磁場對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。【方法】設計磁化除草劑溶液表面張力試驗和磁化噴霧霧滴粒徑試驗，記錄不同磁場強度和磁化時長2 個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；并對數(shù)據(jù)進行擬合，給出符合數(shù)據(jù)變化的函數(shù)關系式。【結(jié)果】在磁場強度為50～500 mT、磁化時長為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度和磁化時長的增加呈現(xiàn)先下降后回升的趨勢；當磁場強度為350 mT、磁化時長為15.0 min 時，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%。對表面張力數(shù)據(jù)進行擬合，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。【結(jié)論】磁化作用并不是磁場強度越大或磁化時長越長磁化效果越好，而是存在最佳磁化處理強度和磁化時長；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)關系式，三次多項式函數(shù)可作為350 mT 磁場強度下霧滴粒徑調(diào)控模型。

關鍵詞： 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： S499文獻標志碼： A 文章編號： 1001-411X（2023）02-0324-09

生物磁學（Biomagnetism） 是生物學和磁學相互交叉的一門新型學科，主要探究生物磁效應及磁現(xiàn)象、外磁場對生物體的影響[1-2]。生物磁學方向的研究已吸引眾多領域相關專家的高度關注。生物磁學目前已經(jīng)普遍應用于環(huán)境保護工程、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等許多領域，且已取得巨大的收益，其中，在農(nóng)、林業(yè)領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 磁場強度下磁化時間從1 min 增加到13 min 時，水溶液表面張力從68.5 mN/m 下降到62.5 mN/m。對礦井水、純水和自來水在不同磁場強度及不同磁化時長下表面張力的變化規(guī)律進行研究，發(fā)現(xiàn)并不是磁場強度越大或磁化時間越長磁化效果就越好，而是存在最佳磁場強度和最佳磁化時間；在不同的磁場強度下，表面張力隨磁化時間的延長呈先減小后增加的趨勢，在磁場強度為300 mT、磁化時間為15 min 時表面張力下降幅度最大，為25%[ 9 - 1 2 ]。Toledo 等[ 1 3 ]和Wang 等[14] 研究了磁場強度為270、530 mT，磁化時長為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行對比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)磁化后自來水的表面張力均有所減小。

上述研究均是針對磁化作用對自來水、純水或礦井水表面張力的影響進行的，當前相關領域鮮見在磁化作用對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關系[15-16]，目前磁化作用對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和磁化噴霧霧滴粒徑試驗，研究磁化作用對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、霧滴粒徑與磁場強度和磁化時間的二元函數(shù)，為研究磁化除草劑機理提供理論參考；并使用固定磁場強度調(diào)整磁化時長，給出控制除草劑噴霧霧滴粒徑的函數(shù)關系式，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 試驗設備

表面張力儀（本創(chuàng)儀器，BCZ-600，測試范圍：0～200 mN/m，準確度：±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，高步進分辨率：0.1 mA，北京市）；數(shù)字高斯計（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，重復性誤差：<3%，單次測試時長：1～2 min，獨立探測單元數(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設計

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，因此在試驗過程中保持試驗環(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。設定最短磁化時間為5.0 min，最長磁化時間為25.0min，以5 min 為公差進行遞增磁化，實際磁化時長可根據(jù)試驗結(jié)果進行細化調(diào)整，試驗中實際磁化時長見表1，試驗共分11 組處理，處理1 為對照組，處理2～11 為試驗組，共48 組試驗，每組試驗重復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)準確性，重復測3 次取平均值，為63.5 mN/m，當作對照值。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)。之后每個處理的磁場強度遞增50 mT，且各處理的操作步驟參照處理2 進行。

1.3 磁化除草劑溶液霧滴粒徑試驗設計

噴施壓力是影響噴霧霧滴粒徑的關鍵因素[19-20]，試驗中通過手動調(diào)整隔膜泵調(diào)壓螺絲，設定噴施壓力為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]，所有試驗組霧滴粒徑測試點設定為扇形噴面對稱中心線上距離噴頭40 cm 處。試驗環(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）設為1 m，按照除草劑與自來水1∶300 的體積比配置試驗溶液。

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，所有試驗組使用的溶液均參照常規(guī)方式以一定流速通過磁場進行磁化[22]。為增加磁化效果，使用多排管和循環(huán)磁化方式對溶液進行增效磁化，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設計同表1，循環(huán)磁化時長與靜態(tài)磁化時長對應一致，對照組與試驗組共48 組試驗。處理1 不進行磁化處理，用霧滴粒徑儀重復測3 次取平均值，為122.47 μm，當作對照值，試驗中以體積中值直徑（Volume mediandiameter，VMD） 表示霧滴直徑。處理2 設置磁場強度為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)。之后每個處理磁場強度遞增50 mT，操作步驟參照處理2 進行。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度和磁化時長2 個因素共同作用對除草劑溶液表面張力的影響規(guī)律，建立以磁場強度和磁化時長為自變量、以溶液表面張力為因變量的二元函數(shù)，使用OriginPro 2018 繪制磁場強度和磁化時長對表面張力影響規(guī)律的空間曲面分布圖（圖5）。由圖5 可以看出，磁場強度和磁化時長對溶液表面張力影響規(guī)律的空間曲面分布圖呈峰值為負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度越大或者磁化時間越長，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度和磁化時長。磁化除草劑溶液表面張力試驗結(jié)果見表2。當磁場強度為350 mT、磁化時長為15.0 min 時，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

為了進一步分析并預測試驗中未涉及到的磁場強度和磁化時長對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度和磁化時長變化的函數(shù)關系，使用OriginPro 2018 非線性曲面擬合功能分別對磁化除草劑溶液表面張力數(shù)據(jù)進行最小二乘法多項式擬合、高斯擬合和洛倫茲擬合，函數(shù)關系式分別為公式（1）（2）（3）。

多項式擬合模型的參數(shù)（平均值±標準誤） 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度和磁化時長對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，說明預測模型描述試驗數(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度和磁化時長的關系式見公式（4），為研究磁化作用對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

在不同磁場強度和不同磁化時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結(jié)果見表5。當磁場強度為350 mT、循環(huán)磁化時長為15.0 min 時，噴霧霧滴粒徑達到最小值，為108.75 μm，下降11.20%。多數(shù)試驗證明單個霧滴所產(chǎn)生的影響遠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，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對比，在50～500 mT磁場范圍內(nèi)，表面張力與霧滴粒徑均隨磁化時長的增加呈現(xiàn)先下降后回升的趨勢，兩者總體變化趨勢一致，但變化率不同，這可能是磁化方式和磁化溶液量不同導致的。該結(jié)果同樣表明并不是磁化處理時間越長或磁場強度越大，噴霧的霧滴粒徑就越小，而是存在處理效果最佳的磁場強度和磁化時長。

3 結(jié)論與討論

1） 在0～500 mT 磁場強度范圍內(nèi)，當磁場強度為350 mT、磁化時間為15.0 min 時，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度和磁化時長的增加均呈現(xiàn)先下降后回升的趨勢，表明只有在特定磁場強度和磁化時長范圍內(nèi)磁化效果才最佳。

2） 對磁化除草劑溶液表面張力和噴霧霧滴粒徑進行擬合處理，洛倫茲擬合模型最符合除草劑溶液表面張力受磁場強度和磁化時長影響的變化規(guī)律，以洛倫茲模型函數(shù)作為表面張力與磁場強度和磁化時長的函數(shù)關系式；多項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度和磁化時長影響的變化規(guī)律，以固定磁場強度調(diào)整磁化時長的方法給出了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、磁化溶液量等多種因素都可能對磁化效果產(chǎn)生影響，在后續(xù)研究中應盡可能建立有多影響因素參數(shù)的函數(shù)關系式；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系模型來優(yōu)化磁化作用與霧滴粒徑的函數(shù)關系式。

參考文獻：

張東彥， 蘭玉彬， 陳立平， 等. 中國農(nóng)業(yè)航空施藥技術研究進展與展望[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報， 2014， 45（10）： 53-59.

李蓮芝， 閻志平. 生物磁學在農(nóng)業(yè)上的應用現(xiàn)狀芻議[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學學報， 1991（3）： 325-332.

IM C H， JUN S C， SEKIHARA K. Recent advances inbiomagnetism and its applications[J]. Biomedical EngineeringLetters， 2017， 7（3）： 183-184.

趙振保. 磁化水的理化特性及其煤層注水增注機制[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版）， 2008， 27（2）：192-194.

ZHOU Q， QIN B T， WANG F， et al. Experimental investigationon the performance of a novel magnetized apparatusused to improve the dust wetting features of surfactant-magnetized water[J]. Powder Technology， 2019，354： 149-157.

丁振瑞， 趙亞軍， 陳鳳玲， 等. 磁化水的磁化機理研究[J]. 物理學報， 2011， 60（6）： 432-439.

CAI R， YANG H W， HE J S， et al. The effects of magneticfields on water molecular hydrogen bonds[J]. Journalof Molecular Structure， 2009， 938（1/2/3）： 15-19.

LEE S H， JEON S I， KIM Y S， et al. Changes in the electricalconductivity， infrared absorption， and surface tensionof partially-degassed and magnetically-treated water[J]. Journal of Molecular Liquids， 2013， 187： 230-237.

MOOSA G M， KHULAEF J H， KHRAIBT A C， et al.Effect of magnetic water on physical properties of differentkind of water， and studying its ability to dissolvingkidney stone[J]. Journal of Natural Sciences Research，2015， 5（18）： 85-94.

HUO Z F， ZHAO Q， ZHANG Y H. Experimental studyon effects of magnetization on surface tension ofwater[J]. Procedia Engineering， 2011， 26： 501-505.

LIU J S， CAO Y. Experimental study on the surface tensionof magnetized water[J]. International Communicationsin Heat and Mass Transfer， 2021， 121： 105091. doi：10.1016/j.icheatmasstransfer.2020.105091.

聶百勝， 丁翠， 李祥春， 等. 磁場對礦井水表面張力影響規(guī)律的實驗研究[J]. 中國礦業(yè)大學學報， 2013， 42（1）：19-23.

TOLEDO E J L， RAMALHO T C， MAGRIOTIS Z M.Influence of magnetic field on physical-chemical propertiesof the liquid water： Insights from experimental andtheoretical models[J]. Journal of Molecular Structure，2008， 888（1/2/3）： 409-415.

WANG Y F， ZHANG B， GONG Z B， et al. The effect ofa static magnetic field on the hydrogen bonding in waterusing frictional experiments[J]. Journal of MolecularStructure， 2013， 1052： 102-104.

王玲， 蘭玉彬， HOFFMANN W C， 等. 微型無人機低空變量噴藥系統(tǒng)設計與霧滴沉積規(guī)律研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報， 2016， 47（1）： 15-22.

文晟， 蘭玉彬， 張建桃， 等. 農(nóng)用無人機超低容量旋流噴嘴的霧化特性分析與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2016，32（20）： 85-93.

ESMAEILNEZHAD E， CHOI H J， SCHAFFIE M， et al.Characteristics and applications of magnetized water as agreen technology[J]. Journal of Cleaner Production，2017， 161： 908-921.

張偉偉， 張志峰， 薄華濤， 等. 磁化水性能的時效性研究[J]. 機電工程技術， 2020， 49（2）： 71-73.

鄭志雄， 薛秀云， 宋淑然， 等. 基于PDA 系統(tǒng)單噴嘴霧滴參數(shù)的試驗研究[J]. 農(nóng)機化研究， 2021， 43（2）： 110-117.

代秋芳， 洪添勝， 宋淑然， 等. 壓力及孔徑對管道噴霧空心圓錐霧噴頭霧滴參數(shù)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2016， 32（15）： 97-103.

王雙雙， 何雄奎， 宋堅利， 等. 農(nóng)用噴頭霧化粒徑測試方法比較及分布函數(shù)擬合[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2014，30（20）： 34-42.

秦波濤， 周剛， 周群， 等. 煤礦綜采工作面活性磁化水噴霧降塵技術體系與應用[J]. 煤炭學報， 2021， 46（12）：3891-3901.

袁會珠， 王國賓. 霧滴大小和覆蓋密度與農(nóng)藥防治效果的關系[J]. 植物保護， 2015， 41（6）： 9-16.

蘭玉彬， 彭瑾， 金濟. 農(nóng)藥噴霧粒徑的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學學報， 2016， 37（6）： 1-9.

【責任編輯 李慶玲】