黃文軍， 梁紅軍

(1.中國福馬機械集團有限公司，北京 100029；2.林海股份有限公司，江蘇 泰州 225300)

1 中國噴灑農(nóng)藥使用現(xiàn)狀

中國農(nóng)業(yè)取得了舉世矚目的成就，我們用占全世界1/9的耕地，養(yǎng)活了全世界1/5的人口。但是我們消耗了全世界1/2的農(nóng)藥，以及全世界1/3的化肥。大部分農(nóng)藥噴霧主要以動力機噴霧為主，藥液或藥粉都是依靠噴射動能和空氣運載以及重力等作用噴到靶標植物上，并附著在其表面。這種噴灑方式僅有少部分農(nóng)藥能夠附著在植物冠表面上，絕大部分藥液或藥粉都散落或流淌到地面上。這種噴施方法的農(nóng)藥有效利用率只有20%～30%，其余農(nóng)藥不僅未發(fā)揮殺病蟲作用，反而變成了環(huán)境污染源。由此帶來的農(nóng)藥浪費、環(huán)境污染、經(jīng)濟效益欠佳、農(nóng)藥在動植物食品中殘留等問題比較突出。

2 靜電噴霧技術(shù)

靜電噴霧技術(shù)是在控制霧滴技術(shù)及超低容量噴霧理論和實踐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型施藥技術(shù)。與常規(guī)噴霧技術(shù)相比，靜電噴霧能夠?qū)崿F(xiàn)定向噴灑，減少農(nóng)藥飄移，降低環(huán)境污染，提高農(nóng)藥利用率，節(jié)約施藥成本。據(jù)統(tǒng)計使用高質(zhì)量靜電噴霧技術(shù)農(nóng)藥的有效利用率達到50%～60%。因此需要加強靜電噴霧荷電方式及霧化理論的研究，分析霧滴荷電及沉積的影響因素，研制先進靜電噴霧設(shè)備，以提高農(nóng)藥利用率，減少環(huán)境污染。

靜電噴霧技術(shù)原理是在噴頭上施加高壓靜電，在噴頭與靶標之間建立靜電場，藥液經(jīng)噴頭霧化后帶上電荷，形成群體荷電霧滴，然后在靜電場和其他外力的共同作用下定向運動而被吸附到靶標的各個部位。在此過程中，在霧滴運行過程中電場力起主導(dǎo)作用，帶電霧滴能夠定向吸附于植株葉片正反面，減少農(nóng)藥飄移。

目前霧滴荷電方式分為3種，即接觸充電、電暈充電和感應(yīng)充電。一般情況下，接觸充電可使霧滴充電最充分，效果最好，但是要求高的充電電壓，絕緣要求也極嚴格。感應(yīng)充電的效果次之，要求的充電電壓也較低，但可能造成電極濡濕而失效。電暈充電的效果比較差，電能消耗也大，但結(jié)構(gòu)簡單絕緣要求較低，成本低。在實際作業(yè)中3種充電方法均有不同應(yīng)用。從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全角度考慮，感應(yīng)充電方式最安全，充電電壓較小，只有幾千伏，絕緣容易實現(xiàn)；其次是電暈充電方式，其高壓絕緣性好，但所需電極電壓較高(需要電壓20千伏左右)，這兩種方式在噴灑器中均有使用案例。而接觸充電由于電壓要求高，絕緣要求很難達標，目前在噴灑農(nóng)藥領(lǐng)域已經(jīng)被其他兩種方式取代。

3 靜電噴灑技術(shù)與傳統(tǒng)噴灑技術(shù)分析對比

傳統(tǒng)噴灑霧化方式與靜電噴灑霧化方式對比：傳統(tǒng)霧化方式通過液力泵給液滴加壓，經(jīng)噴嘴破碎霧化，有如下缺點：

(1)壓力需求大，導(dǎo)致流量大，單個噴頭每分鐘出水量通常在1～3 L，甚至更高；

(2)很難解決噴距和粒徑之間的矛盾，粒徑通常大于200 μm；

(3)當(dāng)霧滴觸碰到農(nóng)作物表面附著時，會發(fā)生反射、噴濺。

提高農(nóng)藥利用率就是要提高液滴的附著比例，盡量減少液滴的噴濺和反彈，而減少液滴噴濺和反彈，目前最好方式就是利用高壓靜電的定向吸附作用和高壓靜電場對液滴的二次破碎粉碎作用，靜電噴霧粒徑一般都在60 μm左右，將帶電荷液滴最大程度的吸附在靶標表面。農(nóng)藥霧滴作用示意圖如圖1所示。

圖1 農(nóng)藥霧滴作用示意圖

根據(jù)江蘇大學(xué)靜電噴霧實驗室數(shù)據(jù)膠片分析，非荷電時，膠片正面霧滴雖密，但是霧滴粒徑較大，不夠均勻；反面幾乎沒有霧滴沉積；荷電時，膠片正面霧滴細小且分布密而均勻；反面沉積的霧滴也明顯變多。荷電霧滴撞擊界面后，只會產(chǎn)生粘附或少量反彈，而不會產(chǎn)生噴濺現(xiàn)象，大大提高了農(nóng)藥利用率。靜電噴霧實驗室數(shù)據(jù)膠片分析如圖2所示。

圖2 江蘇大學(xué)靜電噴霧實驗室數(shù)據(jù)膠片分析

4 靜電噴霧技術(shù)在林海自走式噴桿噴霧機上應(yīng)用

林海集團公司設(shè)計制造的3WZ-350A自走式噴桿噴霧機，是一種將噴頭裝在橫向噴桿或豎立噴桿上，自身可以提供驅(qū)動動力、行走動力，不需要其他動力提供就能完成自身工作的一種植保機械。該類噴霧機的作業(yè)效率高，噴灑質(zhì)量好，噴液量分布均勻，適合大面積噴灑各種農(nóng)藥、肥料和植物生產(chǎn)調(diào)節(jié)劑等液態(tài)制劑，可用于農(nóng)作物、草坪、城市消毒等。為提高噴灑效率，降低噴灑液滴使用量，林海集團對噴霧機噴頭部分引進了高壓靜電噴霧技術(shù)，并在實踐中進行了大量改進。提高了噴霧機靜電噴霧的可靠性和效率并獲得3項專利授權(quán)。林海集團自走式噴桿噴霧機如圖3所示。

圖3 林海集團自走式噴桿噴霧機

4.1 改進前噴霧機噴頭

噴霧機最初采用的靜電噴頭為感應(yīng)式噴頭，結(jié)構(gòu)分解如圖4所示。

圖4 噴頭結(jié)構(gòu)分解

自走式噴桿噴霧機的噴桿上共有24只噴頭。藥液輸送水管采用不銹鋼水管，不銹鋼水管接高壓靜電發(fā)生器正極線。高壓靜電負極接噴嘴附近的銅片。高壓水泵將藥液經(jīng)噴嘴霧化成霧滴經(jīng)過接負極的銅片感應(yīng)出負電荷霧滴，荷電后的霧滴與農(nóng)作物有著良好的粘連性，在實踐中發(fā)現(xiàn)有兩個問題：(1)靜電噴頭連續(xù)工作兩個小時以后電極銅片表面的工作電壓由原來的2 kV左右降低到800 V以下，藥液噴霧的荷電量明顯減少，靜電吸附作用幾乎消失，當(dāng)噴頭停止工作24 h以后恢復(fù)正常電壓，但仍舊工作一段時間后電壓下降；(2)有時觸摸噴頭銅片附近表面有明顯的電擊麻手現(xiàn)象。

4.2 問題分析及改進方案

電壓表連續(xù)測量負極銅片電壓。銅片表面電壓是在噴頭工作一小時左右以后緩慢下降，而噴頭銅片安裝座表面出現(xiàn)200 V左右的靜電電壓。分析原因為由于噴頭長時間工作電極安裝座與銅片被濡濕，造成噴頭內(nèi)的水與銅片電極之間電阻下降。靜電電能直接傳到噴嘴內(nèi)的水上被鋼管傳導(dǎo)出去了，能量的損耗造成靜電噴霧本身靜電效果變差。為減少靜電能量消耗，最大程度將靜電荷電到噴霧上去，我們對噴頭結(jié)構(gòu)做了改進，改進后的噴頭結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 改進后的噴頭結(jié)構(gòu)

金屬水管接高壓靜電發(fā)生裝置正極，電位通過傳導(dǎo)與水管內(nèi)液體等電位；水管內(nèi)的水由噴體噴嘴形成霧滴然后通過負極銅片附近；負極銅片連接到靜電發(fā)生裝置的負極，與通過的霧滴形成很高的電位差，通過靜電感應(yīng)使霧滴帶上靜電；負極銅片安裝座與噴頭分體連接到水管上，噴體與負極銅片安裝座脫離直接接觸，而且安裝座材料選用的是絕緣性很好聚甲醛材料，靜電噴頭上的水膜不能連接到噴體上去，靜電能量得到很好的利用。

經(jīng)12 h連續(xù)靜電噴灑試驗，銅片與不銹鋼水管之間的電壓基本保持不變，噴霧中帶電霧滴荷質(zhì)比沒有下降，農(nóng)藥霧滴與農(nóng)作物葉面吸附效果明顯增強。

靜電電荷損失率減小后靜電發(fā)生裝置消耗的功率下降，高壓靜電發(fā)生裝置長時間工作表面溫度發(fā)燙現(xiàn)象沒有了，高壓靜電發(fā)生器平均壽命由原來900 h增大到2 000 h。該結(jié)構(gòu)獲得國家發(fā)明專利授權(quán)。

現(xiàn)有自走式靜電噴灑車噴霧噴桿上有24個噴頭，每個噴頭上都有高壓靜電發(fā)生裝置上傳導(dǎo)過來的高壓直流靜電，高壓靜電電壓2 kV。原先自走式靜電噴灑車只有一個高壓靜電發(fā)生裝置，當(dāng)某一個靜電頭發(fā)生靜電泄漏時，由于該泄漏點的電阻值小，大部分高壓靜電的電流都會從泄漏點傳導(dǎo)出去，可能會對人體造成傷害。根據(jù)高壓電對人體產(chǎn)生傷害的電流閥值為10 mA，我們?yōu)榱思炔挥绊懞呻娦Ч忠拗泼總€泄漏點的泄漏電流采取了改進方案，改進方案如圖6所示。

圖6 改進方案

高壓水泵將農(nóng)藥藥液輸送到連接了多只噴頭的水管內(nèi)；在水壓的作用下噴頭將農(nóng)藥霧化后噴到靜電環(huán)附近感應(yīng)靜電；一般靜電農(nóng)藥噴灑車有一只靜電發(fā)生器，通過并聯(lián)的方式將高壓靜電輸送到各個靜電頭。感應(yīng)靜電到噴霧上，而本結(jié)構(gòu)是將靜電頭分為n組，用n個功率為原來n分之一能量的小功率靜電發(fā)生器分別向靜電頭提供高壓電；每個高壓靜電發(fā)生器的工作電流為原來的n分之一。設(shè)備安全性和可靠性得到提高。

高壓電對人體有產(chǎn)生傷害的電流閥值為10 mA，使用多個獨立小功率靜電發(fā)生裝置在保證靜電效果的情況下，可以將每個高壓電流限制在10 mA以下，安全性得到提高。當(dāng)高壓靜電發(fā)生泄漏時，由于每個靜電發(fā)生裝置都是獨立提供電能，泄漏的靜電能量大為減少。其他靜電頭仍能正常工作，對噴灑農(nóng)藥效果影響較小。該技術(shù)獲國家實用新型專利授權(quán)。

5 小結(jié)

應(yīng)用靜電噴霧技術(shù)的自走式噴桿噴霧機上噴灑裝置具有以下優(yōu)點：(1)霧滴粒徑細微均勻，靶標正反附著率高，沉積量大；霧滴帶電荷，激發(fā)藥劑活性，農(nóng)藥利用率大幅提高至50%～60%；(2)節(jié)水減藥50%以上，減水減藥不減效；降低設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)濕度，農(nóng)作物發(fā)病幾率低；(3)不需要特殊藥劑，常規(guī)藥劑、常規(guī)稀釋倍率施藥，操作簡單。

應(yīng)用靜電噴霧技術(shù)確實能大幅度提高農(nóng)藥的利用率，減少環(huán)境污染。但我國靜電噴霧技術(shù)還很不成熟，荷電裝置的可靠性和實際效果與實際需要還有很大差距。我們要加強靜電噴霧荷電方式及霧化理論的研究，分析霧滴荷電及沉積的影響因素，研制出先進實用的靜電噴霧技術(shù)來造福人類。