静电喷雾技术在农业上的应用

孙先明 马君 东忠阁 祝天宇

摘 要：叙述了静电喷雾技术的原理和特点，概述了静电喷雾的发展过程、理论研究和试验的现状与进展，并探讨了静电喷雾在农业上的应用前景与研究方向。

关键词：静电喷雾；喷头；农药；农业

中图分类号：S491文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.03.003

0 引言

自《中华人民共和国农业机械化促进法》颁布及中央农机购置补贴政策实施以来，我国农业生产从耕作到收获全过程已经基本实现机械化。植保机械也由以手动和小型为主向自动化和大型转变，但随着人们对于农产品药害残留、农业生态环境和劳动力节约的重视，对植保机械的发展也提出了更高的要求。其中静电喷雾技术凭借其附着性好、效率高、使用安全、成本低和污染少的特点，在植物保护中取得了广泛应用。

1 静电喷雾技术原理和特点

1.1 静电喷雾的技术原理

静电喷雾是在喷雾机喷嘴和标靶物体间建立高压静电场，利用高压静电给喷嘴充电，当液体流过喷头雾化后，通过电晕、接触式和感应式等不同的充电方法使雾滴带电而成为群体荷电雾滴。由于在喷头与喷雾目标间存在静电场，荷电雾滴在库仑力和其它力的作用下，作定向运动而被吸附在喷雾目标的各个部位，沉积在目标表面，具有高效、飘移散失少、减少环境污染等优点。

1.2 静电喷雾的特点

静电技术在农业生产中主要用于静电选种、包衣、保鲜及喷雾等方面。其中静电喷雾具有以下特点：

（1）雾滴体积小且均匀。静电喷雾可以有效降低雾滴尺寸，大幅提高雾滴谱均匀性。常规喷雾器雾滴直径200 μm，手持超低量喷雾器雾滴直径50～80 μm，静电喷雾雾滴尺寸可以降低到5～50 μm。当静电电压为-20 kV时，雾滴谱均匀性提高约5%，雾滴尺寸降低约10%。

（2）电荷相同。静电喷雾形成的雾滴都带有负电荷，由于带有同性电荷的雾滴在运动中相互排斥，无法发生聚集现象，所以覆盖面积大，对喷雾目标覆盖均匀。

（3）包抄效应。荷电雾滴的感应作用使靶向物体的外部产生异性电荷，在电场力和相关力的作用下，雾滴吸附到喷雾目标上，并产生包抄效应。即荷电雾滴受作物表面感应电荷吸引包围靶向物体，而沉积到喷雾目标正面和背面，提高吸附效果。而使用常规喷雾方法，吸附在喷雾目标背面的雾滴很少。

（4）持效期长。荷电雾滴对喷雾目标吸附能力很强，所以农药在植物叶子上粘附很牢靠，耐风吹雨淋，有较长的残效期，灭虫效果有较大幅度提高。实验表明，在野外露天场地上对苍蝇进行常规喷雾和静电喷雾60 min后，常规喷雾的平均杀伤率为36%，静电喷雾可以达到67%，接近于2倍。

（5）限制因素多。静电喷雾不适用于不导电的农药干粉制剂；机械结构复杂，对材料要求高，制造成本也高；对操作人员的操作要求比较高。

2 静电喷雾技术的发展历史

2.1 国外研究综述

静电雾化现象最早是1745年Bose发现并提出来的，其后该领域研究进展缓慢。1882年，英国物理学家Rayleigh对自由射流的静电雾化（在感应电极作用下）进行研究，认为非静电雾化雾滴直径为静电雾化产生的雾滴直径的1.9倍，并且对靶向物体有很强的吸附能力，这是人类历史上首次对静电雾化通过理论分析，具有开拓性的历史意义。Jons通过实验对这一结论进行了验证后，静电喷雾超强的附着能力被广泛用于喷漆和印刷行业。到了20世纪40年代，美国佐治亚大学的学者利用静电进行农药药粉喷撒试验，证明利用静电场散布农药药粉能够大大提高药粉对植物的均匀性、附着率。随后，美国、加拿大也都开展了液体静电喷雾的深入研究。静电喷雾理论成熟之后，就是要使其为生产服务，首先要解决的技术关键是研制各类静电高压发生器和喷头。如日本研制了弥雾喷头、微型锥孔旋转喷头，英国研制了转盘式静电喷头，Selaw研制的嵌入式静电感应喷头。在静电喷雾的整机研制方面，美国领先了一步，在19世纪80年代，就出现了用于喷涂的静电喷粉机和温室用风送式静电喷雾机。90年代，美国的Law博士首次发明了气助静电喷雾系统（AA-ESS），可以产生30～50 nm直径的雾滴，而用电源低，耗电少，电荷—质量比则达10 mC/kg。其主要部件“气化诱电”喷头是有史以来最先进的喷药器械。目前，静电喷头技术发展迅速，日本麻场公司生产的静电喷头使用12 V直流电，能够产生40 kV的高压，可用于背负式机动喷雾喷粉机和喷杆喷雾机上，该喷头比普通喷头可减少药液损失65%，大大降低农药对环境的污染。前苏联的静电喷雾研究起步较晚，落后于欧洲和美国，是从20世纪80年代开始的。

2.2 国内研究综述

中国关于静电喷雾技术的研究起步较晚，是从20世纪70年代开始的，但也取得部分成果。最早是上海静电喷雾实验协作组，上海明光仪表厂、丹阳电子研究所、太仓静电设备厂和北京农大等先后研制了手持转盘式静电喷雾器；南京林大研制了高射程静电喷雾机。虽然取得了一些实验数据并研制了设备，但是缺少进一步的理论研究，没有较大的突破。

江苏理工大学的研究结论认为静电作用可以降低液体表面张力，减少雾化阻力，同性电荷间的排斥作用产生与表面张力相反的附加内外压力差，从而提高雾化程度。在此理论的支持下研制了转盘式手持微量静电喷雾器、车载式静电喷雾机和拖拉机牵引式风送静电喷雾机。南京林业大学的研究认为静电喷雾可提高蝗虫受药概率，同时可以增强农药雾滴在植株及蝗虫上的附着力，延长农药的残效期。

国内首次将静电喷雾技术由实验室理论规模转化为科技成果的是江苏大学，朱和平、郑加强、闻建龙、贾卫东等专家教授，在建立室内静电喷雾实验系统和大量实验的前提下，依托一系列的國家“863”计划、“十一五”重大科技专项、国家自然科学基金等项目，成功突破静电喷雾技术的种种难关，研制了多种静电喷雾机械。其中朱和平建立了带电雾滴直径同电压、液滴表面张力、动力粘性系数、液体与气流的相对速度等参数的关系式。郑加强建立了描述风动转笼式静电喷头雾滴尺寸的数学模型。闻建龙认为液体的电导率对于静电喷雾的雾化质量和充电效果有较大影响。对水等电导率较好的液体，环状感应电极能取得较好的充电效果；而对柴油等绝缘液体，必须施加高强度电场才能使其有效充电，因此只有采用针状、锥状电极才能使其带上电荷。余扬证明了感应式充电效果最佳，并确认工作充电电压仅为3.5～4.5 kV便可获得足够的充电效果。罗惕乾建立了环状电极充电电场的数学模型。周浩生建立了雾滴体积中径、荷质比和电极电压、组合电极、气液流量与压力间的函数关系。金晗辉认为在静电喷雾两相流流场中，粘性阻力是射流初始阶段气液相间作用最主要的因素，且输运相直接决定了喷雾的范围和射程。北京海农技术研究所在3WFB-18型背负式机动植保多用机上加静电喷头和高压静电发生器，改装成 3WFB-18J型背负式机动静电喷雾机。

“十一五”以来，国家有关静电喷雾施药技术的科研项目有“十一五”国家科技支撑计划重大项目“农业装备重大产品关键技术与装置研制”；国家863重点项目“高秆作物高效施药技术研究与装备创制”和“蔬菜高效施药技术研究与装备创制”；国家自然科学基金项目“荷电雾滴群撞击植株靶标界面的动力学过程研究”、“药雾沉降及喷雾效果的图像解析和空气中农药的密度与分布”；科技部支撑计划重点项目“高效施药技术研发与示范”；农业部行业科研专项“小型植保机械综合防治技术集成与示范”都取得很多重要的研究成果。

目前，使用效果很好、推广量大的静电喷雾器械主要有中国农业大学的果园自动对靶静电喷雾机；镇江捷成植保科技有限公司生产的四驱爬山静电打药机；苏州稼乐植保机械科技有限公司生产的喷杆式静电喷雾机、直喷式静电喷雾机、推车式静电喷雾机和车载式静电喷雾机，其中3WBJ-15DB型背负式多功能静电喷雾器，广泛适用于三麦、水稻和棉花等病虫害防治。此外，按承载方式区分有背负式静电喷雾器和车载式静电喷雾机等。

3 静电喷雾技术的应用前景及研究方向

3.1 应用前景

随着对农作物单产要求的提高，化肥和农药的使用量逐渐增多，农药安全和环境问题凸现，农业环境污染问题日益突出。农药是农业生产重要的污染源，科学的农药喷洒方式是控制污染的有效环节。由于静电喷雾穿透力强、命中率高，飘失少、覆盖均匀，可以提高药剂的利用率降低农业生产成本的特点，随着其技术及产品的日益成熟，植物保护上使用静电喷雾器械也将越来越普遍，在不久的将来，取代常规喷药器械的趋势很明显，将在农林、草原甚至卫生防疫等方面得到普遍应用。美国工程院院士、农业静电喷雾创始人Edward Law在2001年发表的文章中指出，21世纪静电喷雾的发展趋势是植保机械与农学技术的有效融合。

虽然静电喷雾技术研究和试验了多年，但是静电喷雾技术现在仍存在很多亟待解决的问题，例如选定理想荷质比、最佳荷电方式、设计生产喷雾射程远、雾滴粒谱均匀的优质喷头、减少漏电及触电危险等。在静电喷雾技术领域还有很多工作要做。

3.2 研究方向

（1）应用现代仪器设备如激光多普勒测速仪、高速照相机等，研究充电理论、静电雾化、建立精确的数学模型。

（2）综合运用大数据、云计算技术，实现静电喷雾的电压、电量数字调节。

（3）使用计算机模拟技术来改进流场和电场的模拟方法，提高模拟度。

（4）研制新型耐高压绝缘材料用于50 kV以上的静电雾化喷头，以提高其使用寿命、可靠性和安全性。

（5）研制针对特有植物的静电喷雾技术，例如研究适用于高大植物的高射程静电喷雾机，解决高大植物的病虫害防治难题。

（6）根据用户需求可以安装卫星定位系统、定量喷药系统等。

4 结语

静电喷雾具有十分广阔的发展前景。应运用现代研究方法和新手段扩大静电喷雾研究的深度和广度，研究荷电方法、雾化理论，分析荷电效果、液滴雾化的影响因素，从细微处入手，务必在静电喷雾机械的性能上下大功夫，攻破核心關键技术，推出实用产品。

参考文献：

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