超疏水表面水下電解補氣方法研究

張夢卓, 胡海豹, 杜 鵬, 黃 瀟

(西北工業大學 航海學院機械與動力工程系, 西安 710072)

0 引 言

自然界中的荷葉效應被發現以來，超疏水表面因其獨特的表面特性和優良的減阻性能受到了越來越多研究者的關注。Rothstein等[1-2]使用共聚焦顯微鏡觀察了超疏水表面壁面處的氣液界面，并采用微PIV技術對疏水微通道內層流流動進行測試，結果證明氣液界面上產生了明顯的速度滑移。黃橋高等[3]利用水洞實驗對涂有超疏水材料的水下航行器模型進行了阻力測試，發現減阻率可達20%，并將減阻原因歸結為氣液界面產生的速度滑移降低了表面的速度梯度，同時增加了邊界層厚度。劉鐵峰等[4]利用高時間分辨率粒子圖像測速技術對超疏水表面進行減阻測試，認為超疏水壁面可以有效削弱單個發卡渦頭的強度，并整體減弱渦包下方近壁區低速流體質點的流向脈動，從而有效減小壁面摩擦阻力。越來越多的研究結果[5-9]表明，因超疏水表面存在氣液界面而產生的速度滑移是超疏水減阻的根本原因，氣膜的存在對超疏水表面減阻具有至關重要的作用。

然而，隨著研究的深入，越來越多的研究者發現超疏水表面的減阻效果并不穩定，隨著流速的增大或實驗時間的增加，超疏水表面的氣膜會被破壞，直接導致減阻效果消失，甚至出現增阻現象[3,9-11]。對此研究者們提出了諸如壁面加熱[12]、局部壓強調節[13]、人工通氣[14]等方式以恢復超疏水表面的氣膜。這些方法雖然可以實現超疏水表面氣膜的恢復與穩定，但在實際中存在能量消耗大、應用存在局限性等缺點[15]。因此，通過電解水補氣的方法進入研究者的視野，LEE等[15]首先提出了利用電解水的方法恢復超疏水表面的氣液界面。利用經特殊設計的超疏水表面并接通電源，一旦超疏水表面氣膜遭到破壞，水進入到微結構中并與電極接觸，超疏水表面就會重新生成一層氣膜，從而構建一種動態平衡。上述電解補氣的方法雖然有出色的效果，但涉及到了微型電極及表面的加工和制造，并且需要對微結構進行專門設計，否則就無法實現理想的補氣效果，這樣就大大增加了超疏水表面的制造成本，限制了超疏水表面的實際應用。本文嘗試利用外部電解裝置電解補氣的方法，令電解裝置與超疏水表面相互獨立，從而降低電解補氣效果對超疏水表面及其微結構的依賴性。通過實驗方法研究電解裝置的電解特性規律，并在管道實驗中證明外部電解補氣裝置恢復超疏水表面氣液界面的可行性。

1 實驗裝置

本文的實驗研究分為電極電解規律研究和管道實驗2部分。其中電解規律測試裝置由石墨電極、電解槽、直流穩壓電源、電流表以及量筒組成，如圖1(a)所示。實驗中使用質量分數為3%的氯化鈉溶液來模擬海水，使用厚度為3 mm的石墨板作為電解電極，其中陰陽極板的尺寸均為2.0 cm×1.5 cm，實驗中研究的陰陽極距為3、6和9 mm。將1個陰極板和1個陽極板的組合稱為1對電極，實驗分別研究了1對、2對和3對電極的電解規律，在多對電極實驗中極板以并聯電路連接。通過直流穩壓電源可以直接控制石墨電極的電解電壓，同時將電流表串聯入電路以讀取電流數據,從而得到電極的伏安特性曲線。為了便于觀測,使用規格為1 L的玻璃燒杯作為電解槽，并利用向下排水法通過量筒測量產氣量。所有實驗在室溫條件下進行。

管道實驗在重力式低速水洞中進行。實驗中水洞的水箱盛有約600 kg氯化鈉溶液，并通過球閥固定實驗管道內流速為0.8 m/s。矩形實驗段管道截面尺寸為20 mm×60 mm，長度為1 m，在管道實驗段前方有長度為1.5 m的發展段，以確保實驗段中的流動得到充分發展。管道實驗所用的電解裝置結構與電解規律測試實驗類似，其位置位于管道實驗段前部，3對石墨電極固定極距均為6 mm，整體放置在電解倉內，僅通過一條2 mm寬的狹縫與管道內流場連通，如圖1(b) 所示。在通氣狹縫后方的矩形實驗管道底部噴涂超疏水涂層，實驗采用UltraTech公司生產的商用超疏水涂層，其靜態接觸角可達165°。由于采用噴涂的方法制作，所以超疏水表面具有一般性隨機分布的微結構。

圖1 實驗裝置示意圖

2 實驗結果與分析

2.1 電解裝置的電解規律

以3和6 mm極距為例分析，電解裝置的伏安特性測試結果如圖2所示。在電極對數和極距一定的條件下，電解電流隨通電電壓的增加呈線性增加，這表明整個電解裝置可近似為純電阻電路，電解裝置的伏安特性曲線的斜率可為等效電阻，其電阻包括導線和石墨電極的電阻以及2極板間溶液的壓降[16-17]。從圖中可以明顯看出，減小極距和增加電極對數可以有效降低電解裝置的等效電阻，即在相同的電解電壓下提高了極板間的電流。原因可以解釋為減小極距就是降低了2極板間離子移動的距離，從而降低了2極板間的阻抗；而增加電極對數相當于將多個等效電阻并聯，從而降低了電路的總阻值。

圖2 電極的伏安特性曲線

理論上，海水電解過程中在陰陽極板上主要發生析氫反應與析氯反應，其反應方程式為：

陽極：2Cl-=Cl2+2e-

(1)

陰極：2H2O+2e-=H2+2OH-

(2)

電化學反應進程與電子的轉移直接相關，電流是描述電子運動的物理量，所以可以通過電解電流估算反應的進行情況。由陰極反應與陽極反應可知，在理想條件下，每1 mol電子轉移可以產生0.5 mol氫氣和0.5 mol氯氣，所以平均1 mol電子可以生成1 mol的氣體分子。根據標準狀態下氣體的單位摩爾體積(22.4 L/mol)即可估算產生的氣體體積。電流的定義為I=q/t，即單位時間內流過電路的電荷量，根據電子的電荷量(約為1.6×10-19C)可以換算出1 A的電流在單位時間內通過導體的電子數目約為6.25×1018，即1.038×10-5mol。經計算可得：1 A電流下的理論產氣量約為0.233 ml/s。

由于存在各種副反應且陽極產生的氯氣極易溶于水[16-17]，按理論直接計算電解裝置的產氣量顯然是不準確的。本文的研究重點在于電解裝置總產氣量，而不關注產生氫氣或氯氣的效率，所以有必要對電解裝置的電解效率進行測試。和工業上常用的電解效率定義不同，本文定義的電解效率η為實際產生的總氣體體積除以理論總氣體體積，即：

η=V實際/V理論

(3)

電解效率隨電流變化的計算結果如圖3所示。因為存在上文指出的問題，產氣量不能達到100%，計算結果表明產氣效率隨電流變化存在一定的波動，但基本是在一定的數量上上下浮動，可以近似認為在實驗電流范圍內，產氣效率隨電流沒有太大變化，即電解效率只與電解裝置有關而與電流大小無關。例如在3對電極、3 mm極距的情況下，電解效率在65%附近小幅度上下波動。

圖3 電極的電解效率

為了說明電極對數對電解效率的影響，以6 mm極距為例分析，發現隨著電極對數的增加，電解效率呈較為明顯的下降趨勢，在1對電極的情況下平均電解效率在80%以上，而在2對電極的條件下電解效率下降了近10%，當電極增加到3對時平均電解效率更是下降到60%以下。實驗結果表明，雖然增加電極對數可以降低電極間的壓降，但會顯著降低裝置的電解效率。可能的原因在于:一方面,隨電極數目的增加，電極板上的電流密度減小，使氣泡體積減小[18-19]，從而使氯氣更容易溶解在水中并與水發生反應；另一方面，氣泡的體積減小使氣體上浮速率下降，令大量微小氣泡懸浮在溶液中，而且微小氣泡之間不會發生融合，在受到水流擾動后更加難于收集，從而產生一定的測量誤差。由于電解效率的影響因素較為復雜，具體的影響因素和機理有待進一步的深入研究。

2.2 超疏水表面電解補氣實驗

大量實驗結果表明，超疏水表面封存的氣膜會在水流的沖刷作用下逐漸消失，從而使超疏水表面失去減阻效果。本實驗在流速為0.8 m/s的條件下，取矩形管道的水利直徑作為特征長度，此時管道內的雷諾數約為2.4×104，為充分發展的湍流。超疏水表面的初始狀態為表面附著一層明亮的反光氣膜，當水流作用一段時間后，氣膜逐漸消失，大量實驗研究也觀測到了類似的現象[9]，充分說明了超疏水表面氣膜較低的穩定性。實驗將依據超疏水表面的反光情況定性判斷其表面的氣膜狀態。根據2.1節電解裝置的電流電壓關系以及電解效率的實驗結果，即可根據實驗電壓計算出對應的產氣量。

在流速為0.8 m/s、電解電壓為6 V，電解電流約為3.2 A的條件下，電解裝置產氣量約為32 ml/min。由于產氣量過小，氣泡融合和收集過程時間較長；直到氣體聚集到一定的體積后才會從狹縫中排出，氣體排出后重新開始收集過程，從而電解補氣裝置表現為間歇式工作。由于超疏水表面對水下氣泡具有較強的吸附作用，所以氣泡排出時可以及時附著在超疏水表面上；當氣泡被超疏水表面吸附后，會在水流的沖刷作用下沿超疏水表面運動，并在表面留下寬約5 mm的氣膜軌道，如圖4(a) 所示。但是由于氣泡內的氣體含量較少，氣泡只能運動大約20 cm的距離，之后便會停留在超疏水表面；并在表面形成一個相對靜止的凸起氣泡，如圖4(b) 所示。這些現象表明，在6 V電壓下，電解裝置為超疏水表面補充了少量氣體，但由于產氣量過少，遠不能滿足這個流速下超疏水表面的補氣需求。

繼續增大電壓至9 V，此時電解電流約為7.0 A，此時產氣量約為68.9 ml/min，產生的氣體明顯增多，電極產生的大量微小氣泡匯合成為較大氣泡并從狹縫中排出。這些大氣泡離開狹縫后立即附著在超疏水表面，并在表面平鋪為一個較為完整的氣膜，氣膜寬度約占超疏水表面寬度的2/3，如圖4(c) 所示。不同于6 V電壓下的現象，形成的氣膜大約沿流向鋪展20 cm，同時氣膜寬度沿流向逐漸收縮，并停止展向鋪展，最終收縮為一條凸起的氣體軌道，如圖4(d)所示。同時還觀察到電解裝置中氣體的收集和排出時間縮短，但依然表現為間歇式的表面補氣。

上述現象表明電解裝置的產氣量依然不能滿足此流速下超疏水表面補氣需求。繼續將電壓提升至12 V進行實驗，此時電解電流約為10.9 A，產氣量約為106.5 ml/min。電解倉內可以快速聚集大量氣體并匯聚成大氣泡從狹縫中排出，排出的大氣泡可以較為均勻地鋪展在超疏水表面，且狹縫出口處的氣膜比超疏水表面自然封存的氣膜更厚，鏡面效果更加明顯，如圖4(e)所示。氣膜的流向鋪展長度也有極大的提高，可以延伸至40 cm，但在末尾處依然會出現展向寬度逐漸變窄、最終收縮為數條狹窄氣泡路徑的現象，如圖4(f) 所示。與前文2種工況不同，當氣膜最終收縮為氣泡在超疏水表面運動后，氣泡內依然殘留較多氣體，從而在水流的作用下脫離超疏水表面并被水流沖走。這些現象表明，此時電解裝置的產氣量已經基本滿足超疏水表面自然平鋪氣膜所需的氣量，但由于實驗所用的超疏水表面束縛氣體的能力有限，很難做到大面積氣膜的維持，從而沿流向方向氣膜寬度收縮導致氣體流失。因此，僅依靠超疏水表面與電解裝置的結合是不夠的，還需要考慮其他方法來進一步增強超疏水表面氣膜的穩定性。

圖4 各種工況下的補氣現象

3 結 論

本文通過實驗研究了海水電解規律，并驗證了超疏水表面電解補氣的可行性，實驗發現：

(1) 在海水電解過程中，電解電路可以近似為純電阻電路，電解電流隨通電電壓的增加呈線性增加。

(2) 在電解電壓一定的條件下，減小陰陽兩極極距可以提高電解電流，進而提高產氣量；雖然增加電極數目也可以提高產氣量，但在一定程度上會引起電解效率的降低。

(3) 超疏水表面的氣液界面穩定性較差，表面氣膜會在水流的沖刷作用下逐漸破壞消失；而通過外加電解補氣裝置可以實現超疏水表面氣液界面的恢復和穩定。