2.试验结果与讨论

2.1表面活性剂基础参数测定结果

SDBS和APG0810表面活性剂溶液表面张力随质量分数变化如图4所示，随着表面活性剂溶液质量分数增加，表面张力逐渐降低，降低幅度逐渐减缓。

图4溶液表面张力随表面活性剂溶液质量分数变化

2种表面活性剂溶液质量分数小于0.05%，加入少量表面活性剂即可使液体表面张力有较大幅度降低。表面活性剂溶液质量分数0.01%时，SDBS和APG0810溶液表面张力降幅较纯水分别为29.81%和24.5%。该质量分数下表面张力降幅最大。这是由于表面活性剂提供了两亲性基团，亲水基和非亲水基的作用使得溶液表面张力下降。

相同质量分数下，SDBS溶液表面张力普遍比APG0810溶液低。在表面活性剂溶液质量分数为0.01%、0.02%、0.05%时，SDBS分别较APG0810溶液低7.03%、13.92%、6.03%。这是由于APG0810为非离子表面活性剂，在水中不电离出离子，SDBS为阴离子表面活性剂，在水中电离出阴离子，同种电荷间斥力在宏观上表现出表面张力低的现象。

溶液质量分数超过0.05%之后，两种表面活性剂的添加已不能使表面张力大幅度降低。这是由于溶液质量分数逐渐升高，临近临界胶束浓度，溶液表面张力不再发生大幅度改变。

表面活性剂溶液黏度随质量分数变化如图5所示。液体在流动时，在其分子间产生内摩擦的性质，称为液体黏性，黏性大小用黏度表示，是流体反抗形变的能力。

图5不同表面活性剂溶液黏度随表面活性剂溶液质量分数变化

APG0810溶液黏度随质量分数增加略有上升趋势，这是由于APG0810分子量较大，对液体有一定增稠作用，随着溶液质量分数增强，分子之间团聚作用提高，分子间运动摩擦力增强而表现出黏度增大现象。APG0810溶液质量分数从0.01%～0.02%处溶液黏度几乎保持不变，这是由于溶液质量分数增加幅度较小，且未形成胶束基团。APG0810溶液0.02%～0.05%时溶液黏度发生较大幅度改变，这是由于溶液质量分数增幅大，其中基团浓度升高，基团之间接触概率变高，导致溶液黏度增加。

SDBS溶液黏度随着质量分数增加而减小，这是由于SDBS分子在水中可以解离出阴离子，同种离子之间存在静电斥力，降低了分子之间接触摩擦概率，进而表现为溶液黏度减小现象。质量分数在0.05%～0.10%时略有增加趋势，这是由于此时溶液浓度接近临界胶束浓度，溶液中存在一定胶束团聚，造成溶液内部分子运动时摩擦力增大，表现出黏度增加现象。

在质量分数为0.05%时两种表面活性剂溶液黏度相差0.041 MPa·s，达到最大值，这是由于在该质量分数下SDBS溶液未形成胶束，且离子之间斥力最大，而APG0810溶液开始形成胶束，溶液内分子间碰撞概率变大。

显微镜观察泡沫形态如图6所示，测量泡沫液膜厚度，得到如图7所示变化图。2种表面活性剂泡沫液膜厚度随溶液质量分数增加均有增加趋势，SDBS溶液质量分数为0.1%和0.15%时泡沫中出现了明显微小泡沫液膜结构，意味着泡沫液膜数量逐渐增多。

图6不同表面活性剂溶液泡沫表观图像

图7泡沫液膜厚度随两种表面活性剂溶液质量分数变化

APG0810液膜总体略厚于SDBS。这是由于APG0810溶液表面张力大于SDBS，表面张力是指液体表面分子的向心收缩力，表面张力可使液滴表面积收缩到最小程度。液体表面张力越高，液体分子越容易聚集，表面张力越低，液体内分子间向心收缩力越小，越容易分散开。因为APG0810溶液具有较高的表面张力和黏度，故而泡沫结构上分子间作用力较强，单位面积内会聚集更多水分子在气泡液膜上导致液膜测量结果偏厚，而SDBS溶液由于表面张力低，黏度低，气泡液膜上分子间作用力弱，分子容易铺展开，故而所测气泡液膜偏薄。

在溶液质量分数较高时SDBS溶液产生的泡沫液膜厚度有略大于APG0810的趋势，注入空气条件下，质量分数0.15%时SDBS和APG0810溶液泡沫液膜厚度分别为0.321 mm和0.315 mm，两者仅相差0.006 mm。这是由于随着溶液浓度增大，APG0810已临近临界胶束浓度，而SDBS临界胶束浓度大于APG0810，所以在质量分数为0.15%时，APG0810溶液产生的泡沫液膜厚度已变化不明显，而SDBS溶液泡沫液膜仍然有提高聚集水分子的能力，导致液膜厚度增加。

对比相同质量分数下不同气体注入时表面活性剂泡沫液膜厚度进行分析。注入空气情况下，溶液质量分数0.15%时，APG0810溶液在泡沫液膜最大，约为0.315 mm，注入甲烷泡沫液膜厚度比空气低0.006 mm，SDBS溶液泡沫液膜厚度为0.297 mm，注入甲烷泡沫液膜厚度比空气低0.004 mm，这是由于甲烷气体密度低于空气，扩散速率比空气快。APG0810和SDBS溶液在二氧化碳注入时比空气分别低0.002 mm和0.004 mm。这是由于二氧化碳气体为酸性气体，离子型表面活性剂溶液在酸性环境不易形成泡沫液膜结构，非离子表面活性剂溶液则不易受酸碱度干扰。

表面活性剂溶液发泡率检测结果如图8所示，两种表面活性剂溶液发泡率均随着溶液质量分数增大而逐渐升高，当表面活性剂溶液接近临界胶束浓度时，发泡率升高速率减缓。质量分数相同时，SDBS溶液泡沫高度总是大于APG0810溶液。

图8不同气体注入表面活性剂后泡沫高度随溶液质量分数变化

对比不同表面活性剂溶液在注入单一气体条件下泡沫高度差异性进行分析，质量分数相同时，无论注入任何气体，SDBS溶液发泡性均优于APG0810。这是由于相同质量分数时SDBS表面张力普遍低于APG0810溶液，表面张力低的液体更易形成泡沫结构。质量分数较低时，两种溶液发泡率相差较大。质量分数为0.01%时，注入空气的情况下，SDBS和APG0810发泡高度分别为16 mm和5 mm，两者相差11 mm。质量分数为0.02%时，SDBS和APG0810溶液发泡高度分别为35 mm和6 mm，相差29 mm。出现以上结果是因为在浓度较低时，两种溶液表面张力差别较大，SDBS比APG0810表面张力低，向溶液中通入相同体积气体时更容易形成泡沫。在进行试验时观察到溶液泡沫表现出一边注入气体一边消散的现象，APG0810溶液泡沫消散速度较快，故泡沫高度低。在质量分数为0.15%时SDBS与APG0810发泡高度接近，分别为44 mm和40 mm。这是由于浓度较高时两种表面活性剂溶液表面张力均较低，在短时间内泡沫不易消散，且注入气体体积均为50 mL，故两种表面活性剂溶液在该质量分数下泡沫高度相差不大。

对比同一种溶液通入不同气体的高度进行分析，空气、氮气及二氧化碳注入液体发泡性规律基本一致，均在质量分数最高时发泡率达到最大。通入甲烷时则在SDBS溶液质量分数为0.02%时就达到了与0.15%接近的发泡高度。APG0810在甲烷注入时也比其他气体总体发泡率高，这是由于甲烷的摩尔质量最低，气体密度低，分子扩散快，泡沫膨胀速率变快导致的。

图9为不同气体注入溶液中稳泡性的变化规律。随着溶液质量分数升高，泡沫稳定性逐渐增强。在溶液质量分数相同时，SDBS溶液泡沫稳定性均优于APG0810。

图9不同气体注入表面活性剂后泡沫半衰期随溶液质量分数变化

对比不同表面活性剂溶液在注入单一气体条件下泡沫稳定性的差异性进行分析，SDBS溶液泡沫半衰期大于APG0810溶液，随着溶液质量分数增加，两者差距逐渐增加。APG0810溶液泡沫半衰期在质量分数小于0.1%均很短，直到质量分数为0.1%时，泡沫半衰期才有明显上升趋势。质量分数为0.15%时，在注入空气情况下SDBS溶液泡沫半衰期与APG0810溶液一致，质量分数为0.02%时，SDBS溶液泡沫半衰期比APG0810增加159.5 s，质量分数为0.15%时，SDBS溶液泡沫半衰期比APG0810长521.5 s，这是由于在测量溶液发泡性过程中是采用向溶液注气方法测得，在注入气体过程中就会有泡沫结构产生，而SDBS中会在水中会解离出Na+，Na+会增加泡沫稳定性，在注气过程结束后泡沫稳定性强的溶液会产生更丰富的泡沫，且维持时间更久。

空气、甲烷及氮气的稳泡性规律大致相同，注入空气情况下，SDBS溶液质量分数为0.15%时泡沫半衰期约为786.5 s，二氧化碳注入液体的稳泡性明显下降，质量分数为0.15%时为584 s，比空气低202.5 s。推测这是由于二氧化碳为酸性气体，表面活性溶液在酸性环境下泡沫稳定性不足，泡沫液膜强度不易控制酸性气体造成的。而APG0810表面活性剂溶液泡沫半衰期在四种气体注入情况下差异不明显，是由于APG0810为非离子表面活性剂，在溶液中不是以离子状态存在，由此可以推出它的稳定性高，不易受强电解质影响，也不易受酸、碱影响。

根据以上试验结果可以获得，溶液表面张力越小，则溶液发泡性能越好，溶液表面张力与发泡特性有较明显相关性，而溶液黏度与泡沫性质相关性不显著。APG0810溶液黏度随质量分数增加而增加，发泡性及泡沫稳定性也逐渐增加，而SDBS溶液黏度先随着溶液质量分数增加而降低，浓度较大时有上升趋势，溶液发泡性及泡沫稳定性呈现逐渐增加趋势，且发泡性与泡沫稳定性均优于APG0810溶液。

矿井瓦斯防治：表面活性剂溶液表面张力、泡沫特性及对甲烷缓释效应（一）

矿井瓦斯防治：表面活性剂溶液表面张力、泡沫特性及对甲烷缓释效应（二）

矿井瓦斯防治：表面活性剂溶液表面张力、泡沫特性及对甲烷缓释效应（三）