2.試驗結果與討論

2.1表面活性劑基礎參數測定結果

SDBS和APG0810表面活性劑溶液表面張力隨質(zhì)量分數變化如圖4所示，隨著(zhù)表面活性劑溶液質(zhì)量分數增加，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)量分數變化

2種表面活性劑溶液質(zhì)量分數小于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)量分數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A(yíng)PG0810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(guān)上表現出表面張力低的現象。

溶液質(zhì)量分數超過(guò)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)量分數變化如圖5所示。液體在流動(dòng)時(shí)，在其分子間產(chǎn)生內摩擦的性質(zhì)，稱(chēng)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)量分數變化

APG0810溶液黏度隨質(zhì)量分數增加略有上升趨勢，這是由于A(yíng)PG0810分子量較大，對液體有一定增稠作用，隨著(zhù)溶液質(zhì)量分數增強，分子之間團聚作用提高，分子間運動(dòng)摩擦力增強而表現出黏度增大現象。APG0810溶液質(zhì)量分數從0.01%～0.02%處溶液黏度幾乎保持不變，這是由于溶液質(zhì)量分數增加幅度較小，且未形成膠束基團。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)量分數增幅大，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(zhù)質(zhì)量分數增加而減小，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)而表現為溶液黏度減小現象。質(zhì)量分數在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聚，造成溶液內部分子運動(dòng)時(shí)摩擦力增大，表現出黏度增加現象。

在質(zhì)量分數為0.05%時(shí)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)量分數下SDBS溶液未形成膠束，且離子之間斥力最大，而APG0810溶液開(kāi)始形成膠束，溶液內分子間碰撞概率變大。

顯微鏡觀(guān)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)量分數增加均有增加趨勢，SDBS溶液質(zhì)量分數為0.1%和0.15%時(shí)泡沫中出現了明顯微小泡沫液膜結構，意味著(zhù)泡沫液膜數量逐漸增多。

圖6不同表面活性劑溶液泡沫表觀(guān)圖像

圖7泡沫液膜厚度隨兩種表面活性劑溶液質(zhì)量分數變化

APG0810液膜總體略厚于SDBS。這是由于A(yíng)PG0810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，液體內分子間向心收縮力越小，越容易分散開(kāi)。因為APG0810溶液具有較高的表面張力和黏度，故而泡沫結構上分子間作用力較強，單位面積內會(huì )聚集更多水分子在氣泡液膜上導致液膜測量結果偏厚，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(kāi)，故而所測氣泡液膜偏薄。

在溶液質(zhì)量分數較高時(shí)SDBS溶液產(chǎn)生的泡沫液膜厚度有略大于A(yíng)PG0810的趨勢，注入空氣條件下，質(zhì)量分數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(zhù)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A(yíng)PG0810，所以在質(zhì)量分數為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，導致液膜厚度增加。

對比相同質(zhì)量分數下不同氣體注入時(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)量分數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構，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)泡率檢測結果如圖8所示，兩種表面活性劑溶液發(fā)泡率均隨著(zhù)溶液質(zhì)量分數增大而逐漸升高，當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)量分數相同時(shí)，SDBS溶液泡沫高度總是大于A(yíng)PG0810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)量分數相同時(shí)，無(wú)論注入任何氣體，SDBS溶液發(fā)泡性均優(yōu)于A(yíng)PG0810。這是由于相同質(zhì)量分數時(shí)SDBS表面張力普遍低于A(yíng)PG0810溶液，表面張力低的液體更易形成泡沫結構。質(zhì)量分數較低時(shí)，兩種溶液發(fā)泡率相差較大。質(zhì)量分數為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)量分數為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。出現以上結果是因為在濃度較低時(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)行試驗時(shí)觀(guān)察到溶液泡沫表現出一邊注入氣體一邊消散的現象，APG0810溶液泡沫消散速度較快，故泡沫高度低。在質(zhì)量分數為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)泡性規律基本一致，均在質(zhì)量分數最高時(shí)發(fā)泡率達到最大。通入甲烷時(shí)則在SDBS溶液質(zhì)量分數為0.02%時(shí)就達到了與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泡性的變化規律。隨著(zhù)溶液質(zhì)量分數升高，泡沫穩定性逐漸增強。在溶液質(zhì)量分數相同時(shí)，SDBS溶液泡沫穩定性均優(yōu)于A(yíng)PG0810。

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定性的差異性進(jìn)行分析，SDBS溶液泡沫半衰期大于A(yíng)PG0810溶液，隨著(zhù)溶液質(zhì)量分數增加，兩者差距逐漸增加。APG0810溶液泡沫半衰期在質(zhì)量分數小于0.1%均很短，直到質(zhì)量分數為0.1%時(shí)，泡沫半衰期才有明顯上升趨勢。質(zhì)量分數為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)量分數為0.02%時(shí)，SDBS溶液泡沫半衰期比APG0810增加159.5 s，質(zhì)量分數為0.15%時(shí)，SDBS溶液泡沫半衰期比APG0810長(cháng)521.5 s，這是由于在測量溶液發(fā)泡性過(guò)程中是采用向溶液注氣方法測得，在注入氣體過(guò)程中就會(huì )有泡沫結構產(chǎn)生，而SDBS中會(huì )在水中會(huì )解離出Na+，Na+會(huì )增加泡沫穩定性，在注氣過(guò)程結束后泡沫穩定性強的溶液會(huì )產(chǎn)生更豐富的泡沫，且維持時(shí)間更久。

空氣、甲烷及氮氣的穩泡性規律大致相同，注入空氣情況下，SDBS溶液質(zhì)量分數為0.15%時(shí)泡沫半衰期約為786.5 s，二氧化碳注入液體的穩泡性明顯下降，質(zhì)量分數為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A(yíng)PG0810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定性高，不易受強電解質(zhì)影響，也不易受酸、堿影響。

根據以上試驗結果可以獲得，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(zhù)。APG0810溶液黏度隨質(zhì)量分數增加而增加，發(fā)泡性及泡沫穩定性也逐漸增加，而SDBS溶液黏度先隨著(zhù)溶液質(zhì)量分數增加而降低，濃度較大時(shí)有上升趨勢，溶液發(fā)泡性及泡沫穩定性呈現逐漸增加趨勢，且發(fā)泡性與泡沫穩定性均優(yōu)于A(yíng)PG0810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（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（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（三）