2.試驗結(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)量分數(shù)變化如圖4所示，隨著表面活性劑溶液質(zhì)量分數(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)量分數(shù)變化

2種表面活性劑溶液質(zhì)量分數(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)量分數(shù)0.01%時，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)量分數(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，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)量分數(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)量分數(shù)為0.01%、0.02%、0.05%時，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)量分數(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)量分數(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)量分數(shù)變化如圖5所示。液體在流動時，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。

圖5不同表面活性劑溶液黏度隨表面活性劑溶液質(zhì)量分數(shù)變化

APG0810溶液黏度隨質(zhì)量分數(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)量分數(shù)增強，分子之間團聚作用提高，分子間運動摩擦力增強而表現(xiàn)出黏度增大現(xiàn)象。APG0810溶液質(zhì)量分數(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)量分數(shù)增加幅度較小，且未形成膠束基團。APG0810溶液0.02%～0.05%時溶液黏度發(fā)生較大幅度改變，這是由于溶液質(zhì)量分數(shù)增幅大，其中基團濃度升高，基團之間接觸概率變高，導致溶液黏度增加。

SDBS溶液黏度隨著質(zhì)量分數(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，進而表現(xiàn)為溶液黏度減小現(xiàn)象。質(zhì)量分數(shù)在0.05%～0.10%時略有增加趨勢，這是由于此時溶液濃度接近臨界膠束濃度，溶液中存在一定膠束團聚，造成溶液內(nèi)部分子運動時摩擦力增大，表現(xiàn)出黏度增加現(xiàn)象。

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，這是由于在該質(zhì)量分數(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)量分數(shù)增加均有增加趨勢，SDBS溶液質(zhì)量分數(shù)為0.1%和0.15%時泡沫中出現(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

圖7泡沫液膜厚度隨兩種表面活性劑溶液質(zhì)量分數(shù)變化

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。因為APG0810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，單位面積內(nèi)會聚集更多水分子在氣泡液膜上導致液膜測量結(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)量分數(shù)較高時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)量分數(shù)0.15%時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)量分數(shù)為0.15%時，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，導致液膜厚度增加。

對比相同質(zhì)量分數(shù)下不同氣體注入時表面活性劑泡沫液膜厚度進行分析。注入空氣情況下，溶液質(zhì)量分數(shù)0.15%時，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，擴散速率比空氣快。APG0810和SDBS溶液在二氧化碳注入時比空氣分別低0.002 mm和0.004 mm。這是由于二氧化碳氣體為酸性氣體，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)量分數(shù)增大而逐漸升高，當表面活性劑溶液接近臨界膠束濃度時，發(fā)泡率升高速率減緩。質(zhì)量分數(shù)相同時，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)量分數(shù)變化

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行分析，質(zhì)量分數(shù)相同時，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)量分數(shù)時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)量分數(shù)較低時，兩種溶液發(fā)泡率相差較大。質(zhì)量分數(shù)為0.01%時，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)量分數(shù)為0.02%時，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)果是因為在濃度較低時，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更容易形成泡沫。在進行試驗時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)量分數(shù)為0.15%時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兩種表面活性劑溶液表面張力均較低，在短時間內(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)量分數(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行分析，空氣、氮氣及二氧化碳注入液體發(fā)泡性規(guī)律基本一致，均在質(zhì)量分數(shù)最高時發(fā)泡率達到最大。通入甲烷時則在SDBS溶液質(zhì)量分數(shù)為0.02%時就達到了與0.15%接近的發(fā)泡高度。APG0810在甲烷注入時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，分子擴散快，泡沫膨脹速率變快導致的。

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)量分數(shù)升高，泡沫穩(wěn)定性逐漸增強。在溶液質(zhì)量分數(shù)相同時，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)量分數(shù)變化

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)定性的差異性進行分析，SDBS溶液泡沫半衰期大于APG0810溶液，隨著溶液質(zhì)量分數(shù)增加，兩者差距逐漸增加。APG0810溶液泡沫半衰期在質(zhì)量分數(shù)小于0.1%均很短，直到質(zhì)量分數(shù)為0.1%時，泡沫半衰期才有明顯上升趨勢。質(zhì)量分數(shù)為0.15%時，在注入空氣情況下SDBS溶液泡沫半衰期與APG0810溶液一致，質(zhì)量分數(shù)為0.02%時，SDBS溶液泡沫半衰期比APG0810增加159.5 s，質(zhì)量分數(shù)為0.15%時，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，在注氣過程結(jié)束后泡沫穩(wěn)定性強的溶液會產(chǎn)生更豐富的泡沫，且維持時間更久。

空氣、甲烷及氮氣的穩(wěn)泡性規(guī)律大致相同，注入空氣情況下，SDBS溶液質(zhì)量分數(shù)為0.15%時泡沫半衰期約為786.5 s，二氧化碳注入液體的穩(wěn)泡性明顯下降，質(zhì)量分數(shù)為0.15%時為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，不易受強電解質(zhì)影響，也不易受酸、堿影響。

根據(jù)以上試驗結(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)量分數(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)量分數(shù)增加而降低，濃度較大時有上升趨勢，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。

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(yīng)（一）

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(yīng)（二）

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(yīng)（三）