新型农用打药雾化喷头(广受关注的新型施药技术——农药静电喷雾技术)

Posted 2023-05-28

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新型农用打药雾化喷头(广受关注的新型施药技术——农药静电喷雾技术)

世界农化网中文网报道：长期以来，我国植保施药技术和机械较落后，农药有效利用率只有20%～30%，而真正到达靶标的药量仅占施药量的1%～3%，由此引发了农药浪费、环境污染等一系列问题。

静电喷雾技术是在控制雾滴技术及超低容量喷雾理论和实践的基础上发展起来的新型施药技术。与常规喷雾技术相比，静电喷雾能够实现定向喷洒，减少农药飘移，降低环境污染，提高农药利用率，节约施药成本。因此，静电喷雾技术理论研究，相应的机械设备及其适配静电超低容量油剂的发展均受到广泛关注。

1 静电喷雾的原理与特点

1.1 原理

静电喷雾技术是在喷头上施加高压静电，在喷头与靶标之间建立静电场，药液经喷头雾化后带上电荷，形成群体荷电雾滴，然后在静电场和其他外力的共同作用下定向运动而被吸附到靶标的各个部位。在此过程中，在雾滴运行过程中电场力起主导作用，带电雾滴能够定向吸附于植株叶片正反面，减少农药飘移。目前雾滴荷电方式分为3种，即接触充电、电晕充电和感应充电，见图1。

a—接触充电；b—电晕充电；c—感应充电

图1 静电喷雾器充电原理图

从效果来看，接触充电形成的雾滴荷电效果最好，电晕充电方式效果次之，感应充电方式效果较差。

从安全角度考虑，感应充电方式最安全，充电电压较小，只有几千伏，绝缘容易实现；其次是电晕充电方式，其高压绝缘性好，但所需电极电压较高，可直接用于普通喷头；接触充电方式电极电压高，绝缘比较困难，因而逐渐被其他充电方式取代。

目前较常用的充电方式是感应充电。

1.2 静电喷雾的特点

具有包抄效应、穿透效应、尖端效应，且覆盖均匀，沉积量高。

可提高防效，降低用药量和成本。

喷液量少，对环境污染小，静电喷雾油剂一般直接用于喷雾，适合干旱地区使用。

持效期长。由于雾化程度高，雾滴在靶标上沉降均匀，且静电喷雾液剂多为油基制剂，渗透性强，粘附牢，耐雨水冲刷。另外，高沸点溶剂可延长农药有效成分的降解时间，持效期长。

工效高。针对不同作物，静电超低量喷雾器工效较常规喷雾工效提高近20倍，东方红-18型背负式静电喷雾机每小时可喷雾1.33～2 hm2。

2 静电作用下的液滴雾化应用与研究

由于荷电效果影响因素诸多，目前雾滴荷电效果研究侧重于具体作业条件下静电喷头的研制。

静电喷雾目前应用于农药喷洒、材料制备、工业喷涂、燃油燃烧、工业除尘、脱硫、颗粒聚并及分离等多方面。但高压静电雾化受空间非均匀电场与流场耦合等因素影响，液滴雾化研究尚处于通过喷雾器械改装及雾化参数优化的水平。

2.1 国外发展情况

国外对于静电喷雾设备的研究较早，由于静电喷雾技术在很大程度上弥补了传统喷雾技术的不足，因此，其在20世纪90年代得到迅速发展，静电喷雾器械在欧美一些国家农业生产中使用较为普遍，温室及大田使用尤为广泛。

针对静电喷雾器械，英国帝国化学工业公司研制出手持式静电喷雾器，随后对手动喷雾机和拖拉机悬挂式喷雾机进行改进。英国Bertelfi Randell公司生产的ON-TARGET静电喷头可用于喷杆喷雾机和背负式机动喷雾机，能产生40 kV高压，比普通喷头减少65%的药液损失，从而大幅度减少环境污染。

日本对感应充电及其电极、果园静电喷雾技术进行研究，成功研制出电抗线圈喷枪、微型锥孔旋转喷头、弥雾喷头和双流体静电喷头。手持式转盘喷雾器、背负式喷雾机、喷烟机的药液覆盖率显著提高。

霍恩海姆大学1987年研制出气流剪切式静电喷头，可用于背负式喷雾机。Laryea等设计了静电压力旋涡喷嘴，并对其雾化效果、荷质比及沉积效果等进行测试。结果显示，静电喷雾沉积量较常规喷雾增加1.3～2.3倍。Mamidi等设计了静电喷枪并进行静电喷雾效果试验。

随着静电喷雾喷头的不断发展，静电喷雾系统也有了很大进步。美国乔治亚大学20世纪80年代研制出静电喷雾系统（ESS）和气助式静电喷雾系统（AA-ESS），后由美国ESS公司改进后投入商品化生产。其广泛应用于农业防治、公共场所及家禽消毒、水果保鲜、工业喷涂等领域，并带来良好的经济效益。在嵌入电极静电感应喷头的基础上研制的气助式嵌入电极静电感应喷头Max-charge现已应用于大田作物、温室、葡萄园等植保作业中。Patel等针对印度小规模农作设计开发了一种新型空气辅助静电喷雾系统，可充电电池根据压力的改变自动调节开关，从而降低功耗。该系统采用空气辅助静电喷嘴，质量轻，便于携带。

航空静电喷雾技术是农用飞机和静电喷雾装置结合的产物，提高了飞机作业抗飘移性。在飞行高度较高时，静电喷雾可以减少蒸发和飘移损失，增加细雾的沉降速率等。Carlton开展航空静电喷雾技术研究并申请专利。随后该专利被美国SES公司获得并进行商品化生产，至此航空静电喷雾技术在美国及世界其他地区推广。Martin等将USDA-ARS空中静电喷雾系统与固定翼飞机组合，研究了气流速度和喷嘴孔尺寸对喷雾雾化效果的影响。结果表明，在一定范围内，雾滴粒径随气流速度及喷嘴孔径的增大而增大。该研究为航空静电喷雾作业参数的优化提供了参考。

2.2 我国发展情况

我国静电喷雾技术研究始于20世纪70年代末，经过几十年的研究探索，取得了丰硕成果。

在静电喷雾喷头的研究上，张京等研制了气液两相感应式静电喷头，网式圆锥状感应环充电静电喷头的成功研发有效解决了雾滴挂附等问题。江苏理工大学相继研制出手持转盘式静电喷雾器、车载式静电喷雾机和拖拉机牵引式风送静电喷雾机，应用于大田且取得了良好效果。

中国在航空静电喷雾技术方面也取得很大进步，对雾滴粒径、充电效果、静电喷头以及沉积性能均进行了较为深入的研究。在低空喷雾时，高度较低的区域，雾滴沉积量较大，喷雾均匀性与飞机速度关系不明显。另外，针对果园及温室也进行了相应静电喷雾机的研究。

3 静电喷雾技术存在的问题及解决方法

液体雾化机理及荷电效果比较复杂。由于空间电场不稳定及影响雾滴运行沉积的因素很多，雾滴运行轨迹和规律很难找到明确的数学模型和测试方法。因此，通过试验加快建立精确的数学模型，研究各项作业参数对喷雾效果的影响，具有现实意义。

目前国内研制的喷头存在喷雾射程短，雾化锥角小，喷头漏电，雾滴粒谱不均匀，喷幅不易控制，对绝缘材料要求高等问题，且接触充电方式要求静电电压达20 kV，耗电大。因此，我国应在自主研发基础上引进国外先进技术，解决关键技术难点。

由于静电喷雾技术涉及多学科基础理论，试验仪器和方法有待进一步提高，建议应用LDV、PIV等技术进行理论研究，改善电场的模拟方法，以提高测量精度。

在静电喷雾药械产品设计及应用方面我国还存在诸多不足，建议在研究静电喷雾理论的基础上，进行参数优化设计以及产品标准化、系列化和商品化生产。

采用静电喷雾技术与飞防应用结合，弥补常规飞防缺点，研制航空专用静电液剂，增强雾滴对预定靶标的吸附，有效减少雾滴飘移损失。

4 小结

由于静电喷雾技术解决了多个常规喷雾作业的难题，其已经在发达国家得到广泛应用，我国对适合大田和果园作业的大中型静电喷雾机械的研究与开发尚处于起步阶段，应加强静电喷雾荷电方式及雾化理论的研究，分析雾滴荷电及沉积的影响因素，研制先进静电喷雾设备，以提高农药利用率，减少环境污染。

作者：任立瑞，陈福良，尹明明

中国农业科学院植物保护研究所，农业部作物有害生物综合治理重点实验室