超低量靜電噴霧質量影響因素分析

馬君 孫先明 東忠閣

摘 要：闡述了靜電噴霧的原理及三種充電方式，每種充電方式的特點。明確當今國際靜電噴霧植保機械大多采用感應式充電方式，分析了感應式充電方式靜電噴霧質量的評價指標，以及噴霧質量的影響因素分析。

關鍵詞：靜電噴霧;噴霧質量;影響因素

中圖分類號：S491 ? ? ? ?文獻標識碼：A開放科學（資源服務）標識碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.01.004Open Science Identity（OSID）

0 引言

2015年，農業部提出到2020年實現 “一控兩減三基本”的目標任務，其中：“兩減”就是農藥化肥施用量減少，旨在采取綜合措施力保農業綠色發展。2018年，國務院發布《打贏藍天保衛戰三年行動計劃的通知》，明確要求“減少化肥農藥使用量，增加有機肥使用量，實現化肥農藥使用量負增長”。農藥使用量由零增長向負增長轉變，農藥有效利用率必須大幅度提高。我國農藥有效利用率僅為30%，而發達國家為60%～70%，真正到達害蟲體的藥量僅為施藥量的1%～3%。與農藥的技術創新相比，植保機械研發落后國際水平更多。目前，國內正在使用的植保機械產品有70%達國際20世紀60～70年代技術水準，約10%達20世紀80年代末90年代初水平。當今植保機械的發展趨勢是：精細、低量、對靶性。因此，有針對性的開發此類植保機械勢在必行。其中靜電噴霧技術因為具有附著性好、藥效高、節水節藥、污染少等優點，逐漸受到重視。

1 靜電噴霧技術原理

靜電噴霧技術利用高壓靜電發生器產生的靜電高壓通過電極使噴頭噴出的霧滴帶負電荷，由于靜電高壓的存在，會在電極與大地包括大地生長的靶標作物之間形成靜電場。帶電霧滴在電場力、重力等作用下，附著靶標作物的各個部位，即葉片正面、背面或隱蔽部位等（如圖1）。

霧滴充電方式有三種：電暈式、感應式、接觸式。

電暈充電方式（如圖2a）為在被施加靜電負高電壓的針式電極與接地的環形電極間存在電勢差，使針式電極端發生電暈放電，附近產生大量正負離子。正離子瞬時被針式電極吸附并轉為中性，負離子受到同性針式電極的排斥在周圍形成離子區。從噴頭噴出的霧滴經過離子區時與離子相撞帶上負電荷。Arnold與Pye研制了一種基于離心式霧化的電暈式噴頭，進行了針對不同作物的試驗。靜電電壓為30 kV，霧滴直徑小于100 μm，流量25 mL/min，霧滴荷質比為5 mC/kg。此電暈式噴頭田間試驗藥效優于常規噴霧，但冠層穿透性不理想。Ganzelmeier與Moser研制了一種液力式電暈式噴頭，靜電電壓高達70 kV。小麥田間噴霧試驗：相對常規噴霧，小麥旗葉沉積量增加90%，葉片背面沉積量增加100%，冠層下部的沉積量基本不變。增加2.3 m/s的風助，冠層下部的沉積量達到50%。Gan-Mor等研制一種電暈式噴粉噴頭應用于果樹的人工授粉：杏樹花粉沉積量增加13%;棗樹通過本噴頭授粉大幅度減少花粉使用量;開心果經本噴頭授粉產量增加顯著。電暈充電電壓一般大于20 kV，絕緣要求較高，電源供電能力要求較高。

感應充電方式（如圖2b）為噴頭噴出的霧滴經過被施加靜電正高電壓的環形電極時，通過感應帶上負電荷。Law研制了一種氣力式感應式噴頭，靜電電壓小于1 kV，霧滴直徑30～50 μm，流量70～100 mL/min，霧滴荷質比為10 mC/kg。此噴頭經卷心菜田間試驗沉積量是常規噴霧的7倍，棉花的沉積量是常規噴霧的2倍。Castle與Inculet研制一種氣流剪切式感應噴頭，氣流速度80 m/s，靜電電壓為18 kV，霧滴直徑小于80 μm，霧滴荷質比為1 mC/kg。田間試驗樹冠下部沉積量與常規噴霧相同，但樹冠上部沉積量增加85%，極大改善樹冠整體的沉積分布。Marchant與Green研制了一種液力式感應噴頭，靜電電壓為10 kV，設計帶孔電極靠真空吸水保持電極干燥。產生大小不同的霧滴，小霧滴帶電荷多，靶標背面沉積量大。大霧滴帶電荷少，冠層穿透力加強。電暈充電電壓一般遠小于20 kV，絕緣要求不高，電源供電能力要求不高。

接觸充電方式（如圖2c）為被施加靜電負高電壓的針式電極直接浸入藥液中，使藥液帶負電荷，從噴頭噴出的霧滴也帶上負電荷。Coffee研制了一種手持式接觸式靜電噴霧器，使用油劑，靜電電壓為25 kV，依靠靜電高電壓在液膜上生成的駐波使藥液霧化。特點：原液農藥超低量噴霧，不需要水;霧化和霧滴輸送不需要機械力;通過調整靜電壓或流量調整霧滴直徑（40～200 μm）;飄移損失少;靶標正背面附著好等。接觸式靜電電壓一般大于20 kV，絕緣要求較高，電源供電能力要求較高。

依據霧滴帶電荷的數量由多到少排序：接觸式、感應式和電暈式。但由于接觸式和電暈式靜電電壓均大于20 kV，絕緣要求高，安全隱患大。因此，國際靜電噴霧設備以感應式充電方式最普遍。本文以下內容僅就感應式進行討論，特此說明。

2 靜電噴霧質量評價指標

田間測試時，相同地塊、相同作物、相同病蟲草害、相同農藥、相同噴藥時間、不同噴藥機具即靜電噴霧與常規噴霧設備，對比病蟲草害防治效果。如果病蟲草害防治效果接近或相同，可以對比相同農藥的使用量區分噴霧質量。靜電噴霧質量的重要指標為：荷質比、霧滴粒徑、霧滴均勻度（DR）和霧滴速度分布等。當荷質比越大，霧滴粒徑越小，霧滴均勻度越高，霧滴速度分布越均勻，那么霧滴附帶電荷就越多，霧滴輸送越遠，沉積量越大越均勻，即作業效果越優越。

荷質比即單位時間內霧滴群所帶電荷量Q與霧滴群總質量m之比。

荷質比可以采用網狀目標法、法拉第筒法或模擬目標法測試。采用網狀目標法（如圖3），皮安表測放電電流，量杯收集的測試時間t內液體的質量由稱重傳感器測定。

由于霧滴的大小極其不均勻，通常將霧滴視為球體，用有足夠代表性的平均直徑或中值直徑來代替真實的霧滴粒徑。常用參數：霧滴體積中值直徑（VMD）、霧滴數量中值直徑（NMD）、霧滴均勻度。將取樣霧滴的體積按霧滴大小順序累計，當累計到體積值等于取樣霧滴體積總和的50%時，所對應的霧滴直徑就是霧滴群的體積中值直徑。將取樣霧滴數量按霧滴大小順序累計，當累計到霧滴數量等于取樣霧滴總數的50%時，所對應的霧滴直徑就是霧滴群的數量中值直徑。霧滴數量中值直徑除以霧滴體積中值直徑所得數值就是霧滴均勻度。上述霧滴參數和速度分布可利用不同檢測儀器測試，如相位多普勒離子分析儀（Phase Doppler Particle Analyser，PDPA）、離子圖像測速技術（Particle Image Velocimetry，PIV）、粒子動態分析儀（Phase Doppler Analyser，PDA）、激光粒子圖像分析測試系統（Paticle Droplet Image Analysis，PDIA）等。

3 靜電噴霧質量的影響因素分析

靜電噴霧質量的影響因素較多，以下分析是在其他條件不變的情況下，只針對一個因素變化對噴霧質量的影響敘述。另外，不同工作原理（液力式、氣力式和離心式）、不同結構形式的噴頭需要具體分析下列不同因素的影響程度。

3.1 靜電高電壓

隨著靜電高電壓的增加，霧滴放電電流有所增加，荷質比也相應增大。但感應式充電方式中，靜電高電壓增加到某值時，會出現電暈現象，荷質比反而下降，充電效果下降。靜電高電壓的變化對霧滴體積中值直徑的影響較小，即靜電高電壓有利于霧滴超細霧化，但影響程度較小。霧滴均勻度隨電壓增加明顯增加，但到達某一壓力時，均勻度也逐漸變小。

3.2 噴頭壓力

隨著噴頭壓力的增加，霧滴荷質比先增大后變小。

3.3 環形電極

霧滴荷質比隨電極直徑增大而減小。霧滴荷質比隨噴頭與電極間距增大而增大。仿形環形電極（如圖4）荷質比更好。

3.4 農藥品類介電常數

藥液的導電率和介電常數也對霧滴荷質比有一定影響，導電率和介電常數與針對病蟲草害所選擇的農藥品類及其稀釋程度有關，導電率與荷質比正相關，而介電常數與荷質比負相關。

參考文獻：

[1]高潤良.超低量靜電噴霧設備評述[J].農業機械學報，1997，10（1）：111-117.

[2]金晗輝，王軍鋒，王澤，等.靜電噴霧研究與應用綜述[J].江蘇理工大學學報，1999，20（3）：16-19.

[3]宋琦，李林，吳妹，等.感應式高壓靜電噴頭霧滴荷電效果影響因素分析[J].農機化研究，2017（10）：156-162.

[4]李揚，何雄奎，仲崇山. 霧滴荷電對噴霧沉積效果的影響[C]∥江樹人.第三屆“農藥與環境安全”國際學術研討會暨第七屆“植物化學保護和全球法規一體化”國際研討會論文集，北京：中國農業大學出版社，2007：260-265.

[5]姚江，王軍鋒，何曉崐，等.感應荷電噴霧靜電場分布規律與荷電特性[J].江蘇科技大學學報（自然科學版），2018，32（4）：497-502.

[6]王軍鋒，張付超，左子文.感應荷電過程中噴霧荷電特性影響規律實驗研究[J].高電壓技術，2017，43（2）：514-519.