進(jìn)行分析，SDBS 溶液泡沫半衰期大于APG0810 溶液，隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，兩者差距逐漸增加。APG0810 溶液泡沫半衰期在質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.1%均很短，直到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，泡沫半衰期才有明顯上升趨勢。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)，在注入空氣情況下SDBS 溶液泡沫半衰期與APG0810 溶液一致，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)，SDBS 溶液泡沫半衰期比APG0810 增加159.5 s，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)，SDBS 溶液泡沫半衰期比APG0810 長521.5 s，這是由于在測量溶液發(fā)泡性過程中是采用向溶液注氣方法測得，在注入氣體過程中就會有泡沫結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，而SDBS 中會在水中會解離出Na+，Na+會增加泡沫穩(wěn)定性[30]，在注氣過程結(jié)束后泡沫穩(wěn)定性強(qiáng)的溶液會產(chǎn)生更豐富的泡沫，且維持時(shí)間更久。

空氣、甲烷及氮?dú)獾姆€(wěn)泡性規(guī)律大致相同，注入空氣情況下，SDBS 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)泡沫半衰期約為786.5 s，二氧化碳注入液體的穩(wěn)泡性明顯下降，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)為584 s，比空氣低202.5 s。推測這是由于二氧化碳為酸性氣體，表面活性溶液在酸性環(huán)境下泡沫穩(wěn)定性不足，泡沫液膜強(qiáng)度不易控制酸性氣體造成的。而APG0810 表面活性劑溶液泡沫半衰期在四種氣體注入情況下差異不明顯，是由于APG0810 為非離子表面活性劑，在溶液中不是以離子狀態(tài)存在，由此可以推出它的穩(wěn)定性高，不易受強(qiáng)電解質(zhì)影響，也不易受酸、堿影響。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可以獲得，溶液表面張力越小，則溶液發(fā)泡性能越好，溶液表面張力與發(fā)泡特性有較明顯相關(guān)性，而溶液黏度與泡沫性質(zhì)相關(guān)性不顯著。APG0810 溶液黏度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增加，發(fā)泡性及泡沫穩(wěn)定性也逐漸增加，而SDBS 溶液黏度先隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而降低，濃度較大時(shí)有上升趨勢，溶液發(fā)泡性及泡沫穩(wěn)定性呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，且發(fā)泡性與泡沫穩(wěn)定性均優(yōu)于APG0810 溶液。

2.2 表面活性劑溶液對氣體緩釋效應(yīng)分析

經(jīng)氣相色譜試驗(yàn)測定，計(jì)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(jì)算出結(jié)果繪制點(diǎn)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(yīng)低于SDBS。隨著2 種溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，氣相色譜試驗(yàn)測得甲烷含量逐漸減少。

圖10 表面活性劑對甲烷緩釋效應(yīng)隨溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.10 Slow release effect of surfactant on methane varies with the mass fraction of solution

通過式（4）計(jì)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?jǐn)?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?jǐn)?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?dú)獾臍庀嗌V檢測結(jié)果。根據(jù)式（1）計(jì)算出錐形瓶上方氮?dú)庹急热鐖D11 點(diǎn)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?jǐn)?shù)從0.02%到0.05%時(shí)直線斜率明顯變大，這是由于表面活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增長較大，溶液內(nèi)兩親性基團(tuán)變多，溶液泡沫穩(wěn)定性變強(qiáng)。隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?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。

表面活性劑泡沫對氮?dú)饩忈屪饔媒Y(jié)果如圖11所示。相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，SDBS 溶液對氮?dú)獾木忈屝?yīng)優(yōu)于APG0810，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)，SDBS 和APG0810 溶液泡沫阻礙氮?dú)怏w積分別為49.102 mL和37.042 mL。

表面活性劑對氮?dú)獾木忈屝Ч麖?qiáng)于甲烷氣體。這是由于甲烷氣體摩爾質(zhì)量低于氮?dú)?，分子間作用力較小，使得甲烷分子在泡沫結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散速率大于氮?dú)夥肿樱菀资古菽Y(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(jì)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?jǐn)?shù)下，SDBS 溶液對二氧化碳的緩釋效應(yīng)優(yōu)于APG0810。然而兩種表面活性劑對二氧化碳緩釋效應(yīng)均不顯著，SDBS 表面活性劑溶液在質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大時(shí)10 min 內(nèi)只控制了8.46 mL 二氧化碳?xì)怏w，APG0810 只控制了7.74 mL二氧化碳?xì)怏w。

圖12 表面活性劑對CO2 釋效應(yīng)隨溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.12 Slow-release effect of surfactant on carbon dioxide varies with the mass fraction of solution

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(yàn)測得SDBS 表面活性劑溶液對二氧化碳的緩釋效應(yīng)比其他甲烷低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)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(yīng)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?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)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(shí)長，探索其時(shí)間規(guī)律，對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)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(jìn)行氣相色譜試驗(yàn)，檢測甲烷占比，并計(jì)算了每個時(shí)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(shí)間變化Fig.13 Effect of surfactant foam on methane release changes with time

隨著時(shí)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(yīng)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(yīng)衰減較慢。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%APG0810 溶液在60 min 時(shí)對甲烷的緩釋效應(yīng)衰減到約為40%，而SDBS 溶液在120 min 時(shí)對約占通入甲烷總體積49.16%的甲烷仍有阻礙效應(yīng)，該時(shí)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(yàn)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(yīng)與表面活性劑溶液的泡沫性質(zhì)有強(qiáng)相關(guān)性，表面活性劑溶液發(fā)泡性越強(qiáng)，泡沫穩(wěn)定性越強(qiáng)，對氣體緩釋作用就越強(qiáng)。

為探索表面活性劑溶液對甲烷的緩釋效應(yīng)與泡沫性質(zhì)的關(guān)系，繪制泡沫中甲烷體積與發(fā)泡性關(guān)系，并用Boltzmann 函數(shù)擬合獲得關(guān)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(qiáng)，泡沫對甲烷的緩釋作用越強(qiáng)。

表1 表面活性劑溶液泡沫對甲烷緩釋效應(yīng)與泡沫性質(zhì)擬合關(guān)系式Table 1 Relationship between the sustained release of methane from surfactant foam and the properties of foam

圖15 泡沫中甲烷體積與泡沫半衰期擬合曲線Fig.15 Fitting curve of methane volume in foam and foam half-life

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(qiáng)，泡沫對甲烷的緩釋作用越強(qiáng)。

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(yīng)的擬合度較高，可直接采取空氣-表面活性劑泡沫各項(xiàng)參數(shù)表示泡沫性質(zhì)。泡沫發(fā)泡性越強(qiáng)，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(shí)，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(qiáng)，意味著在瓦斯涌出之后一段時(shí)間內(nèi)泡沫結(jié)構(gòu)不易破裂，對瓦斯控制時(shí)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。

3 結(jié)論

1）隨著表面活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)相同時(shí)，SDBS 溶液表面張力小于APG0810溶液，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)，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?jǐn)?shù)呈現(xiàn)降低趨勢，APG0810 溶液相反，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí)兩種表面活性劑溶液黏度相差0.041 MPa·s，達(dá)到最大值。

2）隨著表面活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)增長幅度較為緩慢。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)SDBS 和APG0810 在注入空氣時(shí)發(fā)泡高度分別為44 mm 和40 mm。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)SDBS 溶液泡沫半衰期最大為786.5 s，相同質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?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?jǐn)?shù)0.15%時(shí)，APG0810 溶液在泡沫液膜厚度達(dá)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(yīng)的關(guān)鍵因素，泡沫穩(wěn)定性越強(qiáng)，越能有效控制甲烷流動?？芍苯硬扇】諝?表面活性劑泡沫的各項(xiàng)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(qiáng)，隨著時(shí)間推移，SDBS 也有比APG0810 更好控制甲烷釋放的效果。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)，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(yīng)，在后期研究中會進(jìn)行相關(guān)研究。本研究為表面活性劑抑制瓦斯解吸及其機(jī)理探索提供一個新角度。