超低量静电喷雾质量影响因素分析

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　　摘 要：阐述了静电喷雾的原理及三种充电方式，每种充电方式的特点。明确当今国际静电喷雾植保机械大多采用感应式充电方式，分析了感应式充电方式静电喷雾质量的评价指标，以及喷雾质量的影响因素分析。
　　关键词：静电喷雾;喷雾质量;影响因素
　　中图分类号：S491        文献标识码：A开放科学（资源服务）标识码
　　doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.01.004Open Science Identity（OSID）
　　0 引言
　　2015年，农业部提出到2020年实现 “一控两减三基本”的目标任务，其中：“两减”就是农药化肥施用量减少，旨在采取综合措施力保农业绿色发展。2018年，国务院发布《打赢蓝天保卫战三年行动计划的通知》，明确要求“减少化肥农药使用量，增加有机肥使用量，实现化肥农药使用量负增长”。农药使用量由零增长向负增长转变，农药有效利用率必须大幅度提高。我国农药有效利用率仅为30%，而发达国家为60%～70%，真正到达害虫体的药量仅为施药量的1%～3%。与农药的技术创新相比，植保机械研发落后国际水平更多。目前，国内正在使用的植保机械产品有70%达国际20世纪60～70年代技术水准，约10%达20世纪80年代末90年代初水平。当今植保机械的发展趋势是：精细、低量、对靶性。因此，有针对性的开发此类植保机械势在必行。其中静电喷雾技术因为具有附着性好、药效高、节水节药、污染少等优点，逐渐受到重视。
　　1 静电喷雾技术原理
　　静电喷雾技术利用高压静电发生器产生的静电高压通过电极使喷头喷出的雾滴带负电荷，由于静电高压的存在，会在电极与大地包括大地生长的靶标作物之间形成静电场。带电雾滴在电场力、重力等作用下，附着靶标作物的各个部位，即叶片正面、背面或隐蔽部位等（如图1）。
　　雾滴充电方式有三种：电晕式、感应式、接触式。
　　电晕充电方式（如图2a）为在被施加静电负高电压的针式电极与接地的环形电极间存在电势差，使针式电极端发生电晕放电，附近产生大量正负离子。正离子瞬时被针式电极吸附并转为中性，负离子受到同性针式电极的排斥在周围形成离子区。从喷头喷出的雾滴经过离子区时与离子相撞带上负电荷。Arnold与Pye研制了一种基于离心式雾化的电晕式喷头，进行了针对不同作物的试验。静电电压为30 kV，雾滴直径小于100 μm，流量25 mL/min，雾滴荷质比为5 mC/kg。此电晕式喷头田间试验药效优于常规喷雾，但冠层穿透性不理想。Ganzelmeier与Moser研制了一种液力式电晕式喷头，静电电压高达70 kV。小麦田间喷雾试验：相对常规喷雾，小麦旗叶沉积量增加90%，叶片背面沉积量增加100%，冠层下部的沉积量基本不变。增加2.3 m/s的风助，冠层下部的沉积量达到50%。Gan-Mor等研制一种电晕式喷粉喷头应用于果树的人工授粉：杏树花粉沉积量增加13%;枣树通过本喷头授粉大幅度减少花粉使用量;开心果经本喷头授粉产量增加显著。电晕充电电压一般大于20 kV，绝缘要求较高，电源供电能力要求较高。
　　感应充电方式（如圖2b）为喷头喷出的雾滴经过被施加静电正高电压的环形电极时，通过感应带上负电荷。Law研制了一种气力式感应式喷头，静电电压小于1 kV，雾滴直径30～50 μm，流量70～100 mL/min，雾滴荷质比为10 mC/kg。此喷头经卷心菜田间试验沉积量是常规喷雾的7倍，棉花的沉积量是常规喷雾的2倍。Castle与Inculet研制一种气流剪切式感应喷头，气流速度80 m/s，静电电压为18 kV，雾滴直径小于80 μm，雾滴荷质比为1 mC/kg。田间试验树冠下部沉积量与常规喷雾相同，但树冠上部沉积量增加85%，极大改善树冠整体的沉积分布。Marchant与Green研制了一种液力式感应喷头，静电电压为10 kV，设计带孔电极靠真空吸水保持电极干燥。产生大小不同的雾滴，小雾滴带电荷多，靶标背面沉积量大。大雾滴带电荷少，冠层穿透力加强。电晕充电电压一般远小于20 kV，绝缘要求不高，电源供电能力要求不高。
　　接触充电方式（如图2c）为被施加静电负高电压的针式电极直接浸入药液中，使药液带负电荷，从喷头喷出的雾滴也带上负电荷。Coffee研制了一种手持式接触式静电喷雾器，使用油剂，静电电压为25 kV，依靠静电高电压在液膜上生成的驻波使药液雾化。特点：原液农药超低量喷雾，不需要水;雾化和雾滴输送不需要机械力;通过调整静电压或流量调整雾滴直径（40～200 μm）;飘移损失少;靶标正背面附着好等。接触式静电电压一般大于20 kV，绝缘要求较高，电源供电能力要求较高。
　　依据雾滴带电荷的数量由多到少排序：接触式、感应式和电晕式。但由于接触式和电晕式静电电压均大于20 kV，绝缘要求高，安全隐患大。因此，国际静电喷雾设备以感应式充电方式最普遍。本文以下内容仅就感应式进行讨论，特此说明。
　　2 静电喷雾质量评价指标
　　田间测试时，相同地块、相同作物、相同病虫草害、相同农药、相同喷药时间、不同喷药机具即静电喷雾与常规喷雾设备，对比病虫草害防治效果。如果病虫草害防治效果接近或相同，可以对比相同农药的使用量区分喷雾质量。静电喷雾质量的重要指标为：荷质比、雾滴粒径、雾滴均匀度（DR）和雾滴速度分布等。当荷质比越大，雾滴粒径越小，雾滴均匀度越高，雾滴速度分布越均匀，那么雾滴附带电荷就越多，雾滴输送越远，沉积量越大越均匀，即作业效果越优越。
　　荷质比即单位时间内雾滴群所带电荷量Q与雾滴群总质量m之比。
　　荷质比可以采用网状目标法、法拉第筒法或模拟目标法测试。采用网状目标法（如图3），皮安表测放电电流，量杯收集的测试时间t内液体的质量由称重传感器测定。 　　由于雾滴的大小极其不均匀，通常将雾滴视为球体，用有足够代表性的平均直径或中值直径来代替真实的雾滴粒径。常用参数：雾滴体积中值直径（VMD）、雾滴数量中值直径（NMD）、雾滴均匀度。将取样雾滴的体积按雾滴大小顺序累计，当累计到体积值等于取样雾滴体积总和的50%时，所对应的雾滴直径就是雾滴群的体积中值直径。将取样雾滴数量按雾滴大小顺序累计，当累计到雾滴数量等于取样雾滴总数的50%时，所对应的雾滴直径就是雾滴群的数量中值直径。雾滴数量中值直径除以雾滴体积中值直径所得数值就是雾滴均匀度。上述雾滴参数和速度分布可利用不同检测仪器测试，如相位多普勒离子分析仪（Phase Doppler Particle Analyser，PDPA）、离子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，PIV）、粒子动态分析仪（Phase Doppler Analyser，PDA）、激光粒子图像分析测试系统（Paticle Droplet Image Analysis，PDIA）等。
　　3 静电喷雾质量的影响因素分析
　　静电喷雾质量的影响因素较多，以下分析是在其他条件不变的情况下，只针对一个因素变化对喷雾质量的影响叙述。另外，不同工作原理（液力式、气力式和离心式）、不同结构形式的喷头需要具体分析下列不同因素的影响程度。
　　3.1 静电高电压
　　随着静电高电压的增加，雾滴放电电流有所增加，荷质比也相应增大。但感应式充电方式中，静电高电压增加到某值时，会出现电晕现象，荷质比反而下降，充电效果下降。静电高电压的变化对雾滴体积中值直径的影响较小，即静电高电压有利于雾滴超细雾化，但影响程度较小。雾滴均匀度随电压增加明显增加，但到达某一压力时，均匀度也逐渐变小。
　　3.2 喷头压力
　　随着喷头压力的增加，雾滴荷质比先增大后变小。
　　3.3 环形电极
　　 雾滴荷质比随电极直径增大而减小。雾滴荷质比随喷头与电极间距增大而增大。仿形环形电极（如图4）荷质比更好。
　　3.4 农药品类介电常数
　　药液的导电率和介电常数也对雾滴荷质比有一定影响，导电率和介电常数与针对病虫草害所选择的农药品类及其稀释程度有关，导电率与荷质比正相关，而介电常数与荷质比负相关。
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