朱玫潔

摘 要 設(shè)計(jì)了一種新型的水基瓦斯吸收材料，陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）與蓖麻油的復(fù)配液，并添加無(wú)機(jī)鹽NaCl，以瓦斯氣體的主要成分甲烷作為瓦斯的模型氣體，采用氣相色譜分析法測(cè)試瓦斯吸收材料對(duì)甲烷的吸收量。利用激光粒度儀對(duì)溶液中的膠束粒度大小進(jìn)行分析，并對(duì)其原理進(jìn)行研究。結(jié)果表明，蓖麻油改變了SDS膠束結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)溶液膠束粒徑越大，其能夠?yàn)榧淄榉肿犹峁┑氖杷h(huán)境越大，吸收甲烷的量也越大，且加入NaCl可增加溶液的甲烷吸附量。

關(guān)鍵詞 甲烷 表面活性劑 蓖麻油 NaCl 膠束

中圖分類(lèi)號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

煤礦瓦斯問(wèn)題是威脅煤礦安全生產(chǎn)的首要問(wèn)題，因而控制礦井中瓦斯?jié)舛?，使其遠(yuǎn)低于瓦斯爆炸極限是解決煤礦中瓦斯問(wèn)題的一個(gè)重要手段。

表面活性劑因其增溶作用和良好潤(rùn)濕性能在瓦斯治理方面有重要的應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)外主要應(yīng)用在瓦斯水合物的合成和煤層注水防止瓦斯突出領(lǐng)域，而谷娜、陳志純等研究表明單一表面活性劑及不同類(lèi)型的表面活性劑復(fù)配溶液對(duì)甲烷具有良好的吸收效果。

無(wú)機(jī)鹽能降低表面活性劑的臨界膠束濃度提高表面活性劑對(duì)有機(jī)物的增溶量；蓖麻油作為一種價(jià)格低廉的可再生資源，在化工、醫(yī)藥、國(guó)防等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，本文對(duì)快速瓦斯吸收材料進(jìn)行初步研究，提出以表面活性劑為吸收瓦斯的主要材料，以蓖麻油與NaCl作為添加劑材料的思想。并以瓦斯中主要成分甲烷作為瓦斯的模型氣體。十二烷基硫酸鈉是一種典型的陰離子表面活性劑，它有良好的乳化和發(fā)泡性能，對(duì)有機(jī)物具有較好的增溶作用。本文篩選出對(duì)甲烷有較好吸收效果的SDS復(fù)合膠束液， 并對(duì)其吸收機(jī)理進(jìn)行初步研究。

1實(shí)驗(yàn)研究

1.1甲烷吸收試驗(yàn)

藥品：甲烷（純度99.999%）；SDS、NaCl均為分析純；蓖麻油分析純（購(gòu)于北京化學(xué)試劑公司）；去離子水。Agilent6820氣相色譜儀；Agilent7694E頂空進(jìn)樣器；超生波清洗儀（舒美 KQ218）；美國(guó)Microtrac的Zetatrac型 電位及納米粒度分析儀。

吸收液性狀要求：所配制的吸收液均須是均勻、穩(wěn)定且粘度較小適合現(xiàn)場(chǎng)使用的溶液。

試驗(yàn)方法：分別準(zhǔn)確稱(chēng)取不同質(zhì)量的SDS，配成25、50、75、100、150、200、250、300g/L溶液，采用超聲攪拌法使溶液澄清，取澄清的SDS溶液與蓖麻油及NaCl進(jìn)行復(fù)配，并根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程溶液狀況及吸收甲烷量調(diào)整三者配比，最終確定以SDS：蓖麻油：NaCl質(zhì)量比為5：0：0、5：0.5：0、5：1：0、5：1：0.05、5：1：0.1進(jìn)行對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)，上述吸收液均靜置24h使溶液均勻后進(jìn)行下一步吸收試驗(yàn)。

用注射器分別抽取5ml 吸收液注入積滿甲烷氣體的20ml密封頂空瓶里面，震蕩100次，使吸收液充分溶解甲烷，靜置10min后，用滴定管量取3ml下層澄清吸收液，重新密封后使用美國(guó)安捷倫HP-7694E頂空自動(dòng)進(jìn)樣器及美國(guó)安捷倫HP-6890氣相色譜儀測(cè)定得到吸收液中甲烷的色譜峰數(shù)據(jù)，再通過(guò)頂空氣相色譜法計(jì)算獲得甲烷吸收體積比，即溶液對(duì)甲烷的吸收率，對(duì)吸收率進(jìn)行比較，選出吸收效果較好的吸收液。

1.2激光粒度分析

采用美國(guó)Microtrac最新Zetatrac型 電位及納米粒度分析儀，25℃測(cè)定，激光波長(zhǎng)780nm，檢測(cè)角度：180€埃約尤氬煌壤腘aCl的流體力學(xué)粒徑分布進(jìn)行表征，并結(jié)合吸收試驗(yàn)結(jié)果分析其吸收機(jī)理。

2結(jié)果與討論

2.1吸收篩選試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)檢測(cè)陰離子表面活性劑SDS溶液吸收甲烷的體積分?jǐn)?shù)隨其濃度變化的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：甲烷吸收量隨溶液中SDS濃度的增加而增加，但在實(shí)際配制過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SDS濃度超過(guò)200g/L時(shí)，溶液粘度很大，考慮到現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用條件，故選取SDS的最佳的濃度為200g/L，此時(shí)SDS對(duì)甲烷的吸附率為6.18%。

圖1為SDS溶液添加不同量的蓖麻油與NaCl后吸收甲烷的關(guān)系由圖可以看出，單純SDS溶液的甲烷吸收率僅為6.18%，而加入蓖麻油的復(fù)配溶液的甲烷吸收率顯著提高，當(dāng)SDS/蓖麻油/NaCl的質(zhì)量比分別為5/0.5/0和5/1/0時(shí)（當(dāng)蓖麻油/SDS大于1：5時(shí)，蓖麻油在SDS溶液中難于溶解，且溶解后體系粘度較大，不適合現(xiàn)場(chǎng)使用），溶液對(duì)甲烷的吸收量分別是8.26%和10.78%。當(dāng)復(fù)配溶液中加入NaCl的質(zhì)量后，隨著NaCl量的增加吸附率有所提高（當(dāng)NaCl添加量大于5/1/0.1時(shí)，體系粘度過(guò)大），SDS/蓖麻油/NaCl的質(zhì)量比為5/1/0.1時(shí)達(dá)到最高吸附率18.61%。由此可見(jiàn)，蓖麻油能與SDS產(chǎn)生復(fù)配增效作用且無(wú)機(jī)鹽NaCl也能提高溶液吸收甲烷的量。

2.2 SDS-蓖麻油-NaCl-水體系激光粒度分析

由圖2可以看出當(dāng)SDS：蓖麻油：NaCl=5：1：0時(shí)，膠束粒徑主要分布在1.4-1.8nm，當(dāng)加入不同量的NaCl，膠束的粒徑明顯增大，當(dāng)SDS：蓖麻油：NaCl=5：1：0.05時(shí)，膠束粒徑主要分布在2.6-3.1nm；SDS：蓖麻油：NaCl=5：1：0.1時(shí)主要分布在3.6-4.1nm。

將吸收劑中有機(jī)聚集體平均粒徑的值與其吸收甲烷的效果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)吸收劑中聚集體較大時(shí)，對(duì)甲烷的吸收效果較好，體積大的聚集體可以增溶更多的甲烷，因而對(duì)甲烷的吸收效果也較好。

甲烷是非極性分子，SDS溶液對(duì)于甲烷的增溶作用主要是增溶于膠束內(nèi)部。當(dāng)SDS溶于水中形成膠束，由于SDS具有兩親性，其極性端形成膠束外表面與水介質(zhì)接觸，非極性端形成膠束內(nèi)核的非極性微小區(qū)域，該區(qū)域?yàn)樵鋈芗淄闅怏w主要區(qū)域，因此膠束的數(shù)量及容積大小決定了表面活性劑增溶能力的強(qiáng)弱。這也解釋了實(shí)驗(yàn)中對(duì)甲烷的增溶量是隨著SDS量的增加而增加的。

膠束的大小決定了非極性微區(qū)的容積，因此膠束粒徑越大，對(duì)甲烷分子的增溶作用越強(qiáng)。

Mukerjee提出了氣體分子增溶過(guò)程的膠束模型，在該模型中把膠束看作表面活性劑的球形聚集內(nèi)部具有疏水的環(huán)境，但是球形聚集體受拉普拉斯壓力的作用，因此在膠束和水之間產(chǎn)生界面張力，這種壓縮作用可以增加溶解分子的化學(xué)勢(shì)，自由能的增量可用（1）式表示：

而加入NaCl后，Na+可以作為反離子接近膠束表面并屏蔽其表面電荷，使得膠束表面電勢(shì)降低，從而導(dǎo)致膠束的擴(kuò)散雙電層被壓縮和臨界膠束濃度降低；Na+能夠中和部分膠束表面電荷從而降低了膠束之間的靜電排斥作用從而有利于膠束聚集，表現(xiàn)為添加NaCl之后膠束的粒徑在一定程度上有所增加，從而降低了自由能增量使甲烷溶解更容易進(jìn)行；同時(shí)Cl-在溶液中以水合氯離子的形成存在，促進(jìn)水分子的自我聚集和有序化，取代水分子與表面活性劑結(jié)合，有利于膠束的形成。

3結(jié)論

（1）SDS對(duì)甲烷的溶解具有增溶作用，且隨其濃度的增加增溶作用越顯著；加入蓖麻油可以降低聚集體微環(huán)境的極性，對(duì)SDS吸收甲烷有促進(jìn)作用。

（2）同一種表面活性劑溶液，其形成的膠束粒徑越大，其溶解過(guò)程的吉布斯自由能增量越小，就越利于溶解過(guò)程的進(jìn)行，對(duì)甲烷的吸收量也就越大。

（3）加入NaCl可降低SDS的臨界膠束濃度并增大膠束粒徑，有助于溶液對(duì)甲烷的吸附。