Research progress of surfactantaqueous solution inhibiting the desorption of gas in coal
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摘要: 随着煤矿开采逐步向深部延伸，煤层瓦斯压力与含量趋于增大，瓦斯浓度超限问题日趋严重，而添加表面活性剂水溶液是降低煤体瓦斯涌出的重要技术手段。本文采用文献调查法分析了表面活性剂水溶液在煤矿瓦斯灾害防治中的应用情况，研究结果表明：①基于安全性、温和性考虑，表面活性剂优选顺序依次为两性和生物型、非离子、阴离子、阳离子，同时大部分非离子和两性表面活性剂具有良好的复配功能；②在试验浓度范围内，除生物型表面活性剂外，其他类型表面活性剂水溶液均出现明显的表面张力及接触角变化的浓度拐点，对应的临界胶束浓度为0.1 %，获得表面活性剂水溶液润湿性效果排序为阴离子、非离子、两性、阳离子、生物型；③添加表面活性剂水溶液能够显著抑制煤岩瓦斯解吸扩散能力，这与水溶液的润湿铺展增强作用及封堵作用有关。Abstract: With the increase of burial depth of coal seam, the gas pressure and gas content of coal seam tend to rise, resulting in the serious problem of gas concentration exceeding the limit.Generally, adding surfactant aqueous solution is an important technical means to reduce coal seam gas emission.In this paper, the application of surfactant aqueous solution in the prevention and control of coal mine gas disaster is analyzed by the literature survey method.The results are as follow: ① based on the consideration of safety and gentleness effects, the descending order of the optimization of surfactants is amphoteric and biological, non-ionic, anionic and cationic, and most non-ionic and amphoteric surfactants have good compound performance.② In the test concentration range, except for biological surfactants, an inflection point for the variations of surface tension and contact angle with solution concentration can be observed for other types of surfactant aqueous solutions, and the corresponding critical micelle concentration (CMC) is 0.1 %.Moreover, the descending order of the wettability effects of these surfactants is anionic, non-ionic, amphoteric, cationic and biological.③ The addition of surfactant aqueous solution can significantly inhibit the desorption-diffusion capacity of gas in coal, which is closely related to the wetting spreading effect and blocking effect of aqueous solution.
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Key words:
- coal and gas outburst /
- gas desorption /
- water blocking effect /
- surfactant /
- wettability
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图 1 阳离子表面活性剂水溶液浓度与表面张力间的关系
Figure 1. Relationships between cationic surfactant concentration and surface tension
图 2 阴离子表面活性剂水溶液浓度与表面张力间的关系
Figure 2. Relationships between anionic surfactant concentration and surface tension
图 3 非离子表面活性剂水溶液浓度与表面张力间的关系
Figure 3. Relationships between nonionic surfactant concentration and surface tension
图 4 其他表面活性剂水溶液浓度与表面张力间的关系
Figure 4. Relationships between concentration of other surfactants and surface tension
图 5 褐煤接触角随表面活性剂水溶液的变化
Figure 5. Changes in contact anglewith the concentration of surfactant for lignite
图 6 高挥发分烟煤接触角随表面活性剂水溶液的变化
Figure 6. Changes in contact angle with the concentration of surfactant for high volatile bituminous coal
图 7 中高挥发分烟煤接触角随表面活性剂水溶液的变化
Figure 7. Changes in contact angle with the concentration of surfactant for medium-high volatile bituminous coal
图 8 中挥发分烟煤接触角随表面活性剂水溶液的变化
Figure 8. Changes in contact anglewith the concentration of surfactant for medium volatile bituminous coal
图 9 低挥发分烟煤接触角随表面活性剂水溶液的变化
Figure 9. Changes in contact anglewith the concentration of surfactant for low volatile bituminous coal
图 10 无烟煤接触角随表面活性剂水溶液的变化
Figure 10. Changes in contact anglewith the concentration of surfactant for anthracite
图 11 煤中瓦斯解吸量随时间的变化规律[37]
Figure 11. Changes of gas desorption amount with desorption time
图 12 表面活性剂水溶液润湿机理示意图
Figure 12. Schematic diagram of wetting mechanism of surfactant aqueous solution
图 13 表面活性剂水溶液封堵甲烷示意图
Figure 13. Schematic diagram of methane blocking by surfactant aqueous solution
表 1 常见表面活性剂及其性质
Table 1. Common surfactants and their properties
类别 名称 缩写 安全性 温和性 稳定性 复配条件 生物降解性 阳 十二烷基二甲基苄基氯化铵 1227 微毒 有刺激性 易溶于水，耐硬水 不能与阴离子复配 — 阳 十六烷基三甲基溴化铵 CTAB 微毒 有刺激腐蚀性 耐热、光、压、强酸、强碱 — 良好 阳 十六烷基三甲基氯化铵 CTAC— 1631 对鱼类有剧毒 对皮肤眼睛有刺激性 耐热、光、压、耐酸、碱 不能与阴离子复配 良好 阳 十二烷基三甲基溴化铵 DTAB — — — — — 阳 聚季氨盐-7 M550 无毒 — 耐碱、酸、水解稳定性好 易复配 阳 Byluef MCA-90 MCA-90 — — — — — 阴 脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠 AEC — 刺激性小 耐硬水 — — 阴 脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠 AES 微毒 有刺激性 — — — 阴 α-烯基磺酸钠 AOS 微毒 刺激性小 耐硬水 — 良好 阴 磺化琥珀酸二辛酯钠盐 AOT 无毒 — 不耐强酸、强碱 — — 阴 十二烷基二苯醚二磺酸钠 Dowfax 2A1 无毒 刺激性小 耐碱、酸、盐溶液、硬水 — 良好 阴 仲烷基磺酸钠 — 无毒 无毒 耐硬水 与阴、非离子复配 优秀 阴 十二烷基苯磺酸钠 SDBS 微毒 对皮肤有刺激性 易溶于水，耐碱、酸、硬水 可复配 优秀 阴 十二烷基硫酸钠 SDS 微毒 有刺激性 易溶于水，耐碱、硬水 可复配 优秀 阴 1，2-二正丁基萘-6-磺酸钠 开粉 — 高温产生碱性气体 耐碱、酸、硬水 — — 阴 顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸钠 快T — — 易溶于水 — — 阴 木质素磺酸钙 木钙 无毒 对皮肤有刺激性 稳定性好，不溶于有机溶液 — 良好 阴 脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸盐 FMES 微毒 具有刺激性气味，刺激性小 耐温、耐碱、硬水 — 良好 非 油酰基甲基牛磺酸钠 209 无毒 无刺激性 耐弱酸、弱碱、金属盐溶液 易复配，降低其他活性剂刺激性 良好 非 脂肪醇聚氧乙烯醚 AEO— JFC 氧化产物有毒 — 耐温、电解质、硬水 易复配 良好 非 烷基酚聚氧乙烯醚 APEO 低毒 对皮肤眼睛有刺激性 耐酸、碱 能复配 很差 非 烷基酚聚氧乙烯醚-10 OP-10 — 对皮肤眼睛有刺激性 耐酸、碱 能复配 很差 非 烷基酚聚氧乙烯醚-40 OP-40 — 对皮肤眼睛有刺激性 耐酸、碱 能复配 很差 非 烷基糖苷 APG 无毒 无刺激性 耐碱、酸、盐溶液、硬水 易复配且增效 优秀 非 烷基多糖苷 APG06 无毒 无刺激性 耐碱、酸、盐溶液、硬水 易复配 优秀 非 辛癸基葡糖苷 APG0810 无毒 — 耐碱、酸、盐溶液、硬水 易复配 优秀 非 月桂基葡糖苷 APG1214 无毒 — 耐碱、酸、盐溶液、硬水 易复配 优秀 非 椰子油脂肪酸二乙醇酰胺 CDEA— 6501 — — 耐硬水 易复配 — 非 聚乙二醇400 PEG-400 无毒 无刺激性 易溶于水、耐高温 与山梨醇配伍生沉淀 非 聚丙二醇 PPG-400 — 具有刺激性 微溶于水，溶于油 — 差 非 脂肪酸蔗糖聚酯 SPE 无毒 无刺激性 — — 优秀 非 辛基苯基聚氧乙烯醚 TX-100 微毒 刺激性小 能溶于水 — — 非 异构十醇聚氧乙烯醚 XP-90 微毒 对皮肤眼睛有刺激性 — 易复配 优秀 非 失水山梨醇单油酸酯聚氧乙烯醚 吐温-80 有毒 — 易溶于水 — 优秀 两性 十二烷基二甲基甜菜碱 BS-12 无毒 对皮肤眼睛呼吸系统有刺激性 耐硬水 — 优秀 两性 椰油酰胺丙基甜菜碱 CAB 微毒 刺激性小、杀菌性 耐硬水、低温稳定性 良好的配伍性 优秀 两性 月桂酰基谷氨酸钠 CHSB 无毒 无刺激性 耐碱、酸、盐溶液、硬水 — 优秀 两性 月桂基两性咪唑啉 LAD-40 无毒 温和、刺激性小 低温稳定性好 与阴离子复配可降低刺激性 优秀 两性 月桂酰胺丙基氧化胺 LAO-30 无毒 温和、刺激性小 低温稳定性好 与阴离子复配可降低刺激性 优秀 两性 月桂酰肌氨酸钠 LG-95P — 对皮肤眼睛有刺激性 易溶于水，耐高温、酸、碱 可复配 优秀 两性 十二烷基二甲基氧化胺 OA-12 微毒 刺激性小、杀菌性 — 与阴离子复配可降低刺激性 优秀 两性 月桂酰胺丙基甜菜碱 RALUFON 414 微毒 刺激性小 耐硬水 易复配 优秀 生物 茶皂素(天然非离子型) T 无毒 无刺激性 易溶于水 — 优秀 生物 无患(天然非离子型) W 无毒 无刺激性 溶于水 — 优秀 生物 蔗糖酯(天然非离子型) SE 无毒 无刺激性 微溶于水，溶于醇 — 优秀 生物 脂肽(天然阴离子型) Z 无毒 无刺激性 — — 优秀 
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表 2 表面活性剂浓度为0.1 % 时的表面张力
Table 2. Surface tension at the surfactant concentration of 0.1 %
表面张力/
(mN·m-1)阳离子 阴离子 非离子 两性 生物 最小值 29.88 24.87 27.25 32.91 26.09 均值 39.12 36.74 37.52 38.96 44.18
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表 3 表面活性剂浓度为0.1 % 时煤的接触角
Table 3. Contact angle of coal body at surfactant concentration of 0.1 %
(°) 接触角 阳离子 阴离子 非离子 两性 生物 最小值 16.04 9.11 10.18 15.16 28.49 均值 34.40 27.37 29.72 29.82 50.03
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表 4 表面活性剂溶液作用下瓦斯解吸参数[37]
Table 4. Gas desorption parametersof coal with surfactant solution effects
样品 瓦斯初始解吸速率/
[mL·(g·s)-1]最大瓦斯解吸量/
(mL·g-1)试验方式 干燥煤样 0.0387 2.725 后置注入法、吸附平衡压力2 MPa 纯水煤样 0.0269 2.357 0.04%APG处理煤样 0.0146 1.894
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表 5 不同煤样毛细力计算值对比
Table 5. Comparison of calculated values of capillary force of different coal samples
毛细管力及变化 平顶山矿 赵各庄矿 唐山矿 淮北矿 鑫龙红岭矿 纯水/109Pa 3.411 5.107 2.690 6.750 4.952 水溶液/1010Pa 1.098 1.101 1.084 1.077 1.100 增加的倍数 3.22 2.16 4.03 1.60 2.22
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