张建坤
格润内泽姆新水务有限公司 山东青岛 266100
摘要：地球上的水资源中约有97%为海水，淡水含量仅占3%，而淡水含量中78%存在于冰川中，难以被人们使用，因此，可供人类使用的淡水资源占地球水资源总量的1%。我国淡水储量占世界总淡水储量的6%，但我国人口众多，人均水资源量低，且我国水资源空间分布不均、季节分布不均，淡水资源短缺。海水淡化作为水资源的补充是解决沿海地区淡水资源短缺的重要途径，也是沿海地区可持续发展的必然要求。本文选用铝箔作为研究对象，先将其在磷酸溶液中阳极氧化，然后在NiSO4溶液中交流电解着色，得到纯黑色的膜层，其中，重点探究不同氧化电压对铝箔表面氧化层微观结构和着色后涂层吸收率的影响，并考察不同氧化电压所得到选择吸收涂层在太阳能海水淡化方面的性能。
关键词：海水淡化；高效率；太阳能
1实验
采用尺寸为5cm×4cm×70μm的商用铝箔作为阳极，采用不锈钢板作为阴极。阳极氧化前先进行预处理，铝箔背面贴胶，与反应面做区分。先在浓度为2mol/L的NaOH溶液中除油2min，然后去离子水清洗。接着，在40g/L的草酸中酸洗，去离子水清洗。阳极氧化实验的电解液采用磷酸溶液，浓度为2 mol/L，直流恒压模式。最后在90g/L的硫酸镍溶液中交流电解着色。着色后去离子水清洗，冷风吹干。
利用Empyrean X射线衍射仪测试膜层的相组成和元素成分。利用Hitachi S-4200扫描电子显微镜观察膜层的表面形貌。利用Lambda-950紫外-可见-近红外分光光度计和VERTEX-700傅里叶变换红外光谱仪测试样品的反射率。
2实验结果与讨论
2.1 阳极氧化的成膜机理及着色后的元素组成
铝箔阳极氧化过程的实质是水的电解，即利用电解作用在铝箔的表面形成氧化铝薄膜的过程。阴极上发生的反应式可表达为
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反应过程中可以看到在阴极和阳极表面均有气泡产生，且阴极的不锈钢板上气泡的数量明显多于阳极的铝箔。在阳极上析出的氧不只是氧气，还有一部分离子氧。析出的氧使铝箔表面发生氧化反应，形成了氧化铝薄膜。由于电解液为酸性环境，生成的氧化铝在酸的条件下又会产生溶解，即在阳极同时发生氧化膜的生成反应和溶解反应。铝基体表面氧化膜的生长反应式为
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图1为阳极氧化膜层的示意图，通常认为铝箔的氧化膜分为两层，内层为致密层，外层为疏松层。致密层也称阻挡层，靠近铝基体，较为致密且电阻较高，厚度较薄，与外层的疏松层相比较厚度几乎忽略不计。图2为反应电压15V时得到的电流与时间的关系，在反应的初期，电流迅速下降，是因为铝基体表面发生氧化反应生成一层高电阻的致密层，阻止反应的进一步发生。致密层厚度并不一致，较薄的地方溶解形成孔穴。孔穴处由于接触到电解液继续发生反应，随着反应的继续进行，孔穴加深并且孔径增大，形成多孔层，也称作疏松层。分析认为，随着孔穴的加深，阻挡层的电阻会相应地减小，因此实验过程中电流在逐渐增大。
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图2 反应过程中电流随时间变化的曲线
2.2 微观形貌
图3为反应时间20min时不同氧化电压所得到的膜层表面SEM图像。可以看出经过阳极氧化后，铝箔表面形成了均匀且密集的微孔结构，孔尺寸约在5～10μm范围，孔口朝不规则方向开启。另外还清晰可见，这种不规则开口方向的多孔结构被晶界分割，如图中箭头所指。对比图3中图（a）与图（b）可以看出，氧化电压为20V所得到膜层的平均孔径较大，孔口开度也较大，孔壁厚度也比氧化电压为15V所得到膜层的小。分析原因如下：随着氧化电压的升高，反应电流也随之增长，反应速度加快，阳极氧化膜层的生长速率也加快，同时加速了阻挡层的溶解速率，使膜层以及表面的微孔继续生长，孔洞加深且孔径扩大，导致孔壁变薄。
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图3 不同反应电压得到的膜层表面SEM图像（a）15V,（b）20V?
2.3 膜层元素分析
图4为铝箔经阳极氧化和电解着色后的XRD谱图，阳极氧化的反应条件为氧化电压20V，氧化时间20min。可以看出谱图中有很强的基体Al的衍射峰，说明膜层较薄，X射线透射到基体内部。能观察到Al2O3的衍射峰，来自阳极氧化生成的多孔氧化铝膜层。同时可以看到明显的Ni元素的衍射峰，说明着色之后有镍离子进入氧化铝膜层中。
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图4 膜层的XRD图谱
2.4 膜层的吸收率分析
利用红外光谱仪测量不同氧化电压下得到的着色铝箔的反射率曲线，如图5（a）所示。通过反射率曲线可以明显看出，3组膜层均在380～700nm范围内保持较低的反射率，因此可以推断膜层在此波段范围内均具有较好的吸收率。而具体的吸收率数值可根据式（1）
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计算得出，其中，Φ（λ）为太阳辐射光谱（AM=1.5），α（λ）为单色光谱吸收比[16]。计算结果如图5（b）所示。通过计算吸收率，发现随着电压的增加，膜层的吸收率在逐步上升，氧化电压为20V时所得膜层的吸收率最高，达到0.78.
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图5 不同氧化电压下所得膜层的反射率曲线和吸收率对比图（a）反射率曲线，（b）吸收率
3结论
（1）铝箔的阳极氧化恒压最优电压为20V，氧化时间20min。得到的膜层具有均匀的微孔结构，孔径深度较为一致。恒定时间的情况下，氧化电压越高孔径越大。
（2）阳极氧化电解着色后得到纯黑色的膜层，通过XRD图谱分析，着色后Ni元素进入膜层内，所以膜层呈现纯黑色。
（3）阳极氧化电解着色得到的纯黑色膜层具有很好的温升，其中，20V、20min得到的膜层温升最高，达到41.0℃，且不脱色。
（4）通过蒸馏实验得出，着色铝箔可以很好地吸收太阳能，最高蒸馏效率达到135g·L-1h-1，可以应用到太阳能低温海水淡化。
参考文献
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