SDS—NaCl—蓖麻油體系對甲烷的吸收作用及機理研究

朱玫潔

摘 要 設計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）與蓖麻油的復配液，并添加無機鹽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試瓦斯吸收材料對甲烷的吸收量。利用激光粒度儀對溶液中的膠束粒度大小進行分析，并對其原理進行研究。結果表明，蓖麻油改變了SDS膠束結構，通過對比發(fā)現(xiàn)溶液膠束粒徑越大，其能夠為甲烷分子提供的疏水環(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。

關鍵詞 甲烷 表面活性劑 蓖麻油 NaCl 膠束

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A

0引言

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

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

無機鹽能降低表面活性劑的臨界膠束濃度提高表面活性劑對有機物的增溶量；蓖麻油作為一種價格低廉的可再生資源，在化工、醫(yī)藥、國防等領域有著廣泛應用，本文對快速瓦斯吸收材料進行初步研究，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，對有機物具有較好的增溶作用。本文篩選出對甲烷有較好吸收效果的SDS復合膠束液， 并對其吸收機理進行初步研究。

1實驗研究

1.1甲烷吸收試驗

藥品：甲烷（純度99.999%）；SDS、NaCl均為分析純；蓖麻油分析純（購于北京化學試劑公司）；去離子水。Agilent6820氣相色譜儀；Agilent7694E頂空進樣器；超生波清洗儀（舒美 KQ218）；美國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)場使用的溶液。

試驗方法：分別準確稱取不同質(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進行復配，并根據(jù)試驗過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進行對比分析實驗，上述吸收液均靜置24h使溶液均勻后進行下一步吸收試驗。

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安捷倫HP-7694E頂空自動進樣器及美國安捷倫HP-6890氣相色譜儀測定得到吸收液中甲烷的色譜峰數(shù)據(jù)，再通過頂空氣相色譜法計算獲得甲烷吸收體積比，即溶液對甲烷的吸收率，對吸收率進行比較，選出吸收效果較好的吸收液。

1.2激光粒度分析

采用美國Microtrac最新Zetatrac型 電位及納米粒度分析儀，25℃測定，激光波長780nm，檢測角度：180€埃約尤氬煌壤腘aCl的流體力學粒徑分布進行表征，并結合吸收試驗結果分析其吸收機理。

2結果與討論

2.1吸收篩選試驗結果

通過檢測陰離子表面活性劑SDS溶液吸收甲烷的體積分數(shù)隨其濃度變化的關系發(fā)現(xiàn)：甲烷吸收量隨溶液中SDS濃度的增加而增加，但在實際配制過程中，發(fā)現(xiàn)當SDS濃度超過200g/L時，溶液粘度很大，考慮到現(xiàn)場的應用條件，故選取SDS的最佳的濃度為200g/L，此時SDS對甲烷的吸附率為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%，而加入蓖麻油的復配溶液的甲烷吸收率顯著提高，當SDS/蓖麻油/NaCl的質(zhì)量比分別為5/0.5/0和5/1/0時（當蓖麻油/SDS大于1：5時，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)場使用），溶液對甲烷的吸收量分別是8.26%和10.78%。當復配溶液中加入NaCl的質(zhì)量后，隨著NaCl量的增加吸附率有所提高（當NaCl添加量大于5/1/0.1時，體系粘度過大），SDS/蓖麻油/NaCl的質(zhì)量比為5/1/0.1時達到最高吸附率18.61%。由此可見，蓖麻油能與SDS產(chǎn)生復配增效作用且無機鹽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SDS：蓖麻油：NaCl=5：1：0時，膠束粒徑主要分布在1.4-1.8nm，當加入不同量的NaCl，膠束的粒徑明顯增大，當SDS：蓖麻油：NaCl=5：1：0.05時，膠束粒徑主要分布在2.6-3.1nm；SDS：蓖麻油：NaCl=5：1：0.1時主要分布在3.6-4.1nm。

將吸收劑中有機聚集體平均粒徑的值與其吸收甲烷的效果進行比較，發(fā)現(xiàn)吸收劑中聚集體較大時，對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，因而對甲烷的吸收效果也較好。

甲烷是非極性分子，SDS溶液對于甲烷的增溶作用主要是增溶于膠束內(nèi)部。當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)域為增溶甲烷氣體主要區(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弱。這也解釋了實驗中對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，對甲烷分子的增溶作用越強。

Mukerjee提出了氣體分子增溶過程的膠束模型，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勢，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，使得膠束表面電勢降低，從而導致膠束的擴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行；同時Cl-在溶液中以水合氯離子的形成存在，促進水分子的自我聚集和有序化，取代水分子與表面活性劑結合，有利于膠束的形成。

3結論

（1）SDS對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SDS吸收甲烷有促進作用。

（2）同一種表面活性劑溶液，其形成的膠束粒徑越大，其溶解過程的吉布斯自由能增量越小，就越利于溶解過程的進行，對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，有助于溶液對甲烷的吸附。