超低量靜電噴霧質量影響因素分析

馬君 孫先明 東忠閣

摘 要：闡述了靜電噴霧的原理及三種充電方式，每種充電方式的特點。明確當今國際靜電噴霧植保機械大多采用感應式充電方式，分析了感應式充電方式靜電噴霧質量的評價指標，以及噴霧質量的影響因素分析。

關鍵詞：靜電噴霧;噴霧質量;影響因素

中圖分類號：S491 ? ? ? ?文獻標識碼：A開放科學（資源服務）標識碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.01.004Open Science Identity（OSID）

0 引言

2015年，農業(yè)部提出到2020年實現(xiàn) “一控兩減三基本”的目標任務，其中：“兩減”就是農藥化肥施用量減少，旨在采取綜合措施力保農業(yè)綠色發(fā)展。2018年，國務院發(fā)布《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃的通知》，明確要求“減少化肥農藥使用量，增加有機肥使用量，實現(xiàn)化肥農藥使用量負增長”。農藥使用量由零增長向負增長轉變，農藥有效利用率必須大幅度提高。我國農藥有效利用率僅為30%，而發(fā)達國家為60%～70%，真正到達害蟲體的藥量僅為施藥量的1%～3%。與農藥的技術創(chuàng)新相比，植保機械研發(fā)落后國際水平更多。目前，國內正在使用的植保機械產品有70%達國際20世紀60～70年代技術水準，約10%達20世紀80年代末90年代初水平。當今植保機械的發(fā)展趨勢是：精細、低量、對靶性。因此，有針對性的開發(fā)此類植保機械勢在必行。其中靜電噴霧技術因為具有附著性好、藥效高、節(jié)水節(jié)藥、污染少等優(yōu)點，逐漸受到重視。

1 靜電噴霧技術原理

靜電噴霧技術利用高壓靜電發(fā)生器產生的靜電高壓通過電極使噴頭噴出的霧滴帶負電荷，由于靜電高壓的存在，會在電極與大地包括大地生長的靶標作物之間形成靜電場。帶電霧滴在電場力、重力等作用下，附著靶標作物的各個部位，即葉片正面、背面或隱蔽部位等（如圖1）。

霧滴充電方式有三種：電暈式、感應式、接觸式。

電暈充電方式（如圖2a）為在被施加靜電負高電壓的針式電極與接地的環(huán)形電極間存在電勢差，使針式電極端發(fā)生電暈放電，附近產生大量正負離子。正離子瞬時被針式電極吸附并轉為中性，負離子受到同性針式電極的排斥在周圍形成離子區(qū)。從噴頭噴出的霧滴經過離子區(qū)時與離子相撞帶上負電荷。Arnold與Pye研制了一種基于離心式霧化的電暈式噴頭，進行了針對不同作物的試驗。靜電電壓為30 kV，霧滴直徑小于100 μm，流量25 mL/min，霧滴荷質比為5 mC/kg。此電暈式噴頭田間試驗藥效優(yōu)于常規(guī)噴霧，但冠層穿透性不理想。Ganzelmeier與Moser研制了一種液力式電暈式噴頭，靜電電壓高達70 kV。小麥田間噴霧試驗：相對常規(guī)噴霧，小麥旗葉沉積量增加90%，葉片背面沉積量增加100%，冠層下部的沉積量基本不變。增加2.3 m/s的風助，冠層下部的沉積量達到50%。Gan-Mor等研制一種電暈式噴粉噴頭應用于果樹的人工授粉：杏樹花粉沉積量增加13%;棗樹通過本噴頭授粉大幅度減少花粉使用量;開心果經本噴頭授粉產量增加顯著。電暈充電電壓一般大于20 kV，絕緣要求較高，電源供電能力要求較高。

感應充電方式（如圖2b）為噴頭噴出的霧滴經過被施加靜電正高電壓的環(huán)形電極時，通過感應帶上負電荷。Law研制了一種氣力式感應式噴頭，靜電電壓小于1 kV，霧滴直徑30～50 μm，流量70～100 mL/min，霧滴荷質比為10 mC/kg。此噴頭經卷心菜田間試驗沉積量是常規(guī)噴霧的7倍，棉花的沉積量是常規(guī)噴霧的2倍。Castle與Inculet研制一種氣流剪切式感應噴頭，氣流速度80 m/s，靜電電壓為18 kV，霧滴直徑小于80 μm，霧滴荷質比為1 mC/kg。田間試驗樹冠下部沉積量與常規(guī)噴霧相同，但樹冠上部沉積量增加85%，極大改善樹冠整體的沉積分布。Marchant與Green研制了一種液力式感應噴頭，靜電電壓為10 kV，設計帶孔電極靠真空吸水保持電極干燥。產生大小不同的霧滴，小霧滴帶電荷多，靶標背面沉積量大。大霧滴帶電荷少，冠層穿透力加強。電暈充電電壓一般遠小于20 kV，絕緣要求不高，電源供電能力要求不高。

接觸充電方式（如圖2c）為被施加靜電負高電壓的針式電極直接浸入藥液中，使藥液帶負電荷，從噴頭噴出的霧滴也帶上負電荷。Coffee研制了一種手持式接觸式靜電噴霧器，使用油劑，靜電電壓為25 kV，依靠靜電高電壓在液膜上生成的駐波使藥液霧化。特點：原液農藥超低量噴霧，不需要水;霧化和霧滴輸送不需要機械力;通過調整靜電壓或流量調整霧滴直徑（40～200 μm）;飄移損失少;靶標正背面附著好等。接觸式靜電電壓一般大于20 kV，絕緣要求較高，電源供電能力要求較高。

依據(jù)霧滴帶電荷的數(shù)量由多到少排序：接觸式、感應式和電暈式。但由于接觸式和電暈式靜電電壓均大于20 kV，絕緣要求高，安全隱患大。因此，國際靜電噴霧設備以感應式充電方式最普遍。本文以下內容僅就感應式進行討論，特此說明。

2 靜電噴霧質量評價指標

田間測試時，相同地塊、相同作物、相同病蟲草害、相同農藥、相同噴藥時間、不同噴藥機具即靜電噴霧與常規(guī)噴霧設備，對比病蟲草害防治效果。如果病蟲草害防治效果接近或相同，可以對比相同農藥的使用量區(qū)分噴霧質量。靜電噴霧質量的重要指標為：荷質比、霧滴粒徑、霧滴均勻度（DR）和霧滴速度分布等。當荷質比越大，霧滴粒徑越小，霧滴均勻度越高，霧滴速度分布越均勻，那么霧滴附帶電荷就越多，霧滴輸送越遠，沉積量越大越均勻，即作業(yè)效果越優(yōu)越。

荷質比即單位時間內霧滴群所帶電荷量Q與霧滴群總質量m之比。

荷質比可以采用網狀目標法、法拉第筒法或模擬目標法測試。采用網狀目標法（如圖3），皮安表測放電電流，量杯收集的測試時間t內液體的質量由稱重傳感器測定。

由于霧滴的大小極其不均勻，通常將霧滴視為球體，用有足夠代表性的平均直徑或中值直徑來代替真實的霧滴粒徑。常用參數(shù)：霧滴體積中值直徑（VMD）、霧滴數(shù)量中值直徑（NMD）、霧滴均勻度。將取樣霧滴的體積按霧滴大小順序累計，當累計到體積值等于取樣霧滴體積總和的50%時，所對應的霧滴直徑就是霧滴群的體積中值直徑。將取樣霧滴數(shù)量按霧滴大小順序累計，當累計到霧滴數(shù)量等于取樣霧滴總數(shù)的50%時，所對應的霧滴直徑就是霧滴群的數(shù)量中值直徑。霧滴數(shù)量中值直徑除以霧滴體積中值直徑所得數(shù)值就是霧滴均勻度。上述霧滴參數(shù)和速度分布可利用不同檢測儀器測試，如相位多普勒離子分析儀（Phase Doppler Particle Analyser，PDPA）、離子圖像測速技術（Particle Image Velocimetry，PIV）、粒子動態(tài)分析儀（Phase Doppler Analyser，PDA）、激光粒子圖像分析測試系統(tǒng)（Paticle Droplet Image Analysis，PDIA）等。

3 靜電噴霧質量的影響因素分析

靜電噴霧質量的影響因素較多，以下分析是在其他條件不變的情況下，只針對一個因素變化對噴霧質量的影響敘述。另外，不同工作原理（液力式、氣力式和離心式）、不同結構形式的噴頭需要具體分析下列不同因素的影響程度。

3.1 靜電高電壓

隨著靜電高電壓的增加，霧滴放電電流有所增加，荷質比也相應增大。但感應式充電方式中，靜電高電壓增加到某值時，會出現(xiàn)電暈現(xiàn)象，荷質比反而下降，充電效果下降。靜電高電壓的變化對霧滴體積中值直徑的影響較小，即靜電高電壓有利于霧滴超細霧化，但影響程度較小。霧滴均勻度隨電壓增加明顯增加，但到達某一壓力時，均勻度也逐漸變小。

3.2 噴頭壓力

隨著噴頭壓力的增加，霧滴荷質比先增大后變小。

3.3 環(huán)形電極

霧滴荷質比隨電極直徑增大而減小。霧滴荷質比隨噴頭與電極間距增大而增大。仿形環(huán)形電極（如圖4）荷質比更好。

3.4 農藥品類介電常數(shù)

藥液的導電率和介電常數(shù)也對霧滴荷質比有一定影響，導電率和介電常數(shù)與針對病蟲草害所選擇的農藥品類及其稀釋程度有關，導電率與荷質比正相關，而介電常數(shù)與荷質比負相關。

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