靜電噴霧的工作原理及分析

李海強

（河南省通許縣練城鄉政府，河南 開封 475400）

1 引言

我國是一個農藥研制生產與應用的大國，農藥原藥的生產能力為102萬t，農藥品種多達260余種，農藥制劑年產量已達170萬t，為世界第2位。但我國農藥應用技術總體較為落后，使用的農藥只有少部分能沉積到農作物靶標上，導致70%～78%的農藥流到土壤里或飄到環境中去，造成了嚴重的環境污染問題。

根據有關統計，我國手動植保機械約有30多個品種，植保機械以手動和小型機動為主，防治效率比較低，大部分產品結構簡單、價格低廉、技術含量低[1，2]。靜電噴霧是近年來發展起來的新技術，相對于其他噴霧形式，具有極大的優越性。故研究靜電噴霧原理具有重大意義。

靜電噴霧是利用靜電技術，在靜電噴頭與需噴灑農作物之間建立起靜電場，藥液經靜電噴頭霧化后形成群體帶電霧滴，在靜電場力的作用下，微細帶電霧滴被電場力吸附到作物葉片的正反面以及隱蔽部位。藥液霧滴在目標作物的沉積率高、均勻散布，飄逸散失少。

2 藥液霧化過程

液體藥劑最常用的霧化方式是液力式霧化，該方式尤其適合于水溶液的霧化噴灑施藥。其原理是使液體在一定的壓力下通過一個一定形狀的小孔，噴出的同時霧化。液力式噴頭的霧型如圖1所示。

圖1 液力式噴頭的霧型

在液體霧化過程中，主要存在的霧化阻力有兩種：表面張力與粘滯阻力。但液體一直是沿著阻力小的方向進行變化，所以表面張力是最主要的霧化阻力。具有一定壓力的液體由噴桿進入噴頭內，由于液體通道的截面積變小，使得液流的速度大大增加，在噴頭內液體形成了紊流狀態，增加了液體的不穩定性。

另外在充電電極的作用之下，液體表面層產生顯著的定向排列，液體表面的吸附活度得到增加，從而導致表面張力下降，進一步增加了不穩定性，使得霧化阻力減小，有利于液體破裂。在從噴頭噴孔高速噴出的時候，液體在空氣撞擊力的作用和內外壓力差共同作用下，形成細小霧滴，并發散。當細小霧滴被充電之后，霧滴表面的吸附和活度得到了增加，而且由于霧滴表面存在電荷，也就使霧滴表面層分子產生明顯的定向排列，從而可使霧滴表面張力進一步得到降低，霧化阻力進一步減小。

同時，霧滴所帶電荷存在瑞利極限值，如果霧滴的帶電量超過瑞利極限值，霧滴就會克服表面張力而破裂并繼續分裂，所以霧滴開始帶電后，使得霧滴進一步細化。另外帶電霧滴受到的靜電場力改變了霧滴的動能，從而改變了霧滴的表面壓力差，有利于霧滴的進一步細化，而且由于帶相同電荷的霧滴相互排斥，使霧滴的表面又產生一個額外的內外壓力差，該作用力與表面張力的作用相反，也有利于霧滴進一步細化。最終靜電噴頭產生的霧滴更加的細小。

3 霧滴的充電與運動過程

從霧化過程的分析可以得知，靜電噴頭充電極的作用是增加液體表面吸附的活度，導致表面張力下降，就是說使液體表面層的排列具有顯著的定向性，霧化阻力減小，從而產生較小的霧滴，更易于被充電。

由于藥液霧滴是導體，繼續運動的霧滴得到進一步充電。加之直流靜電高壓的作用，負離子從充電電極轉移到霧滴上，故霧滴帶上與充電電極同樣的電荷。而且充電電極能夠產生足以使周圍空氣電離的局部強電場，導致電場內的空氣就被電離成正離子與負離子，其中負離子被快速通過的霧滴帶走，正離子趨向充電電極被中和。通過這個運動過程，霧滴就帶上了負電荷，即與充電電極相同的電荷。

跟據靜電感應原理，地面上的作物靶標將產生與靜電噴頭極性相反的電荷，并在兩者之間形成很強的靜電場。帶點霧滴在這個電場中同時受到帶電霧滴相互之間產生的電場力F1和靜電噴頭電極與作物目標之間的電場力F2兩個力的作用，而且F2遠遠大于F1，故對霧滴的運動起主導作用的電場力是F2，正是因該電場力的作用使得帶電霧滴朝作物目標做定向的移動。因為帶電霧滴表面帶有相同的電荷，霧滴的斥力F1使霧滴不致相互碰撞而聚合變大。雖然靜電力主導了帶電霧滴的運動，但是其他的作用力也是不可忽略的，與其他作用力共同作用，形成帶電霧滴的最終大小和運動軌跡。帶電霧滴受電場力的情況如圖2所示。

圖2 帶電霧滴受電場力作用

理論上說，帶電霧滴的電荷為負，而靜電噴頭的感應作用使農作物表面產生正電荷，這些正電荷的吸引力很強，可以把帶負電荷霧滴強拉到農作物表面。但實際上，受重力的影響，加上帶電霧滴離開靜電噴嘴時受速度慣性的影響比較大，故霧滴的運動路線不會和電力線完全重合。霧滴剛離開噴嘴時，基本上保持了速度慣性的方向，但隨后沿著重力與電場力的合力方向。也就是說，在噴嘴和農作物間的靜電場作用下，使其在植物莖葉之間環卷繚繞，由于霧滴具有了一定的方向性，能夠附著于農作物葉的正面和背面以及隱蔽部位。總的來說，利用靜電場的作用力實現了霧滴在農作物冠內的分散沉積，可以大大增加農藥藥液對農作物葉面（無論冠內或冠表）和莖藤的均勻度以及覆蓋率。

4 結語

通過對靜電噴霧的工作原理進行理論分析可知：加壓農藥藥液由噴桿進入靜電噴頭之后，由于液體通道的截面積變小，使壓力頭變成速度頭，流速大大增高，加上在充電電極的作用之下，增加了藥液表面的吸附活度，從而使得霧滴表面張力下降，更加容易分散破裂。藥液受從靜電噴頭的噴孔高速噴出時，先是在內外壓力差和空氣撞擊力的作用下，破裂細化成小霧滴。在經過充電電極充電之后，霧滴帶上與電極相同的電荷，受瑞利極限的影響和霧滴電荷間的排斥作用，霧滴繼續分裂進一步細化。因為靜電噴頭和農作物間的靜電場作用，細小的帶電霧滴具有一定的方向性，向農作物莖葉的正反面運行沉積。結論為靜電噴頭的研制提供了參考，具有一定的實踐意義。

[1]劉淑萍，劉娟娟.高壓靜電噴霧技術在藥物微囊制備中的應用進展[J].化工技術與開發，2013（1）：21～23.

[2]徐清華，王正艷.靜電噴霧器的技術特點及使用注意事項[J].農業裝備技術，2012（5）：18.

[3]王保華.組合充電液力式靜電噴霧裝置設計與試驗研究[D].鄭州：河南農業大學，2005.

[4]李春杰.靜電噴霧裝置改裝設計與試驗研究[D].鄭州：河南農業大學，2006.

[5]周 文.靜電噴霧器的研究與應用[J].農業工程，2012（5）：22～26.