靜電噴霧技術在農業上的應用

孫先明 馬君 東忠閣 祝天宇

摘 要：敘述了靜電噴霧技術的原理和特點，概述了靜電噴霧的發展過程、理論研究和試驗的現狀與進展，并探討了靜電噴霧在農業上的應用前景與研究方向。

關鍵詞：靜電噴霧；噴頭；農藥；農業

中圖分類號：S491文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.03.003

0 引言

自《中華人民共和國農業機械化促進法》頒布及中央農機購置補貼政策實施以來，我國農業生產從耕作到收獲全過程已經基本實現機械化。植保機械也由以手動和小型為主向自動化和大型轉變，但隨著人們對于農產品藥害殘留、農業生態環境和勞動力節約的重視，對植保機械的發展也提出了更高的要求。其中靜電噴霧技術憑借其附著性好、效率高、使用安全、成本低和污染少的特點，在植物保護中取得了廣泛應用。

1 靜電噴霧技術原理和特點

1.1 靜電噴霧的技術原理

靜電噴霧是在噴霧機噴嘴和標靶物體間建立高壓靜電場，利用高壓靜電給噴嘴充電，當液體流過噴頭霧化后，通過電暈、接觸式和感應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，作定向運動而被吸附在噴霧目標的各個部位，沉積在目標表面，具有高效、飄移散失少、減少環境污染等優點。

1.2 靜電噴霧的特點

靜電技術在農業生產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：

（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。當靜電電壓為-20 kV時，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電荷，由于帶有同性電荷的霧滴在運動中相互排斥，無法發生聚集現象，所以覆蓋面積大，對噴霧目標覆蓋均勻。

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

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

（5）限制因素多。靜電噴霧不適用于不導電的農藥干粉制劑；機械結構復雜，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 靜電噴霧技術的發展歷史

2.1 國外研究綜述

靜電霧化現象最早是1745年Bose發現并提出來的，其后該領域研究進展緩慢。1882年，英國物理學家Rayleigh對自由射流的靜電霧化（在感應電極作用下）進行研究，認為非靜電霧化霧滴直徑為靜電霧化產生的霧滴直徑的1.9倍，并且對靶向物體有很強的吸附能力，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通過實驗對這一結論進行了驗證后，靜電噴霧超強的附著能力被廣泛用于噴漆和印刷行業。到了20世紀40年代，美國佐治亞大學的學者利用靜電進行農藥藥粉噴撒試驗，證明利用靜電場散布農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，就是要使其為生產服務，首先要解決的技術關鍵是研制各類靜電高壓發生器和噴頭。如日本研制了彌霧噴頭、微型錐孔旋轉噴頭，英國研制了轉盤式靜電噴頭，Selaw研制的嵌入式靜電感應噴頭。在靜電噴霧的整機研制方面，美國領先了一步，在19世紀80年代，就出現了用于噴涂的靜電噴粉機和溫室用風送式靜電噴霧機。90年代，美國的Law博士首次發明了氣助靜電噴霧系統（AA-ESS），可以產生30～50 nm直徑的霧滴，而用電源低，耗電少，電荷—質量比則達10 mC/kg。其主要部件“氣化誘電”噴頭是有史以來最先進的噴藥器械。目前，靜電噴頭技術發展迅速，日本麻場公司生產的靜電噴頭使用12 V直流電，能夠產生40 kV的高壓，可用于背負式機動噴霧噴粉機和噴桿噴霧機上，該噴頭比普通噴頭可減少藥液損失65%，大大降低農藥對環境的污染。前蘇聯的靜電噴霧研究起步較晚，落后于歐洲和美國，是從20世紀80年代開始的。

2.2 國內研究綜述

中國關于靜電噴霧技術的研究起步較晚，是從20世紀70年代開始的，但也取得部分成果。最早是上海靜電噴霧實驗協作組，上海明光儀表廠、丹陽電子研究所、太倉靜電設備廠和北京農大等先后研制了手持轉盤式靜電噴霧器；南京林大研制了高射程靜電噴霧機。雖然取得了一些實驗數據并研制了設備，但是缺少進一步的理論研究，沒有較大的突破。

江蘇理工大學的研究結論認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生與表面張力相反的附加內外壓力差，從而提高霧化程度。在此理論的支持下研制了轉盤式手持微量靜電噴霧器、車載式靜電噴霧機和拖拉機牽引式風送靜電噴霧機。南京林業大學的研究認為靜電噴霧可提高蝗蟲受藥概率，同時可以增強農藥霧滴在植株及蝗蟲上的附著力，延長農藥的殘效期。

國內首次將靜電噴霧技術由實驗室理論規模轉化為科技成果的是江蘇大學，朱和平、鄭加強、聞建龍、賈衛東等專家教授，在建立室內靜電噴霧實驗系統和大量實驗的前提下，依托一系列的國家“863”計劃、“十一五”重大科技專項、國家自然科學基金等項目，成功突破靜電噴霧技術的種種難關，研制了多種靜電噴霧機械。其中朱和平建立了帶電霧滴直徑同電壓、液滴表面張力、動力粘性系數、液體與氣流的相對速度等參數的關系式。鄭加強建立了描述風動轉籠式靜電噴頭霧滴尺寸的數學模型。聞建龍認為液體的電導率對于靜電噴霧的霧化質量和充電效果有較大影響。對水等電導率較好的液體，環狀感應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。余揚證明了感應式充電效果最佳，并確認工作充電電壓僅為3.5～4.5 kV便可獲得足夠的充電效果。羅惕乾建立了環狀電極充電電場的數學模型。周浩生建立了霧滴體積中徑、荷質比和電極電壓、組合電極、氣液流量與壓力間的函數關系。金晗輝認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，且輸運相直接決定了噴霧的范圍和射程。北京海農技術研究所在3WFB-18型背負式機動植保多用機上加靜電噴頭和高壓靜電發生器，改裝成 3WFB-18J型背負式機動靜電噴霧機。

“十一五”以來，國家有關靜電噴霧施藥技術的科研項目有“十一五”國家科技支撐計劃重大項目“農業裝備重大產品關鍵技術與裝置研制”；國家863重點項目“高稈作物高效施藥技術研究與裝備創制”和“蔬菜高效施藥技術研究與裝備創制”；國家自然科學基金項目“荷電霧滴群撞擊植株靶標界面的動力學過程研究”、“藥霧沉降及噴霧效果的圖像解析和空氣中農藥的密度與分布”；科技部支撐計劃重點項目“高效施藥技術研發與示范”；農業部行業科研專項“小型植保機械綜合防治技術集成與示范”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業大學的果園自動對靶靜電噴霧機；鎮江捷成植保科技有限公司生產的四驅爬山靜電打藥機；蘇州稼樂植保機械科技有限公司生產的噴桿式靜電噴霧機、直噴式靜電噴霧機、推車式靜電噴霧機和車載式靜電噴霧機，其中3WBJ-15DB型背負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，按承載方式區分有背負式靜電噴霧器和車載式靜電噴霧機等。

3 靜電噴霧技術的應用前景及研究方向

3.1 應用前景

隨著對農作物單產要求的提高，化肥和農藥的使用量逐漸增多，農藥安全和環境問題凸現，農業環境污染問題日益突出。農藥是農業生產重要的污染源，科學的農藥噴灑方式是控制污染的有效環節。由于靜電噴霧穿透力強、命中率高，飄失少、覆蓋均勻，可以提高藥劑的利用率降低農業生產成本的特點，隨著其技術及產品的日益成熟，植物保護上使用靜電噴霧器械也將越來越普遍，在不久的將來，取代常規噴藥器械的趨勢很明顯，將在農林、草原甚至衛生防疫等方面得到普遍應用。美國工程院院士、農業靜電噴霧創始人Edward Law在2001年發表的文章中指出，21世紀靜電噴霧的發展趨勢是植保機械與農學技術的有效融合。

雖然靜電噴霧技術研究和試驗了多年，但是靜電噴霧技術現在仍存在很多亟待解決的問題，例如選定理想荷質比、最佳荷電方式、設計生產噴霧射程遠、霧滴粒譜均勻的優質噴頭、減少漏電及觸電危險等。在靜電噴霧技術領域還有很多工作要做。

3.2 研究方向

（1）應用現代儀器設備如激光多普勒測速儀、高速照相機等，研究充電理論、靜電霧化、建立精確的數學模型。

（2）綜合運用大數據、云計算技術，實現靜電噴霧的電壓、電量數字調節。

（3）使用計算機模擬技術來改進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，例如研究適用于高大植物的高射程靜電噴霧機，解決高大植物的病蟲害防治難題。

（6）根據用戶需求可以安裝衛星定位系統、定量噴藥系統等。

4 結語

靜電噴霧具有十分廣闊的發展前景。應運用現代研究方法和新手段擴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，從細微處入手，務必在靜電噴霧機械的性能上下大功夫，攻破核心關鍵技術，推出實用產品。

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