CN108525467A - 一种复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物。主要包括以按重量计的表面活性剂2％～12％，无机盐0.5～10％，余量为水。甜菜碱型表面活性剂是由季铵盐型阳离子部分和羧酸盐型阴离子部分所构成，其性能优于氨基酸型两性表面活性剂。甜菜碱型表面活性剂起初归属到季铵盐化合物中，它又不同于季铵盐，它没有阴离子。甜菜碱类在酸性、碱性介质中，保持着它的分子正电性，有阳离子性质，这类表面活性剂不能获得正电荷或负电荷。该甲烷吸收剂组合物利用甜菜碱型表面活性剂和无机盐以一定比例配置后，经超细雾化处理后喷洒于有甲烷释放的场所可有效吸收甲烷，从而达到降低甲烷浓度的目的。

Description

一种复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物

技术领域

本发明属于对空气中瓦斯处理技术领域，尤其涉及一种复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物。

背景技术

我国是世界上最大的产煤国家，95％来自于地下开采。由于现阶段开采的煤层绝大部分是石炭二叠纪煤层，瓦斯成为严重威胁煤矿安全生产的自然因素之一，我国也成为瓦斯灾害最严重的国家之一。近年来，瓦斯灾害的防治取得了一定成效，但由于矿井瓦斯爆炸灾害具有突发性、破坏性、灾难性、继发性等特点，加之矿井生产环境十分复杂，矿井瓦斯爆炸事故仍频频发生，造成巨大人员伤亡和财产损失，直接和间接经济损失每年超过十余亿元。根据国务院发展研究中心关于2020年我国可持续能源发展理想目标的报告，以煤为主的能源结构今后20年不可能有太大变化。从2003年开始，随着国家经济发展，煤炭需求不断增加，特别是近年来，煤矿机械化程度及开采深度、开采规模的不断深入和扩大，矿井瓦斯爆炸事故发生率和矿工死亡人数也在增加，严重影响了煤炭行业的科技进步和社会安定以及我国的国际形象。

据统计，我国煤矿每年发生死亡10人以上的特大事故中，70％为瓦斯爆炸事故。从2003年到2008年4月30日，我国煤矿共发生特大事故110余起，死亡2000多人。煤矿安全生产形势日趋严峻，煤矿瓦斯防治和安全生产问题已成为当前我国各界关注焦点。矿井瓦斯爆炸灾害历来受到党和政府的高度重视，国家每年投入大量的人力、物力、财力开展瓦斯灾害治理技术的研究。综合目前国内外矿井瓦斯爆炸防治技术和隔爆、抑爆及其材料的研究现状，从产生瓦斯爆炸事故的整个过程分析，当瓦斯爆炸三要素都满足时，国内外还没有一套有效、完善、成熟的瓦斯爆炸控制理论和相关材料及技术，从根本上抑制住瓦斯爆炸。为了有效防止和控制煤矿瓦斯爆炸事故的发生，在煤矿实际生产过程中，逐渐形成了一整套的措施来维持矿井瓦斯浓度在安全浓度范围内或控制瓦斯爆炸的条件，主要有以下几方面措施

①隔绝火源控制瓦斯爆炸闪

煤矿井下，很多火源都可导致瓦斯爆炸，例如井下的明火℃以上、电弧平均℃、电火花、煤炭的自燃、赤热的金属表面可达℃以及撞击和磨擦火花，都能引燃瓦斯。通过使用防爆设备、杜绝明火作业、放炮使用安全炸药等可以控制井下热源。但是，仍有部分如磨擦火花、碰撞火花等自然因素引起的火源是无法控制的，都能产生引爆瓦斯的能量。

②矿井通风技术

矿井通风技术可为井下提供足够的新鲜空气以供给氧气给井下人员稀释井下有毒有害气体的浓度和粉尘的浓度，为井下创造一个良好的工作环境，保证生产的安全进行。矿井通风系统要根据瓦斯、煤层自燃和高温等影响矿井安全生产的主要因素进行设计，可分为几种一般型、降温型、防火型、排放瓦斯型、防火及降温型、排放瓦斯及降温型、排放瓦斯及防火型、排放瓦斯与防火及降温型。矿井通风系统涉及到矿井通风系统形式、通风方式及方法、主要通风机工作方式、进风与回风井的布置形式和通风网路包括其中的通风设施等方面，需要结合矿井通风动力和风流网络来实现。

③瓦斯抽放技术

瓦斯抽放方法主要有网格式穿层钻孔抽放本层瓦斯、顶板走向长钻孔抽放邻近层瓦斯、顺层密集长钻孔抽放本层瓦斯、厚煤层开采采空区抽放及综合瓦斯抽放。我国首次在抚顺矿务局龙风矿,利用抽放泵对采空区进行抽放，上世纪五十年代相继在抚顺、阳泉、天府和北票局进行矿井抽放瓦斯技术的研究，到五十年代末期瓦斯抽放量约为0.1亿立方米。六十年代又先后在中梁山、焦作、淮南、包头、松藻及峰峰等煤矿进行了瓦斯抽放工作，抽放瓦斯量达到0.17亿立方米。随后抽放矿井数和抽放量都逐渐增加。随着我国煤炭工业的发展，矿井数量及煤炭产量都不断增加，随着矿井逐渐向部延伸，一些原来的低瓦斯矿井变为高瓦斯矿井和突出矿井，因此需要进行瓦斯抽放的矿井越来越多，这带动了我国煤矿瓦斯抽放技术的发展。年代起随着机采、综采和综放采煤技术的发展和应用，开采的速度和强度都有所提高,使工作面绝对瓦斯涌出量大幅度增加。为了解决工作面瓦斯涌出源多、瓦斯涌出量大的问题，使用在一个采区内将煤层瓦斯采前预抽、邻近层瓦斯卸压等方法综合使用即综合抽放瓦斯技术，可使瓦斯抽放量及抽率达到最高。

④煤与瓦斯突出预测技术件

目前我国主要采用的以突出预测、局部防突措施、措施效果检验、人身安全防护措施四位一体的综合防突措施，在四位一体综合防突措施中，突出预测是极为重要的一个环节，是防止煤与瓦斯突出发生的第一道防线。传统的瓦斯突出预测技术为静态预测法，选择某种可以量化瓦斯在煤体中状态的指标，通过钻孔从工作面含瓦斯煤体中提取煤体或瓦斯中的量化指标，根据这些指标的变化确定危险性。瓦斯煤体性质及其赋存条件的量化指标包括瓦斯指标、煤层性质指标、地应力指标或它们的综合指标。目前较多采用的指标有钻屑量、钻孔瓦斯涌出初速度、瓦斯放散指数、煤体坚固性系数及瓦斯压力。

成本高，技术要求成本高，技术要求复杂，难以广泛推广应用于各种工作环境成为这些方法的主要弊端。

众所周知，表面活性剂对一般有机物的增溶作用是通过胶团学说来解释的。即当表面活性剂溶液的浓度超过临界胶束浓度时，表面活性剂分子以聚集体的形式存在。这些聚集体是以非极性基团为内核，以极性基团为外层的分子有序组合体，而胶团是最简单的表面活性剂分子有序组合体。胶团的内核为有机物提供了疏水环境，一些原来不溶或微溶于水的物质可以溶解于其中，从而增加了有机物在表面活性剂溶液中的溶解度。研究表明表面活性剂溶液对甲烷也具有增溶作用，且甲烷主要存在于表面活性剂胶束内核。

从实践中发现，表面活性剂混合体系的物理化学性质将发生明显的变化，通过复配可产生了协同效应和增效作用，出现单一表面活性剂所没有的功能。表面活性剂复配也可增加其对疏水有机物的增溶作用，已有许多研究者研究了表面活性剂复配对环境污染物增溶的协同增效作用。吴顺年等研究了助溶剂乙二醇乙醚分别与三种不同类型表面活性剂复配对葱的增溶作用，研究表明在天然水体加入助溶剂有机溶剂后，将进一步提高表面活性剂对疏水有机污染物的增溶作用，增加疏水有机污染物在水环境中的迁移能力和生物利用率。朱利中等研究了阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂的复配体系对多环芳烃的增溶作用，其指出协同增溶作用是由于混合表面活性剂溶液的cmc值降低和分配系数的增大造成的。巩育军等研究表明十六烷基三甲基溴化铵-十二烷基硫酸钠混合体系可提高苯和甲苯的溶解度。类似的研究还有很多，通过查阅相关文献表面活性剂复配对疏水有机物的增溶研究主要分为以下几种阴离子-非离子表面活性剂复配体系，阴离子-阳离子表面活性剂复配体系，表面活性剂与助溶剂复配体系及表面活性剂与水溶性高分子复配体系等。但是有关表面活性剂混合体系对甲烷增溶的研究比较少，在测定了甲烷在一系列结构类似的十二醇聚氧乙烯醚混合表面活性剂溶液中的溶解度及甲烷在结构类似的辛基苯酚聚氧乙烯醚混合溶液中的溶解度，主要探讨了同种类型表面活性剂分子链中聚氧乙烯链的数目对增溶甲烷的影响。Hai等研究了以及聚合物聚氧乙烯对甲烷在十二烷基硫酸钠溶液中溶解度的影响。对于不同类型表面活性剂复配后增溶甲烷的效果及表面活性剂与其它添加剂复配增溶吸收甲烷的研究还没有相关的报道。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，通过将甜菜碱型表面活性剂与无机盐混合，制备能溶于各种PH值的水溶液中并保持稳定的化学性质，适用于各种甲烷释放环境的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，当瓦斯浓度超过爆炸极限时，通过高压喷射装置将已经经过雾化处理过的吸收剂喷出，可以瞬时降低甲烷的浓度，消除超过瓦斯极限爆炸浓度潜在瓦斯爆炸的危险。解决了现有对空气中瓦斯的处理手段均为预防和监测的性质，并且不具备实时性，不能直接清除瓦斯或降低空气中瓦斯含量来防止瓦斯爆炸的问题。

本发明所采用的技术方案为：一种复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包含按重量计的表面活性剂2％～12％，无机盐0.5～10％，余量为水，其中表面活性剂为甜菜碱型表面活性剂。

进一步的，甜菜碱型表面活性剂为十四烷基二甲基甜菜碱、十八烷基二甲基甜菜碱、十二烷基二羟乙基甜菜碱中的任意一种或任意两种或两种以上以任意比例的混合物；所述的无机盐为碳酸氢钠、碳酸氢钾中的任意一种或两者以任意比例的混合物。

进一步的，表面活性剂为十四烷基二甲基甜菜碱，其质量含量为4％；所述的无机盐为碳酸氢钠，其质量含量为3％。

进一步的，表面活性剂为十四烷基二甲基甜菜碱，其质量含量为4％；所述的无机盐为碳酸氢钾，其质量含量为6％。

进一步的，表面活性剂为十八烷基二甲基甜菜碱，其质量含量为4％；所述的无机盐为碳酸氢钠，其质量含量为3％。

进一步的，表面活性剂为十八烷基二甲基甜菜碱，其质量含量为4％；所述的无机盐为碳酸氢钾，其质量含量为6％。

本发明取得的技术效果有：1)将甜菜碱型表面活性剂、无机盐、和水按特定比例组成一种甲烷吸收剂，所述甲烷吸收剂能溶于各种PH值的水溶液中，并保持稳定的化学性质，能够适用于各种甲烷释放的环境；2)该甲烷吸收剂在酸性及碱性条件下均具有优良的稳定性，配伍性良好；3)对皮肤刺激性低，生物降解性好，具有优良的去污杀菌、柔软性，抗静电性、耐硬水性和防锈性；4)相比于其它类型的表面活性剂，甜菜碱型表面活性剂胶束提供了一种相对较大的非极性微环境，这种微环境大大提高了有机化合物的溶解度；5)将十八烷基二甲基甜菜碱与无机盐和水按特定比例组成的吸收剂能够起到较好的增粘和起泡效果，增粘和起泡效果可以大大增加吸收甲烷的表面积，从而有效降低甲烷的浓度；6)本发明的甲烷吸收剂经过高压喷射装置喷洒雾化后即时吸收甲烷气体，使空气中甲烷浓度降低或清除，消除了潜在瓦斯爆炸的危险；7)该吸收剂在矿山等场所投入使用，可达到高效及时吸收空气中瓦斯的作用，保证了矿井作业安全；8)本案所选取的无机盐廉价易制备，便于储存和运输，没有特殊刺激气味，在效果上面，能让活性剂在水中更加趋于平缓，增加了增粘和起泡效果，对于甲烷吸收效率大大提高。

附图说明

图1为甲烷吸收试验装置简图。

附图标记如下：

甲烷气罐1，甲烷进气阀门2，流量计3，第一压力表4，第二压力表5，雾化喷嘴6，吸收容器7，出口阀门8，集液槽9，压力泵10，盛液容器11。

具体实施方式

本发明下面结合实施例作进一步详述：

(实施例1)

本实施例的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包括以下组分：十四烷基二甲基甜菜碱，其质量分数为4％；碳酸氢钠，其质量分数为3％，其余成分为水，将所述组分充分溶解并混合均匀即制得甲烷吸收剂组合物。

(实施例2)

本实施例的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包括以下组分：十四烷基二甲基甜菜碱，其质量分数为6％，碳酸氢钠，其质量分数为3％，其余成分为水，将所述组分充分溶解并混合均匀即制得甲烷吸收剂组合物。

(实施例3)

本实施例的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包括以下组分：十四烷基二甲基甜菜碱，其质量分数为8％；碳酸氢钠，其质量分数为3％，其余成分为水，将所述组分充分溶解并混合均匀即制得甲烷吸收剂组合物。

(实施例4)

本实施例的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包括以下组分：十八烷基二甲基甜菜碱，其质量分数为4％；碳酸氢钠，其质量分数为3％，其余成分为水，将所述组分充分溶解并混合均匀即制得甲烷吸收剂组合物。

(实施例5)

本实施例的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包括以下组分：十八烷基二甲基甜菜碱，其质量分数为6％；碳酸氢钠，其质量分数为3％，其余成分为水，将所述组分充分溶解并混合均匀即制得甲烷吸收剂组合物。

(实施例6)

本实施例的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包括以下组分：十八烷基二甲基甜菜碱，其质量分数为8％；碳酸氢钠，其质量分数为3％，其余成分为水，将所述组分充分溶解并混合均匀即制得甲烷吸收剂组合物。

(实施例7)

本实施例的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包括以下组分：十四烷基二甲基甜菜碱，其质量分数为4％；碳酸氢钠，其质量分数为3％，其余成分为水，将所述组分充分溶解并混合均匀即制得甲烷吸收剂组合物。

(实施例8)

本实施例的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包括以下组分：十四烷基二甲基甜菜碱，其质量分数为4％；碳酸氢钠，其质量分数为6％，其余成分为水，将所述组分充分溶解并混合均匀即制得甲烷吸收剂组合物。

(实施例9)

本实施例的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包括以下组分：十四烷基二甲基甜菜碱，其质量分数为4％；碳酸氢钠，其质量分数为9％，其余成分为水，将所述组分充分溶解并混合均匀即制得甲烷吸收剂组合物。

(实施例10)

本实施例的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包括以下组分：十八烷基二甲基甜菜碱，其质量分数为4％；碳酸氢钠，其质量分数为3％，其余成分为水，将所述组分充分溶解并混合均匀即制得甲烷吸收剂组合物。

(实施例11)

本实施例的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包括以下组分：十八烷基二甲基甜菜碱，其质量分数为4％；碳酸氢钠，其质量分数为6％，其余成分为水，将所述组分充分溶解并混合均匀即制得甲烷吸收剂组合物。

(实施例12)

本实施例的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包括以下组分：十八烷基二甲基甜菜碱，其质量分数为4％；碳酸氢钠，其质量分数为9％，其余成分为水，将所述组分充分溶解并混合均匀即制得甲烷吸收剂组合物。

(实施例13)

本实施例的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包括以下组分：十八烷基二甲基甜菜碱，其质量分数为2％；碳酸氢钠，其质量分数为10％，其余成分为水，将所述组分充分溶解并混合均匀即制得甲烷吸收剂组合物。

(实施例14)

本实施例的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包括以下组分：十八烷基二甲基甜菜碱，其质量分数为12％；碳酸氢钠，其质量分数为0.5％，其余成分为水，将所述组分充分溶解并混合均匀即制得甲烷吸收剂组合物。

(对比实施例1)

本实施例的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包括以下组分：十八烷基二甲基甜菜碱，其质量分数为0％；碳酸氢钠，其质量分数为0％，所有成分为水。

(对比实施例2)

本实施例的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，包括以下组分：十八烷基二甲基甜菜碱，其质量分数为4％，其余成分为水，将所述组分充分溶解并混合均匀即制得甲烷吸收剂组合物。

(效果实施例)

见图1，采用甲烷吸收试验装置进行甲烷吸收试验，甲烷吸收试验装置包括甲烷气罐1、甲烷进气阀门2、流量计3、第一压力表4、第二压力表5、雾化喷嘴6、吸收容器7、出口阀门8、集液槽9、压力泵10、盛液容器11。

甲烷吸收试验具体过程为：首先将甲烷气体从甲烷气罐1放入吸收容器7，待吸收容器7中的甲烷气体达到设定体积分数后关闭甲烷进气阀门2，然后将甲烷吸收剂组合物置于盛液容器11中，压力泵10抽取甲烷吸收剂组合物经雾化喷嘴6得到雾化的甲烷吸收剂组合物；调节管路中流体的流量为40L/h，当喷雾状态稳定后，向充有甲烷的吸收容器7中以一定流量喷射雾化的甲烷吸收剂组合物，喷雾时间为15s，喷雾结束后，打开出口阀门8，吸收甲烷后的液体经由出口阀门8从排液口流出，并由集液槽9收集，实验前通入的甲烷气体体积分数为10％，喷淋过雾化的甲烷吸收剂组合物之后用甲烷浓度检测仪测定吸收容器7内剩余的甲烷气体体积分数，喷淋雾化的甲烷吸收剂组合物前后甲烷气体体积分数的减少值即为甲烷吸收剂组合物所吸收的甲烷体积分数。

上述实施例1至实施例14、对比实施例1及对比实施例2的物料配比及甲烷吸收试验结果，见表1。

表1

原始甲烷体积分数为10％，由上表可以得出实施例1至实施例3对甲烷的吸收体积分别是3.85％、2.63％、1.58％，通过对比可以清楚知道十四烷基二甲基甜菜碱与无机盐的混合溶液对于甲烷的吸收高于细水雾，实施例1至实施例3三组对比，可以得出在无机盐浓度保持在3％时，活性剂浓度为4％时，对于甲烷的吸收有较好的表现。

实施例4至实施例6对甲烷的吸收百分比分别是4.55％、2.75％、1.64％，通过对比可以清楚知道十八烷基二甲基甜菜碱与无机盐的混合溶液对于甲烷的吸收高于细水雾，且在无机盐浓度保持在3％时，活性剂浓度为4％时，对于甲烷的吸收有较好的表现。

实施例7至实施例9对甲烷的吸收百分比分别是3.82％、4.75％、1.46％，通过对比可以清楚知道十四烷基二甲基甜菜碱与无机盐的混合溶液对于甲烷的吸收高于细水雾，且在无机盐浓度保持在6％时，活性剂浓度为4％时，对于甲烷的吸收有较好的表现。

实施例10至实施例12对甲烷的吸收百分比分别是3.55％、5.76％、2.95％，通过对比可以清楚知道十八烷基二甲基甜菜碱与无机盐的混合溶液对于甲烷的吸收高于细水雾且在无机盐浓度保持在6％时，活性剂浓度为4％时，对于甲烷的吸收有较好的表现。

从以上的实验数据表中，可以看出表面活性剂甜菜碱和无机盐与水以一定比例混合后，对甲烷可以达到瞬时的有效吸收，相比于纯水雾的吸收效果大大提高，以此降低甲烷浓度，达到抑制爆炸的目的。以上所述，仅为本发明的最佳实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，在本发明所阐述的技术范围内，可以轻易想到的变化和替换，都应该在本发明保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，其特征在于：所述的吸收剂组合物包含按重量计的表面活性剂2％～12％，无机盐0.5～10％，余量为水，所述表面活性剂为甜菜碱型表面活性剂。

2.根据权利要求1所述的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，其特征在于，所述的甜菜碱型表面活性剂为十四烷基二甲基甜菜碱、十八烷基二甲基甜菜碱、十二烷基二羟乙基甜菜碱中的任意一种或任意两种或两种以上以任意比例的混合物；所述的无机盐为碳酸氢钠、碳酸氢钾中的任意一种或两者以任意比例的混合物。

3.根据权利要求1所述的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，其特征在于，所述的表面活性剂为十四烷基二甲基甜菜碱，其质量含量为4％；所述的无机盐为碳酸氢钠，其质量含量为3％。

4.根据权利要求1所述的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，其特征在于，所述的表面活性剂为十四烷基二甲基甜菜碱，其质量含量为4％；所述的无机盐为碳酸氢钾，其质量含量为6％。

5.根据权利要求1所述的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，其特征在于，所述的表面活性剂为十八烷基二甲基甜菜碱，其质量含量为4％；所述的无机盐为碳酸氢钠，其质量含量为3％。

6.根据权利要求1所述的复合甜菜碱型表面活性剂的甲烷吸收剂组合物，其特征在于，所述的表面活性剂为十八烷基二甲基甜菜碱，其质量含量为4％；所述的无机盐为碳酸氢钾，其质量含量为6％。