表面活性剂泡沫性能对煤中瓦斯缓释影响试验研究.pdf

表面活性剂泡沫性能对煤中瓦斯缓释影响试验研究严敏1,2,3，杨婷1，林海飞1,2,3，闫冬洁1，李泳1，霍世豪1（1.西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054；2.西安科技大学教育部西部矿井开采及灾害防治重点试验室,陕西西安710054；3.西安科技大学中国煤炭工业协会西部矿井瓦斯智能抽采工程研究中心，陕西西安710054）摘要：煤炭资源开采过程中，与煤伴生的瓦斯异常涌出可能会导致严重的瓦斯超限，引发煤矿瓦斯灾害或温室效应等问题。已有诸多研究表明煤层注表面活性剂溶液是有效且重要的治理瓦斯手段之一。表面活性剂与气体混合易产生稳定泡沫，关于泡沫性能对瓦斯解吸影响相关研究较少，本文研究表面活性剂泡沫性能对甲烷气体缓释规律的影响。选取十二烷基苯磺酸钠（SDBS）和烷基糖苷（APG0810）2 种表面活性剂进行试验，测定溶液表面张力、黏度、发泡性、稳定性及泡沫形态。利用自行研制的试验装置开展表面活性剂泡沫性能对甲烷气体缓释效应影响的试验研究。试验结果表明：随着表面活性剂质量分数增加，液体表面张力起初降低幅度较大，发泡率有明显升高现象，稳泡性也逐渐增强。接近临界胶束浓度时降低幅度减缓，发泡性和稳泡性升高趋势变得平缓。表面活性剂质量分数为 0.15%时，在注入空气后 SDBS 和 APG0810 发泡高度分别为 44mm 和 40mm，且 SDBS泡沫半衰期最大为 786.5s。溶液泡沫发泡率和半衰期与其对甲烷缓释效应相关度较大，相同质量分数下 SDBS 对甲烷的缓释效果普遍优于 APG0810，表面活性剂溶液质量分数 0.15%时，10min 内APG0810 和 SDBS 对瓦斯缓释率分别约为 37.4%和 12.7%，2h 内 SDBS 对瓦斯缓释率仍有约 50.84%。研究为探究表面活性剂抑制煤中甲烷解吸及其机理提供一个新的角度，可为矿井瓦斯防治，煤炭绿色开采提供一定的理论支撑。关键词：瓦斯缓释；泡沫；稳泡性；表面活性剂；表面张力中图分类号：TD712文献标志码：A文章编号：02532336（2023）10012911Experimental study on the influence of surfactant foam properties on the slowrelease of gas in coalYANMin1,2,3,YANGTing1,LINHaifei1,2,3,YANDongjie1,LIYong1,HUOShihao1（1.School of Safety Science and Engineering,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China;2.Key Laboratory of Western Mine Miningand Disaster Prevention,Ministry of Education,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China;3.Western Coal Gas Intelligent DrainageEngineering Research Center,Ministry of Land and Resources of the Peoples Republic of China,Xian University of Science andTechnology,Xian 710054,China）Abstract:Intheprocessofminingcoalresources,theabnormalemissionofgasassociatedwithcoalmayleadtoseriousgasoverrun,andtriggerproblemssuchasgasdisasterorgreenhouseeffect.Manystudieshaveshownthatinjectingsurfactantsolutionsintocoalseamisoneoftheeffectiveandimportantmeansofgasmanagement.Surfactantmixedwithgasiseasytoformstablefoam.However,therearefewstudiesontheinfluenceoffoampropertiesongasdesorption.Therefore,thispaperstudiedtheinfluenceofsurfactantfoampropertiesontheslowreleaselawofgas.Twosurfactants,sodiumdodecylbenzenesulfonate(SDBS)andalkylglycoside(APG0810),wereselectedtotestthesurfacetension,viscosity,foaming,stabilityandfoammorphologyofsolutions.Theeffectsofsurfactantfoampropertiesongasreleasewasinvestigatedusingaself-developedexperimentalapparatus.Theexperimentalresultsshownthatwiththeincreaseofsurfact-antmassfraction,thesurfacetensionofliquiddecreasedgreatlyatfirst,thefoamingrateincreasedobviously,andthefoamingstabilityin-收稿日期：20221025责任编辑：宫在芹DOI：10.13199/ki.cst.2022-1765基金项目：国家自然科学基金资助项目(52274228，51874236)；陕西省教育厅青年创新团队建设研究资助项目(21JP073)作者简介：严敏（1983），女，四川南充人，副教授，博士。E-mail：第51卷第10期煤炭科学技术Vol.51No.102023年10月CoalScienceandTechnologyOct.2023严敏，杨婷，林海飞，等.表面活性剂泡沫性能对煤中瓦斯缓释影响试验研究J.煤炭科学技术，2023，51（10）：129139.YANMin，YANGTing，LINHaifei，et al.ExperimentalstudyontheinfluenceofsurfactantfoampropertiesontheslowreleaseofgasincoalJ.CoalScienceandTechnology，2023，51（10）：129139.129creasedgradually.Whenapproachingthecriticalmicelleconcentration,thedecreaseamplitudeofsurfacetensionsloweddown,andthefoamingandfoamingstabilityincreasedgently.Atamassfractionof0.15%,thefoamingheightsofSDBSandAPG0810afterairinjec-tionwere44mmand40mm,respectively,andthemaximumhalf-lifeofSDBSfoamwas786.5s.Theslowreleaseeffectofsolutionfoamongaswaswellcorrelatedwithitsfoamingrateandhalf-life.Atthesamemassfraction,SDBSwasgenerallybetterthanAPG0810intheslowreleaseofgas.Atamassfractionof0.15%,thegasslowreleaserateofAPG0810andSDBSwithin10minwereabout37.4%and12.7%,respectively,andthatofSDBSwithin2hwasstillabout50.84%.Thisstudycanprovideanewperspectivetoinvestigatethein-hibitionanditsmechanismofgasdesorptionincoalbysurfactants,andalsoacertaintheoreticalsupportforthepreventionandcontrolofgasinminesandthegreenminingofcoal.Key words:slowreleaseofmethane；foam；foamingstability；surfactant；surfacetension0引言煤是我国的主要能源之一，含瓦斯煤体在开采过程中容易出现瓦斯异常涌出现象，不仅会造成经济损失，人员伤亡，大量瓦斯排放到大气中还会加重温室效应1。诸多专家学者提出向煤层注表面活性剂溶液解决瓦斯异常涌出等问题。陈绍杰1、陈学习等2通过瓦斯解吸试验研究了煤层注入表面活性剂溶液后对煤层瓦斯瓦斯解吸效果的影响，结果表明添加表面活性剂可大幅度降低水的表面张力，提高煤体的润湿效果，抑制煤体瓦斯解吸。吉丹妮等3研究发现煤层注水过程中添加表面活性剂能够抑制煤体瓦斯解吸速率。李智峰4、吴强等5-7认为表面活性剂溶液注入煤层可促进生成甲烷水合物，从而起到防治瓦斯涌出效果，并利用自制高压釜反应器对表面活性剂溶液促进甲烷水合物的效果进行研究。HUANG 等8研究表明烷烃表面活性剂体系对甲烷有较好的溶解效果，可起到抑制瓦斯解吸效果。CAI 等9研究结果表明阴离子表面活性剂溶液可加快瓦斯水合物形成速率。张志增等10研究认为胶束分子大的溶液对甲烷吸收效果较好。诸多专家研究了表面活性剂溶液对煤的作用机理。LI 等11采用体积法进行甲烷解吸试验，结果显示润湿性越好，越有利于甲烷解吸。YUE 等12研制了一种集等压加水、等压解吸及自吸高度测量为一体的装置，研究结果认为自发吸胀是充分润湿煤体的关键。朱锴等13利用自制瓦斯解吸测试系统进行试验，对表面活性剂抑制瓦斯解吸进行机理解释，研究认为由于毛细作用力，表面活性剂溶液可封堵甲烷。HUANG 等14研究结果认为表面活性剂可堵塞煤中孔隙结构进而抑制瓦斯解吸。LI 等15研究结果表明润湿性改性对煤层甲烷吸附解吸有较大影响。WANG 等16研究结果表明十二烷基硫酸钠可降低煤体渗透性。JIN17、李树刚18、ZHOU19、GUO等20采用分子动力学模拟方法研究了离子表面活性剂对低阶煤润湿性影响。林海飞等21-23研究认为液体润湿性越好，对煤体瓦斯解吸效应越好。李树刚等24的红外光谱检测结果表明表面活性剂可增加煤样亲水性官能团，增强煤的亲水性。WU 等25研究结果显示酶促碳酸盐沉淀与表面活性剂协同作用可增加对煤的润湿性。杨兆中等26利用分子模拟软件 MaterialsStudio（MS）研究泡沫压裂液添加剂对煤层甲烷扩散影响，结果显示起泡剂是降低含水煤层中甲烷扩散能力的主要因素，稳泡剂会进一步降低甲烷扩散能力。向煤层注入表面活性剂溶液的作用效果及作用机理已有较多研究，大多认为表面活性剂溶液对煤中瓦斯有封堵作用，然而表面活性剂溶液与气体混合易发泡，形成的泡沫液膜不易消散，也会影响瓦斯流动及解吸。目前有关于表面活性剂泡沫对瓦斯影响作用研究较少。为了实现对瓦斯释放速率的有效控制，探索表面活性剂溶液泡沫特性对甲烷缓释作用效果尤为重要。本研究从表面活性剂溶液性质、表面活性剂泡沫特性角度，测定了溶液表面张力、黏度、发泡率、泡沫稳定性及甲烷缓释率等参数，对表面活性剂溶液泡沫特性与甲烷缓释效应之间的变化规律开展了试验研究及数据分析。本文为表面活性剂抑制瓦斯解吸的机理研究提供一个新角度，为矿井瓦斯防治，煤炭绿色开采提供一定的理论支撑。1试验方案文章通过表面活性剂溶液基础性质检测、泡沫性质检测试验、泡沫性质对气体缓释效应试验，对表面活性剂溶液的泡沫特性以及泡沫对甲烷缓释效应进行研究。1.1试验材料及流程相关研究表明十二烷基苯磺酸钠（SDBS）28和辛癸基葡糖苷（APG0810）对煤体瓦斯解吸抑制效果较好，故试验选取上述两种表面活性剂进行试验。阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS），分子2023年第10期煤炭科学技术第51卷130式为 C18H29NaO3S，非离子表面活性剂为辛癸基葡糖苷（APG0810），分子式为 C16H32O6，使用去离子水配置不同浓度表面活性剂溶液。使用 99.9%纯度甲烷、氮气、二氧化碳气体进行泡沫性质检测及气体缓释试验。试验流程如图 1 所示。将两种表面活性剂配置质量分数为 0.01%、0.02%、0.05%、0.1%、0.15%的溶液，使用 QBZY 全自动表面张力仪对不同质量分数表面活性剂溶液以及去离子水进行表面张力测量，NDJ-9S 数显粘度计测表面活性剂溶液黏度，注气法检测溶液泡沫性质，蔡司 stemi508 体式显微镜观察泡沫形态。上述基础参数测定结束后，使用自行研制的表面活性剂溶液对甲烷缓释试验装置进行泡沫对甲烷缓释效应影响试验，并采用 Trace300 气相色谱仪定量检测分析。QBZY 全自动表面张力仪泡沫性质检测NDJ-9S数显粘度计表面活性剂溶液表面活性剂溶液对甲烷气体缓释试验装置Trace300 气相色谱仪蔡司 stemi508 体式显微镜图1试验流程Fig.1Flowchartofexperiment1.2表面活性剂溶液物化特性1.2.1表面活性剂溶液基础物化参数测定表面活性剂溶液基础物化特性包括表面张力和溶液黏度29。相关研究表明当 2 种表面活性剂质量分数超过 0.15%后表面张力下降不明显，故本研究将 2 种表面活性剂分别配置质量分数为 0.01%、0.02%、0.05%、0.1%、0.15%的溶液，使用 QBZY 全自动表面张力仪采用铂金环法对不同质量分数表面活性剂溶液以及去离子水进行表面张力测量。试验温度设定为 25 室温，环境湿度为 56%。为减少试验误差，每个表面活性剂溶液测试 3 次，求取平均值作为最终表面张力值。使用 NDJ-9S 数显粘度计测表面活性剂溶液黏度，每组试验测 5 次，求其平均值作为最终黏度。1.2.2表面活性剂泡沫形态测定利用蔡司 stemi508 体式显微镜观察泡沫液膜厚度。向观察皿内表面活性剂溶液中分别注入甲烷、空气、氮气、二氧化碳气体产生泡沫，在注入气体 10s时拍照记录气泡形态。最后测量不同溶液产生泡沫液膜的厚度。1.2.3表面活性剂泡沫性质测定本试验检测表面活性剂溶液泡沫性质，包括溶液发泡性和泡沫稳定性27。表面活性剂发泡高度表征发泡性，泡沫半衰期表征泡沫稳定性。注完气体后泡沫最高高度为发泡高度，泡沫高度下降为最高高度一半所用时间为泡沫半衰期。向容量为 100mL 的比色管中注入 30mL 表面活性剂溶液，分别将 50mL 甲烷、空气、氮气、二氧化碳以 300mL/min 的速率通入液体中。利用相机全程采集发泡高度和半衰期参数，每组溶液测 3 次，取算数平均值作为最终数据。1.3表面活性剂对气体缓释效应采取自主研发的泡沫对气体缓释效应试验装置进行试验，试验装置如图 2 所示。将 250mL 表面活性剂溶液置于密闭锥形瓶，使用微型流量计控制甲烷气体匀速向表面活性剂溶液中以 300mL/min 速度通入 50mL 气体。试验具体步骤如下：阀门 1导气管 2导气管 1甲烷气瓶锥形瓶上层气体表面活性剂溶液泡沫阀门 2阀门 3微型流量计图2试验装置示意Fig.2Schematicdiagramofexperimentalsetup1）试验前进行气密性检测，检测无漏气情况再进行试验。每次试验前将先向导气管通入待测气体，将导气管中空气排净，防止管路中空气对试验造成误差。2）将待测 250mL 表面活性剂溶液置于锥形瓶中，打开阀门 2、阀门 3，打开微型流量计，通过微型流量计控制气体以 300mL/min 的速度通入锥形瓶液体中，每次试验通入 50mL 气体。3）进气结束后关闭阀门 2、阀门 3，从通入气体开始计时，10min 后从导气管 2 处使用进样器抽取10mL 上层气体进行气相色谱试验，得到气相色谱图，通过归一法计算上层气体中甲烷占比。气相色谱定严敏等：表面活性剂泡沫性能对煤中瓦斯缓释影响试验研究2023年第10期131量分析归一化法其计算见式（1）：Pi=mim=AifiA1f1+A2f2+Anfn100%（1）式中：Pi为被测组分 i 的百分含量；A1、A2、An为1n 的峰面积；f1、f2、fn为组分 1n 的相对校正因子。计算表面活性剂泡沫对气体的缓释效应时，应考虑到空气中本来就含有气体占比。假设锥形瓶上方由于注入气体释放出的组分含量为 Xi；原有大气中注入气体占比为 ai；通入气体体积为 Vg，泡沫层体积 Vf=VgXi，锥形瓶上方除去泡沫的气体空间体积为 VVf。推理计算公式如（2）所示。计算模型图如图 3 所示。Pi=Xi+(V Vg)aiV Vf（2）整理式（2），得出表面活性剂溶液泡沫中气体体积计算公式：Vi=Vg(V Vg)(Piai)1Pi（3）式中：Vi为泡沫中被阻碍气体体积，mL。锥形瓶上方总体积 V 为 340mL，通入气体体积为 50mL，整理式（3），得出表面活性剂溶液泡沫中气体体积计算公式：Vi=50290(Piai)1Pi（4）上方气体体积:VVf释放于锥形瓶上方注入气体的体积:Xi泡沫体积:Vf=VgXi图3表面活性剂溶液泡沫中气体体积计算模型示意Fig.3Schematicofcalculationmodelforvolumeofgasinsur-factantsolutionfoam2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。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。00.51.01.5304050607080表面活性剂溶液质量分数/%APG0810SDBS(0,72.516 7)(0,72.516 7)(0.1,54.75)(0.1,50.902 5)(0.2,48.29)(0.2,41.57)表面张力/(mNm1)(0.5,37.133 33)(0.5,34.892 5)(1,33.892 5)(1,33.066 67)(1.5,31.833)(1.5,33.407 5)图4溶液表面张力随表面活性剂溶液质量分数变化Fig.4Surfacetensionofsolutionasafunctionofmassfraction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29。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2023年第10期煤炭科学技术第51卷132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 0.041MPas，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。0.01%0.02%0.05%0.10%0.15%0.01%0.02%0.05%0.10%0.15%(b)不同表面活性剂溶液质量分数 APG0810 泡沫表观图像2 mm2 mm2 mm2 mm2 mm2 mm2 mm2 mm2 mm2 mm(a)不同表面活性剂溶液质量分数 SDBS 泡沫表观图像图6不同表面活性剂溶液泡沫表观图像Fig.6SurfaceimageofthesolutionfoamofdifferentsurfactantsSDBSSDBSSDBSSDBSAPG0810APG0810APG0810APG0810气体类型CO2N2CH4空气质量分数/%0.300.250.20泡沫液膜厚度/mm0.10.20.51.01.5图7泡沫液膜厚度随两种表面活性剂溶液质量分数变化Fig.7ThicknessofthefoamlayervarieswiththequalityofthetwosurfactantsAPG0810 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 0.321mm 和 0.315mm，两者仅相差 0.006mm。这是由于随着溶液浓度增大，APG081000.050.100.151.241.251.261.271.281.291.30黏度/(MPas)表面活性剂溶液质量分数/%APG0810SDBS0.041 MPas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Fig.5Viscosityofdifferentsurfactantswithmassfractionchanges严敏等：表面活性剂泡沫性能对煤中瓦斯缓释影响试验研究2023年第10期133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 0.315mm，注入甲烷泡沫液膜厚度比空气低0.006mm，SDBS 溶液泡沫液膜厚度为 0.297mm，注入甲烷泡沫液膜厚度比空气低 0.004mm，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 0.002mm 和 0.004mm。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。SDBSSDBSSDBSSDBSAPG0810APG0810APG0810APG0810泡沫高度/mm403020100质量分数/%0.10.20.51.01.5气体类型CO2N2CH4空气图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Fig.8Variationoffoamheightwithsolutionmassfractionafterinjectionofsurfactantwithdifferentgases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 16mm 和 5mm，两者相差 11mm。质量分数为 0.02%时，SDBS 和 APG0810溶液发泡高度分别为 35mm 和 6mm，相差 29mm。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 44mm 和 40mm。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50mL，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。SDBSSDBSSDBSSDBSAPG0810APG0810APG0810APG0810质量分数/%0.10.20.51.01.5泡沫半衰期/s8006004002000气体类型CO2N2CH4空气图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Fig.9Changeoffoamhalf-lifewithsolutionmassfractionafterinjectionofsurfactantwithdifferentgases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2023年第10期煤炭科学技术第51卷134APG0810 溶液一致，质量分数为 0.02%时，SDBS 溶液泡沫半衰期比 APG0810 增加 159.5s，质量分数为0.15%时，SDBS 溶液泡沫半衰期比 APG0810 长521.5s，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30，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 786.5s，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 584s，比空气低 202.5s。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。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。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 27.43mL 甲烷，0.15%的 SDBS 可控制 43.649mL 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 31.33mL 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。0.010.020.050.100.1501020304050阻碍甲烷体积/mL质量分数/%051015SDBS 阻碍甲烷体积APG0810 阻碍甲烷体积SDBS 锥形瓶上方甲烷占比APG0810 锥形瓶上方甲烷占比锥形瓶上方甲烷占比/%图10表面活性剂对甲烷缓释效应随溶液质量分数变化Fig.10SlowreleaseeffectofsurfactantonmethanevarieswiththemassfractionofsolutionSDBS 阻碍氮气体积APG0810 阻碍氮气体积SDBS 锥形瓶上方氮气占比APG0810 锥形瓶上方氮气占比010203040507677787980锥形瓶上方氮气占比/%阻碍氮气体积/mL0.010.020.050.100.15质量分数/%图11表面活性剂对氮气缓释效应随溶液质量分数变化Fig.11Slow-releaseeffectofsurfactantonnitrogenvarieswiththemassfractionofsolution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 49.102mL和 37.042mL。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，分子间作用严敏等：表面活性剂泡沫性能对煤中瓦斯缓释影响试验研究2023年第10期135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 10min 内只控制了8.46mL 二氧化碳气体，APG0810 只控制了 7.74mL二氧化碳气体。0246810阻碍二氧化碳体积/mL0.120.130.140.15锥形瓶上方二氧化碳占比/%0.010.020.050.100.15质量分数/%SDBS 阻碍二氧化碳体积APG0810 阻碍二氧化碳体积SDBS 锥形瓶上方二氧化碳占比APG0810 锥形瓶上方二氧化碳占比图12表面活性剂对 CO2释效应随溶液质量分数变化Fig.12Slow-releaseeffectofsurfactantoncarbondioxidevar-ieswiththemassfractionofsolution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 35mL，而 APG0810 溶液降低约 23mL，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、120min 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。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 60min 时对甲烷的缓释效应衰减到约为 40%，而 SDBS 溶液在 120min 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。10204060901200510