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?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

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，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，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，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?jǐn)?shù)變化

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。

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(tuán)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?jǐn)?shù)為0.05%時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?jǐn)?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(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，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，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，發(fā)泡率升高速率減緩。質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?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(jìn)行分析，質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?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?jǐn)?shù)較低時，兩種溶液發(fā)泡率相差較大。質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?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(jìn)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?jǐn)?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?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?jǐn)?shù)最高時發(fā)泡率達(dá)到最大。通入甲烷時則在SDBS溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時就達(dá)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(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，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

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，泡沫半衰期才有明顯上升趨勢。質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)為0.02%時，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，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(qiáng)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?jǐn)?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?jǐn)?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(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）