靜電噴霧的工作原理及分析

李海強

（河南省通許縣練城鄉(xiāng)政府，河南 開封 475400）

1 引言

我國是一個農(nóng)藥研制生產(chǎn)與應(yīng)用的大國，農(nóng)藥原藥的生產(chǎn)能力為102萬t，農(nóng)藥品種多達260余種，農(nóng)藥制劑年產(chǎn)量已達170萬t，為世界第2位。但我國農(nóng)藥應(yīng)用技術(shù)總體較為落后，使用的農(nóng)藥只有少部分能沉積到農(nóng)作物靶標上，導致70%～78%的農(nóng)藥流到土壤里或飄到環(huán)境中去，造成了嚴重的環(huán)境污染問題。

根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，我國手動植保機械約有30多個品種，植保機械以手動和小型機動為主，防治效率比較低，大部分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、技術(shù)含量低[1，2]。靜電噴霧是近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，相對于其他噴霧形式，具有極大的優(yōu)越性。故研究靜電噴霧原理具有重大意義。

靜電噴霧是利用靜電技術(shù)，在靜電噴頭與需噴灑農(nóng)作物之間建立起靜電場，藥液經(jīng)靜電噴頭霧化后形成群體帶電霧滴，在靜電場力的作用下，微細帶電霧滴被電場力吸附到作物葉片的正反面以及隱蔽部位。藥液霧滴在目標作物的沉積率高、均勻散布，飄逸散失少。

2 藥液霧化過程

液體藥劑最常用的霧化方式是液力式霧化，該方式尤其適合于水溶液的霧化噴灑施藥。其原理是使液體在一定的壓力下通過一個一定形狀的小孔，噴出的同時霧化。液力式噴頭的霧型如圖1所示。

圖1 液力式噴頭的霧型

在液體霧化過程中，主要存在的霧化阻力有兩種：表面張力與粘滯阻力。但液體一直是沿著阻力小的方向進行變化，所以表面張力是最主要的霧化阻力。具有一定壓力的液體由噴桿進入噴頭內(nèi)，由于液體通道的截面積變小，使得液流的速度大大增加，在噴頭內(nèi)液體形成了紊流狀態(tài)，增加了液體的不穩(wěn)定性。

另外在充電電極的作用之下，液體表面層產(chǎn)生顯著的定向排列，液體表面的吸附活度得到增加，從而導致表面張力下降，進一步增加了不穩(wěn)定性，使得霧化阻力減小，有利于液體破裂。在從噴頭噴孔高速噴出的時候，液體在空氣撞擊力的作用和內(nèi)外壓力差共同作用下，形成細小霧滴，并發(fā)散。當細小霧滴被充電之后，霧滴表面的吸附和活度得到了增加，而且由于霧滴表面存在電荷，也就使霧滴表面層分子產(chǎn)生明顯的定向排列，從而可使霧滴表面張力進一步得到降低，霧化阻力進一步減小。

同時，霧滴所帶電荷存在瑞利極限值，如果霧滴的帶電量超過瑞利極限值，霧滴就會克服表面張力而破裂并繼續(xù)分裂，所以霧滴開始帶電后，使得霧滴進一步細化。另外帶電霧滴受到的靜電場力改變了霧滴的動能，從而改變了霧滴的表面壓力差，有利于霧滴的進一步細化，而且由于帶相同電荷的霧滴相互排斥，使霧滴的表面又產(chǎn)生一個額外的內(nèi)外壓力差，該作用力與表面張力的作用相反，也有利于霧滴進一步細化。最終靜電噴頭產(chǎn)生的霧滴更加的細小。

3 霧滴的充電與運動過程

從霧化過程的分析可以得知，靜電噴頭充電極的作用是增加液體表面吸附的活度，導致表面張力下降，就是說使液體表面層的排列具有顯著的定向性，霧化阻力減小，從而產(chǎn)生較小的霧滴，更易于被充電。

由于藥液霧滴是導體，繼續(xù)運動的霧滴得到進一步充電。加之直流靜電高壓的作用，負離子從充電電極轉(zhuǎn)移到霧滴上，故霧滴帶上與充電電極同樣的電荷。而且充電電極能夠產(chǎn)生足以使周圍空氣電離的局部強電場，導致電場內(nèi)的空氣就被電離成正離子與負離子，其中負離子被快速通過的霧滴帶走，正離子趨向充電電極被中和。通過這個運動過程，霧滴就帶上了負電荷，即與充電電極相同的電荷。

跟據(jù)靜電感應(yīng)原理，地面上的作物靶標將產(chǎn)生與靜電噴頭極性相反的電荷，并在兩者之間形成很強的靜電場。帶點霧滴在這個電場中同時受到帶電霧滴相互之間產(chǎn)生的電場力F1和靜電噴頭電極與作物目標之間的電場力F2兩個力的作用，而且F2遠遠大于F1，故對霧滴的運動起主導作用的電場力是F2，正是因該電場力的作用使得帶電霧滴朝作物目標做定向的移動。因為帶電霧滴表面帶有相同的電荷，霧滴的斥力F1使霧滴不致相互碰撞而聚合變大。雖然靜電力主導了帶電霧滴的運動，但是其他的作用力也是不可忽略的，與其他作用力共同作用，形成帶電霧滴的最終大小和運動軌跡。帶電霧滴受電場力的情況如圖2所示。

圖2 帶電霧滴受電場力作用

理論上說，帶電霧滴的電荷為負，而靜電噴頭的感應(yīng)作用使農(nóng)作物表面產(chǎn)生正電荷，這些正電荷的吸引力很強，可以把帶負電荷霧滴強拉到農(nóng)作物表面。但實際上，受重力的影響，加上帶電霧滴離開靜電噴嘴時受速度慣性的影響比較大，故霧滴的運動路線不會和電力線完全重合。霧滴剛離開噴嘴時，基本上保持了速度慣性的方向，但隨后沿著重力與電場力的合力方向。也就是說，在噴嘴和農(nóng)作物間的靜電場作用下，使其在植物莖葉之間環(huán)卷繚繞，由于霧滴具有了一定的方向性，能夠附著于農(nóng)作物葉的正面和背面以及隱蔽部位。總的來說，利用靜電場的作用力實現(xiàn)了霧滴在農(nóng)作物冠內(nèi)的分散沉積，可以大大增加農(nóng)藥藥液對農(nóng)作物葉面（無論冠內(nèi)或冠表）和莖藤的均勻度以及覆蓋率。

4 結(jié)語

通過對靜電噴霧的工作原理進行理論分析可知：加壓農(nóng)藥藥液由噴桿進入靜電噴頭之后，由于液體通道的截面積變小，使壓力頭變成速度頭，流速大大增高，加上在充電電極的作用之下，增加了藥液表面的吸附活度，從而使得霧滴表面張力下降，更加容易分散破裂。藥液受從靜電噴頭的噴孔高速噴出時，先是在內(nèi)外壓力差和空氣撞擊力的作用下，破裂細化成小霧滴。在經(jīng)過充電電極充電之后，霧滴帶上與電極相同的電荷，受瑞利極限的影響和霧滴電荷間的排斥作用，霧滴繼續(xù)分裂進一步細化。因為靜電噴頭和農(nóng)作物間的靜電場作用，細小的帶電霧滴具有一定的方向性，向農(nóng)作物莖葉的正反面運行沉積。結(jié)論為靜電噴頭的研制提供了參考，具有一定的實踐意義。

[1]劉淑萍，劉娟娟.高壓靜電噴霧技術(shù)在藥物微囊制備中的應(yīng)用進展[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2013（1）：21～23.

[2]徐清華，王正艷.靜電噴霧器的技術(shù)特點及使用注意事項[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2012（5）：18.

[3]王保華.組合充電液力式靜電噴霧裝置設(shè)計與試驗研究[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學，2005.

[4]李春杰.靜電噴霧裝置改裝設(shè)計與試驗研究[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學，2006.

[5]周 文.靜電噴霧器的研究與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程，2012（5）：22～26.