靜電噴霧技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

孫先明 馬君 東忠閣 祝天宇

摘 要：敘述了靜電噴霧技術(shù)的原理和特點(diǎn)，概述了靜電噴霧的發(fā)展過程、理論研究和試驗(yàn)的現(xiàn)狀與進(jìn)展，并探討了靜電噴霧在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用前景與研究方向。

關(guān)鍵詞：靜電噴霧；噴頭；農(nóng)藥；農(nóng)業(yè)

中圖分類號(hào)：S491文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.03.003

0 引言

自《中華人民共和國農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》頒布及中央農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼政策實(shí)施以來，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從耕作到收獲全過程已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。植保機(jī)械也由以手動(dòng)和小型為主向自動(dòng)化和大型轉(zhuǎn)變，但隨著人們對于農(nóng)產(chǎn)品藥害殘留、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和勞動(dòng)力節(jié)約的重視，對植保機(jī)械的發(fā)展也提出了更高的要求。其中靜電噴霧技術(shù)憑借其附著性好、效率高、使用安全、成本低和污染少的特點(diǎn)，在植物保護(hù)中取得了廣泛應(yīng)用。

1 靜電噴霧技術(shù)原理和特點(diǎn)

1.1 靜電噴霧的技術(shù)原理

靜電噴霧是在噴霧機(jī)噴嘴和標(biāo)靶物體間建立高壓靜電場，利用高壓靜電給噴嘴充電，當(dāng)液體流過噴頭霧化后，通過電暈、接觸式和感應(yīng)式等不同的充電方法使霧滴帶電而成為群體荷電霧滴。由于在噴頭與噴霧目標(biāo)間存在靜電場，荷電霧滴在庫侖力和其它力的作用下，作定向運(yùn)動(dòng)而被吸附在噴霧目標(biāo)的各個(gè)部位，沉積在目標(biāo)表面，具有高效、飄移散失少、減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 靜電噴霧的特點(diǎn)

靜電技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要用于靜電選種、包衣、保鮮及噴霧等方面。其中靜電噴霧具有以下特點(diǎn)：

（1）霧滴體積小且均勻。靜電噴霧可以有效降低霧滴尺寸，大幅提高霧滴譜均勻性。常規(guī)噴霧器霧滴直徑200 μm，手持超低量噴霧器霧滴直徑50～80 μm，靜電噴霧霧滴尺寸可以降低到5～50 μm。當(dāng)靜電電壓為-20 kV時(shí)，霧滴譜均勻性提高約5%，霧滴尺寸降低約10%。

（2）電荷相同。靜電噴霧形成的霧滴都帶有負(fù)電荷，由于帶有同性電荷的霧滴在運(yùn)動(dòng)中相互排斥，無法發(fā)生聚集現(xiàn)象，所以覆蓋面積大，對噴霧目標(biāo)覆蓋均勻。

（3）包抄效應(yīng)。荷電霧滴的感應(yīng)作用使靶向物體的外部產(chǎn)生異性電荷，在電場力和相關(guān)力的作用下，霧滴吸附到噴霧目標(biāo)上，并產(chǎn)生包抄效應(yīng)。即荷電霧滴受作物表面感應(yīng)電荷吸引包圍靶向物體，而沉積到噴霧目標(biāo)正面和背面，提高吸附效果。而使用常規(guī)噴霧方法，吸附在噴霧目標(biāo)背面的霧滴很少。

（4）持效期長。荷電霧滴對噴霧目標(biāo)吸附能力很強(qiáng)，所以農(nóng)藥在植物葉子上粘附很牢靠，耐風(fēng)吹雨淋，有較長的殘效期，滅蟲效果有較大幅度提高。實(shí)驗(yàn)表明，在野外露天場地上對蒼蠅進(jìn)行常規(guī)噴霧和靜電噴霧60 min后，常規(guī)噴霧的平均殺傷率為36%，靜電噴霧可以達(dá)到67%，接近于2倍。

（5）限制因素多。靜電噴霧不適用于不導(dǎo)電的農(nóng)藥干粉制劑；機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對材料要求高，制造成本也高；對操作人員的操作要求比較高。

2 靜電噴霧技術(shù)的發(fā)展歷史

2.1 國外研究綜述

靜電霧化現(xiàn)象最早是1745年Bose發(fā)現(xiàn)并提出來的，其后該領(lǐng)域研究進(jìn)展緩慢。1882年，英國物理學(xué)家Rayleigh對自由射流的靜電霧化（在感應(yīng)電極作用下）進(jìn)行研究，認(rèn)為非靜電霧化霧滴直徑為靜電霧化產(chǎn)生的霧滴直徑的1.9倍，并且對靶向物體有很強(qiáng)的吸附能力，這是人類歷史上首次對靜電霧化通過理論分析，具有開拓性的歷史意義。Jons通過實(shí)驗(yàn)對這一結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證后，靜電噴霧超強(qiáng)的附著能力被廣泛用于噴漆和印刷行業(yè)。到了20世紀(jì)40年代，美國佐治亞大學(xué)的學(xué)者利用靜電進(jìn)行農(nóng)藥藥粉噴撒試驗(yàn)，證明利用靜電場散布農(nóng)藥藥粉能夠大大提高藥粉對植物的均勻性、附著率。隨后，美國、加拿大也都開展了液體靜電噴霧的深入研究。靜電噴霧理論成熟之后，就是要使其為生產(chǎn)服務(wù)，首先要解決的技術(shù)關(guān)鍵是研制各類靜電高壓發(fā)生器和噴頭。如日本研制了彌霧噴頭、微型錐孔旋轉(zhuǎn)噴頭，英國研制了轉(zhuǎn)盤式靜電噴頭，Selaw研制的嵌入式靜電感應(yīng)噴頭。在靜電噴霧的整機(jī)研制方面，美國領(lǐng)先了一步，在19世紀(jì)80年代，就出現(xiàn)了用于噴涂的靜電噴粉機(jī)和溫室用風(fēng)送式靜電噴霧機(jī)。90年代，美國的Law博士首次發(fā)明了氣助靜電噴霧系統(tǒng)（AA-ESS），可以產(chǎn)生30～50 nm直徑的霧滴，而用電源低，耗電少，電荷—質(zhì)量比則達(dá)10 mC/kg。其主要部件“氣化誘電”噴頭是有史以來最先進(jìn)的噴藥器械。目前，靜電噴頭技術(shù)發(fā)展迅速，日本麻場公司生產(chǎn)的靜電噴頭使用12 V直流電，能夠產(chǎn)生40 kV的高壓，可用于背負(fù)式機(jī)動(dòng)噴霧噴粉機(jī)和噴桿噴霧機(jī)上，該噴頭比普通噴頭可減少藥液損失65%，大大降低農(nóng)藥對環(huán)境的污染。前蘇聯(lián)的靜電噴霧研究起步較晚，落后于歐洲和美國，是從20世紀(jì)80年代開始的。

2.2 國內(nèi)研究綜述

中國關(guān)于靜電噴霧技術(shù)的研究起步較晚，是從20世紀(jì)70年代開始的，但也取得部分成果。最早是上海靜電噴霧實(shí)驗(yàn)協(xié)作組，上海明光儀表廠、丹陽電子研究所、太倉靜電設(shè)備廠和北京農(nóng)大等先后研制了手持轉(zhuǎn)盤式靜電噴霧器；南京林大研制了高射程靜電噴霧機(jī)。雖然取得了一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并研制了設(shè)備，但是缺少進(jìn)一步的理論研究，沒有較大的突破。

江蘇理工大學(xué)的研究結(jié)論認(rèn)為靜電作用可以降低液體表面張力，減少霧化阻力，同性電荷間的排斥作用產(chǎn)生與表面張力相反的附加內(nèi)外壓力差，從而提高霧化程度。在此理論的支持下研制了轉(zhuǎn)盤式手持微量靜電噴霧器、車載式靜電噴霧機(jī)和拖拉機(jī)牽引式風(fēng)送靜電噴霧機(jī)。南京林業(yè)大學(xué)的研究認(rèn)為靜電噴霧可提高蝗蟲受藥概率，同時(shí)可以增強(qiáng)農(nóng)藥霧滴在植株及蝗蟲上的附著力，延長農(nóng)藥的殘效期。

國內(nèi)首次將靜電噴霧技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室理論規(guī)模轉(zhuǎn)化為科技成果的是江蘇大學(xué)，朱和平、鄭加強(qiáng)、聞建龍、賈衛(wèi)東等專家教授，在建立室內(nèi)靜電噴霧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和大量實(shí)驗(yàn)的前提下，依托一系列的國家“863”計(jì)劃、“十一五”重大科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目，成功突破靜電噴霧技術(shù)的種種難關(guān)，研制了多種靜電噴霧機(jī)械。其中朱和平建立了帶電霧滴直徑同電壓、液滴表面張力、動(dòng)力粘性系數(shù)、液體與氣流的相對速度等參數(shù)的關(guān)系式。鄭加強(qiáng)建立了描述風(fēng)動(dòng)轉(zhuǎn)籠式靜電噴頭霧滴尺寸的數(shù)學(xué)模型。聞建龍認(rèn)為液體的電導(dǎo)率對于靜電噴霧的霧化質(zhì)量和充電效果有較大影響。對水等電導(dǎo)率較好的液體，環(huán)狀感應(yīng)電極能取得較好的充電效果；而對柴油等絕緣液體，必須施加高強(qiáng)度電場才能使其有效充電，因此只有采用針狀、錐狀電極才能使其帶上電荷。余揚(yáng)證明了感應(yīng)式充電效果最佳，并確認(rèn)工作充電電壓僅為3.5～4.5 kV便可獲得足夠的充電效果。羅惕乾建立了環(huán)狀電極充電電場的數(shù)學(xué)模型。周浩生建立了霧滴體積中徑、荷質(zhì)比和電極電壓、組合電極、氣液流量與壓力間的函數(shù)關(guān)系。金晗輝認(rèn)為在靜電噴霧兩相流流場中，粘性阻力是射流初始階段氣液相間作用最主要的因素，且輸運(yùn)相直接決定了噴霧的范圍和射程。北京海農(nóng)技術(shù)研究所在3WFB-18型背負(fù)式機(jī)動(dòng)植保多用機(jī)上加靜電噴頭和高壓靜電發(fā)生器，改裝成 3WFB-18J型背負(fù)式機(jī)動(dòng)靜電噴霧機(jī)。

“十一五”以來，國家有關(guān)靜電噴霧施藥技術(shù)的科研項(xiàng)目有“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“農(nóng)業(yè)裝備重大產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)與裝置研制”；國家863重點(diǎn)項(xiàng)目“高稈作物高效施藥技術(shù)研究與裝備創(chuàng)制”和“蔬菜高效施藥技術(shù)研究與裝備創(chuàng)制”；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“荷電霧滴群撞擊植株靶標(biāo)界面的動(dòng)力學(xué)過程研究”、“藥霧沉降及噴霧效果的圖像解析和空氣中農(nóng)藥的密度與分布”；科技部支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“高效施藥技術(shù)研發(fā)與示范”；農(nóng)業(yè)部行業(yè)科研專項(xiàng)“小型植保機(jī)械綜合防治技術(shù)集成與示范”都取得很多重要的研究成果。

目前，使用效果很好、推廣量大的靜電噴霧器械主要有中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的果園自動(dòng)對靶靜電噴霧機(jī)；鎮(zhèn)江捷成植?？萍加邢薰旧a(chǎn)的四驅(qū)爬山靜電打藥機(jī)；蘇州稼樂植保機(jī)械科技有限公司生產(chǎn)的噴桿式靜電噴霧機(jī)、直噴式靜電噴霧機(jī)、推車式靜電噴霧機(jī)和車載式靜電噴霧機(jī)，其中3WBJ-15DB型背負(fù)式多功能靜電噴霧器，廣泛適用于三麥、水稻和棉花等病蟲害防治。此外，按承載方式區(qū)分有背負(fù)式靜電噴霧器和車載式靜電噴霧機(jī)等。

3 靜電噴霧技術(shù)的應(yīng)用前景及研究方向

3.1 應(yīng)用前景

隨著對農(nóng)作物單產(chǎn)要求的提高，化肥和農(nóng)藥的使用量逐漸增多，農(nóng)藥安全和環(huán)境問題凸現(xiàn)，農(nóng)業(yè)環(huán)境污染問題日益突出。農(nóng)藥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要的污染源，科學(xué)的農(nóng)藥噴灑方式是控制污染的有效環(huán)節(jié)。由于靜電噴霧穿透力強(qiáng)、命中率高，飄失少、覆蓋均勻，可以提高藥劑的利用率降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的特點(diǎn)，隨著其技術(shù)及產(chǎn)品的日益成熟，植物保護(hù)上使用靜電噴霧器械也將越來越普遍，在不久的將來，取代常規(guī)噴藥器械的趨勢很明顯，將在農(nóng)林、草原甚至衛(wèi)生防疫等方面得到普遍應(yīng)用。美國工程院院士、農(nóng)業(yè)靜電噴霧創(chuàng)始人Edward Law在2001年發(fā)表的文章中指出，21世紀(jì)靜電噴霧的發(fā)展趨勢是植保機(jī)械與農(nóng)學(xué)技術(shù)的有效融合。

雖然靜電噴霧技術(shù)研究和試驗(yàn)了多年，但是靜電噴霧技術(shù)現(xiàn)在仍存在很多亟待解決的問題，例如選定理想荷質(zhì)比、最佳荷電方式、設(shè)計(jì)生產(chǎn)噴霧射程遠(yuǎn)、霧滴粒譜均勻的優(yōu)質(zhì)噴頭、減少漏電及觸電危險(xiǎn)等。在靜電噴霧技術(shù)領(lǐng)域還有很多工作要做。

3.2 研究方向

（1）應(yīng)用現(xiàn)代儀器設(shè)備如激光多普勒測速儀、高速照相機(jī)等，研究充電理論、靜電霧化、建立精確的數(shù)學(xué)模型。

（2）綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)靜電噴霧的電壓、電量數(shù)字調(diào)節(jié)。

（3）使用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來改進(jìn)流場和電場的模擬方法，提高模擬度。

（4）研制新型耐高壓絕緣材料用于50 kV以上的靜電霧化噴頭，以提高其使用壽命、可靠性和安全性。

（5）研制針對特有植物的靜電噴霧技術(shù)，例如研究適用于高大植物的高射程靜電噴霧機(jī)，解決高大植物的病蟲害防治難題。

（6）根據(jù)用戶需求可以安裝衛(wèi)星定位系統(tǒng)、定量噴藥系統(tǒng)等。

4 結(jié)語

靜電噴霧具有十分廣闊的發(fā)展前景。應(yīng)運(yùn)用現(xiàn)代研究方法和新手段擴(kuò)大靜電噴霧研究的深度和廣度，研究荷電方法、霧化理論，分析荷電效果、液滴霧化的影響因素，從細(xì)微處入手，務(wù)必在靜電噴霧機(jī)械的性能上下大功夫，攻破核心關(guān)鍵技術(shù)，推出實(shí)用產(chǎn)品。

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