靜電技術(shù)及其在農(nóng)產(chǎn)品分級中的應(yīng)用

夏明娜

(唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063000)

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靜電技術(shù)及其在農(nóng)產(chǎn)品分級中的應(yīng)用

夏明娜

(唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063000)

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，各種農(nóng)業(yè)技術(shù)得以廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。采用靜電技術(shù)對農(nóng)產(chǎn)品實(shí)施分級是指根據(jù)不同物料各自的荷電特性、借助不同荷電方法對不同物料實(shí)施分離，從而達(dá)到快速對物料進(jìn)行分級的目的。為此，從靜電技術(shù)的主要分類入手，對當(dāng)前農(nóng)產(chǎn)品分選原理展開分析，并介紹靜電技術(shù)在籽棉殘膜分選及茶葉分選等方面的應(yīng)用原理和分級過程，以期為開發(fā)新型農(nóng)產(chǎn)品分級設(shè)備提供重要借鑒。

農(nóng)產(chǎn)品分級；靜電技術(shù)；籽棉殘膜分選；茶葉靜電分選裝置

0 引言

靜電技術(shù)屬于新興的邊緣學(xué)科，主要通過能量與信息的形式作用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，對我國持續(xù)發(fā)展“兩高一優(yōu)”農(nóng)業(yè)產(chǎn)生積極的影響。近些年，靜電技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物增產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品保鮮及干燥脫水等領(lǐng)域，對改善農(nóng)作物生長環(huán)境及處理效果產(chǎn)生重要影響。例如，通過靜電技術(shù)能夠?qū)r(nóng)作物種子實(shí)施分選和處理，促進(jìn)種子的生長。同時，對農(nóng)產(chǎn)品展開靜電加工處理，能夠滿足大眾日常生產(chǎn)生活需要。有學(xué)者研究表明，使用自行設(shè)計的靜電裝置對土壤水分、小麥生長情況展開實(shí)驗(yàn)，表明晴天添加正向空間電場有利于抑制小麥根系周圍土壤水分蒸發(fā)，也能促進(jìn)小麥的苗鮮質(zhì)量和株高生長，與大氣電場比較分別提升26%～45%、24%～68%。另外，根據(jù)靜電技術(shù)所產(chǎn)生的電場能有效促進(jìn)植物對二氧化碳吸收，提升植物生長速度和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量。因靜電技術(shù)具有自身的特殊性，采用這項技術(shù)過程中也存在一定的局限性。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展及研究的深入，靜電技術(shù)擁有更加廣闊的發(fā)展空間。本文綜合靜電技術(shù)的主要分類，重點(diǎn)介紹靜電技術(shù)在種子分選、籽棉殘膜分選方面的工作原理及分級過程，指出靜電技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 靜電技術(shù)概述

1.1 靜電除塵

現(xiàn)階段，保護(hù)環(huán)境和衛(wèi)生是國人面臨的重要課題，靜電除塵技術(shù)是有效防止空氣污染的最佳除塵方式。靜電除塵通過電場清除氣體內(nèi)的液態(tài)或固態(tài)離粒子，是借助電暈放電產(chǎn)生相應(yīng)的離子，在電機(jī)強(qiáng)力推斥下撞到灰塵粒子上，通過異性電相吸原理達(dá)到去除空氣灰塵的效果。

靜電除塵裝置通常由某個收集電極接地圓筒組成，在圓筒中心軸線設(shè)置高電位導(dǎo)線，促使帶有懸浮固態(tài)或液態(tài)粒子空氣通入圓筒電極中。因散電場產(chǎn)生的影響，由中心軸電極產(chǎn)生電暈并實(shí)現(xiàn)放電，確?？諝鈨?nèi)的粒子達(dá)到充電并吸引至圓筒內(nèi)表面，上述灰粒排到圓筒底部漏斗或貯存槽內(nèi)被清除掉。靜電除塵器應(yīng)用比較廣泛，多數(shù)工礦企業(yè)均使用這種除塵設(shè)備。隨著燃煤發(fā)電替代燃油發(fā)電的發(fā)展，凈化大氣、避免灰塵對環(huán)境產(chǎn)生污染尤為重要，而靜電除塵器展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。

1.2 靜電分離

隨著國民經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，在化工、電子、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中，對粉末狀混合物進(jìn)行分離的技術(shù)提出了新的要求，而使用靜電分離技術(shù)優(yōu)勢明顯。靜電分離是指運(yùn)用靜電力對顆粒化物質(zhì)實(shí)施分類或精選的方法。靜電分離器一般由接地圓筒和一極高壓電極組合而成，分離器依據(jù)被精選的各類材料具備不同的電阻率展開工作。被充電的粒子由漏斗斜面落入接地圓筒表面，介質(zhì)顆粒則附著在滾動圓柱體表層，多數(shù)導(dǎo)電顆粒失去電荷下落。這種簡單的分離系統(tǒng)對微小顆粒分離非常合適，對于大顆粒分離需重點(diǎn)考慮附著力、重力等因素產(chǎn)生的影響，系統(tǒng)會更加復(fù)雜。促使粒子帶電的方式較多，如摩擦帶電、感應(yīng)帶電及傳導(dǎo)帶電等，且重力、摩擦力、離心力等在靜電分離技術(shù)中也有重要作用。運(yùn)用靜電分離技術(shù)對工業(yè)用水進(jìn)行處理，可以直接去除硬水中的鎂、鈣等無機(jī)鹽類，制成所需的純水。在造紙行業(yè)中使用靜電分離技術(shù)，確保紙張保持相應(yīng)濕度，以此生產(chǎn)供彩色印刷使用的、富有光澤的高級紙張。

1.3 靜電在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

使用靜電方式對農(nóng)作物種子進(jìn)行烘干、清除灰塵等處理，能有效提升種子發(fā)芽率和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。同時，在靜電場對各種樹苗進(jìn)行保存或處理，種子發(fā)芽率明顯提高。

2 農(nóng)產(chǎn)品分級中的應(yīng)用

由于靜電分選技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，促使該技術(shù)在農(nóng)業(yè)與工業(yè)領(lǐng)域獲得快速發(fā)展。靜電技術(shù)已從最初只用于工業(yè)除塵，發(fā)展至廣泛應(yīng)用于礦物分選、農(nóng)產(chǎn)品分級及垃圾回收等領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中逐漸將靜電技術(shù)應(yīng)用至加工、分選及保鮮等方面。靜電技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品分級中應(yīng)用，主要根據(jù)物料的各種荷電特性把不同物料實(shí)施分離，最終實(shí)現(xiàn)物料清選分級的效果。具體分級過程如圖1所示。

圖1 靜電清選分級物料流程簡圖Fig.1 Electrostatic cleaning hierarchical material flow diagram

2.1 籽棉殘膜靜電分選

棉花中所含的異性纖維是影響我國棉花質(zhì)量和棉紡織企業(yè)發(fā)展的突出問題。國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定籽棉中異性纖維含量如下：噸含量≤39。現(xiàn)階段，國內(nèi)有關(guān)棉花異性纖維剔除使用的方式包括光電檢測及圖像識別等，但上述方法棉花殘膜中的顏色不容易識別，而采用靜電技術(shù)對殘膜進(jìn)行分選，能有效解決上述問題。

靜電風(fēng)力裝置使用高壓靜電，因此運(yùn)用電阻率大、絕緣性能高的環(huán)氧樹脂絕緣材料作為絕緣部件，上極板框架設(shè)定長度為100mm、Φ=30mm高壓絕緣棒。該分離裝置主要由機(jī)架、上極板、傳動裝置及殘膜回收箱等部分組成，如圖2所示。

1.機(jī)架 2.皮帶 3.輸送帶 4.極板間距調(diào)節(jié)部件 5.電極間距調(diào)節(jié)部件 6.上極板 7.喂料口 8.毛刷 9.殘膜回收箱 10.鏈輪 11.籽棉出口擋板 12.籽棉收集箱圖2 籽棉殘膜靜電分離裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Seed cotton residual membrane electrostatic separation

device structure

本設(shè)計中，靜電分離裝置極板間距可以調(diào)節(jié)的部件采用高壓絕緣材料為支撐，不僅保障極板間距便于調(diào)節(jié)，也在一定程度上增加裝置的安全性。實(shí)施分離過程中，機(jī)架及籽棉收集箱接地，在上極板上添加負(fù)高壓，物料由物料口利用輸送帶均勻喂入，并隨輸送帶促使物料進(jìn)入高壓靜電場區(qū)域；到達(dá)輸送帶末端后，籽棉由于所受離心力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其所能承受電場吸附力，從而落入籽棉收集箱內(nèi)；殘膜由于承受離心力低于所受電場吸附力被吸附在輸送帶上，借助裝置配備的毛刷將其刷下，從而實(shí)現(xiàn)籽棉與殘膜的相互分離。靜電分離裝置技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 靜電分離裝置技術(shù)參數(shù)

2.2 茶葉靜電分選裝置

我國已是世界上最大的產(chǎn)茶和出口茶葉的國家，茶葉品種越來越多，包含紅茶、普洱、黃茶及綠茶等。國內(nèi)茶葉生產(chǎn)機(jī)械起于20世紀(jì)中期，目前部分地區(qū)已經(jīng)開始機(jī)械采摘，從而有效提升了茶葉質(zhì)量和價值。進(jìn)行茶葉分選旨在借助機(jī)械操作獲得不同等級的茶葉，因此依據(jù)茶葉物理特性、研制出各種茶葉的分選機(jī)器(包括分選、篩選、色選等設(shè)備)，去除雜質(zhì)，以此滿足社會對高質(zhì)茶葉的具體需求。

在制茶過程中，如果并未對茶葉進(jìn)行恰當(dāng)?shù)姆诌x和分類，在一定程度上影響茶葉的等級和質(zhì)量?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外關(guān)于茶葉分選的研究越來越多。茶葉分選方法包括計算機(jī)圖像識別技術(shù)及茶葉靜電揀梗機(jī)等。茶葉靜電揀梗機(jī)是根據(jù)茶葉和茶梗之間的電學(xué)特性研發(fā)而來的機(jī)械設(shè)備，常用的裝置為高壓靜電揀梗機(jī)，主要包括茶葉送料裝置、高壓靜電發(fā)生器及高壓滾筒等部分。高壓靜電器對靜電輥?zhàn)舆M(jìn)行上電過程中，促使靜電輥?zhàn)优c喂料輥間形成電場差。如果采茶進(jìn)入靜電場內(nèi)，茶葉、茶梗均產(chǎn)生極化現(xiàn)象，運(yùn)用茶梗含水量、密度、導(dǎo)電率等完成茶梗與茶葉的分離。茶葉靜電分選機(jī)具有效率高、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，促使其在茶葉分選方面占據(jù)重要地位。雖然茶葉靜電分選有待深入研究，但只要挑選恰當(dāng)?shù)膸щ姺椒ǎ侠砜刂撇枞~含水量，重視茶葉與茶梗兩者間的帶電特性，使茶葉靜電分選獲得進(jìn)一步發(fā)展。

2.3 靜電選種技術(shù)

高壓靜電場具有粒子束、電磁場輻射、恒定電場等綜合效應(yīng)場。介電分級過程中形成的高壓靜電場對種子酶活性產(chǎn)生重要影響，當(dāng)然，電場強(qiáng)度不同，其影響程度也會有明顯的差異。對于不同種質(zhì)的種子，其電導(dǎo)率、極化特性、介電常數(shù)等方面具有一定的差異，因此種子在靜電場中的運(yùn)動軌跡也有所不同。根據(jù)這種分選原理，達(dá)到分選不同活力、含水量的種子，達(dá)到有效去除破碎種子、雜質(zhì)等目的。靜電場作用有助于種子體內(nèi)ATP合成，在一定程度上促進(jìn)酶的生長。另外，靜電場形成的電位差促使細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)擴(kuò)散，有利于種子吸收水分和肥料，改善種子萌芽和生長情況。高壓靜電選種運(yùn)用種子的電導(dǎo)率和介電常數(shù)之間的差異，對種子實(shí)施清選和分級?，F(xiàn)階段，我國有關(guān)高壓靜電場選種裝置主要用于小麥、稻谷等種子及其它各類農(nóng)產(chǎn)品加工顆粒展開分選和處理操作方面。本次設(shè)計的種子分選裝置借助靜電的吸附作用，完成農(nóng)產(chǎn)品分選、分級操作。農(nóng)業(yè)物料顆粒借助某個可以產(chǎn)生靜電荷并保持靜電荷的吸附層，促使其荷電最終分選處理獲得所需的種子或其他農(nóng)產(chǎn)品顆粒。由裝置設(shè)計初期到后期的分選試驗(yàn)、發(fā)芽試驗(yàn)等研究試驗(yàn)結(jié)果可知：靜電技術(shù)在種子分選領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其篩選的種子具有質(zhì)量較高、能耗低、無污染等特點(diǎn)，符合新時期節(jié)能減排的發(fā)展要求，可在農(nóng)產(chǎn)品選種中大力推廣使用。

3 靜電技術(shù)發(fā)展前景

隨著農(nóng)業(yè)高新技術(shù)、靜電技術(shù)的日益發(fā)展，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)范圍的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，地位也越來越高。靜電技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)有著非常巨大的發(fā)展?jié)摿?，能為研發(fā)農(nóng)業(yè)分選機(jī)械設(shè)備提供新的機(jī)遇。但是，部分靜電技術(shù)的應(yīng)用尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段，應(yīng)用條件并不成熟，且受到一定限制。另外，其他靜電農(nóng)業(yè)技術(shù)也有待進(jìn)一步研究，便于更加透徹地掌握相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用原理及影響因素，以期獲取最佳的應(yīng)用效果?？傊?，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域使用靜電技術(shù)，可將這項研究看作向高科技技術(shù)進(jìn)軍的戰(zhàn)略起點(diǎn)。靜電技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用會在一定程度上推動農(nóng)業(yè)技術(shù)革命。日后農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究主要內(nèi)容如下：①靜電農(nóng)業(yè)技術(shù)的工作原理、主要影響因素、適用范圍等；②如何進(jìn)一步降低應(yīng)用成本；③靜電技術(shù)與其他技術(shù)合理結(jié)合，創(chuàng)造更大的效益；④采用恰當(dāng)?shù)姆绞酵卣蛊鋺?yīng)用領(lǐng)域和范圍。

4 結(jié)論

靜電技術(shù)具有效率高、無污染、經(jīng)濟(jì)性能好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)促使這項應(yīng)用技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域獲得長足發(fā)展。該技術(shù)應(yīng)不只從最初的工業(yè)除塵發(fā)展至用于礦物分選、物料分選等領(lǐng)域，還要把靜電技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品加工、保鮮及分選等領(lǐng)域。

[1] 吳代烜.高分子材料抗靜電技術(shù)研究[J].科技致富向?qū)?2014,21(14):173.

[2] 林思伽.幾種物理農(nóng)業(yè)技術(shù)及設(shè)備綜述[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2014,15(9):58-59.

[3] 吳代烜.高分子材料抗靜電技術(shù)研究[J].科技致富向?qū)?2014,21(14):173.

[4] 曾化雨.高分子材料抗靜電技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].化工管理,2013,19(10):98.

[5] 胡其林.靜電技術(shù)在啤酒花回潮中的應(yīng)用[J].甘肅農(nóng)業(yè),2014,35(21):64-65.

[6] 郝文靜,周偉芳.耐蒸煮包裝常見問題及檢測方法介紹[J].食品安全導(dǎo)刊,2015,23(16):43-45.

[7] 白亞鄉(xiāng),胡玉才,劉濱疆,等.現(xiàn)代靜電技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].當(dāng)代農(nóng)機(jī),2012,10(1):76-77.

[8] 華奎旭.淺析電子產(chǎn)品生產(chǎn)中防靜電技術(shù)的應(yīng)用[J].科技展望,2015,25(30):111-112.

[9] 馬元良,李海琴,毛多鷺,等.農(nóng)牧區(qū)太陽能綜合應(yīng)用技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù),2013,17(9):15-16.

[10] 黃洪云.高壓靜電場對小麥種子生物學(xué)效應(yīng)的物理機(jī)理研究[J].種子,2015,34(6):99-101.

[11] 王榮,王宏宇,金鏡,等.基于 ANSYS 的大耕深旋耕刀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(5):136-139.

[12] 王宏.高壓靜電除塵整流設(shè)備火花控制和質(zhì)量檢驗(yàn)的探討[J].機(jī)電技術(shù),2015,13(1):128-129.

[13] 宋偉,趙麗清.基于機(jī)器視覺的蒜頭最大橫切面直徑分級方法[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(7):203-205,212.

[14] 趙曉翠,郝文靜,周偉芳,等.談ISO/IEC 17025對食品包裝安全檢測中心的數(shù)據(jù)管理[J].中國包裝,2013,19(10):53-55.

Electrostatic Technology and Its Application in Agricultural Products Classification

Xia Mingna

(Tangshan Vocational & Technical College,Tangshan 063004, China)

With the increasing development of science and technology, all kinds of agricultural technology is widely used in modern agricultural production. Using electrostatic technology to agricultural implement grading refers to the charged characteristics respectively according to different materials, using different methods of charged for different material separation, thus achieve the goal of quickly sorted to. Classification of improving the quality of agricultural products, agricultural products agricultural product market competitiveness. Starting with the main classification of electrostatic technology, this paper analyzes on the separation principle of current agricultural product in electrostatic technology seed cotton remnants the application of membrane separation, the respect such as tea sorting principle and classification process, in order to provide important reference for the development of new agricultural products classification equipment.

the grading of agricultural products; electrostatic technology; seed cotton residual membrane separation; the tea electrostatic separation device

2016-05-07

唐山市科學(xué)研究計劃項目(15130203a)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)研究計劃項目(Z2015075)

夏明娜(1980-)，女，河北唐山人，講師，(E-mail)xiamingna@qq.com。

S126

A

1003-188X(2017)06-0265-04