靜電式殘膜分離裝置吸附效率的研究

徐愛(ài)英 牛旭+胡蕓莎

摘要：為解決新疆棉田殘膜回收難題，研究了在高壓靜電場(chǎng)條件下，極板間距、殘膜面積對(duì)殘膜-土壤靜電分離裝置吸附效率及對(duì)應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明，靜電吸附方法可以用于殘留地膜的回收，吸附效率與極板間距模擬方程為線(xiàn)性方程；當(dāng)極板高度為6 cm，殘膜面積為16 cm2時(shí)，吸附效率為96.67%；經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，吸附高度在 6～10 cm，有土條件下不同面積殘膜的吸附電場(chǎng)強(qiáng)度比無(wú)土條件穩(wěn)定。研究結(jié)果可為下一步靜電式殘膜回收機(jī)的研制提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：棉田；高壓靜電場(chǎng)；殘留地膜；靜電吸附；吸附效率；電場(chǎng)強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)： S125文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）05-0204-03

地膜覆蓋技術(shù)從20世紀(jì)50年代起在美國(guó)、日本和歐洲開(kāi)始使用，由于經(jīng)濟(jì)效益較好，在世界各國(guó)得到廣泛的應(yīng)用。我國(guó)自20世紀(jì)70年代引入地膜覆蓋技術(shù)，其保土、保溫、提高作物產(chǎn)量等特點(diǎn)，促進(jìn)了我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1]。我國(guó)大部分地區(qū)使用的殘膜為聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）[2]。由于殘膜回收不完整和自然條件對(duì)地膜的破壞，造成大量的殘膜碎片混入了土壤之中。這種物質(zhì)在土壤中會(huì)存留200～400年而不降解，成為環(huán)境保護(hù)的一個(gè)重大問(wèn)題。新疆每年覆膜量的20%以上殘留在土壤中，殘留量是全國(guó)平均地膜殘留量的4～5倍[3-4]。阿克蘇地區(qū)棉田平均地膜殘留量達(dá) 134.09 kg/hm2，屬于重度污染區(qū)[5]?，F(xiàn)階段新疆地區(qū)殘膜回收還是采取人工和機(jī)械回收相結(jié)合的方式，殘膜回收機(jī)具普遍存在殘膜回收工作效率低的問(wèn)題，特別是春播前殘膜回收機(jī)[6-9]系列，由于殘膜風(fēng)化時(shí)間長(zhǎng)，殘膜成為小碎片，因此殘膜回收效率不高。

靜電技術(shù)[10]作為一門(mén)新興的邊緣學(xué)科，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到農(nóng)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，甚至作為改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方式和手段之一[11-12]。在塑料分離回收等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中靜電技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛[13-16]。伴隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科技化，農(nóng)業(yè)科研和生產(chǎn)很多環(huán)節(jié)應(yīng)用靜電技術(shù)，本研究利用靜電吸附原理來(lái)對(duì)殘膜進(jìn)行回收。當(dāng)一個(gè)帶有靜電的物體靠近另一個(gè)不帶靜電的物體時(shí)，由于靜電感應(yīng)，沒(méi)有靜電的物體內(nèi)部靠近帶靜電物體的一邊會(huì)集聚與帶電物體所攜帶電荷相反極性的電荷（另一側(cè)產(chǎn)生相同數(shù)量的同極性電荷），由于異性電荷互相吸引，就會(huì)表現(xiàn)出靜電吸附現(xiàn)象。由于殘膜與農(nóng)用耕地介電系數(shù)相差很大，理論上可以用靜電分離法進(jìn)行分離。本試驗(yàn)研究在高壓靜電場(chǎng)條件下，極板間距和殘膜面積對(duì)殘膜吸附效率及對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用的靜電發(fā)生器是ZGF-60 kV/2 mA直流高壓靜電發(fā)生器，它可把交流220 V整流到0～50 kV。吸附裝置由上、下2個(gè)平行極板組成，下極板固定，上極板可上下移動(dòng)從而改變殘膜的吸附高度；將殘膜和土置于平行板電極形成的勻強(qiáng)電場(chǎng)中，分別改變電壓值和高度來(lái)改變電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)而觀(guān)察對(duì)殘膜的吸附情況。電子天平FA1004，可以精確地測(cè)量殘膜和土的質(zhì)量。

1.2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用的殘留地膜和土是來(lái)源于新疆阿拉爾市10團(tuán)未耕作棉花地，采集深度0～20 cm。試驗(yàn)前除去雜質(zhì)，將土壤與殘膜分開(kāi)，土壤研磨過(guò)篩后，在恒溫箱中進(jìn)行烘干。按照 1 ∶[KG-*3]1 ∶[KG-*3]1 ∶[KG-*3]1 的比例加適當(dāng)?shù)乃渲瞥刹煌瑵穸鹊臉颖就粒寥罉悠费b入相同大小的容器內(nèi)靜置24 h，保證土壤樣品的均勻性。將殘膜樣本按照4、9、16、25 cm2大小裁剪成正方形，隨機(jī)取20片平鋪于下極板。

1.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)電路見(jiàn)圖1，自制吸附裝置的下極板是固定的，上極板可以上下調(diào)節(jié)高度。首先按照電路圖連線(xiàn)，調(diào)節(jié)上極板高度，記錄此時(shí)極板高度，選取土壤樣品和地膜稱(chēng)質(zhì)量后平鋪在自制吸附裝置的下極板，地膜平鋪20片。打開(kāi)電源，接通高通信號(hào)，緩慢調(diào)節(jié)電壓值，當(dāng)?shù)啬の皆谏蠘O板數(shù)量最多時(shí)停止調(diào)節(jié)，讀出電壓值，記錄此時(shí)上極板所吸附的殘膜片數(shù)。緩慢調(diào)節(jié)電壓值至最小，使用放電棒放電，直至放電完成。每次試驗(yàn)后，將升壓電位器調(diào)回到零位（粗調(diào)、細(xì)調(diào)都回零位），按綠色按鈕，切斷高壓并關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)，最后進(jìn)行放電。

為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)在相同的環(huán)境下進(jìn)行。在指定高度下，將相同大小的殘膜放在自制靜電吸附裝置下極板進(jìn)行吸附試驗(yàn)，測(cè)定上極板吸附效率最大值，每組試驗(yàn)測(cè)量

6次，取6次的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果；即此電壓是在高度一定的情況下，同形狀的殘膜吸附效率最高。通過(guò)殘膜吸附的靜電電壓值和吸附高度可以得到電場(chǎng)強(qiáng)度。

吸附效率是試驗(yàn)加入電壓后吸附在上極板的殘膜片數(shù)與試驗(yàn)前在下極板中的殘膜片數(shù)的比值。

2結(jié)果與分析

2.1極板間距對(duì)吸附效率及電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

2.1.1無(wú)土條件下

殘膜的吸附效率隨極板間距的變化規(guī)律見(jiàn)圖2，對(duì)應(yīng)模擬曲線(xiàn)方程和相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表1。從圖2可以看出，對(duì)相同面積的殘膜，隨著上下極板間距的變大，殘膜吸附效率隨之下降，變化關(guān)系的模擬曲線(xiàn)為一次線(xiàn)性方程，相關(guān)系數(shù)在0.95以上，模擬的曲線(xiàn)方程效果非常好。當(dāng)殘膜面積為16、25 cm2，吸附高度為6、8 cm時(shí)，吸附效率為 83.33%～93.33%。

可以看出，對(duì)不同面積的殘膜，隨著極板間距增高，吸附效率高所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增大；但對(duì)相同面積的殘膜，隨著極板間距增高，吸附效率高所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍在0.187～0.72 kV/cm之間。

2.1.2干土條件下

殘膜的吸附效率隨極板間距的變化規(guī)

可以看出，對(duì)不同面積的殘膜，隨著極板間距增高，吸附效率高所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增大；但對(duì)相同面積的殘膜，隨著極板間距增高，吸附效率高所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度上下波動(dòng)很小，波動(dòng)范圍為0～0.173 kV/cm。在下極板有土、相同高度條件下，殘膜的吸附電場(chǎng)強(qiáng)度基本相同，在極板間距12、14 cm條件下電場(chǎng)有波動(dòng)，但變化幅度不大。

2.2殘膜面積對(duì)吸附效率及電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

2.2.1無(wú)土條件下

在下極板無(wú)土條件下，極板間距分別為

6、8、10 cm時(shí)，殘膜的吸附效率隨殘膜面積的變化規(guī)律見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，在極板間距一定的條件下，隨著殘膜面積增大，殘膜的吸附效率先升高后降低，最高值對(duì)應(yīng)的殘膜面積是16 cm2，6、8 cm處的吸附效率分別為93.33%、83.33%，效果最差的是4 cm2，6、8 cm處的吸附效率分別為3583%、24.17%。

在同等條件下，殘膜的電場(chǎng)強(qiáng)度隨殘膜面積的變化規(guī)律見(jiàn)圖7。從圖7可以看出，對(duì)極板間距一定的條件下，隨殘膜面積的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度有所增加，增加范圍為 0.598～0.720 kV/cm。

2.2.2干土條件下

下極板平鋪193.05 g被干燥后的土壤條件下，極板間距分別為6、8、10 cm時(shí)，殘膜的吸附效率隨殘膜面積的變化規(guī)律見(jiàn)圖8。從圖8可以看出，在極板間距一定的條件下，隨著殘膜面積變大，殘膜的吸附效率先升高后降低，最高值對(duì)應(yīng)的殘膜面積是16 cm2。整體來(lái)看在下極板有土的條件下，極板間距分別為6、8 cm時(shí)，吸附效率有明顯增加，對(duì)面積為4、9 cm2的殘膜尤為顯著。

可以看出，在同等條件下，殘膜的電場(chǎng)強(qiáng)度隨殘膜面積的變化規(guī)律見(jiàn)圖9。對(duì)極板間距一定的條件下，隨殘膜面積的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度增加微小，增加范圍為0～0.011 kV/cm，接近直線(xiàn)。在下極板有土條件下，不同面積殘膜的吸附電場(chǎng)強(qiáng)度比較穩(wěn)定。

3結(jié)論與討論

針對(duì)殘膜對(duì)新疆地區(qū)棉花生產(chǎn)的影響，筆者提出靜電吸附回收殘膜的思路，并研究在高壓靜電場(chǎng)條件下，極板間距和殘膜面積對(duì)殘膜吸附效率及對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，殘膜的吸附效率隨極板高度增大的擬合曲線(xiàn)為一次線(xiàn)性方程，擬合度較好，吸附效率最高達(dá)96.67%；殘膜面積的大小對(duì)吸附效率有影響，殘膜面積為16 cm2時(shí)，吸附效率為83.33%～96.67%；經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，殘膜面積為4、9 cm2 時(shí)，有土條件下的吸附效率比無(wú)土條件提高；下極板有土條件下相對(duì)無(wú)土條件，吸附高度在6～10 cm，吸附效率最高所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度不隨殘膜面積大小改變，即不同面積殘膜的吸附電場(chǎng)強(qiáng)度比較穩(wěn)定。因此，殘留地膜用靜電吸附方法分離可行，本研究結(jié)果對(duì)研究新型靜電吸附殘膜回收機(jī)提供了理論依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鞏懷仁，謝建華，侯書(shū)林，等. 淺析殘膜回收機(jī)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題[J]. 新疆農(nóng)機(jī)化，2014（3）：18-21.

[2]李明洋，馬少輝. 我國(guó)殘膜回收機(jī)研究現(xiàn)狀及建議[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2014（6）：242-245，252.

[3]嚴(yán)昌榮，王序儉，何文清，等. 新疆石河子地區(qū)棉田土壤中地膜殘留研究[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（7）：3470-3474.

[4]劉晨. 新疆殘膜污染危害成因分析及治理建議[J]. 基層農(nóng)技推廣，2013，11（1）：28-29.

[5]牛瑞坤，王旭峰，胡燦，等. 新疆阿克蘇地區(qū)棉田殘膜污染現(xiàn)狀分析[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，53（2）：283-288.

[6]李小兵. CMJ-5型春秋兩用密排彈齒式殘膜回收機(jī)[J]. 新疆農(nóng)機(jī)化，2010（2）：12.

[7]程紅艷. ISM-450型彈齒式摟膜機(jī)在烏蘇市的推廣應(yīng)用[J]. 新疆農(nóng)機(jī)化，2008（6）：35.[ZK）][HT][HJ][HT][FL）]

[HT8.]

[8]王吉奎，張佳喜，江英蘭，等. 夾持式殘膜回收機(jī)研制[J]. 新疆農(nóng)機(jī)化，2006（6）：40-41.

[9]王志青. 淺談殘膜回收機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械，2008（9）：193-194.[ZK）]

[10]王曉臣，朱益民. 多針對(duì)板式負(fù)電暈放電電極間距確定[J]. 高電壓技術(shù)，2003，29（7）：40-42.

[11]張俐，申勛業(yè)，楊方. 高壓靜電場(chǎng)對(duì)生物效應(yīng)影響的研究進(jìn)展[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，31（3）：307-312.

[12]陸軍，賈衛(wèi)東，邱白晶，等. 黃瓜葉片噴霧藥液持留量試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（4）：60-64.

[13]Wei J，Realff M J. Design and optimization of free-fall electrostatic separators for plastics recycling[J]. AIChE Journal，2003，49（12）：3138-3149.

[14]Tilmatine A，Medles K，Bendimerad S，et al. Electrostatic separators of particles：Application to plastic/metal，metal/metal and plastic/plastic mixtures[J]. Waste Management，2009，29（1）：228-232.

[15]Benabboun A，Tilmatine A，Brahami Y A，et al. Experimental investigation of electrostatic separators of plastic particles using different charging devices[J]. Separation Science and Technology，2014，49（3）：464-468.

[16]Iuga A，Samuila A，Morar R，et al. Tribocharging techniques for the electrostatic separation of granular plastics from waste electric and electronic equipment[J]. Particulate Science and Technology，2016，34（1）：45-54.