磁場對(duì)異丙甲草胺除草劑溶液表面張力與霧滴粒徑的影響規(guī)律

王云超 翟華博 宮金良 張彥斐

摘要： 【目的】研究磁化作用對(duì)除草劑溶液表面張力及除草劑噴霧霧滴粒徑的影響規(guī)律，探索新型除草劑噴霧霧滴粒徑控制方法?！痉椒ā吭O(shè)計(jì)磁化除草劑溶液表面張力試驗(yàn)和磁化噴霧霧滴粒徑試驗(yàn)，記錄不同磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長2 個(gè)影響因素下除草劑溶液表面張力和噴霧霧滴粒徑，觀測數(shù)據(jù)變化規(guī)律；并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，給出符合數(shù)據(jù)變化的函數(shù)關(guān)系式?！窘Y(jié)果】在磁場強(qiáng)度為50～500 mT、磁化時(shí)長為5.0～25.0 min 范圍內(nèi)，溶液表面張力和噴霧霧滴粒徑均隨磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長的增加呈現(xiàn)先下降后回升的趨勢(shì)；當(dāng)磁場強(qiáng)度為350 mT、磁化時(shí)長為15.0 min 時(shí)，表面張力和霧滴粒徑下降幅度最大，表面張力為54.0 mN/m，下降14.96%，噴霧霧滴粒徑為108.75 μm，下降11.20%。對(duì)表面張力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，洛倫茲擬合函數(shù)的決定系數(shù)（R2） 為0.816 4，調(diào)整后R2 為0.794 0，均方根誤差（Root mean square error，RMSE） 為1.105 9；霧滴粒徑數(shù)據(jù)擬合中，多項(xiàng)式擬合函數(shù)的R2 為0.833 6，調(diào)整后R2 為0.787 4，RMSE 為2.085 7。擬合函數(shù)有意義且擬合精度較高?！窘Y(jié)論】磁化作用并不是磁場強(qiáng)度越大或磁化時(shí)長越長磁化效果越好，而是存在最佳磁化處理強(qiáng)度和磁化時(shí)長；本研究給出的洛倫茲模型函數(shù)可作為除草劑溶液表面張力與磁化作用的函數(shù)關(guān)系式，三次多項(xiàng)式函數(shù)可作為350 mT 磁場強(qiáng)度下霧滴粒徑調(diào)控模型。

關(guān)鍵詞： 磁化處理；異丙甲草胺；表面張力；霧滴粒徑；數(shù)據(jù)擬合

中圖分類號(hào)： S499文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1001-411X（2023）02-0324-09

生物磁學(xué)（Biomagnetism） 是生物學(xué)和磁學(xué)相互交叉的一門新型學(xué)科，主要探究生物磁效應(yīng)及磁現(xiàn)象、外磁場對(duì)生物體的影響[1-2]。生物磁學(xué)方向的研究已吸引眾多領(lǐng)域相關(guān)專家的高度關(guān)注。生物磁學(xué)目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)工程、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等許多領(lǐng)域，且已取得巨大的收益，其中，在農(nóng)、林業(yè)領(lǐng)域采用最多的為磁化水[3]。磁化水是指以一定的流速通過磁場，受磁力線切割使自身的理化性質(zhì)發(fā)生變化的水或水溶液[4-6]。

在磁化水性質(zhì)方面，Cai 等[7] 和Lee 等[8] 研究了磁場對(duì)水溶液表面張力的影響，結(jié)果表明磁化作用使水溶液表面張力降低，在1 T 磁場強(qiáng)度下磁化時(shí)間從1 min 增加到13 min 時(shí)，水溶液表面張力從68.5 mN/m 下降到62.5 mN/m。對(duì)礦井水、純水和自來水在不同磁場強(qiáng)度及不同磁化時(shí)長下表面張力的變化規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)并不是磁場強(qiáng)度越大或磁化時(shí)間越長磁化效果就越好，而是存在最佳磁場強(qiáng)度和最佳磁化時(shí)間；在不同的磁場強(qiáng)度下，表面張力隨磁化時(shí)間的延長呈先減小后增加的趨勢(shì)，在磁場強(qiáng)度為300 mT、磁化時(shí)間為15 min 時(shí)表面張力下降幅度最大，為25%[ 9 - 1 2 ]。Toledo 等[ 1 3 ]和Wang 等[14] 研究了磁場強(qiáng)度為270、530 mT，磁化時(shí)長為20、40、60 min 條件下自來水表面張力變化情況，通過與未磁化自來水的表面張力進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)磁化后自來水的表面張力均有所減小。

上述研究均是針對(duì)磁化作用對(duì)自來水、純水或礦井水表面張力的影響進(jìn)行的，當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域鮮見在磁化作用對(duì)除草劑或其他植保藥劑表面張力的影響方向展開研究。藥液表面張力與噴霧霧滴粒徑呈密切的正相關(guān)關(guān)系[15-16]，目前磁化作用對(duì)除草劑溶液噴霧霧滴粒徑影響的研究較少。

本文通過磁化除草劑溶液表面張力試驗(yàn)和磁化噴霧霧滴粒徑試驗(yàn)，研究磁化作用對(duì)除草劑溶液表面張力與除草劑噴霧霧滴粒徑的影響，分別給出表面張力、霧滴粒徑與磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)間的二元函數(shù)，為研究磁化除草劑機(jī)理提供理論參考；并使用固定磁場強(qiáng)度調(diào)整磁化時(shí)長，給出控制除草劑噴霧霧滴粒徑的函數(shù)關(guān)系式，為控制除草劑噴霧霧滴粒徑提供新的參考方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

表面張力儀（本創(chuàng)儀器，BCZ-600，測試范圍：0～200 mN/m，準(zhǔn)確度：±0.02 mN/m，山東省淄博市）；程控功率電流源（北京翠海佳誠，F(xiàn)2031，有效輸出電壓范圍：0～60 V，輸出電流范圍：?5～5 A，高步進(jìn)分辨率：0.1 mA，北京市）；數(shù)字高斯計(jì)（北京翠海佳誠，H-1600，讀數(shù)精度：±2%，分辨率：0.000 01 mT，北京市）；雙軛雙調(diào)氣隙電磁鐵（北京翠海佳誠，CH-50，極面直徑：50 mm，磁極間隙：0～80 mm，最大磁場強(qiáng)度：1 T，北京市）；激光粒度分析儀（歐美可，DP-02，測試范圍：1～1 500 μm，重復(fù)性誤差：<3%，單次測試時(shí)長：1～2 min，獨(dú)立探測單元數(shù)：48，光源：He-Ne 激光器，光源波長：0.632 8 μm，北京市）；隔膜泵（額定工作電壓：12 V，額定功率：60 W，最大工作壓力：0.8 MPa，流量：5 L/min）；可調(diào)直流穩(wěn)壓電源（邁勝，MS305D，顯示精度：3 位數(shù)字顯示，可調(diào)電壓范圍：0～30 V，可調(diào)電流范圍：0～5 A，廣東省）；壓力表（伊萊科，YTN-60，量程：0～1 MPa，刻度：0.02 MPa，精度：±2.5%，浙江省）；F110-01 型植保霧化噴頭；燒杯；玻璃器皿等。

1.2 磁化除草劑溶液表面張力試驗(yàn)設(shè)計(jì)

Esmaeilnezhad 等[17] 研究表明，水溶液表面張力隨液體溫度的升高逐漸減小，因此在試驗(yàn)過程中保持試驗(yàn)環(huán)境溫度為26 ℃。按照除草劑與自來水1∶300 的體積比配置異丙甲草胺除草劑溶液。設(shè)定最短磁化時(shí)間為5.0 min，最長磁化時(shí)間為25.0min，以5 min 為公差進(jìn)行遞增磁化，實(shí)際磁化時(shí)長可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行細(xì)化調(diào)整，試驗(yàn)中實(shí)際磁化時(shí)長見表1，試驗(yàn)共分11 組處理，處理1 為對(duì)照組，處理2～11 為試驗(yàn)組，共48 組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)4 次。處理1 用塑料燒杯量取40 mL 溶液，使用表面張力儀（圖1） 按照儀器使用方法[12] 測未磁化狀態(tài)下溶液的表面張力，測試結(jié)果顯示在儀器屏幕上，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，重復(fù)測3 次取平均值，為63.5 mN/m，當(dāng)作對(duì)照值。處理2～11 均使用靜態(tài)磁化處理，以處理2 為例，調(diào)整程控功率電流源使兩磁極間磁場強(qiáng)度為50 mT，量取40 mL 溶液置于塑料燒杯中，將燒杯夾緊于雙軛雙調(diào)氣隙電磁鐵兩磁極中間進(jìn)行磁化處理，如圖2 所示。磁化水表面張力狀態(tài)約能保持25 min[12， 18]，為確保所有試驗(yàn)組各變量一致，磁化完畢后立即用表面張力儀測試溶液表面張力并記錄數(shù)據(jù)。之后每個(gè)處理的磁場強(qiáng)度遞增50 mT，且各處理的操作步驟參照處理2 進(jìn)行。

1.3 磁化除草劑溶液霧滴粒徑試驗(yàn)設(shè)計(jì)

噴施壓力是影響噴霧霧滴粒徑的關(guān)鍵因素[19-20]，試驗(yàn)中通過手動(dòng)調(diào)整隔膜泵調(diào)壓螺絲，設(shè)定噴施壓力為0.3 MPa，使用穩(wěn)壓電源供給隔膜泵穩(wěn)定的12 V額定工作電壓，確保所有試驗(yàn)組噴施壓力一致；扇形噴面不同位置的霧滴粒徑也有較大差別[21]，所有試驗(yàn)組霧滴粒徑測試點(diǎn)設(shè)定為扇形噴面對(duì)稱中心線上距離噴頭40 cm 處。試驗(yàn)環(huán)境溫度保持為26 ℃，噴施系統(tǒng)管長（磁極至霧化噴頭水管長度）設(shè)為1 m，按照除草劑與自來水1∶300 的體積比配置試驗(yàn)溶液。

由于靜態(tài)磁化單次最多磁化50 mL 溶液，而單次噴霧霧滴粒徑測試過程使用溶液量為1 L 左右，因此，所有試驗(yàn)組使用的溶液均參照常規(guī)方式以一定流速通過磁場進(jìn)行磁化[22]。為增加磁化效果，使用多排管和循環(huán)磁化方式對(duì)溶液進(jìn)行增效磁化，為避免霧滴粒徑測試過程中出現(xiàn)溶液量不足的現(xiàn)象，設(shè)定單次循環(huán)磁化溶液量為3 L，增效磁化裝置如圖3 所示。磁化除草劑霧滴粒徑試驗(yàn)設(shè)計(jì)同表1，循環(huán)磁化時(shí)長與靜態(tài)磁化時(shí)長對(duì)應(yīng)一致，對(duì)照組與試驗(yàn)組共48 組試驗(yàn)。處理1 不進(jìn)行磁化處理，用霧滴粒徑儀重復(fù)測3 次取平均值，為122.47 μm，當(dāng)作對(duì)照值，試驗(yàn)中以體積中值直徑（Volume mediandiameter，VMD） 表示霧滴直徑。處理2 設(shè)置磁場強(qiáng)度為50 mT，循環(huán)磁化完畢后立即用激光粒度儀測磁化后溶液噴霧霧滴粒徑并記錄數(shù)據(jù)。之后每個(gè)處理磁場強(qiáng)度遞增50 mT，操作步驟參照處理2 進(jìn)行。磁化溶液霧滴粒徑測試系統(tǒng)如圖4 所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 磁化除草劑溶液表面張力

為了直觀地分析磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長2 個(gè)因素共同作用對(duì)除草劑溶液表面張力的影響規(guī)律，建立以磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長為自變量、以溶液表面張力為因變量的二元函數(shù)，使用OriginPro 2018 繪制磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長對(duì)表面張力影響規(guī)律的空間曲面分布圖（圖5）。由圖5 可以看出，磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長對(duì)溶液表面張力影響規(guī)律的空間曲面分布圖呈峰值為負(fù)值的高斯空間分布規(guī)律，即空心圓錐面分布，這說明并不是磁場強(qiáng)度越大或者磁化時(shí)間越長，除草劑溶液的表面張力就越小，而是存在處理效果最佳的磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長。磁化除草劑溶液表面張力試驗(yàn)結(jié)果見表2。當(dāng)磁場強(qiáng)度為350 mT、磁化時(shí)長為15.0 min 時(shí)，除草劑溶液表面張力值最小，為54.0 mN/m，下降14.96%，磁化效果最佳。

2.2 磁化除草劑溶液表面張力擬合

為了進(jìn)一步分析并預(yù)測試驗(yàn)中未涉及到的磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長對(duì)除草劑溶液表面張力的影響，以及給出符合描述表面張力隨磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長變化的函數(shù)關(guān)系，使用OriginPro 2018 非線性曲面擬合功能分別對(duì)磁化除草劑溶液表面張力數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法多項(xiàng)式擬合、高斯擬合和洛倫茲擬合，函數(shù)關(guān)系式分別為公式（1）（2）（3）。

多項(xiàng)式擬合模型的參數(shù)（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤） 如下所示： z 0 = 1 1 6 . 1 6 ± 4 3 . 9 4 ， A 1 = ? 0 . 2 3 ± 0 . 1 0 ，A 2 = 0 . 0 0 2 ± 0 . 0 0 1 ， A 3 = （ ? 1 . 1 9 ± 0 . 4 5 ） × 1 0 ? 5 ，A4 =（2.25±0.88）×10? 8，A5 =（?1.91±0.64）×10? 1 1，B 1 = ? 1 9 . 9 5 0 0 ± 1 9 . 7 2 4 9 ， B 2 = 3 . 2 2 ± 3 . 2 1 ，B3 =?0.24±0.24，B4 =0.009±0.008，B5 =（?1.22±1.30）×10?4。表3 為高斯擬合模型和洛倫茲擬合模型參數(shù)，表4 為溶液表面張力3 種擬合曲線的統(tǒng)計(jì)量。由表4 可以看出，3 種擬合方式的決定系數(shù)（R2） 均大于0.79，調(diào)整后R2 （Adjusted R2） 均大于0.73，這說明擬合函數(shù)有意義，且均方根誤差（Rootmean square error，RMSE） 都小于1.5。3 種擬合模型均能夠描述磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長對(duì)除草劑溶液表面張力的影響，但相比較于其他2 種擬合方式，洛倫茲擬合R2 為0.816 4，調(diào)整后R2 為0.794 0，兩者均大于其他2 種擬合方式， R 2 與調(diào)整后R 2越大，說明擬合效果越好；RMSE 為1.105 9，均小于其他2 種擬合方式，RMSE 越小，說明預(yù)測模型描述試驗(yàn)數(shù)據(jù)越精確。

結(jié)合觀測3 種擬合模型的曲面圖，得出洛倫茲擬合模型最優(yōu)（圖6）。除草劑溶液表面張力與磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長的關(guān)系式見公式（4），為研究磁化作用對(duì)除草劑溶液表面張力的影響提供理論參考。

2.3 磁化除草劑溶液霧滴粒徑

在不同磁場強(qiáng)度和不同磁化時(shí)長共同影響下除草劑溶液噴霧霧滴粒徑分布見圖7。磁化除草劑溶液霧滴粒徑試驗(yàn)結(jié)果見表5。當(dāng)磁場強(qiáng)度為350 mT、循環(huán)磁化時(shí)長為15.0 min 時(shí)，噴霧霧滴粒徑達(dá)到最小值，為108.75 μm，下降11.20%。多數(shù)試驗(yàn)證明單個(gè)霧滴所產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)大于其本身的粒徑范圍，在符合除草劑最佳生物粒徑（100～300 μm） 要求的同時(shí)，減小霧滴粒徑可以減少農(nóng)藥使用量[23-24]。與磁化除草劑溶液表面張力變化趨勢(shì)對(duì)比，在50～500 mT磁場范圍內(nèi)，表面張力與霧滴粒徑均隨磁化時(shí)長的增加呈現(xiàn)先下降后回升的趨勢(shì)，兩者總體變化趨勢(shì)一致，但變化率不同，這可能是磁化方式和磁化溶液量不同導(dǎo)致的。該結(jié)果同樣表明并不是磁化處理時(shí)間越長或磁場強(qiáng)度越大，噴霧的霧滴粒徑就越小，而是存在處理效果最佳的磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長。

3 結(jié)論與討論

1） 在0～500 mT 磁場強(qiáng)度范圍內(nèi)，當(dāng)磁場強(qiáng)度為350 mT、磁化時(shí)間為15.0 min 時(shí)，表面張力最小，為54.0 mN/m，下降14.96%；噴霧霧滴粒徑最小，為108.75 μm，下降11.20%。溶液表面張力和噴霧霧滴粒徑隨磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長的增加均呈現(xiàn)先下降后回升的趨勢(shì)，表明只有在特定磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長范圍內(nèi)磁化效果才最佳。

2） 對(duì)磁化除草劑溶液表面張力和噴霧霧滴粒徑進(jìn)行擬合處理，洛倫茲擬合模型最符合除草劑溶液表面張力受磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長影響的變化規(guī)律，以洛倫茲模型函數(shù)作為表面張力與磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長的函數(shù)關(guān)系式；多項(xiàng)式擬合模型能有效描述除草劑溶液噴霧霧滴粒徑受磁場強(qiáng)度和磁化時(shí)長影響的變化規(guī)律，以固定磁場強(qiáng)度調(diào)整磁化時(shí)長的方法給出了350 mT 磁場下調(diào)控噴霧滴粒徑的函數(shù)關(guān)系式。

3） 除草劑溶液經(jīng)磁化作用后，其噴霧霧滴粒徑可由122.47 μm 下降到108.75 μm，下降11.20%，有效減小霧滴粒徑且符合最佳生物霧滴粒徑要求，為除草劑溶液噴施作業(yè)中霧化特性控制提供新的參考。

噴施壓力、噴頭型號(hào)、磁化溶液量等多種因素都可能對(duì)磁化效果產(chǎn)生影響，在后續(xù)研究中應(yīng)盡可能建立有多影響因素參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式；除此之外，磁化作用通過影響除草劑溶液表面張力而間接影響霧滴粒徑，可通過研究表面張力與霧滴粒徑關(guān)系模型來優(yōu)化磁化作用與霧滴粒徑的函數(shù)關(guān)系式。

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【責(zé)任編輯 李慶玲】