超声雾化在超低量喷雾中的应用前景

超声雾化在超低量喷雾中的应用前景

张建桃　文晟　江定心　张铁民

摘要：为了提高农药利用率，确保农产品安全，减少农药使用过程中带来的环境污染等问题，在阐述超低量喷雾和生物最佳粒径理论基础上，明确了喷施农药对施药器械雾化药液效果的要求，并对液体的各种雾化方式进行了对比分析。高额超声雾化具有雾滴尺寸小、分布均匀、雾化效果容易控制、器械结构简单，且制造成本低等特点。在超低量喷雾中具有一定的应用前景。

　　目前植物保护方法主要有化学、物理、生物和综合防治等方法。其中，化学防治具有工效高、防治及时等特点。特别是对突发性、大面积暴发的病虫害，能够做到及时控制与防治。据统计，如果不使用化学农药．由病虫草害所造成的损失约为农产品总产值的30%。因此，化学防治仍然是现阶段乃至今后相当长的时期内世界各国防治农业有害生物的主要方法。药剂的施用离不开植保机械，结构简单的手动农用喷雾器是目前我国使用量最大，也是使用最普遍的施药器械。但是，手动喷雾器的施药方式以大雾滴、雨淋式、全覆盖的常规喷雾为主，施药量大，雾滴粗，在作物上的附着率低，农药利用率只有30%左右。常规喷雾的大部分农药都沉降到地面和飘移到周围环境中，不仅造成了药剂浪费，增加了防治成本，而且对空气、河流和土壤还会造成严重的污染，甚至引发人、畜中毒。因此，积极开展施药器械和施药技术的基础理论研究，尽快提高我国农药使用技术水平具有重要的现实意义。与常规喷雾相比，超低量喷雾具备较大的应用优势，在介绍该技术的基础上，对超声雾化在超低量喷雾方面的应用前景作一展望。

　　1　超低量喷雾技术

　　研制农药用量小．药液附着率高、环境污染少的喷雾机械，已成为农药使用技术的主要发展方向。自20世纪六七十年代以来．世界各国都加强了农药喷施技术的研究，许多学者提出了新的理论和概念，如低量和超低量喷雾、生物最佳粒径、离心喷雾、静电喷雾、可控雾滴喷雾、对靶喷雾、精密喷洒等。其中，超低量喷雾每m2喷药量在mL以下，是近年来植物保护中大力推广的一种施药技术。它具有农药用量少，雾滴直径小、重量轻、吸附能力强、不发生弹跳溅落、药液分散度高等优点。与常规喷雾相比，可节约农药10%～30%。该技术还能显著提高农药的利用率。例如，使用工农-16型传统手动背负式喷雾器进行常量喷雾，雾滴直径～μm，农药利用率只有30%左右；而使用东方红-18型背负式机动弥雾喷粉机进行超低量喷雾．雾滴直径为70μm，农药利用率达60%～70%．每m2施药量小于mL。中国农业大学研制的手持式静电场雾化喷雾器，雾滴直径约为40μm，每m2施药量小于50mL。大量研究结果表明，低容量喷雾比高容量喷雾更为科学合理，不但可以省药、省工，提高了对病虫害防治效果，而且可以避免高容量喷雾带来的许多弊端，应用后获得了较好的生态效益、经济效益和社会效益。

　　2　生物最佳粒径理论

　　雾滴大小是喷雾技术中最重要的参数之一，通常用体积中径和数量中径表示。体积中径是将雾滴按直径大小顺序排列，体积累积达到总体积的50%时的雾滴粒径：数量中径是雾滴数量累积达到雾滴总数量50%时的雾滴粒径。数量中径和体积中径的比值称为扩散比。扩散比是衡量喷雾性能好坏的一个重要指标。扩散比越接近1，表示雾滴的粒径越均匀。合适的雾滴直径，可以减少飘移，减轻环境污染，提高对靶标的沉积量，使药剂发挥最佳的效果。据此提出的生物最佳粒径理论认为，不同生物靶标捕获的雾滴粒径范围不同，只有在最佳粒径范围内，靶标捕获的雾滴数量最多，防治效果也最佳。对于大多数生物靶标，20～50μm是最佳粒径范围。而超低量喷雾要实现每m2喷药量小于mL，要求雾滴大小在5～50μm范围内。

　　为改变常量喷雾雾滴粗，且分布不均、在标靶上沉积量小、农药有效利用率低等缺陷，需要研发一种雾滴直径小而均匀的超低量喷雾器，既可减少农药用量，又能达到生物最佳粒径的要求，从而减少农药对环境和农产品的污染，提高农药使用技术水平。

　　3　雾化方式

　　雾滴直径大小与均匀程度主要与雾化方式有关。目前，液体雾化方式主要有压力雾化、离心雾化、气液二相流雾化、静电雾化以及超声雾化。

　　压力雾化是利用高压使液体经由一定形状的孔喷出而破裂雾化于周围的空气中。常见的喷雾机械大多采用这种雾化方式，雾滴直径一般为～μm。通过改变喷雾压力和喷嘴孔径，可得到不同直径的雾滴，但需要有过滤器来防止喷头堵塞。长时间使用喷头，其喷嘴容易磨损，导致雾滴直径变大。压力雾化是先使液体形成薄膜状，然后再分散成大小不等、不稳定的雾滴，雾滴大小很不均匀，即雾滴粒谱较广，最大雾滴的体积甚至超过最小雾滴的万倍。雾滴的平均直径随压力的减少而增大，随喷孔的增大而增大。液体的表面张力和黏度增加，也会使雾滴直径加大。总之，压力雾化是一种较为“粗放”的喷雾，无法满足超低量喷雾和生物最佳粒径的要求。

　　离心雾化是利用高速旋转部件的离心力，使液体成雾状洒出。离心式雾化的优点在于产生的雾滴粒谱比压力雾化窄，雾滴直径10～50μm，能满足超低量喷雾和生物最佳粒径的要求。但是，雾化性能的好坏主要与旋转部件的转速有关。高速旋转部件的转速高达～r/min，加工精度要求较高，需要有良好的动态平衡性能，否则旋转部件容易磨损。在田间使用该类机械的过程中，如旋转部分触碰到作物，也容易损坏。

鉴于单一的雾化方式很难达到超低量喷雾和生物最佳粒径的要求，一些研究者把气力雾化和液力雾化相结合，研究气液二相流雾化。如汤伯敏等探讨了空气压强与气流量、喷雾量、雾滴直径、有效功率、吸液高度、喷口空气过流面积等参数的相互关系，明确了药液黏度和表面张力对雾滴直径、喷雾量的影响程度。彭军等利用Fluent软件对气液二相流喷雾装置内风筒及其延长区域的流场进行模拟分析。朱成云对风机内部流场进行了数值模拟和分析。新疆农科院农业机械化研究所开发的9WZC-30型自走式超低量喷雾机，雾滴直径为40～70μm。气液二相流雾化形成的雾滴直径小，装置的喷嘴较大，不易被堵塞，并可通过调节气体和液体压力来改变雾滴尺寸但气液二相流雾化不仅需要配备液压泵，还需要空气压缩机，机具成本较高。

　　静电喷雾是由静电喷头雾化药液并加载静电荷形成雾群，在静电场作用下飞向靶标的一种喷雾方法。英国帝国化学公司在年生产的手持式静电喷雾器，完全靠高压静电破坏液体表面张力使药液破碎成直径40～μm的雾滴。现有的静电喷雾器，一般是先利用外力（如气压力、液压力或离心力）将农药分散成雾，面向四周飞溅，然后施加高压静电，使雾滴处于喷头与农作物之间形成的高压静电场中，借助场强中矢量力作用，引导和推动农药雾滴向农作物作定向运动，完成农药的喷洒。国内相关研究较多。刘春景等、任惠芳等、茹煜等对气力静电喷雾进行了研究。王保华等、刘玉洲等对液力静电喷雾进行了研究，周浩生等、吴春笃等等对气液两相静电喷雾进行了研究。静电喷雾具有雾滴穿透力强、靶标命中率高、雾滴小而飘失少、覆盖均匀、稀释用水少或不用水、农药施用量低等优点。但静电喷雾不适用于无导电性的农药制剂，且静电喷雾器结构较复杂，对制造材料要求高，器械成本高，对操作人员的要求也较高。

　　应用于农药喷雾的雾化技术主要有以上几种，现有的超低量喷雾器大都采用多种雾化方式相结合的方法，导致喷雾器结构复杂，成本高，对操作人员的要求也高。鉴于我国农业防治的实际情况，迫切需要一种产生雾滴直径较小且粒径均匀，结构简单，成本较低，使用与维护便利的超低量喷雾器，超声雾化是一种值得考虑的雾化方式。

　　4　超声雾化

　　超声雾化是在超声频率的作用下，液体振动失稳，在气相中分散而形成微细雾滴的过程。超声雾化可分为流体动力型和电声转换型两种。

　　4.1　流体动力型超声雾化

　　该类型是用高速气体或液体激发共振腔而产生超声波，其频率主要由共振腔的尺寸决定，雾滴尺寸与液流速率、压力、喷嘴大小和共振腔的位置等因素相关。流体动力型雾化器需要液泵或空气压缩机，一般用于燃油雾化方向。

　　4.2　电声转换型超声雾化

　　该类型是将电信号转换成机械振动．然后由机械振动产生超声波，按照其振荡频率的不同可以分为低频超声雾化(工作频率20～KHz)和高频超声雾化（工作频率高于KHz）。

　　低频超声雾化是利用超声喷嘴将液体雾化，当液体喷射到一个快速振动的固体表面时，在固体表面就会形成1层波状液体薄膜，随着固体振动幅度的增大．液膜表面波的振幅也增大。当液膜表面波的振幅增大到一定值时，波的顶端就会变得不稳定并破裂，从同体表面喷射出大量细小的雾状液滴。从高建民等的报道来看，现有的低频超声雾化技术雾化量偏小，约为0.18L/h，雾滴平均中径约为45μm，存在粒径～μm的大雾滴群。

　　高频超声雾化工作原理是在信号发生器上产生高频电能信号，通过换能器将其转换为超声机械振动（即超声波），超声波通过雾化介质传播，在气液界面处形成表而张力波，由超声波空化作用破坏液体分子作用力，从液体表面形成雾滴，从而实现液体雾化。高频超声雾化具有雾滴尺寸可调、分布均匀、流量可控的优点。与低频超声雾化相比，高频超声雾化技术的雾化量大，如工业高频超声雾化加湿器单振子雾化量即可达0.6L/h，整机雾化量达20L/h。

　　目前，高频超声雾化技术已广泛应用丁空气加湿、雾化治疗、半导体刻蚀、电子产品盐雾试验以及光谱分析仪器样品引入等片而。此外．Huang等将高频超声雾化器雾化过氧化氢用于嫩菠菜的消毒；Kirpalani等将该技术用于乙醇的提取。近年来，一些学者对高频超声雾化器的结构设计以及雾化效果的影响因素进行了研究，如Zhang等对医用高频超声雾化器的结构进行了研究，提出了雾化片的选择标准，以水为雾化对象，推导出雾化器的最佳液位深度；Yasuda等研究了蒸馏水高频超声雾化时雾滴直径大小、雾化量与超声波频率和强度的关系，以及溶质摩尔浓度与雾滴直径的关系；Higginbotham等研究了高频超声雾化产生气溶胶时，气溶胶雾滴直径与驱动电源频率和幅值的关系。但从现有的资料来看，还没有研究者将高频超声雾化应用于农药喷雾器。

　　4.3　应用前景分析

　　综上所述，传统、单一的雾化方式难以达到超低量喷雾的要求，现有的超低量喷雾器大都结合采用多种雾化方式，导致喷雾器结构复杂，成本高，对操作人员的要求也高。如将高频超声雾化应用于农药喷雾，则具有以下特点：①雾滴小而均匀，雾滴直径可达微米级；②雾滴直径和喷雾量均可调节；③使用压电陶瓷作为雾化器件，制造成本较低；④无喷嘴，不会造成堵塞；⑤可实现超低容量喷雾，省时、省力；⑥可直接用农药缘液喷洒，节省大量稀释用水；⑦结构简单，使用与维护较容易；⑧雾化后的雾滴可用管道输送。如送到保护地栽培的各个温室大棚。这些特点显示了高频超声雾化应用于农药超低量喷雾的潜在优势。但超声雾化也存在雾滴过于细小，易造成飘移，沉降困难，在户外使用有些不便的问题。如能通过进一步研究找到解决方法，该项技术在农药超低量喷雾方面会有较好的应用前景。

注：文件转自互联网

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