任立瑞，陳福良，尹明明

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所，農(nóng)業(yè)部作物有害生物綜合治理重點實驗室，北京 100193）

長期以來，我國植保施藥技術(shù)和機械比較落后，農(nóng)藥有效利用率只有20%～30%，而真正到達靶標的藥量僅占施藥量的1%～3%，由此引發(fā)農(nóng)藥浪費、環(huán)境污染等一系列問題[1]。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。因此，靜電噴霧技術(shù)理論研究，相應(yīng)的機械設(shè)備及其適配靜電超低容量油劑的發(fā)展均受到廣泛關(guān)注。

1 靜電噴霧的原理與特點

1.1 靜電噴霧的原理

靜電噴霧技術(shù)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，帶電霧滴主要受電場力和自身重力的作用，由于帶電霧滴粒徑較小，所受電場力通常很強，約為重力的40倍，因此，在霧滴運行過程中電場力起主導(dǎo)作用。由于電場力具有穿透性，可以穿透靶標內(nèi)部，因此，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[2]。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，見圖1。

圖1 靜電噴霧器充電原理圖

接觸充電方式的高壓電源一端直接與藥液或噴頭相連，另一端接地，液體與地面之間產(chǎn)生電場，形成回路，其等效電路如圖1a所示。藥液經(jīng)噴頭霧化形成霧滴并帶上電荷。由于充電液體與地面距離較遠，因此，接觸充電方式要求充電電壓比感應(yīng)充電電壓高很多，其霧滴充電效果最佳。

電暈充電方式采用高壓電極尖端放電，使周圍空氣電離成帶電粒子，藥液經(jīng)噴頭霧化后與電極周圍的極化粒子碰撞而帶電。電極與水膜間的氣體電阻隨電離的加強而減小，可以用可變電阻來代替，其等效電路如圖1b所示。這種充電方式絕緣性好，可直接用于普通噴頭。

感應(yīng)充電方式在噴頭和電極間設(shè)有高壓電源，由靜電感應(yīng)原理可知，噴頭與電極帶極性相反的電荷。藥液經(jīng)噴頭霧化后帶走噴頭表面電荷，因此，霧滴形成區(qū)與電極的距離決定充電效果。噴頭與電極之間的空氣層被認為是由1個電容器和1個較大阻值的電阻并聯(lián)，其等效電路如圖1c所示。

以上3種充電方式，接觸充電形成的霧滴荷電效果最好，電暈充電方式效果次之，感應(yīng)充電方式效果較差。從安全角度考慮，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；接觸充電方式電極電壓高，絕緣比較困難，因而逐漸被其他充電方式取代。目前較常用的充電方式是感應(yīng)充電[2]。

1.2 靜電噴霧的特點

靜電噴霧具有包抄效應(yīng)、穿透效應(yīng)、尖端效應(yīng)，且覆蓋均勻，沉積量高。帶電霧滴由于粒徑小且分布均勻，在強電場力的作用下能迅速吸附于作物上，不僅能在葉片正面實現(xiàn)均勻覆蓋，而且在葉片背面及植株隱蔽部位也有分布。試驗表明，靜電噴霧藥液沉積量較常規(guī)噴霧藥液沉積量提高36%以上，靜電噴霧能顯著提高藥液在靶標作物下部和背部的沉積效果[3]。

靜電噴霧可提高防效，降低用藥量和成本。靜電噴霧霧滴體積中徑一般在45 μm左右，粒徑分布均勻，粒徑譜窄，符合生物最佳粒徑理論，易于被靶標吸附。當靜電電壓為20 kV時，霧滴粒徑減小約10%，粒徑譜均勻性提高約5%。這些特點增加了霧滴與病蟲害接觸的機會。與常規(guī)噴霧相比，靜電噴霧的防治效果提高2倍以上，節(jié)省農(nóng)藥用量30%～50%，防治成本降低50%左右[4-6]。

靜電噴霧噴液量少，對環(huán)境污染小。帶電霧滴霧化程度高，吸附力強，在外加電場力作用下，霧滴可快速吸附于靶標，而且其穿透力強，無需反復(fù)噴灑，農(nóng)藥飄移量減少20%～30%，避免了農(nóng)藥流失。因此，其對大氣、土壤和水體的污染極小。另外，靜電噴霧油劑一般直接用于噴霧，適合干旱地區(qū)使用。

靜電噴霧持效期長。由于霧化程度高，霧滴在靶標上沉降均勻，且靜電噴霧液劑多為油基制劑，滲透性強，粘附牢，耐雨水沖刷。另外，高沸點溶劑可延長農(nóng)藥有效成分的降解時間，持效期長。

靜電噴霧工效高。針對不同作物，靜電超低量噴霧器工效較常規(guī)噴霧工效提高近20倍，東方紅-18型背負式靜電噴霧機每小時可噴霧1.33～2 hm2。

2 靜電作用下的液滴霧化研究

液體表面張力和黏滯阻力是2種主要的霧化阻力，兩者能夠維持液滴形態(tài)并防止其變形[7]。液體從噴嘴噴出后，由液柱變成液膜，隨著壓力增大，液體克服表面張力和黏滯阻力由液膜變成液絲最后形成液滴。這些液滴因具有較高速度，在空氣中受到氣流剪切作用進而破裂成更小的霧滴噴向靶標。Laryea等[8]建立了荷電霧滴帶電量與霧滴破裂相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，表明霧滴所帶電荷量超過極限值，霧滴會因受力不平衡而發(fā)生破裂。Shrimpton[9]研究了Rayleigh極限條件下霧滴的破裂，在噴霧流動中霧滴持有的電荷達到Rayleigh極限的50%，霧滴將發(fā)生破裂。在液力式霧化過程中，液體壓力和靜電電壓均能改善霧化效果，但超過一定值時，霧化效果不明顯。在氣助式霧化過程中，隨噴霧距離的增加，霧滴整體均勻性提高，但霧滴沉降速度降低。

靜電噴霧目前應(yīng)用于農(nóng)藥噴灑、材料制備、工業(yè)噴涂、燃油燃燒、工業(yè)除塵、脫硫、顆粒聚并及分離等多方面。但高壓靜電霧化受空間非均勻電場與流場耦合等因素影響，液滴霧化研究尚處于通過噴霧器械改裝及霧化參數(shù)優(yōu)化的水平。

3 霧滴荷電效果的研究

荷質(zhì)比是指霧滴所帶的電荷量與其質(zhì)量的比值，是衡量霧滴荷電效果的重要指標[10]。試驗證明，在分散流霧中，霧滴的荷電量與比表面積成正比，霧滴粒徑是影響荷質(zhì)比的重要因素。霧滴粒徑在100 μm以下時，帶電霧滴沉積效果好，這表明荷質(zhì)比越大，霧滴的荷電性能越好，充電效果越理想[11]。

由于單個霧滴荷電量小，霧滴運行過程中荷電量呈逐漸衰減趨勢，此外，還受蒸發(fā)導(dǎo)致荷電量減小以及液滴之間存在相互作用等諸多因素影響，所以只能通過研究荷電霧滴群的平均荷電量來考察充電效果。帶電霧滴平均荷電量測定方法有法拉第桶法、模擬目標法和網(wǎng)狀目標法。3種方法均通過將霧滴收集器接地，測定收集霧滴質(zhì)量，并采用電流表測定電流，從而計算出荷質(zhì)比。法拉第桶法對桶內(nèi)荷電霧滴測量精度較高，霧滴電荷損失少，但只能測定直接噴入內(nèi)筒的狹窄霧流的荷質(zhì)比，對噴頭和噴出的霧形要求較嚴格。模擬目標法的優(yōu)點是模型對真實靶標生長狀態(tài)擬合度高，但局限性在于需要根據(jù)實際情況制作不同的實物模型，存在制作過程較復(fù)雜等問題，從而不利于建立數(shù)學(xué)模型進行研究。網(wǎng)狀目標法彌補了法拉第桶法的不足，但也存在遠距離收集霧滴，不易測量金屬網(wǎng)上液滴附著量的問題[12]。因此，試驗時要根據(jù)具體情況選擇適當?shù)暮少|(zhì)比測定方法。在靜電噴霧過程中，荷質(zhì)比是變化的，其影響因素較多，如噴頭類型、充電電壓、液體理化性質(zhì)以及噴霧壓力等。就如何提高荷質(zhì)比，Maski等[3]研究了液體流量和電極電壓對荷質(zhì)比的影響。結(jié)果表明：在電壓一定的情況下，荷質(zhì)比隨流量的增大而減?。辉诹髁坎蛔兊臈l件下，荷質(zhì)比隨電壓的增大而增大，電壓超過某一值，荷質(zhì)比逐漸減小。Gan-Mor等[13]研究了常規(guī)壓力噴嘴下氣流速度對荷電量的影響，發(fā)現(xiàn)增加氣流速度能有效增加霧滴荷電量；Ahmed等[14]研究了電導(dǎo)率、電壓對荷質(zhì)比的影響。結(jié)果表明，高電導(dǎo)率液體和較高的靜電電壓能有效提高霧滴荷質(zhì)比。在霧滴中添加離子型表面活性劑能更好地促進霧滴荷電[15]。江蘇大學(xué)也對感應(yīng)荷電過程中噴霧荷電特性進行了研究。結(jié)果表明，帶電霧滴的荷質(zhì)比與靜電電壓及噴霧壓力有關(guān)；對于同一靜電噴霧裝置，存在荷電效果最佳的靜電電壓和噴霧電壓，同時荷質(zhì)比隨電極環(huán)直徑的增大而減小，隨電極間距的增大而增大[16]。于輝等[17]研究顯示，當電導(dǎo)率超出一定范圍后，荷質(zhì)比隨電導(dǎo)率的增加而減小，同時隨液體介電常數(shù)的增大而增大，但液體表面張力的增加對荷質(zhì)比無明顯影響。代亞猛等[18]研究了噴嘴孔徑對荷電性能的影響，噴嘴孔徑越小，霧滴體積中徑越小，荷電效果越好。針對圓環(huán)形和方形2種電極進行的研究結(jié)果表明，電極寬度、電極中心到噴口的軸向距離與霧滴荷質(zhì)比成正相關(guān)[19]。由于荷電效果影響因素諸多，目前研究側(cè)重于具體作業(yè)條件下靜電噴頭的研制。

4 霧滴運行及沉降過程的研究

4.1 帶電霧滴的運行過程

帶電霧滴在向靶標運行的過程中，受重力、電場力、慣性和空氣浮力等作用。由于霧滴粒徑很小，在整個運行過程中，電場力起主導(dǎo)作用。霧滴受到的電場力主要包括：帶電霧滴群體與靶標之間的電場力F1、帶電霧滴相互作用力F2。由于帶電霧滴與靶標之間的電場強度遠大于霧滴之間的電場強度，故F1遠大于F2，所以通常認為起主導(dǎo)作用的是F1，F(xiàn)2可忽略不計。目前噴霧流場的測量包括速度場測量和粒徑譜測量，多采用粒子圖像測速技術(shù)（PIV）和相位多普勒測速技術(shù)（PDPA）。其中，PIV能夠?qū)α鲌鲞\動的物理形態(tài)進行顯示，同時提供流場的瞬時定量信息；PDPA是研究噴霧流場中測試霧滴速度及粒徑的重要手段。霧滴在運行過程中，因蒸發(fā)作用其質(zhì)量逐漸減小，同時霧滴間相互排斥，小霧滴易發(fā)生飄移，且荷電霧滴存在放電現(xiàn)象。電導(dǎo)率高的霧滴，放電率可達60%，如果附近有尖端導(dǎo)電物存在，放電率更高[20]。帶電霧滴運行的影響因素眾多，外界環(huán)境復(fù)雜，其影響因素較難確定，并且霧滴在氣液兩相流場中的運動具有隨機性，因此，其運動軌跡和規(guī)律很難用確切的數(shù)學(xué)模型來表示，尚需進一步研究。

4.2 帶電霧滴的沉積過程

霧滴在靶標上的沉積分布是影響噴霧效果的重要因素。衡量沉積性能的指標有沉積量、沉積區(qū)域面積和沉積密度。藥液在靶標單位面積上的沉積稱為沉積量。霧滴運行沉積所覆蓋的區(qū)域為沉積區(qū)域面積，由于沉積密度不同，霧滴密度大且分布均勻的中心區(qū)域稱為有效沉積區(qū)域，霧滴密度很小的區(qū)域稱為無效區(qū)域。沉積密度是指單位面積上霧滴沉積的數(shù)量，代表沉積分布的均勻性。目前對沉積過程的研究主要采用理論與試驗2種方式。在理論方面，對湍流的研究尚處于湍流模型的建立與應(yīng)用階段，Reynolds建立了時均方程，之后Lagrange和Eider分別建立了顆粒群軌道模型和顆粒擬流體模型[21]。在試驗方面，通過改變各種作業(yè)參數(shù)來提高沉積效果。測試霧滴沉積的方法有顯微圖像技術(shù)、空間解析方法、模擬作物法和紙卡法等。影響沉積的影響因素較多，如噴頭類型、霧化和荷電效果、藥液流量及靶標狀態(tài)等，目前這些影響因素主要通過試驗檢測方式判定。

對果園靜電噴霧沉積特性進行的研究表明，脈沖感應(yīng)式靜電噴霧的覆蓋率是常規(guī)噴霧的4.3倍[22]。Maher等[23]研究了液滴沖擊和表面沉淀物形成的耦合動力學(xué)，通過形成親水性表面來增加液滴沉積，從而在沖擊過程中阻止液滴彈跳，減少農(nóng)藥流失。Foque等[24]從噴頭類型、氣力輔助和噴霧方向等方面對帶電霧滴的沉積進行了研究；Devanand等[25]研究了噴霧電壓、噴霧機前進速度、噴霧高度和方向?qū)Τ练e量的影響，得出具體的作業(yè)參數(shù)。謝守勇等[26]選取靜電電壓、噴霧壓力、噴頭形式和噴口直徑作為影響因素，采用正交試驗法獲得最佳噴霧效果的參數(shù)組合。荷質(zhì)比、噴霧角度與葉片表面性質(zhì)對沉積效果也有較大影響[27]。集高壓靜電噴霧技術(shù)、軸流風(fēng)送技術(shù)于一體的高沉積靜電噴霧裝置、接觸式荷電的靜電噴霧裝置和風(fēng)幕式氣力輔助靜電噴霧裝置的沉積性能較好，噴霧效果理想[28-29]。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)對3WBJ-16DZ型多功能靜電噴霧器的帶電霧滴運行沉積進行研究，并建立了風(fēng)送靜電噴霧覆蓋率響應(yīng)面模型[30-31]。南京林業(yè)大學(xué)也對此進行研究，結(jié)果表明靜電可以減小霧滴與葉片之間的接觸角[32]。對于靜電噴霧飄移問題，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研究了不同側(cè)風(fēng)和靜電電壓對飄移的影響。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)率先設(shè)計了果園自動對靶靜電噴霧機。

5 靜電噴霧技術(shù)的研究發(fā)展

國外對于靜電噴霧設(shè)備的研究較早，由于靜電噴霧技術(shù)在很大程度上彌補了傳統(tǒng)噴霧技術(shù)的不足，因此，其在20世紀90年代得到迅速發(fā)展，靜電噴霧器械在歐美一些國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用較為普遍，溫室及大田使用尤為廣泛。針對靜電噴霧器械，英國帝國化學(xué)工業(yè)公司研制出手持式靜電噴霧器，隨后對手動噴霧機和拖拉機懸掛式噴霧機進行改進。英國Bertelfi Randell公司生產(chǎn)的ON-TARGET靜電噴頭可用于噴桿噴霧機和背負式機動噴霧機，能產(chǎn)生40 kV高壓，比普通噴頭減少65%的藥液損失，從而大幅度減少環(huán)境污染[33]。日本對感應(yīng)充電及其電極、果園靜電噴霧技術(shù)進行研究，成功研制出電抗線圈噴槍、微型錐孔旋轉(zhuǎn)噴頭、彌霧噴頭和雙流體靜電噴頭。手持式轉(zhuǎn)盤噴霧器、背負式噴霧機、噴煙機的藥液覆蓋率顯著提高?；舳骱Ｄ反髮W(xué)1987年研制出氣流剪切式靜電噴頭，可用于背負式噴霧機[34]。Laryea等[35]設(shè)計了靜電壓力旋渦噴嘴，并對其霧化效果、荷質(zhì)比及沉積效果等進行測試。結(jié)果顯示，靜電噴霧沉積量較常規(guī)噴霧增加1.3～2.3倍。Mamidi等[36]設(shè)計了靜電噴槍并進行靜電噴霧效果試驗。

隨著靜電噴霧噴頭的不斷發(fā)展，靜電噴霧系統(tǒng)也有了很大進步。美國喬治亞大學(xué)20世紀80年代研制出靜電噴霧系統(tǒng)（ESS）和氣助式靜電噴霧系統(tǒng)（AA-ESS），后由美國ESS公司改進后投入商品化生產(chǎn)。其廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)防治、公共場所及家禽消毒、水果保鮮、工業(yè)噴涂等領(lǐng)域，并帶來良好的經(jīng)濟效益。在嵌入電極靜電感應(yīng)噴頭的基礎(chǔ)上研制的氣助式嵌入電極靜電感應(yīng)噴頭Max-charge現(xiàn)已應(yīng)用于大田作物、溫室、葡萄園等植保作業(yè)中。Patel等[37]針對印度小規(guī)模農(nóng)作設(shè)計開發(fā)了一種新型空氣輔助靜電噴霧系統(tǒng)，可充電電池根據(jù)壓力的改變自動調(diào)節(jié)開關(guān)，從而降低功耗。該系統(tǒng)采用空氣輔助靜電噴嘴，質(zhì)量輕，便于攜帶。

航空靜電噴霧技術(shù)是農(nóng)用飛機和靜電噴霧裝置結(jié)合的產(chǎn)物，提高了飛機作業(yè)抗飄移性。在飛行高度較高時，靜電噴霧可以減少蒸發(fā)和飄移損失，增加細霧的沉降速率等。Carlton[38]開展航空靜電噴霧技術(shù)研究并申請專利。隨后該專利被美國SES公司獲得并進行商品化生產(chǎn)，至此航空靜電噴霧技術(shù)在美國及世界其他地區(qū)推廣。Martin等[39]將USDAARS空中靜電噴霧系統(tǒng)與固定翼飛機組合，研究了氣流速度和噴嘴孔尺寸對噴霧霧化效果的影響。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，霧滴粒徑隨氣流速度及噴嘴孔徑的增大而增大。該研究為航空靜電噴霧作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化提供了參考。

我國靜電噴霧技術(shù)研究始于20世紀70年代末，經(jīng)過幾十年的研究探索，取得了豐碩成果。在靜電噴霧噴頭的研究上，張京等[40]研制了氣液兩相感應(yīng)式靜電噴頭，網(wǎng)式圓錐狀感應(yīng)環(huán)充電靜電噴頭的成功研發(fā)有效解決了霧滴掛附等問題。江蘇理工大學(xué)相繼研制出手持轉(zhuǎn)盤式靜電噴霧器、車載式靜電噴霧機和拖拉機牽引式風(fēng)送靜電噴霧機，應(yīng)用于大田且取得了良好效果。中國在航空靜電噴霧技術(shù)方面也取得很大進步，對霧滴粒徑、充電效果、靜電噴頭以及沉積性能均進行了較為深入的研究。南京林業(yè)大學(xué)采用不同類型的農(nóng)用航空飛機，設(shè)計搭建了與其相適應(yīng)的多種靜電噴霧系統(tǒng)，研制出掛載于固定翼飛機的雙噴嘴航空靜電噴頭及掛載于旋翼飛機的電極內(nèi)嵌式單噴嘴航空靜電噴頭。蔡彥倫等[41]研究了無人機低空靜電噴霧時霧滴沉積量隨噴霧高度和飛行速度的變化。在低空噴霧時，高度較低的區(qū)域，霧滴沉積量較大，噴霧均勻性與飛機速度關(guān)系不明顯。另外，針對果園及溫室也進行了相應(yīng)靜電噴霧機的研究。周良富等[42]采用雙氣流輔助系統(tǒng)與靜電噴霧系統(tǒng)相結(jié)合的方法，研制了牽引式雙氣流輔助靜電果園噴霧機，從而提高了果樹葉片正反面霧滴覆蓋密度。楊洲等[43]設(shè)計了果園在線混藥型靜電噴霧機，該噴霧機的風(fēng)送靜電噴霧系統(tǒng)可提高霧滴附著與穿透能力。

6 靜電噴霧技術(shù)存在的問題及解決方法

液體霧化機理及荷電效果比較復(fù)雜。由于空間電場不穩(wěn)定及影響霧滴運行沉積的因素很多，霧滴運行軌跡和規(guī)律很難找到明確的數(shù)學(xué)模型和測試方法。因此，通過試驗加快建立精確的數(shù)學(xué)模型，研究各項作業(yè)參數(shù)對噴霧效果的影響，具有現(xiàn)實意義。

目前國內(nèi)研制的噴頭存在噴霧射程短，霧化錐角小，噴頭漏電，霧滴粒譜不均勻，噴幅不易控制，對絕緣材料要求高等問題，且接觸充電方式要求靜電電壓達20 kV，耗電大。因此，我國應(yīng)在自主研發(fā)基礎(chǔ)上引進國外先進技術(shù)，解決關(guān)鍵技術(shù)難點。

由于靜電噴霧技術(shù)涉及多學(xué)科基礎(chǔ)理論，試驗儀器和方法有待進一步提高，建議應(yīng)用LDV、PIV等技術(shù)進行理論研究，改善電場的模擬方法，以提高測量精度。

在靜電噴霧藥械產(chǎn)品設(shè)計及應(yīng)用方面我國還存在諸多不足，建議在研究靜電噴霧理論的基礎(chǔ)上，進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計以及產(chǎn)品標準化、系列化和商品化生產(chǎn)。

采用靜電噴霧技術(shù)與飛防應(yīng)用結(jié)合，彌補常規(guī)飛防缺點，研制航空專用靜電液劑，增強霧滴對預(yù)定靶標的吸附，有效減少霧滴飄移損失。

7 小結(jié)

由于靜電噴霧技術(shù)解決了多個常規(guī)噴霧作業(yè)的難題，其已經(jīng)在發(fā)達國家得到廣泛應(yīng)用，我國對適合大田和果園作業(yè)的大中型靜電噴霧機械的研究與開發(fā)尚處于起步階段，應(yīng)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。

致謝：本文承蒙導(dǎo)師尹明明、陳福良悉心指導(dǎo)，謹此致謝！