靜電式殘膜分離裝置吸附效率的研究

徐愛英 牛旭+胡蕓莎

摘要：為解決新疆棉田殘膜回收難題，研究了在高壓靜電場條件下，極板間距、殘膜面積對殘膜-土壤靜電分離裝置吸附效率及對應(yīng)電場強度的影響。研究結(jié)果表明，靜電吸附方法可以用于殘留地膜的回收，吸附效率與極板間距模擬方程為線性方程；當(dāng)極板高度為6 cm，殘膜面積為16 cm2時，吸附效率為96.67%；經(jīng)過對比試驗，吸附高度在 6～10 cm，有土條件下不同面積殘膜的吸附電場強度比無土條件穩(wěn)定。研究結(jié)果可為下一步靜電式殘膜回收機的研制提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：棉田；高壓靜電場；殘留地膜；靜電吸附；吸附效率；電場強度

中圖分類號： S125文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）05-0204-03

地膜覆蓋技術(shù)從20世紀50年代起在美國、日本和歐洲開始使用，由于經(jīng)濟效益較好，在世界各國得到廣泛的應(yīng)用。我國自20世紀70年代引入地膜覆蓋技術(shù)，其保土、保溫、提高作物產(chǎn)量等特點，促進了我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1]。我國大部分地區(qū)使用的殘膜為聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）[2]。由于殘膜回收不完整和自然條件對地膜的破壞，造成大量的殘膜碎片混入了土壤之中。這種物質(zhì)在土壤中會存留200～400年而不降解，成為環(huán)境保護的一個重大問題。新疆每年覆膜量的20%以上殘留在土壤中，殘留量是全國平均地膜殘留量的4～5倍[3-4]。阿克蘇地區(qū)棉田平均地膜殘留量達 134.09 kg/hm2，屬于重度污染區(qū)[5]。現(xiàn)階段新疆地區(qū)殘膜回收還是采取人工和機械回收相結(jié)合的方式，殘膜回收機具普遍存在殘膜回收工作效率低的問題，特別是春播前殘膜回收機[6-9]系列，由于殘膜風(fēng)化時間長，殘膜成為小碎片，因此殘膜回收效率不高。

靜電技術(shù)[10]作為一門新興的邊緣學(xué)科，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到農(nóng)業(yè)的各個領(lǐng)域，甚至作為改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方式和手段之一[11-12]。在塑料分離回收等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中靜電技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛[13-16]。伴隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科技化，農(nóng)業(yè)科研和生產(chǎn)很多環(huán)節(jié)應(yīng)用靜電技術(shù)，本研究利用靜電吸附原理來對殘膜進行回收。當(dāng)一個帶有靜電的物體靠近另一個不帶靜電的物體時，由于靜電感應(yīng)，沒有靜電的物體內(nèi)部靠近帶靜電物體的一邊會集聚與帶電物體所攜帶電荷相反極性的電荷（另一側(cè)產(chǎn)生相同數(shù)量的同極性電荷），由于異性電荷互相吸引，就會表現(xiàn)出靜電吸附現(xiàn)象。由于殘膜與農(nóng)用耕地介電系數(shù)相差很大，理論上可以用靜電分離法進行分離。本試驗研究在高壓靜電場條件下，極板間距和殘膜面積對殘膜吸附效率及對應(yīng)的電場強度的影響規(guī)律。

1材料與方法

1.1試驗儀器

試驗所用的靜電發(fā)生器是ZGF-60 kV/2 mA直流高壓靜電發(fā)生器，它可把交流220 V整流到0～50 kV。吸附裝置由上、下2個平行極板組成，下極板固定，上極板可上下移動從而改變殘膜的吸附高度；將殘膜和土置于平行板電極形成的勻強電場中，分別改變電壓值和高度來改變電場強度進而觀察對殘膜的吸附情況。電子天平FA1004，可以精確地測量殘膜和土的質(zhì)量。

1.2試驗材料

試驗使用的殘留地膜和土是來源于新疆阿拉爾市10團未耕作棉花地，采集深度0～20 cm。試驗前除去雜質(zhì)，將土壤與殘膜分開，土壤研磨過篩后，在恒溫箱中進行烘干。按照 1 ∶[KG-*3]1 ∶[KG-*3]1 ∶[KG-*3]1 的比例加適當(dāng)?shù)乃渲瞥刹煌瑵穸鹊臉颖就粒寥罉悠费b入相同大小的容器內(nèi)靜置24 h，保證土壤樣品的均勻性。將殘膜樣本按照4、9、16、25 cm2大小裁剪成正方形，隨機取20片平鋪于下極板。

1.3試驗方法

試驗電路見圖1，自制吸附裝置的下極板是固定的，上極板可以上下調(diào)節(jié)高度。首先按照電路圖連線，調(diào)節(jié)上極板高度，記錄此時極板高度，選取土壤樣品和地膜稱質(zhì)量后平鋪在自制吸附裝置的下極板，地膜平鋪20片。打開電源，接通高通信號，緩慢調(diào)節(jié)電壓值，當(dāng)?shù)啬の皆谏蠘O板數(shù)量最多時停止調(diào)節(jié)，讀出電壓值，記錄此時上極板所吸附的殘膜片數(shù)。緩慢調(diào)節(jié)電壓值至最小，使用放電棒放電，直至放電完成。每次試驗后，將升壓電位器調(diào)回到零位（粗調(diào)、細調(diào)都回零位），按綠色按鈕，切斷高壓并關(guān)閉電源開關(guān)，最后進行放電。

為了保證試驗的準確性，試驗在相同的環(huán)境下進行。在指定高度下，將相同大小的殘膜放在自制靜電吸附裝置下極板進行吸附試驗，測定上極板吸附效率最大值，每組試驗測量

6次，取6次的平均值作為試驗結(jié)果；即此電壓是在高度一定的情況下，同形狀的殘膜吸附效率最高。通過殘膜吸附的靜電電壓值和吸附高度可以得到電場強度。

吸附效率是試驗加入電壓后吸附在上極板的殘膜片數(shù)與試驗前在下極板中的殘膜片數(shù)的比值。

2結(jié)果與分析

2.1極板間距對吸附效率及電場強度的影響

2.1.1無土條件下

殘膜的吸附效率隨極板間距的變化規(guī)律見圖2，對應(yīng)模擬曲線方程和相關(guān)系數(shù)見表1。從圖2可以看出，對相同面積的殘膜，隨著上下極板間距的變大，殘膜吸附效率隨之下降，變化關(guān)系的模擬曲線為一次線性方程，相關(guān)系數(shù)在0.95以上，模擬的曲線方程效果非常好。當(dāng)殘膜面積為16、25 cm2，吸附高度為6、8 cm時，吸附效率為 83.33%～93.33%。

可以看出，對不同面積的殘膜，隨著極板間距增高，吸附效率高所對應(yīng)的電場強度也隨之增大；但對相同面積的殘膜，隨著極板間距增高，吸附效率高所對應(yīng)的電場強度上下波動，波動范圍在0.187～0.72 kV/cm之間。

2.1.2干土條件下

殘膜的吸附效率隨極板間距的變化規(guī)

可以看出，對不同面積的殘膜，隨著極板間距增高，吸附效率高所對應(yīng)的電場強度也隨之增大；但對相同面積的殘膜，隨著極板間距增高，吸附效率高所對應(yīng)的電場強度上下波動很小，波動范圍為0～0.173 kV/cm。在下極板有土、相同高度條件下，殘膜的吸附電場強度基本相同，在極板間距12、14 cm條件下電場有波動，但變化幅度不大。

2.2殘膜面積對吸附效率及電場強度的影響

2.2.1無土條件下

在下極板無土條件下，極板間距分別為

6、8、10 cm時，殘膜的吸附效率隨殘膜面積的變化規(guī)律見圖6。從圖6可以看出，在極板間距一定的條件下，隨著殘膜面積增大，殘膜的吸附效率先升高后降低，最高值對應(yīng)的殘膜面積是16 cm2，6、8 cm處的吸附效率分別為93.33%、83.33%，效果最差的是4 cm2，6、8 cm處的吸附效率分別為3583%、24.17%。

在同等條件下，殘膜的電場強度隨殘膜面積的變化規(guī)律見圖7。從圖7可以看出，對極板間距一定的條件下，隨殘膜面積的增大，電場強度有所增加，增加范圍為 0.598～0.720 kV/cm。

2.2.2干土條件下

下極板平鋪193.05 g被干燥后的土壤條件下，極板間距分別為6、8、10 cm時，殘膜的吸附效率隨殘膜面積的變化規(guī)律見圖8。從圖8可以看出，在極板間距一定的條件下，隨著殘膜面積變大，殘膜的吸附效率先升高后降低，最高值對應(yīng)的殘膜面積是16 cm2。整體來看在下極板有土的條件下，極板間距分別為6、8 cm時，吸附效率有明顯增加，對面積為4、9 cm2的殘膜尤為顯著。

可以看出，在同等條件下，殘膜的電場強度隨殘膜面積的變化規(guī)律見圖9。對極板間距一定的條件下，隨殘膜面積的增大，電場強度增加微小，增加范圍為0～0.011 kV/cm，接近直線。在下極板有土條件下，不同面積殘膜的吸附電場強度比較穩(wěn)定。

3結(jié)論與討論

針對殘膜對新疆地區(qū)棉花生產(chǎn)的影響，筆者提出靜電吸附回收殘膜的思路，并研究在高壓靜電場條件下，極板間距和殘膜面積對殘膜吸附效率及對應(yīng)的電場強度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，殘膜的吸附效率隨極板高度增大的擬合曲線為一次線性方程，擬合度較好，吸附效率最高達96.67%；殘膜面積的大小對吸附效率有影響，殘膜面積為16 cm2時，吸附效率為83.33%～96.67%；經(jīng)過對比試驗，殘膜面積為4、9 cm2 時，有土條件下的吸附效率比無土條件提高；下極板有土條件下相對無土條件，吸附高度在6～10 cm，吸附效率最高所對應(yīng)的電場強度不隨殘膜面積大小改變，即不同面積殘膜的吸附電場強度比較穩(wěn)定。因此，殘留地膜用靜電吸附方法分離可行，本研究結(jié)果對研究新型靜電吸附殘膜回收機提供了理論依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

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