农药静电喷雾技术研究进展及应用现状分析

周良富，张 玲，薛新宇，陈 晨



农药静电喷雾技术研究进展及应用现状分析

周良富，张 玲，薛新宇※，陈 晨

（农业部南京农业机械化研究所，农业部现代农业装备重点开放实验室，南京 210014）

农药静电喷雾技术可以提高农药在叶背面的沉积效率，减少农药飘移对环境的污染，已经成为国内外学者研究的热点课题。为明确农药静电喷雾技术研究进展及产业现状和存在的瓶颈问题，该文从农药静电喷雾技术基础理论、机理研究分析、室内/室外静电喷雾效果评价和静电喷雾装备产业现状进行系统分析。重点概述了雾滴荷电、荷电雾滴动力学、荷质比及其持留时间，总结荷电雾滴的主要受力、感应式充电的最佳荷电参数及荷质比的合理比较方法。介绍了静电喷雾中荷质比、电位、雾滴粒径、雾滴速度等测试方法，并提出加强（phase doppler particle analyzer，PDPA）测试技术和CFD仿真在静电喷雾技术研究中的应用建议。从荷电参数、环境参数、工作参数和靶标参数4个方面综述了荷电雾滴沉积的影响机理，认为静电喷雾沉积效率受荷电参数、环境参数、靶标参数和工作参数的影响，但其之间的影响机理仍不明晰，仍需进一步关注。大量静电喷雾室内/室外效果评价试验表明了荷电雾滴在静电力、气流曳力、重力的驱动下，有助于雾滴在叶片的沉积，但静电喷雾对雾滴飘移、穿透性能的影响还规律需进一步研究，而且静电喷雾装备的产业化水平还有待加强。最后从荷电效果、机理研究、作业规范3方面提出了研究建议，以期为农药静电喷雾技术及装备研究提供参考。

农药；喷雾；机械化；感应充电；荷质比；测试；仿真

0 引 言

随着人们对农药环境危害意识的提高，且由于静电喷雾具有可以提高农药有效沉积、降低农药飘移等优势，受到越来越多的关注。静电喷雾技术已经在农业、医药、工业喷涂等领域得到广泛应用[1-2]。21世纪以来，农药静电喷雾技术得到快速发展。

通过采用合适的充电技术、合理的电极设计、更好的绝缘材料[3]，结合气流辅助对荷电雾滴输运、喷雾位置在线可调等技术[4]，可以提高农药在叶背面的沉积效率，减少农药飘移对环境的污染[5]。静电喷雾已经成为广大学者研究的热点选题，

目前静电喷雾技术主要关注点在静电喷雾基础理论、荷电雾滴沉积机理、静电喷雾沉积效果评价和静电喷雾装备研究等方面，为全面了解农药静电喷雾技术研究进展及产业现状和存在的瓶颈问题，本文亦从以上几方面对静电喷雾技术现状进行详细阐述，为后续静电喷雾技术研究与应用提供技术参考。

1 农药静电喷雾技术概述

1.1 静电喷雾优势

农药静电喷雾是通过高压静电发生装置使静电喷头与作物靶标之间形成电场，喷雾机喷出的雾滴带电在电极电场的作用下荷电形成荷电雾滴群，农药雾滴在在静电力、气流曳力和重力作用雾滴快速沉积到植株表面，脱离靶标的雾滴也会受冠层吸引力力作用，形成“静电环绕”效果（图1），减少了农药雾滴的飘移同时增加了雾滴在叶片背面的沉积量。

图1 静电喷雾效果示意图

静电喷雾一般与风送喷雾相结合。与常规液力喷雾相比，静电喷雾的荷电雾滴受气流曳力和电场力共同作用下，可增加药液沉积量和沉积均匀，图2为荷电雾滴在作物叶片和果实上状态的紫外图像。风送静电喷雾的具体技术优势有：1）在静电力作用下，增加雾滴在叶片背面的沉积量，提高农药有效利用率。2）静电喷雾在一定程度上可以减少风送喷雾的雾滴飘移，降低环境污染。3）风送喷雾气流对冠层扰动翻转可以克服静电喷雾雾滴穿透性差的劣势。4）静电喷雾所需的施药量少、雾滴粒径小，在一定程度上可以省水节药。5）荷电后雾滴表面张力降低，减小了雾化阻力，提高雾化程度，有利于靶标对雾滴的吸附[6]。

图2 紫外光下荷电雾滴沉积状态

Fig.2 Deposition state of charged drops under ultraviolet light

1.2 发展概况

19世纪末，研究者发现瀑布下落后细小水雾滴大约带有0.6 uC/kg的电荷，随后Wampler等[7]在金属压力喷头上加载15 V直流电，发现雾滴的荷电量增加了6倍，但依然还不能影响雾滴在靶标的沉积。随着电离理论发展，20世纪40年代大量围绕电晕充电开展农药静电喷雾试验研究。Bowen等[8]从理论与试验2个方面阐明了荷电雾滴群在空间中会产生电场便于农药雾滴沉积，该研究丰富了静电喷雾基础理论。美国佐治亚大学的Law等[9]于1966年就采用了感应式充电进行农药静电喷雾，并提出静电喷雾与风送喷雾相结合有助于雾滴沉积与穿透，推荐了最佳的静电喷雾雾滴粒径等结论，并从1970年就将技术商业化[10]，使静电喷雾技术得到长足发展。而Inculet[11]、Kihm等[12]提出相反电荷充电方法，解决了航空静电喷雾药液在机体上聚集的难题，推动了静电喷雾技术在航空施药领域的应用。进入新世纪以来，在此基础上开展了大量静电喷雾在果园、农业航空及温室内的应用研究。

1.3 主要影响因素

1.3.1 荷电参数

荷电参数主要包括电极材料及安装位置、充电电压和电极极性（+/-）等，很多学者开展了荷电参数对静电喷雾性能影响的研究。如Law等[13]就认为电极与液膜越近，荷电效果越好，但雾滴容易受库伦力作用吸附在电极上，因此需要找到最佳的电极安装距离。Patel等[14-15]研究了电极形状和位置对荷电效果的影响，研究结果显示内圆截面的方形电极效果最明显，而电极距离喷嘴出口截面2~3 mm为最佳。而周良富等[16]提出了一种与圆锥雾喷头雾型一致的仿型电极，同样认为电极与喷头出口的距离必须小于5 mm。

Maski等[17]研究了感应电压对雾滴沉积的影响，发现作业速度为0.417 m/s时，叶片背面沉积量随充电电压（0~4 kV）增大而增加，但作业速度为0.278 m/s时，叶片背面沉积量随充电电压增大而减少，最后得出中等作业速度、高充电电压有助于雾滴沉积的结论。Yule[18]等研究了充电电压与喷雾角的关系，研究结果显示喷雾角与荷电电压成正相关，当荷电电压达到煤油的击穿电压时，喷雾角急剧下降。而Uwe[19]的研究结果显示喷雾锥角随荷电电压增大而减小，纹影照片显示荷电后喷雾湍流扰动增强。周良富等[20]、李恒等[21]研究了工作电压（0~6 kV）对静电喷雾效果的影响，发现充电电压是影响雾滴在叶背面沉积的最主要因素。王士林等[22]认为充电电压和极性对水溶液雾滴体积中径和雾滴谱宽没有明显影响，但油剂溶液喷雾时，静电喷雾电压和极性对雾滴体积中径和雾滴谱宽有明显的影响。

1.3.2 环境参数

环境参数包括温湿度、空气质量和气流速度等，由荷电雾滴衰减理论可知，环境参数是影响荷电量衰减的重要因素。目前关于温湿度、空气质量对静电喷雾影响的研究较少，对静电喷雾试验只是明示了试验时的温湿度。大部分研究重点在气流速度对荷电雾滴沉积影响，如Gan-Mor等[23]研究了喷嘴附近气流速度对荷电量的影响，结果表明当喷嘴附近的气流速度为10 m/s的荷电量是无气流时的几倍。周良富等[20]认为荷电雾滴主要受气流曳力和静电力作用，因此气流速度、感应电压及其交互作用对雾滴沉积有显著性影响。Patel等[24]发现喷雾气流对静电喷雾有显著影响，而且外部气流场分布显著影响喷雾覆盖的范围。

1.3.3 作业参数

作业参数包括作业速度、喷雾方向、喷雾距离、喷雾溶液及喷雾量等。王士林等[22]发现在相同试验条件下，水的荷质比大于油剂的荷质比，而静电喷油剂的沉积量明显高于水基化药剂。Pascuzzi等[25]研究了作业速度对静电喷雾沉积的影响，对沉积量归一化处理后发现作业速度对雾滴沉积没有影响。同时发现冠层位置（喷雾距离）是影响雾滴沉积的重要因素。在冠层下部静电喷雾沉积量增加了50%，而冠层上部仅增加12.5%。Maski等[17]研究作业速度、喷雾高度（距离）对静电喷雾沉积效果的影响，发现喷雾距离和作业速度都对雾滴沉积效率有影响。

1.3.4 靶标参数

靶标参数包括材质、形状、冠层大小、叶面积指数、叶片倾角等。靶标参数也是影响雾滴沉积的主要因素之一，Guo等[26]研究了雾滴属性、界面力和静电力之间的关系，认为静电吸附是一个多学科复杂的问题，不同的靶标截面会有不同的吸附效果。

李恒等[21]研究植株叶片、金属靶标和塑料靶标对雾滴沉积的影响，结果发现靶标材质是影响沉积效果的重要因素，认为金属材料靶标沉积效果最佳。Maski等[17]在试验室条件下，研究了叶倾角（30°、0°、-30°）对静电喷雾效果的影响，发现叶倾角越大，背面沉积量越多。周良富[27]初步研究了Y型果树与纺锤型果树对静电喷雾的影响，认为Y型果树更有利于荷电雾滴沉积。周良富等[28]也发现在靠近喷雾机一侧，叶片反面雾滴覆盖密度提高20%，远离喷雾机一侧仅提高7.2%。

靶标界面属性及其与雾滴间的作用关系是学者关注的另一重点。认为雾滴与靶标界面接触后会发生粘附、反弹和喷溅等运动行为，贾卫东等[29]采用相位多普勒粒子分析仪（phase doppler particle analyzer，PDPA）方法观察了荷电雾滴群撞击界面的过程，发现荷电雾滴撞击界面后只会产生粘附或反弹，不会发生喷溅现象。薛新宇[30]研究了当雾滴与靶标粘附后，9种水稻常规药剂雾滴在水稻叶面的润湿与展布性能。贾卫东等[31]采用2台高速摄影仪冠层了雾滴撞击大豆表面的过程，分析了撞击速度对雾滴展铺性能的影响，研究结果认为在相同粒径和撞击角度下，液滴撞击速度越高最大铺展越大，铺展时间也越长，但撞击速度高和撞击速度低的液滴最终铺展比接近。

1.3.5 小 结

从以上文献研究可以看出，荷电雾滴沉积机理及其影响因素分析是目前的研究热点，但目前主要研究以荷质比为指标研究荷电参数对沉积的影响。基于环境参数、靶标参数和工作参数的荷电雾滴沉积及影响机理研究相对缺乏，已有的研究都集中在试验测试与定性分析阶段，很多影响因素仍需进一步研究确认。

2 静电喷雾基础理论研究现状

静电力有助于雾滴在靶标面上的沉积均匀性，同时提高雾滴输运与沉积效率。静电力的靶向性可以克服重力、气流曳力引起的地面沉积与飘移，静电力主要与雾滴粒径、雾滴密度、表面张力和荷电量有关[32-33]。而静电喷雾过程主要涉及：1）电流体动力学过程，主要包括液体雾化及荷电过程；2）空气动力学过程，要求实现荷电雾滴输运轨迹控制；3）静电学过程，实现荷电雾滴在靶标附近的快速沉积。其中液体雾化可以参考离心雾化、压力雾化、气力雾化等成熟理论，只有当荷电雾滴间的静电力大于雾滴表面张力时，荷电雾滴会发生破裂，而对农药静电喷雾而言雾滴可能持有的最大电荷小于Rayleigh极限[34]。因此该部分仅主要阐述荷电方式、荷质比及荷电雾滴动力学其相关测试技术4部分。

2.1 雾滴荷电

安全可靠的雾滴荷电方法是农药静电喷雾技术中重要的环节之一[35]，荷电量的多少直接决定了静电力的作用效果[36]。荷电方式主要包括电晕充电、摩擦生电、直接导电充电和感应式充电4种。在农药静电喷雾中，摩擦生电基本没有应用，其余3种充电方式所需的充电电压及特点见表1[37-38]。与感应式充电法相比导电式充电可以产生较大的目标电荷[39]，但导电式充电时使喷雾液体直接带电，导致整个喷雾系统均处于带电状态，若喷雾系统绝缘效果不理想，致使整个喷雾机带电造成严重的安全隐患。

目前农药静电喷雾中，感应充电是使用最普遍的方式。通过在喷头处安装感应电极，并在电极上加载高电压，在电极附近形成静电场，雾滴通过电极电场区域后，雾滴中的自由电子在电场力作用下定向移动，使雾滴呈现与电极极性相反的电荷。而液膜表面感应出的电荷总量与电极材料所能承载最大的电子密度有关。因此电极材料是关注的重点，兰玉彬等[37]研究了紫铜、黄铜、不锈钢和铝材料对荷电效果的影响，发现紫铜更有利于荷电。Manoj等[15]在相同试验条件下研究了不同电极材料（镍，铜，不锈钢，黄铜和铝）的荷电效果，发现镍材料更有利于雾滴荷电。Patel等[40]研究了电极材料分别为镍（200/201锻造棒）、铜（98％纯度，表面镀镍）、铜（98％纯度）、不锈钢（304）和黄铜（70％Cu、30％Zn）对荷电量的影响，同样发现镍材料对雾滴荷电效果更好，铜表面镀镍次之。综上所述，镍是一种惰性材料，在正常工作条件下不容易发生极化，但镍材料价格比铜高，因此镍材料或镀镍的铜材料可以被推荐为感应充电的电极材料。

表1 三种充电方式对比

受农业应用场景的安全性出发，导电充电和电晕充电法没有得到广泛应用。从上述感应式充电原理分析可知，在相同感应电压下，荷电性能主要与电极材料与雾滴属性有关，关于雾滴属性对荷电性能影响的研究报道不多，本小节未能进行归纳总结。但雾滴属性（雾滴大小、喷雾剂型）对静电喷雾影响在后续部分进行介绍。

2.2 荷电雾滴动力学

荷电雾滴的动力学是雾滴输运、沉积与飘移的理论基础，一般来说荷电雾滴受重力场、静电场、气流场、温度场共同作用。当前文献认为雾滴主要受包括布朗力、热泳力、重力、浮力等与相对运动无关的力，还有如曳力、视质量力、Saffman升力等与相对运动有关的力[41]。宁智等[42]模拟分析了微粒在湍流通道内的受力与沉降规律，研究结果认为气流曳力起决定作用，热泳力相对较小，升力可以忽略，仅为气流曳力的10-3量级，Saffman升力、热泳力和浮力等与微粒粒径和空间尺度有关。而农药雾滴一般在大田空间中应用，其空间尺度足以可以忽略升力等对沉积过程的影响。因此分析农药荷电雾滴动力学时，主要考虑雾滴所受的曳力、重力和静电力[43]。其动力学方程如（1）式，

式中u为雾滴速度，m/s；F为气流曳力系数；为气流速度，m/s；为雾滴粒径，m；ρ为雾滴的骨架密度，kg/m3；为雾滴荷电量，C；为电场强度，V/m 。

舒朝然等[44]建立了树冠静电喷雾过程的电子-机械简化模型来分析荷电雾滴在作物靶标的沉积过程，并提出静电力的大小用与所受气流曳力的比值来衡量，为果树风送静电喷雾沉积动力学提供了一种新思路。Jordi等[45]针对经典的液滴拉格朗日轨迹计算方法中要求计算大量液滴的相互作用的问题，提出采用平均电场来计算荷电雾滴的相互作用，发现在相同精度下，计算26 000和3 500个雾滴运算速度分别提高了112倍和9倍。Zhang等[46]分析了荷电雾滴受力，模拟了静电喷雾中荷电雾滴群的运动行为，模拟结果与试验结果相一致。茹煜等[47]对感应充电喷头环状电极诱导电场的进行了数学分析，给出电位—电场的计算公式，提出用椭圆积分表示出电场强度在全空间的普遍分布。这些研究为静电喷雾荷电雾滴输运沉积分析奠定基础。

2.3 荷质比及衰减系数

由2.2节荷电雾滴动力学可知，与非静电喷雾相比，静电喷雾的雾滴受静电场引起靶标吸引的吸引力，该吸引力与雾滴的荷电量及雾滴和靶标之间的空间位置直接相关。因此荷电量及其滞留时间是广大学者关注的重点，相应的计算式为（2）~（4）。

式中i为荷质比，mC/kg；为总荷电量，C；为荷电雾滴放电电流值，A；为雾滴群的质量，kg；为相应的测量时间，s。

目前，普遍认为静电喷雾的关键点之一是增加雾滴荷电量，并且在输运过程中荷电量不衰减。对于静电喷雾所要求的具体荷质比值，依然没有形成定量的结论。但荷质比越大，静电喷雾沉积效果越理想的结论被广大学者所接受。不同文献推荐不同静电喷雾最小的荷质比,范围在0.8 ~2.0 mC/kg之间，但也有研究表明更低的荷质比也具有很好的药液沉积[48-49]。

雾滴荷电后，在输运过程中不断与空气中的气体、灰尘等接触发生衰减[50]，荷电量是按照式（3）的指数规律衰减。而实际应用中以荷电量衰减到原始电量一半的时间1/2，如式（4）所示。

式中为荷电量，C；0为原始电量，C；为电量衰减时间常数；1/2为静电半衰期。表2列举了电荷在不同介质中的平均寿命时间，可见输运介质对荷质比也有较大影响。而Shrimpton 等[51]测试了燃油静电喷雾的雾滴粒径，发现雾滴粒径越大，惯性越大，荷质比越小，不容易受空间电荷力的影响。

由以上分析可以，荷质比与喷雾流量、荷电量、衰减时间、雾滴粒径等有关。因此建议在测量荷质比时，以下几个参数需有明示：1）荷电流，需给出测量仪表的量程与精度。2）喷雾量，单位时间内的喷头流量（kg/min）。3）测量距离，喷头出口与收集测量面（法拉第桶或网状金属）之间的距离。4）雾滴谱及粒径，最少需要给出额定工况下的体积中径及雾滴谱宽。5）气流速度及分布，气流速度沿射程分布曲线。只有在这些参数基本一致的前提下，比较不同静电喷头的荷质比才更有意义。

表2 电荷的平均寿命

2.4 静电测试技术

由式（1）可知，荷电雾滴沉积动力学方程包含有气流/雾滴速度、雾滴粒径、荷电量和电场强度4个待测参数。

2.4.1 荷质比测试

准确的荷质比是预测荷电雾滴在电场、气流场和重力场中运动的基础。因此荷质比是静电喷雾技术研究中特别关注的一个指标，其测量主要有2种方法[52]：1）直接测量出雾滴群中所带电荷总量。2）通过观察荷电雾滴在外加电场中的动力学参数，计算出荷质比。

荷质比测试装置有如江苏大学自行研制的用于测量荷质比的法拉第桶[53]，如图3a；印度学者Patel[54]研制的法拉第笼，如图3b；还有如美国学者Daniel等[55]采用如图3c所示的简易网状目标法来测试荷质比。测试的原理都是根据式（2）来计算，采用皮安表先测量出荷电流，采用称质量法测出单位时间的喷雾量。

图3 荷质比测试装置

2.4.2 静电电位测量

对于高压静电发生器可以采用象限静电计、Q-V表等接触式测量仪。而静电场的场强小，很难用仪表直接精确读取。目前主要有2种测量原理，1）采用一个与场强同方向的振动探头，按照一定频率振动，可以获取按该频率变化的脉冲信号，处理后放大就可精确读取。2）抵消测量法，即外加一个与待测场强等量但相反的场强，当二者抵销时，探头就检测不到信号，这样外加场强就是待测场强的相反场强。主要的静电电位计包括振动电容型电位计、旋转扇叶型电位计、旋转探头型表面电位计[56]。Thompson等[57]利用半球形电镜来收聚空间电荷并传入真空粒子仪，研制了一种空间电流密度分析仪,测量精度提高40%以上。

2.4.3 雾滴粒径测试

雾滴谱及雾滴粒径是评价雾化及施药效果的重要指标之一[58]。何勇等[59]分析了目前雾滴粒径测量的方法，包括有斑痕法、纸卡法、染色剂法、激光/雾滴图像分析仪、相位多普勒粒子分析法和激光粒度仪法，认为激光粒度仪是相对快捷、准确地获取雾滴谱及雾滴粒径的方法。但受电场力的作用，荷电雾滴容易在激光粒度仪激光的发生端和接受端吸附，造成测量不准确[27]。而相PDPA是目前测量球形粒子粒径和速度精度最高的仪器，该方法在雾滴粒径较小、雾滴稀疏场合更有优势[60]，该优势与静电喷雾的特点相符，建议有条件采用该方法。而植保机械通用试验方法[61]中规定油盘法虽然测量过程繁杂，但测试结果可靠，也可采用。Zhu等[62]集成手持式扫描仪和图像处理软件，开发了便携式喷雾沉积质量评估系统DepositScan，该系统可以测量雾滴尺寸和密度、喷雾沉积量和覆盖率，但随着雾滴尺寸减小，其测量精度会降低。建议在田间采用该方法测量雾滴粒径时，需要在试验室内测定出修正系数。

2.4.4 运动学测试

荷电雾滴速度测试是研究静电喷雾最直观的方法，可以直观发现雾滴的运动轨迹和静电环绕现象。目前主要以高速图像法和PDPA法为主。如Shrimpton 等[63]采用PDPA和图像法分析了燃油静电喷雾的雾滴粒径及速度分布，发现雾滴粒径越大，惯性越大，荷质比越小，不容易受空间电荷力的影响。Zhentao W等[64]采用PDPA方法，测试了荷电雾滴的速度分布，发现荷电雾滴在电场的作用下发生二次雾化，认为电场力和气流曳力是驱动雾滴运动的2个主要力。贾卫东等[65]也用PDPA分析了静电喷雾场的喷幅、雾滴粒径及分布，观察了静电环绕效应。发现在较高充电电压下，荷电雾滴与靶标界面的相互作用效果更明显。Kwek等[66]采用高速成像法和非接触式测量法测量静电力在荷电雾滴聚集和碰撞过程的作用，得出不同雾滴属性的破裂机制，证明了高速图像法在静电喷雾中的作用。

2.4.5 CFD仿真在静电喷雾测试的应用

随着商业计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD)仿真软件的成熟，越来越多的学者将CFD技术应用于静电喷雾，Sen等[67]在2006年采用FLOW3D软件仿真研究了静电喷雾射流锥的形成与发展，并与文献的试验数据进行对比，相对误差为5-10%。并于2011年仿真分析了射流雾化过程，其雾滴速度和粒径的试验误差为10%[68]。Lim等[69]开发了包括气液两相流的连续方程、Navier-Stokes方程、计算电荷引起体积应力方程及计算电势的泊松方程的仿真模型，Xu等[70]在此模型基础上，通过调整表面电荷高斯方程的参数，利用FLUENT软件分析了射流形状、雾化过程，但预测的雾滴粒径比试验值大；Yan等[71]在2016年将该模型进行扩展，考虑了2股射流体之间的相互干扰。Dastourani等[72]在2018年建立了包括射流液体锥及周围气体的数学模型，并在OpenFOAM软件进行模拟分析，获得的平均雾滴粒径与文献公布的试验结果一致。由上述分析可以，CFD仿真技术在静电喷雾领域的应用是可行的，而且会得到研究者更多的重视。

3 农药静电喷雾技术应用现状

3.1 静电喷雾室内应用

静电喷雾室内试验是指利用盆栽作物或仿真植株等为试验对象，在实验室等环境相对可控的条件下开展静电喷雾沉积效果试验。如Daniel等[73]在10 kV充电电压下，得到荷质比为1.686 mC/kg，在室内试验研究静电喷草甘膦对黑麦草的防治效果，发现静电喷雾下的黑麦草NDVI衰减加快80%。Mamidi等[74]采用手动静电喷雾器，在实验室内采用水敏纸研究静电喷雾雾滴在盆栽作物的沉积试验，试验结果显示静电喷雾对正面的雾滴覆盖率没有明显影响，但在叶片背面的覆盖率比非静电喷雾提高了2~3倍。Gaunt等[75]研究了静电喷雾灭家蝇试验，试验结果表明当荷质比从2.66×10-5增加到2.16×10-4C/kg时，灭蝇时间从2.63 min缩短至1.98 min。兰玉彬等[37]采用诱惑红为示踪剂研究了静电喷雾在2颗龙血树的沉积分布性能，试验结果显示，在上、中、下3个采样层的雾滴覆盖密度分别增加了23、19、10滴/cm2。杨洲等[76]在试验室内开展了静电喷雾飘移试验，认为雾滴飘移是充电电压和侧风共同作用的结果，建议静电喷雾在无风/低风条件下使用。

3.2 静电喷雾田间应用

静电喷雾效果田间试验是指静电喷雾机以正常作业工况、以实际作物为沉积对象，开展静电喷雾与非静电喷雾效果的对比试验。如Pascuzzi等[25]利用ESS公司的“150RB14”型风送静电喷雾试验研究了静电喷雾条件下药液在葡萄园沉积分布规律，试验结果表明静电喷雾叶片药液沉积量平均值由0.061L/cm2增加到0.088L/cm2，增幅为44%；但静电喷雾造成更大药液冠层分布变异系数，上部与下部药液比值由7增加到9。Patel等[54]研究了静电喷雾在棉花冠层的沉积，发现静电喷雾总体的雾滴覆盖密度（79~277滴/cm2）高于非静电喷雾的77~133滴/cm2。王军锋等[77]研究了风幕式气力辅助静电喷雾沉积特性，结果表明气力辅助静电喷雾有效抑制雾滴飘移且雾滴分布更加均匀，而后贾卫东等[78]进一步得出静电喷雾雾滴沉积分布变异系数减小了50.2%。

周宏平等[79]开展的航空静电喷雾装置防治大面积的松毛虫试验，发现与常规扇形航空喷雾相比，不仅作业时间短，使用农药量减少5.22 L/hm2，而且有效防治率提高了33.8%。茹煜等[80]针对XY8D型无人机设计了一款静电喷头，并在水稻田测试了荷电雾滴沉积与飘移性能，静电喷雾方式对抑制航空喷雾雾滴飘移的作用不大，但是聚酯卡上单位面积的雾滴沉积量分别增加2.36、2.91、1.56g/cm2。王士林等[22]采用3WQF120-12 型油动单旋翼植保无人机，装置静电喷雾系统研究静电喷施油剂对对小麦蚜虫、锈病的防治效果试验，发现静电喷雾对小麦蚜虫的防治效果提高87.92%。Daniel等[81]将转笼式静电雾化器应用与航空施药，并采用荧光示踪剂测试了2种施药量下静电喷雾与非静电喷雾在棉花冠层的沉积效率，发现上层药液沉积量增加了2~3倍，而下层没有明显变化。

3.3 静电喷雾系统现状

静电喷雾系统是静电喷雾装备中最关键的系统，主要包括荷电方式及电压、电极设计、雾化方式选择等。美国佐治亚州立大学Law等[82]率先研制成功了内嵌式电极的感应式静电喷头MaxCharge，该系统主要由高速气流将液体雾化为30~50m的细小雾滴。Mamidi等[74]设计了一种用于手动喷雾器的静电喷雾系统，该喷头采用感应式充电，环形电极材料为铜，电极安装位置为1~7 mm，充电电压为0~10 kV，喷头荷质比达到0.419 mC/kg。周宏平等[79]针对该文针对应用于轻型飞机上的单喷嘴航空静电喷头，对喷头静电电极、材料、加工工艺、电极的连接方式、溢流阀体等几个方面进行了改进设计，改进后荷质比可达到2.26 mC/kg。

表3从荷电方式、充电电压、电极材料、雾化方式、喷雾流量、雾滴粒径及荷质比等方面总结了目前已公开的关于静电喷雾系统文献报道。从产业化的角度分析，仅有Law的MaxCharge静电喷头和Calton的航空静电喷雾系统分别转让给美国ESS公司（Electrostatic Spraying System, Inc）和SES公司（Spectrum Electrostatic Sprayers, Inc）。其余产品没有见到产业化报道。

表3 静电喷雾系统及参数

4 静电喷雾装备

4.1 果园静电喷雾机

在果园静电喷雾机推广应用方面，国外的ESS公司和MARTIGNANI公司已经形成了系列化的产品。ESS公司产品主要是在MaxCharge™ 静电喷头的基础上，根据温室、果园、大田应用条件，研制了系列化的静电喷雾机。图4为该公司2款典型的果园静电喷雾机。该系统喷雾机主要通过罗茨风机产生高压气流使荷电雾滴快速输运到冠层靶标[25]。

图4 ESS公司果园静电喷雾机机型

MARTIGNANI公司也有系列化的果园静电喷雾机，如图5所示的2款典型喷雾机。该系列喷雾机主要通过离心风机将荷电后的雾滴输送到冠层，但关于其静电喷雾系统的介绍和使用效果，没有检索到相关文献。

国内学者对果园静电喷雾机的研究主要集中在样机试制和雾滴荷电效果评定方面，没有形成成熟的专利产品。导致国内喷雾机企业以消化国外小型静电喷雾机为主，但田间应用效果还有待进一步验证。如杨洲等[85]研制的果园在线混药型静电喷雾机样机，从公开的文献分析，虽然喷雾沉积效果良好，但样机产品简单，还需对产品进行优化升级才满足产业化需求。周艳等[86]研制的3WJD-50型果园气力式静电喷雾机通过了新疆兵团科技局的鉴定，但没有发现该产品有产业化。何雄奎等[87]等于2003年提出将静电喷雾、风送喷雾和对靶喷雾相结合，并成功研制了果园自动对靶静电喷雾机，文献显示该静电喷雾比非静电喷雾药液沉积量增加了2倍多。将静电喷雾与仿形对靶喷雾相结合的技术方案是可以提高静电喷雾效果的有效途径，但受靶标探测和仿形执行部件限制，该样机并没有产业化。农业部南京农业机械化研究所(Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization, NRIAM)成功研制了3WQ-400牵引型双气流辅助静电果园喷雾机[28]，并开展了喷雾机在不同果园应用的试验示范，针对静电喷雾机荷电雾滴易在喷雾机机操作人员吸附的问题，研制了遥控式果园静电喷雾机如图6所示，通过双气流辅助喷雾技术解决了特定条件下荷电雾滴输运，主要适用与低矮棚架果园，具备产业化条件。而对于纺锤型等高大树形，其上部距离喷头较远，其荷电效果不理想。

图5 MARTIGNANI果园静电喷雾机机型

图6 农业部南京农业机械化研究所研制的静电喷雾机

4.2 航空静电喷雾机

航空静电喷雾机产业化相对成功的有SES公司（Spectrum Electrostatic Sprayers, Inc），该公司主要以 Calton[84]研制的航空静电喷头为基础，结合产业化需求，研制出新型的注塑喷嘴，结构简单易用加工。并将该喷嘴与固定翼和直升机飞机相结合，研制出固定翼航空静电喷雾机和直升机航空静电喷雾机，如图7，该类静电喷雾机在巴西大豆锈病、非洲高杆作物（甘蔗等）、澳大利亚及北美病虫害防治都有教广泛应用。中国航空静电喷雾主要以引进[88]、改进设计[79-80]航空静电喷雾系统为主，开展了一些试验示范，没有发现关于大面积航空静电喷雾应用的报道。张亚莉等[89]对美国航空静电喷雾系统的发展历史及中国的应用现状进行了分析,认为航空静电喷雾作业环境的复杂性、农药标签建议施药量大于静电喷雾系统的施药量等问题导致航空静电喷雾田间效果不理想影响其产业前景。

图7 SES公司航空静电喷雾机

5 总结与展望

5.1 文献总结

1）静电喷雾中荷电雾滴在静电力、气流曳力、重力的驱动下，可以向作物靶标作定向沉积运动，有助于雾滴在叶片的沉积。但静电喷雾对雾滴飘移、穿透性能的影响还规律需进一步研究。

2）感应式充电是农药静电喷雾最普遍采用的充电技术，充电电压在6~10 kV，电极材料以镍或镀镍的铜材料为宜，电极与喷嘴出口截面距离为5 mm以下。

3）荷质比是衡量静电喷雾荷电效果的重要指标，但不能以统一的荷质比来要求不同的静电喷雾系统。只有在喷雾量、雾滴谱及粒径、气流速度及分布、测量距离等参数基本一致的前提下，比较不同静电喷头的荷质比才更有意义。

4）荷质比、气流/雾滴速度、雾滴粒径、电场强度等参数测量是研究静电喷雾技术重要的环节之一。其测试技术与平台如PDPA、PIV等先进测试技术的应用、CFD仿真在静电喷雾技术研究中的应用细节仍需进一步研究。

5）大量静电喷雾室内/室外效果评价试验表明了静电喷雾的巨大优势，但静电喷雾装备的产业化水平还有待进一步提高。

6）静电喷雾沉积效率受荷电参数、环境参数、靶标参数和工作参数的影响，但其之间的影响机理仍不明晰，仍需进一步关注。

5.2 存在问题与展望

5.2.1瓶颈问题

静电喷雾技术具有雾滴沉积效率高的优势，但目前仍然受应用效果不理想而没有得到广泛推广，具体原因为：静电喷雾效果的影响因素多而复杂，很多参数（环境参数、作业参数、靶标参数）对荷电雾滴沉积效率的影响机理不清楚。而且各参数对雾滴沉积的高敏感性及农药应用环境、对象的复杂性是静电喷雾技术应用的最大挑战，主要问题有：

1）荷电量持留时间短。当雾滴荷电后，荷电量在雾滴上的持留时间是有限的，因此，需要合理匹配输运气流速度和喷雾距离，同时持留时间与雾滴属性、环境参数有关，这些条件在农业环境中难以控制。

2）荷电雾滴易吸附在喷雾机及人体上。喷头出口处荷电雾滴的荷电量最大，而喷头处距离喷雾机具及人体的距离比冠层靶标近，因此荷电雾滴会大量吸附在喷雾机及人体上。

5.2.2 研究展望与建议

1）继续开展荷电参数、喷雾气流与荷电雾滴匹配性研究，增大雾滴最大初始荷电量，同时确保到达靶标时具有有效荷电量。

2加强荷电雾滴沉积机理研究。不同雾滴属性、不同环境参数、不同靶标参数、不同作业参数下的荷电雾滴沉积特性，探明影响荷电雾滴沉积的关键参数。

3）影响静电喷雾效果的因素多而敏感，因此难以采用统一的作业标准来要求不同的静电喷雾机。为保证静电喷雾的实际效果，建议在推广应用任一静电喷雾装备前，均需根据特定的装备制定详细的静电喷雾作业规范。

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Research progress and application status of electrostatic pesticide spray technology

Zhou Liangfu, Zhang Ling, Xue Xinyu※, Chen Chen

(210014,)

Pesticides electrostatic spray technology of can improve the deposition efficiency of pesticides on the hidded faces of leaves and reduce the pollution of pesticides to the environment. It has become a hot topic for scholars at home and abroad. In order to clarify the research and industrial status of pesticide electrostatic spray technology and the bottlenecks in the industry, the basic theory, mechanism research and analysis, indoor/outdoor electrostatic spray effect evaluation and electrostatic spray equipment industry status of pesticide electrostatic spray technology was systematically analyzed in this paper. Firstly, the droplets charging modes, the charged droplets dynamics, the charge-to-mass ratio(CMR) and the retention time were mainly overviewed. The conclusions about the main force of the charged droplets, the optimal charging parameter of the inductive charging and the reasonable comparison method for the charge-to-mass ratio were gained that the main force imposed charging droplet were electrostatic force, airflow drag force and gravity; Inductive charging is the most commonly used charging technology for electrostatic spray of pesticides, and the best charging voltage was 6-10kV, the electrode material is nickel or nickel-plated copper material, and the distance between the electrode and the nozzle outlet was 5 mm or less. When comparing the CMR between different sprayers, all the current, spray volume, measuring distance, droplet spectrum and particle size, air velocity and distribution should be expressed. Secondly, the test methods of charge-to-mass ratio, potential, droplet size and droplet velocity in electrostatic spray were introduced. The Faraday barrel, Faraday cage and mesh target method were the 3 main methods to measure the CMR. The application of phase doppler particle analyzer (PDPA) and CFD simulation in electrostatic spray technology were proposed. But the application of these advanced testing technologies and the application details of CFD simulation in electrostatic spray still need further study. Thirdly, the influence mechanism of charged droplet deposition was reviewed from 4 aspects of charging parameters, environmental parameters, working parameters and target parameters. It was believed that the electrostatic spray deposition efficiency was affected by the charging parameters, environmental parameters, target parameters and working parameters, but the mechanism of influence was still unclear and still needs further attention. At last, a large number of electrostatic spray indoor/outdoor effect evaluation tests showed that the charged droplets were driven by electrostatic force, airflow drag force and gravity, which contribute to the deposition of mist droplets in the leaves, but the electrostatic spray on the droplets drifting and penetrating properties was still no conclusion. Last for the most, the electrostatic spray technology had the advantage of high efficiency of droplet deposition, but it was still not widely used due to its unsatisfactory application effect. Because of the high sensitivity of various parameters to droplet deposition, the complexity of application environment and objects were the biggest challenges in the application of electrostatic spray technology, and the main bottlenecks were the short retention time and easily adsorbed by the sprayer and the human body. 3 suggestion were listed as: (1) Continue to carry out the research on the matching parameters of the charging parameters, air velocity and the charged droplets, increasing the maximum initial charge, meanwhile ensuring the effective charge when reaching the target.(2) Strengthening the research on mechanism of charged droplet deposition to clarify the key parameters affecting the deposition of charged droplets.(3) In order to ensure the actual effect of electrostatic spray, it is recommended to develop any electrostatic spray equipment in accordance with the specific equipment to develop detailed electrostatic spray operation specifications.

pesticides; spraying; mechanization; induction charging; charge-to-mass ratio; test; simulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.001

S491

A

1002-6819(2018)-18-0001-11

2018-07-12

2018-08-14

国家自然科学基金资助项目（51605235）；国家重点研发计划（2018YFD02014001）；国家重点研发计划（2017YFD0701001）

周良富，助理研究员，博士，主要从事植保机械装备与仿真技术研究。Email：326310253@qq.com

薛新宇，研究员，博士，主要从事植保与环境工程技术研究。Email：xuexynj@qq.com

周良富，张 玲，薛新宇，陈 晨. 农药静电喷雾技术研究进展及应用现状分析[J]. 农业工程学报，2018，34(18)：1－11. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.001 http://www.tcsae.org

Zhou Liangfu, Zhang Ling, Xue Xinyu, Chen Chen. Research progress and application status of electrostatic pesticide spray technology [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 1－11. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.001 http://www.tcsae.org