SDS—NaCl—蓖麻油体系对甲烷的吸收作用及机理研究

朱玫洁

摘 要 设计了一种新型的水基瓦斯吸收材料，阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）与蓖麻油的复配液，并添加无机盐NaCl，以瓦斯气体的主要成分甲烷作为瓦斯的模型气体，采用气相色谱分析法测试瓦斯吸收材料对甲烷的吸收量。利用激光粒度仪对溶液中的胶束粒度大小进行分析，并对其原理进行研究。结果表明，蓖麻油改变了SDS胶束结构，通过对比发现溶液胶束粒径越大，其能够为甲烷分子提供的疏水环境越大，吸收甲烷的量也越大，且加入NaCl可增加溶液的甲烷吸附量。

关键词 甲烷 表面活性剂 蓖麻油 NaCl 胶束

中图分类号：TD712 文献标识码：A

0引言

煤矿瓦斯问题是威胁煤矿安全生产的首要问题，因而控制矿井中瓦斯浓度，使其远低于瓦斯爆炸极限是解决煤矿中瓦斯问题的一个重要手段。

表面活性剂因其增溶作用和良好润湿性能在瓦斯治理方面有重要的应用，目前国内外主要应用在瓦斯水合物的合成和煤层注水防止瓦斯突出领域，而谷娜、陈志纯等研究表明单一表面活性剂及不同类型的表面活性剂复配溶液对甲烷具有良好的吸收效果。

无机盐能降低表面活性剂的临界胶束浓度提高表面活性剂对有机物的增溶量；蓖麻油作为一种价格低廉的可再生资源，在化工、医药、国防等领域有着广泛应用，本文对快速瓦斯吸收材料进行初步研究，提出以表面活性剂为吸收瓦斯的主要材料，以蓖麻油与NaCl作为添加剂材料的思想。并以瓦斯中主要成分甲烷作为瓦斯的模型气体。十二烷基硫酸钠是一种典型的阴离子表面活性剂，它有良好的乳化和发泡性能，对有机物具有较好的增溶作用。本文筛选出对甲烷有较好吸收效果的SDS复合胶束液， 并对其吸收机理进行初步研究。

1实验研究

1.1甲烷吸收试验

药品：甲烷（纯度99.999%）；SDS、NaCl均为分析纯；蓖麻油分析纯（购于北京化学试剂公司）；去离子水。Agilent6820气相色谱仪；Agilent7694E顶空进样器；超生波清洗仪（舒美 KQ218）；美国Microtrac的Zetatrac型 电位及纳米粒度分析仪。

吸收液性状要求：所配制的吸收液均须是均匀、稳定且粘度较小适合现场使用的溶液。

试验方法：分别准确称取不同质量的SDS，配成25、50、75、100、150、200、250、300g/L溶液，采用超声搅拌法使溶液澄清，取澄清的SDS溶液与蓖麻油及NaCl进行复配，并根据试验过程溶液状况及吸收甲烷量调整三者配比，最终确定以SDS：蓖麻油：NaCl质量比为5：0：0、5：0.5：0、5：1：0、5：1：0.05、5：1：0.1进行对比分析实验，上述吸收液均静置24h使溶液均匀后进行下一步吸收试验。

用注射器分别抽取5ml 吸收液注入积满甲烷气体的20ml密封顶空瓶里面，震荡100次，使吸收液充分溶解甲烷，静置10min后，用滴定管量取3ml下层澄清吸收液，重新密封后使用美国安捷伦HP-7694E顶空自动进样器及美国安捷伦HP-6890气相色谱仪测定得到吸收液中甲烷的色谱峰数据，再通过顶空气相色谱法计算获得甲烷吸收体积比，即溶液对甲烷的吸收率，对吸收率进行比较，选出吸收效果较好的吸收液。

1.2激光粒度分析

采用美国Microtrac最新Zetatrac型 电位及纳米粒度分析仪，25℃测定，激光波长780nm，检测角度：180€埃约尤氩煌壤腘aCl的流体力学粒径分布进行表征，并结合吸收试验结果分析其吸收机理。

2结果与讨论

2.1吸收筛选试验结果

通过检测阴离子表面活性剂SDS溶液吸收甲烷的体积分数随其浓度变化的关系发现：甲烷吸收量随溶液中SDS浓度的增加而增加，但在实际配制过程中，发现当SDS浓度超过200g/L时，溶液粘度很大，考虑到现场的应用条件，故选取SDS的最佳的浓度为200g/L，此时SDS对甲烷的吸附率为6.18%。

图1为SDS溶液添加不同量的蓖麻油与NaCl后吸收甲烷的关系由图可以看出，单纯SDS溶液的甲烷吸收率仅为6.18%，而加入蓖麻油的复配溶液的甲烷吸收率显著提高，当SDS/蓖麻油/NaCl的质量比分别为5/0.5/0和5/1/0时（当蓖麻油/SDS大于1：5时，蓖麻油在SDS溶液中难于溶解，且溶解后体系粘度较大，不适合现场使用），溶液对甲烷的吸收量分别是8.26%和10.78%。当复配溶液中加入NaCl的质量后，随着NaCl量的增加吸附率有所提高（当NaCl添加量大于5/1/0.1时，体系粘度过大），SDS/蓖麻油/NaCl的质量比为5/1/0.1时达到最高吸附率18.61%。由此可见，蓖麻油能与SDS产生复配增效作用且无机盐NaCl也能提高溶液吸收甲烷的量。

2.2 SDS-蓖麻油-NaCl-水体系激光粒度分析

由图2可以看出当SDS：蓖麻油：NaCl=5：1：0时，胶束粒径主要分布在1.4-1.8nm，当加入不同量的NaCl，胶束的粒径明显增大，当SDS：蓖麻油：NaCl=5：1：0.05时，胶束粒径主要分布在2.6-3.1nm；SDS：蓖麻油：NaCl=5：1：0.1时主要分布在3.6-4.1nm。

将吸收剂中有机聚集体平均粒径的值与其吸收甲烷的效果进行比较，发现吸收剂中聚集体较大时，对甲烷的吸收效果较好，体积大的聚集体可以增溶更多的甲烷，因而对甲烷的吸收效果也较好。

甲烷是非极性分子，SDS溶液对于甲烷的增溶作用主要是增溶于胶束内部。当SDS溶于水中形成胶束，由于SDS具有两亲性，其极性端形成胶束外表面与水介质接触，非极性端形成胶束内核的非极性微小区域，该区域为增溶甲烷气体主要区域，因此胶束的数量及容积大小决定了表面活性剂增溶能力的强弱。这也解释了实验中对甲烷的增溶量是随着SDS量的增加而增加的。

胶束的大小决定了非极性微区的容积，因此胶束粒径越大，对甲烷分子的增溶作用越强。

Mukerjee提出了气体分子增溶过程的胶束模型，在该模型中把胶束看作表面活性剂的球形聚集内部具有疏水的环境，但是球形聚集体受拉普拉斯压力的作用，因此在胶束和水之间产生界面张力，这种压缩作用可以增加溶解分子的化学势，自由能的增量可用（1）式表示：

而加入NaCl后，Na+可以作为反离子接近胶束表面并屏蔽其表面电荷，使得胶束表面电势降低，从而导致胶束的扩散双电层被压缩和临界胶束浓度降低；Na+能够中和部分胶束表面电荷从而降低了胶束之间的静电排斥作用从而有利于胶束聚集，表现为添加NaCl之后胶束的粒径在一定程度上有所增加，从而降低了自由能增量使甲烷溶解更容易进行；同时Cl-在溶液中以水合氯离子的形成存在，促进水分子的自我聚集和有序化，取代水分子与表面活性剂结合，有利于胶束的形成。

3结论

（1）SDS对甲烷的溶解具有增溶作用，且随其浓度的增加增溶作用越显著；加入蓖麻油可以降低聚集体微环境的极性，对SDS吸收甲烷有促进作用。

（2）同一种表面活性剂溶液，其形成的胶束粒径越大，其溶解过程的吉布斯自由能增量越小，就越利于溶解过程的进行，对甲烷的吸收量也就越大。

（3）加入NaCl可降低SDS的临界胶束浓度并增大胶束粒径，有助于溶液对甲烷的吸附。