超疏水表面水下电解补气方法研究

张梦卓, 胡海豹, 杜 鹏, 黄 潇

(西北工业大学 航海学院机械与动力工程系, 西安 710072)

0 引 言

自然界中的荷叶效应被发现以来，超疏水表面因其独特的表面特性和优良的减阻性能受到了越来越多研究者的关注。Rothstein等[1-2]使用共聚焦显微镜观察了超疏水表面壁面处的气液界面，并采用微PIV技术对疏水微通道内层流流动进行测试，结果证明气液界面上产生了明显的速度滑移。黄桥高等[3]利用水洞实验对涂有超疏水材料的水下航行器模型进行了阻力测试，发现减阻率可达20%，并将减阻原因归结为气液界面产生的速度滑移降低了表面的速度梯度，同时增加了边界层厚度。刘铁峰等[4]利用高时间分辨率粒子图像测速技术对超疏水表面进行减阻测试，认为超疏水壁面可以有效削弱单个发卡涡头的强度，并整体减弱涡包下方近壁区低速流体质点的流向脉动，从而有效减小壁面摩擦阻力。越来越多的研究结果[5-9]表明，因超疏水表面存在气液界面而产生的速度滑移是超疏水减阻的根本原因，气膜的存在对超疏水表面减阻具有至关重要的作用。

然而，随着研究的深入，越来越多的研究者发现超疏水表面的减阻效果并不稳定，随着流速的增大或实验时间的增加，超疏水表面的气膜会被破坏，直接导致减阻效果消失，甚至出现增阻现象[3,9-11]。对此研究者们提出了诸如壁面加热[12]、局部压强调节[13]、人工通气[14]等方式以恢复超疏水表面的气膜。这些方法虽然可以实现超疏水表面气膜的恢复与稳定，但在实际中存在能量消耗大、应用存在局限性等缺点[15]。因此，通过电解水补气的方法进入研究者的视野，LEE等[15]首先提出了利用电解水的方法恢复超疏水表面的气液界面。利用经特殊设计的超疏水表面并接通电源，一旦超疏水表面气膜遭到破坏，水进入到微结构中并与电极接触，超疏水表面就会重新生成一层气膜，从而构建一种动态平衡。上述电解补气的方法虽然有出色的效果，但涉及到了微型电极及表面的加工和制造，并且需要对微结构进行专门设计，否则就无法实现理想的补气效果，这样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实际应用。本文尝试利用外部电解装置电解补气的方法，令电解装置与超疏水表面相互独立，从而降低电解补气效果对超疏水表面及其微结构的依赖性。通过实验方法研究电解装置的电解特性规律，并在管道实验中证明外部电解补气装置恢复超疏水表面气液界面的可行性。

1 实验装置

本文的实验研究分为电极电解规律研究和管道实验2部分。其中电解规律测试装置由石墨电极、电解槽、直流稳压电源、电流表以及量筒组成，如图1(a)所示。实验中使用质量分数为3%的氯化钠溶液来模拟海水，使用厚度为3 mm的石墨板作为电解电极，其中阴阳极板的尺寸均为2.0 cm×1.5 cm，实验中研究的阴阳极距为3、6和9 mm。将1个阴极板和1个阳极板的组合称为1对电极，实验分别研究了1对、2对和3对电极的电解规律，在多对电极实验中极板以并联电路连接。通过直流稳压电源可以直接控制石墨电极的电解电压，同时将电流表串联入电路以读取电流数据,从而得到电极的伏安特性曲线。为了便于观测,使用规格为1 L的玻璃烧杯作为电解槽，并利用向下排水法通过量筒测量产气量。所有实验在室温条件下进行。

管道实验在重力式低速水洞中进行。实验中水洞的水箱盛有约600 kg氯化钠溶液，并通过球阀固定实验管道内流速为0.8 m/s。矩形实验段管道截面尺寸为20 mm×60 mm，长度为1 m，在管道实验段前方有长度为1.5 m的发展段，以确保实验段中的流动得到充分发展。管道实验所用的电解装置结构与电解规律测试实验类似，其位置位于管道实验段前部，3对石墨电极固定极距均为6 mm，整体放置在电解仓内，仅通过一条2 mm宽的狭缝与管道内流场连通，如图1(b) 所示。在通气狭缝后方的矩形实验管道底部喷涂超疏水涂层，实验采用UltraTech公司生产的商用超疏水涂层，其静态接触角可达165°。由于采用喷涂的方法制作，所以超疏水表面具有一般性随机分布的微结构。

图1 实验装置示意图

2 实验结果与分析

2.1 电解装置的电解规律

以3和6 mm极距为例分析，电解装置的伏安特性测试结果如图2所示。在电极对数和极距一定的条件下，电解电流随通电电压的增加呈线性增加，这表明整个电解装置可近似为纯电阻电路，电解装置的伏安特性曲线的斜率可为等效电阻，其电阻包括导线和石墨电极的电阻以及2极板间溶液的压降[16-17]。从图中可以明显看出，减小极距和增加电极对数可以有效降低电解装置的等效电阻，即在相同的电解电压下提高了极板间的电流。原因可以解释为减小极距就是降低了2极板间离子移动的距离，从而降低了2极板间的阻抗；而增加电极对数相当于将多个等效电阻并联，从而降低了电路的总阻值。

图2 电极的伏安特性曲线

理论上，海水电解过程中在阴阳极板上主要发生析氢反应与析氯反应，其反应方程式为：

阳极：2Cl-=Cl2+2e-

(1)

阴极：2H2O+2e-=H2+2OH-

(2)

电化学反应进程与电子的转移直接相关，电流是描述电子运动的物理量，所以可以通过电解电流估算反应的进行情况。由阴极反应与阳极反应可知，在理想条件下，每1 mol电子转移可以产生0.5 mol氢气和0.5 mol氯气，所以平均1 mol电子可以生成1 mol的气体分子。根据标准状态下气体的单位摩尔体积(22.4 L/mol)即可估算产生的气体体积。电流的定义为I=q/t，即单位时间内流过电路的电荷量，根据电子的电荷量(约为1.6×10-19C)可以换算出1 A的电流在单位时间内通过导体的电子数目约为6.25×1018，即1.038×10-5mol。经计算可得：1 A电流下的理论产气量约为0.233 ml/s。

由于存在各种副反应且阳极产生的氯气极易溶于水[16-17]，按理论直接计算电解装置的产气量显然是不准确的。本文的研究重点在于电解装置总产气量，而不关注产生氢气或氯气的效率，所以有必要对电解装置的电解效率进行测试。和工业上常用的电解效率定义不同，本文定义的电解效率η为实际产生的总气体体积除以理论总气体体积，即：

η=V实际/V理论

(3)

电解效率随电流变化的计算结果如图3所示。因为存在上文指出的问题，产气量不能达到100%，计算结果表明产气效率随电流变化存在一定的波动，但基本是在一定的数量上上下浮动，可以近似认为在实验电流范围内，产气效率随电流没有太大变化，即电解效率只与电解装置有关而与电流大小无关。例如在3对电极、3 mm极距的情况下，电解效率在65%附近小幅度上下波动。

图3 电极的电解效率

为了说明电极对数对电解效率的影响，以6 mm极距为例分析，发现随着电极对数的增加，电解效率呈较为明显的下降趋势，在1对电极的情况下平均电解效率在80%以上，而在2对电极的条件下电解效率下降了近10%，当电极增加到3对时平均电解效率更是下降到60%以下。实验结果表明，虽然增加电极对数可以降低电极间的压降，但会显著降低装置的电解效率。可能的原因在于:一方面,随电极数目的增加，电极板上的电流密度减小，使气泡体积减小[18-19]，从而使氯气更容易溶解在水中并与水发生反应；另一方面，气泡的体积减小使气体上浮速率下降，令大量微小气泡悬浮在溶液中，而且微小气泡之间不会发生融合，在受到水流扰动后更加难于收集，从而产生一定的测量误差。由于电解效率的影响因素较为复杂，具体的影响因素和机理有待进一步的深入研究。

2.2 超疏水表面电解补气实验

大量实验结果表明，超疏水表面封存的气膜会在水流的冲刷作用下逐渐消失，从而使超疏水表面失去减阻效果。本实验在流速为0.8 m/s的条件下，取矩形管道的水利直径作为特征长度，此时管道内的雷诺数约为2.4×104，为充分发展的湍流。超疏水表面的初始状态为表面附着一层明亮的反光气膜，当水流作用一段时间后，气膜逐渐消失，大量实验研究也观测到了类似的现象[9]，充分说明了超疏水表面气膜较低的稳定性。实验将依据超疏水表面的反光情况定性判断其表面的气膜状态。根据2.1节电解装置的电流电压关系以及电解效率的实验结果，即可根据实验电压计算出对应的产气量。

在流速为0.8 m/s、电解电压为6 V，电解电流约为3.2 A的条件下，电解装置产气量约为32 ml/min。由于产气量过小，气泡融合和收集过程时间较长；直到气体聚集到一定的体积后才会从狭缝中排出，气体排出后重新开始收集过程，从而电解补气装置表现为间歇式工作。由于超疏水表面对水下气泡具有较强的吸附作用，所以气泡排出时可以及时附着在超疏水表面上；当气泡被超疏水表面吸附后，会在水流的冲刷作用下沿超疏水表面运动，并在表面留下宽约5 mm的气膜轨道，如图4(a) 所示。但是由于气泡内的气体含量较少，气泡只能运动大约20 cm的距离，之后便会停留在超疏水表面；并在表面形成一个相对静止的凸起气泡，如图4(b) 所示。这些现象表明，在6 V电压下，电解装置为超疏水表面补充了少量气体，但由于产气量过少，远不能满足这个流速下超疏水表面的补气需求。

继续增大电压至9 V，此时电解电流约为7.0 A，此时产气量约为68.9 ml/min，产生的气体明显增多，电极产生的大量微小气泡汇合成为较大气泡并从狭缝中排出。这些大气泡离开狭缝后立即附着在超疏水表面，并在表面平铺为一个较为完整的气膜，气膜宽度约占超疏水表面宽度的2/3，如图4(c) 所示。不同于6 V电压下的现象，形成的气膜大约沿流向铺展20 cm，同时气膜宽度沿流向逐渐收缩，并停止展向铺展，最终收缩为一条凸起的气体轨道，如图4(d)所示。同时还观察到电解装置中气体的收集和排出时间缩短，但依然表现为间歇式的表面补气。

上述现象表明电解装置的产气量依然不能满足此流速下超疏水表面补气需求。继续将电压提升至12 V进行实验，此时电解电流约为10.9 A，产气量约为106.5 ml/min。电解仓内可以快速聚集大量气体并汇聚成大气泡从狭缝中排出，排出的大气泡可以较为均匀地铺展在超疏水表面，且狭缝出口处的气膜比超疏水表面自然封存的气膜更厚，镜面效果更加明显，如图4(e)所示。气膜的流向铺展长度也有极大的提高，可以延伸至40 cm，但在末尾处依然会出现展向宽度逐渐变窄、最终收缩为数条狭窄气泡路径的现象，如图4(f) 所示。与前文2种工况不同，当气膜最终收缩为气泡在超疏水表面运动后，气泡内依然残留较多气体，从而在水流的作用下脱离超疏水表面并被水流冲走。这些现象表明，此时电解装置的产气量已经基本满足超疏水表面自然平铺气膜所需的气量，但由于实验所用的超疏水表面束缚气体的能力有限，很难做到大面积气膜的维持，从而沿流向方向气膜宽度收缩导致气体流失。因此，仅依靠超疏水表面与电解装置的结合是不够的，还需要考虑其他方法来进一步增强超疏水表面气膜的稳定性。

图4 各种工况下的补气现象

3 结 论

本文通过实验研究了海水电解规律，并验证了超疏水表面电解补气的可行性，实验发现：

(1) 在海水电解过程中，电解电路可以近似为纯电阻电路，电解电流随通电电压的增加呈线性增加。

(2) 在电解电压一定的条件下，减小阴阳两极极距可以提高电解电流，进而提高产气量；虽然增加电极数目也可以提高产气量，但在一定程度上会引起电解效率的降低。

(3) 超疏水表面的气液界面稳定性较差，表面气膜会在水流的冲刷作用下逐渐破坏消失；而通过外加电解补气装置可以实现超疏水表面气液界面的恢复和稳定。