張夢(mèng)卓, 胡海豹, 杜 鵬, 黃 瀟

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程系, 西安 710072)

0 引 言

自然界中的荷葉效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，超疏水表面因其獨(dú)特的表面特性和優(yōu)良的減阻性能受到了越來(lái)越多研究者的關(guān)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(shù)對(duì)疏水微通道內(nèi)層流流動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果證明氣液界面上產(chǎn)生了明顯的速度滑移。黃橋高等[3]利用水洞實(shí)驗(yàn)對(duì)涂有超疏水材料的水下航行器模型進(jìn)行了阻力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)減阻率可達(dá)20%，并將減阻原因歸結(jié)為氣液界面產(chǎn)生的速度滑移降低了表面的速度梯度，同時(shí)增加了邊界層厚度。劉鐵峰等[4]利用高時(shí)間分辨率粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)超疏水表面進(jìn)行減阻測(cè)試，認(rèn)為超疏水壁面可以有效削弱單個(gè)發(fā)卡渦頭的強(qiáng)度，并整體減弱渦包下方近壁區(qū)低速流體質(zhì)點(diǎn)的流向脈動(dòng)，從而有效減小壁面摩擦阻力。越來(lái)越多的研究結(jié)果[5-9]表明，因超疏水表面存在氣液界面而產(chǎn)生的速度滑移是超疏水減阻的根本原因，氣膜的存在對(duì)超疏水表面減阻具有至關(guān)重要的作用。

然而，隨著研究的深入，越來(lái)越多的研究者發(fā)現(xiàn)超疏水表面的減阻效果并不穩(wěn)定，隨著流速的增大或?qū)嶒?yàn)時(shí)間的增加，超疏水表面的氣膜會(huì)被破壞，直接導(dǎo)致減阻效果消失，甚至出現(xiàn)增阻現(xiàn)象[3,9-11]。對(duì)此研究者們提出了諸如壁面加熱[12]、局部壓強(qiáng)調(diào)節(jié)[13]、人工通氣[14]等方式以恢復(fù)超疏水表面的氣膜。這些方法雖然可以實(shí)現(xiàn)超疏水表面氣膜的恢復(fù)與穩(wěn)定，但在實(shí)際中存在能量消耗大、應(yīng)用存在局限性等缺點(diǎn)[15]。因此，通過(guò)電解水補(bǔ)氣的方法進(jìn)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(fù)超疏水表面的氣液界面。利用經(jīng)特殊設(shè)計(jì)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(jìn)入到微結(jié)構(gòu)中并與電極接觸，超疏水表面就會(huì)重新生成一層氣膜，從而構(gòu)建一種動(dòng)態(tài)平衡。上述電解補(bǔ)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(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，否則就無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想的補(bǔ)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(shí)際應(yīng)用。本文嘗試?yán)猛獠侩娊庋b置電解補(bǔ)氣的方法，令電解裝置與超疏水表面相互獨(dú)立，從而降低電解補(bǔ)氣效果對(duì)超疏水表面及其微結(jié)構(gòu)的依賴性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究電解裝置的電解特性規(guī)律，并在管道實(shí)驗(yàn)中證明外部電解補(bǔ)氣裝置恢復(fù)超疏水表面氣液界面的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文的實(shí)驗(yàn)研究分為電極電解規(guī)律研究和管道實(shí)驗(yàn)2部分。其中電解規(guī)律測(cè)試裝置由石墨電極、電解槽、直流穩(wěn)壓電源、電流表以及量筒組成，如圖1(a)所示。實(shí)驗(yàn)中使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的氯化鈉溶液來(lái)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(yáng)極板的尺寸均為2.0 cm×1.5 cm，實(shí)驗(yàn)中研究的陰陽(yáng)極距為3、6和9 mm。將1個(gè)陰極板和1個(gè)陽(yáng)極板的組合稱(chēng)為1對(duì)電極，實(shí)驗(yàn)分別研究了1對(duì)、2對(duì)和3對(duì)電極的電解規(guī)律，在多對(duì)電極實(shí)驗(yàn)中極板以并聯(lián)電路連接。通過(guò)直流穩(wěn)壓電源可以直接控制石墨電極的電解電壓，同時(shí)將電流表串聯(lián)入電路以讀取電流數(shù)據(jù),從而得到電極的伏安特性曲線。為了便于觀測(cè),使用規(guī)格為1 L的玻璃燒杯作為電解槽，并利用向下排水法通過(guò)量筒測(cè)量產(chǎn)氣量。所有實(shí)驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行。

管道實(shí)驗(yàn)在重力式低速水洞中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中水洞的水箱盛有約600 kg氯化鈉溶液，并通過(guò)球閥固定實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)流速為0.8 m/s。矩形實(shí)驗(yàn)段管道截面尺寸為20 mm×60 mm，長(zhǎng)度為1 m，在管道實(shí)驗(yàn)段前方有長(zhǎng)度為1.5 m的發(fā)展段，以確保實(shí)驗(yàn)段中的流動(dòng)得到充分發(fā)展。管道實(shí)驗(yàn)所用的電解裝置結(jié)構(gòu)與電解規(guī)律測(cè)試實(shí)驗(yàn)類(lèi)似，其位置位于管道實(shí)驗(yàn)段前部，3對(duì)石墨電極固定極距均為6 mm，整體放置在電解倉(cāng)內(nèi)，僅通過(guò)一條2 mm寬的狹縫與管道內(nèi)流場(chǎng)連通，如圖1(b) 所示。在通氣狹縫后方的矩形實(shí)驗(yàn)管道底部噴涂超疏水涂層，實(shí)驗(yàn)采用UltraTech公司生產(chǎn)的商用超疏水涂層，其靜態(tài)接觸角可達(dá)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(jī)分布的微結(jié)構(gòu)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電解裝置的電解規(guī)律

以3和6 mm極距為例分析，電解裝置的伏安特性測(cè)試結(jié)果如圖2所示。在電極對(duì)數(shù)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(gè)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(dǎo)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(duì)數(shù)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(dòng)的距離，從而降低了2極板間的阻抗；而增加電極對(duì)數(shù)相當(dāng)于將多個(gè)等效電阻并聯(lián)，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(guò)程中在陰陽(yáng)極板上主要發(fā)生析氫反應(yīng)與析氯反應(yīng)，其反應(yīng)方程式為：

陽(yáng)極：2Cl-=Cl2+2e-

(1)

陰極：2H2O+2e-=H2+2OH-

(2)

電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程與電子的轉(zhuǎn)移直接相關(guān)，電流是描述電子運(yùn)動(dòng)的物理量，所以可以通過(guò)電解電流估算反應(yīng)的進(jìn)行情況。由陰極反應(yīng)與陽(yáng)極反應(yīng)可知，在理想條件下，每1 mol電子轉(zhuǎn)移可以產(chǎn)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的單位摩爾體積(22.4 L/mol)即可估算產(chǎn)生的氣體體積。電流的定義為I=q/t，即單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)電路的電荷量，根據(jù)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(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體的電子數(shù)目約為6.25×1018，即1.038×10-5mol。經(jīng)計(jì)算可得：1 A電流下的理論產(chǎn)氣量約為0.233 ml/s。

由于存在各種副反應(yīng)且陽(yáng)極產(chǎn)生的氯氣極易溶于水[16-17]，按理論直接計(jì)算電解裝置的產(chǎn)氣量顯然是不準(zhǔn)確的。本文的研究重點(diǎn)在于電解裝置總產(chǎn)氣量，而不關(guān)注產(chǎn)生氫氣或氯氣的效率，所以有必要對(duì)電解裝置的電解效率進(jìn)行測(cè)試。和工業(yè)上常用的電解效率定義不同，本文定義的電解效率η為實(shí)際產(chǎn)生的總氣體體積除以理論總氣體體積，即：

η=V實(shí)際/V理論

(3)

電解效率隨電流變化的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。因?yàn)榇嬖谏衔闹赋龅膯?wèn)題，產(chǎn)氣量不能達(dá)到100%，計(jì)算結(jié)果表明產(chǎn)氣效率隨電流變化存在一定的波動(dòng)，但基本是在一定的數(shù)量上上下浮動(dòng)，可以近似認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)電流范圍內(nèi)，產(chǎn)氣效率隨電流沒(méi)有太大變化，即電解效率只與電解裝置有關(guān)而與電流大小無(wú)關(guān)。例如在3對(duì)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(dòng)。

圖3 電極的電解效率

為了說(shuō)明電極對(duì)數(shù)對(duì)電解效率的影響，以6 mm極距為例分析，發(fā)現(xiàn)隨著電極對(duì)數(shù)的增加，電解效率呈較為明顯的下降趨勢(shì)，在1對(duì)電極的情況下平均電解效率在80%以上，而在2對(duì)電極的條件下電解效率下降了近10%，當(dāng)電極增加到3對(duì)時(shí)平均電解效率更是下降到60%以下。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雖然增加電極對(duì)數(shù)可以降低電極間的壓降，但會(huì)顯著降低裝置的電解效率?？赡艿脑蛟谟?一方面,隨電極數(shù)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(fā)生反應(yīng)；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(huì)發(fā)生融合，在受到水流擾動(dòng)后更加難于收集，從而產(chǎn)生一定的測(cè)量誤差。由于電解效率的影響因素較為復(fù)雜，具體的影響因素和機(jī)理有待進(jìn)一步的深入研究。

2.2 超疏水表面電解補(bǔ)氣實(shí)驗(yàn)

大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超疏水表面封存的氣膜會(huì)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度，此時(shí)管道內(nèi)的雷諾數(shù)約為2.4×104，為充分發(fā)展的湍流。超疏水表面的初始狀態(tài)為表面附著一層明亮的反光氣膜，當(dāng)水流作用一段時(shí)間后，氣膜逐漸消失，大量實(shí)驗(yàn)研究也觀測(cè)到了類(lèi)似的現(xiàn)象[9]，充分說(shuō)明了超疏水表面氣膜較低的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)將依據(jù)超疏水表面的反光情況定性判斷其表面的氣膜狀態(tài)。根據(jù)2.1節(jié)電解裝置的電流電壓關(guān)系以及電解效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即可根據(jù)實(shí)驗(yàn)電壓計(jì)算出對(duì)應(yīng)的產(chǎn)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(chǎn)氣量約為32 ml/min。由于產(chǎn)氣量過(guò)小，氣泡融合和收集過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)；直到氣體聚集到一定的體積后才會(huì)從狹縫中排出，氣體排出后重新開(kāi)始收集過(guò)程，從而電解補(bǔ)氣裝置表現(xiàn)為間歇式工作。由于超疏水表面對(duì)水下氣泡具有較強(qiáng)的吸附作用，所以氣泡排出時(shí)可以及時(shí)附著在超疏水表面上；當(dāng)氣泡被超疏水表面吸附后，會(huì)在水流的沖刷作用下沿超疏水表面運(yùn)動(dòng)，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(nèi)的氣體含量較少，氣泡只能運(yùn)動(dòng)大約20 cm的距離，之后便會(huì)停留在超疏水表面；并在表面形成一個(gè)相對(duì)靜止的凸起氣泡，如圖4(b) 所示。這些現(xiàn)象表明，在6 V電壓下，電解裝置為超疏水表面補(bǔ)充了少量氣體，但由于產(chǎn)氣量過(guò)少，遠(yuǎn)不能滿足這個(gè)流速下超疏水表面的補(bǔ)氣需求。

繼續(xù)增大電壓至9 V，此時(shí)電解電流約為7.0 A，此時(shí)產(chǎn)氣量約為68.9 ml/min，產(chǎn)生的氣體明顯增多，電極產(chǎn)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(kāi)狹縫后立即附著在超疏水表面，并在表面平鋪為一個(gè)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(xiàn)象，形成的氣膜大約沿流向鋪展20 cm，同時(shí)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(shí)還觀察到電解裝置中氣體的收集和排出時(shí)間縮短，但依然表現(xiàn)為間歇式的表面補(bǔ)氣。

上述現(xiàn)象表明電解裝置的產(chǎn)氣量依然不能滿足此流速下超疏水表面補(bǔ)氣需求。繼續(xù)將電壓提升至12 V進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此時(shí)電解電流約為10.9 A，產(chǎn)氣量約為106.5 ml/min。電解倉(cāng)內(nèi)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(zhǎng)度也有極大的提高，可以延伸至40 cm，但在末尾處依然會(huì)出現(xiàn)展向?qū)挾戎饾u變窄、最終收縮為數(shù)條狹窄氣泡路徑的現(xiàn)象，如圖4(f) 所示。與前文2種工況不同，當(dāng)氣膜最終收縮為氣泡在超疏水表面運(yùn)動(dòng)后，氣泡內(nèi)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(xiàn)象表明，此時(shí)電解裝置的產(chǎn)氣量已經(jīng)基本滿足超疏水表面自然平鋪氣膜所需的氣量，但由于實(shí)驗(yàn)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(dǎo)致氣體流失。因此，僅依靠超疏水表面與電解裝置的結(jié)合是不夠的，還需要考慮其他方法來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)超疏水表面氣膜的穩(wěn)定性。

圖4 各種工況下的補(bǔ)氣現(xiàn)象

3 結(jié) 論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了海水電解規(guī)律，并驗(yàn)證了超疏水表面電解補(bǔ)氣的可行性，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

(1) 在海水電解過(guò)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(yáng)兩極極距可以提高電解電流，進(jìn)而提高產(chǎn)氣量；雖然增加電極數(shù)目也可以提高產(chǎn)氣量，但在一定程度上會(huì)引起電解效率的降低。

(3) 超疏水表面的氣液界面穩(wěn)定性較差，表面氣膜會(huì)在水流的沖刷作用下逐漸破壞消失；而通過(guò)外加電解補(bǔ)氣裝置可以實(shí)現(xiàn)超疏水表面氣液界面的恢復(fù)和穩(wěn)定。