2.2表面活性剂溶液对气体缓释效应分析

经气相色谱试验测定，计算出注甲烷的锥形瓶上方气体检测结果如图10所示。式（1）计算出结果绘制点线图表示气相色谱检测到的注入气体占比，APG0810溶液上方甲烷占比大于SDBS，说明APG0810对甲烷的缓释效应低于SDBS。随着2种溶液质量分数增加，气相色谱试验测得甲烷含量逐渐减少。

图10表面活性剂对甲烷缓释效应随溶液质量分数变化

通过式（4）计算得到泡沫中注入气体含量。图10中柱状图可以看出，SDBS溶液泡沫对甲烷的束缚效果明显优于APG0810，APG0810溶液由于发泡性及泡沫稳定性均弱于SDBS，故对甲烷束缚能力较差。质量分数为0.05%的SDBS可控制27.43 mL甲烷，0.15%的SDBS可控制43.649 mL甲烷，占总注入甲烷体积87%。质量分数为0.15%的APG0810溶液可控制31.33 mL甲烷，占总注入甲烷体积62.6%。

图11所示为注入氮气的气相色谱检测结果。根据式（1）计算出锥形瓶上方氮气占比如图11点线图所示。测得溶液上方甲烷含量随着溶液浓度增加有明显降低趋势，溶液质量分数从0.02%到0.05%时直线斜率明显变大，这是由于表面活性剂溶液质量分数增长较大，溶液内两亲性基团变多，溶液泡沫稳定性变强。随着溶液质量分数不断增大，斜率逐渐降低，是由于溶液接近临界胶束浓度，对泡沫形成与稳定改变作用变得不明显。

图11表面活性剂对氮气缓释效应随溶液质量分数变化

表面活性剂泡沫对氮气缓释作用结果如图11所示。相同质量分数下，SDBS溶液对氮气的缓释效应优于APG0810，质量分数为0.15%时，SDBS和APG0810溶液泡沫阻碍氮气体积分别为49.102 mL和37.042 mL。

表面活性剂对氮气的缓释效果强于甲烷气体。这是由于甲烷气体摩尔质量低于氮气，分子间作用力较小，使得甲烷分子在泡沫结构中扩散速率大于氮气分子，容易使泡沫结构破裂。

图12为注入二氧化碳的气相色谱检测结果，计算出表面活性剂泡沫对二氧化碳的缓释作用结果如图12柱状图所示。相同质量分数下，SDBS溶液对二氧化碳的缓释效应优于APG0810。然而两种表面活性剂对二氧化碳缓释效应均不显著，SDBS表面活性剂溶液在质量分数最大时10 min内只控制了8.46 mL二氧化碳气体，APG0810只控制了7.74 mL二氧化碳气体。

图12表面活性剂对CO2释效应随溶液质量分数变化

尽管二氧化碳的摩尔质量在3种气体中最大，但是二氧化碳为酸性气体，表面活性剂泡沫在酸性环境下不易维持，所以试验测得SDBS表面活性剂溶液对二氧化碳的缓释效应比其他甲烷低，质量分数为0.15%时泡沫中二氧化碳体积比甲烷低约35 mL，而APG0810溶液降低约23 mL，这是由于其为非离子表面活性剂，受环境酸碱度影响程度较小，缓释效应降低幅度低于SDBS溶液。

两种表面活性剂容易泡沫结构在质量分数为0.15%时对甲烷的缓释效果最好，为研究泡沫结构对甲烷的有效缓释时长，探索其时间规律，对质量分数为0.15%时的两种表面活性剂溶液分别在通入甲烷气体后10、20、40、60、90、120 min的锥形瓶上方气体进行气相色谱试验，检测甲烷占比，并计算了每个时刻泡沫结构中甲烷体积，绘制图像如图13所示。

图13表面活性剂泡沫对甲烷缓释作用随时间变化

随着时间推移，两种表面活性剂在通入甲烷气体后产生的泡沫结构均逐渐溃灭，对甲烷的缓释效应也逐渐衰弱。但由于两种表面活性剂发泡性能和泡沫稳定性不同的原因，SDBS泡沫结构消散速率较慢，对甲烷的缓释效应衰减较慢。质量分数为0.15%APG0810溶液在60 min时对甲烷的缓释效应衰减到约为40%，而SDBS溶液在120 min时对约占通入甲烷总体积49.16%的甲烷仍有阻碍效应，该时刻APG0810泡沫结构几乎完全溃灭，对甲烷逸散无有效缓释作用。

经过以上试验结果可以发现，表面活性剂溶液的泡沫对甲烷的缓释效应与表面活性剂溶液的泡沫性质有强相关性，表面活性剂溶液发泡性越强，泡沫稳定性越强，对气体缓释作用就越强。

为探索表面活性剂溶液对甲烷的缓释效应与泡沫性质的关系，绘制泡沫中甲烷体积与发泡性关系，并用Boltzmann函数拟合获得关系式，如图14、图15所示，拟合函数见表1。图14拟合了表面活性剂溶液泡沫中甲烷体积随着发泡性变化曲线，发泡性包含注入空气的发泡性及注入甲烷的发泡性。可以看出无论是注入空气还是甲烷，拟合度均在0.9以上，且均随着发泡性增强，泡沫对甲烷的缓释作用越强。

图14泡沫中甲烷体积与泡沫高度拟合曲线

图15泡沫中甲烷体积与泡沫半衰期拟合曲线

图15为表面活性剂溶液泡沫中甲烷体积随泡沫半衰期变化的曲线，半衰期包括甲烷泡沫半衰期和空气泡沫半衰期。拟合度均在0.9以上，且均随着泡沫稳定性增强，泡沫对甲烷的缓释作用越强。

以上拟合数据结果显示，泡沫对甲烷的缓释效果主要由泡沫发泡性和稳定性决定。空气−表面活性剂泡沫与甲烷-表面活性剂泡沫性质均与其对甲烷缓释效应的拟合度较高，可直接采取空气−表面活性剂泡沫各项参数表示泡沫性质。泡沫发泡性越强，意味着在瓦斯释放初始阶段，瓦斯气体通过表面活性剂溶液时，表面活性剂溶液产生丰富泡沫结构可阻挡瓦斯释放于外界大气中。泡沫稳定性越强，意味着在瓦斯涌出之后一段时间内泡沫结构不易破裂，对瓦斯控制时间较长。发泡性和泡沫稳定性综合决定了对甲烷是否有良好的控制瓦斯释放作用。

表1表面活性剂溶液泡沫对甲烷缓释效应与泡沫性质拟合关系式

3.结论

1）随着表面活性剂溶液质量分数增加，表面张力均呈现逐渐下降趋势，且下降幅度逐渐减缓。质量分数相同时，SDBS溶液表面张力小于APG0810溶液，在质量分数为0.15%时，SDBS和APG0810溶液表面张力分别从72.518 mN/m降至31.833 mN/m和33.407 mN/m。表面活性剂中所含离子不同及表面活性剂临界胶束浓度共同决定溶液黏度。SDBS溶液黏度随质量分数呈现降低趋势，APG0810溶液相反，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。

2）随着表面活性剂溶液质量分数增加，发泡率及泡沫稳定性均有所提升，接近临界胶束浓度时增长幅度较为缓慢。质量分数为0.15%时SDBS和APG0810在注入空气时发泡高度分别为44 mm和40 mm。质量分数为0.15%时SDBS溶液泡沫半衰期最大为786.5 s，相同质量分数下SDBS泡沫性质均比APG0810溶液优越。

3）泡沫液膜厚度随着表面活性剂溶液质量分数增加有增加趋势。APG0810溶液泡沫液膜较厚。注入甲烷情况下，溶液质量分数0.15%时，APG0810溶液在泡沫液膜厚度达到最大，约为0.303 mm，SDBS溶液泡沫液膜厚度约为0.297 mm。

4）泡沫稳定性是决定甲烷缓释效应的关键因素，泡沫稳定性越强，越能有效控制甲烷流动。可直接采取空气-表面活性剂泡沫的各项参数表示泡沫性质。阴离子表面活性剂SDBS表现较好，泡沫稳定性较强，随着时间推移，SDBS也有比APG0810更好控制甲烷释放的效果。质量分数为0.15%时，10 min内SDBS可以控制约占总通入甲烷体积87%的甲烷。120 min后仍可控制约占通入总体积49.16%的甲烷。

5）仅研究了同一气体压力下表面活性剂溶液泡沫结构对甲烷的缓释效应，在后期研究中会进行相关研究。本研究为表面活性剂抑制瓦斯解吸及其机理探索提供一个新角度。

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）