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新方法让农药或肥料雾滴有效瞄准并粘附目标
日期:2018-09-18 作者:编译:龚晶 来源:农科智库 点击:
     在将油漆或涂料喷洒到表面上,或将肥料或杀虫剂喷洒到作物上时,雾滴的大小会产生极大的差异。较大的液滴在风中的飘移情况较少,从而可以更准确地撞击目标,但较小的水滴降落时更容易粘附目标,而不会造成反弹。
    现在,麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)的一支研究团队已经找到了一种方法来平衡这两个特性,并获得两者的最佳效果——液滴不会飘移得太远,同时又能产生微小的雾滴粘附在目标表面上。该团队取得此项成果的方法非常简单:在喷雾喷头和预定目标之间放置一个网格,以此将液滴分解成原来的千分之一大小。
    今天,《流体物理评论》(Physical Review Fluids, PR Fluids)杂志刊登了这一研究结果,这是由MIT机械工程副教授克利帕·瓦拉纳西(Kripa Varanasi)、前
    博士后丹·所托(Dan Soto)、研究生亨利-路易斯·吉拉德(Henri-Louis Girard)以及其他三位来自MIT和位于巴黎的法国国家科学研究中心(The National Center for Scientific Research, CNRS)的研究人员共同完成的一篇论文。
    瓦拉纳西及其团队早期的研究重点是:如何让雾滴更有效地粘附在它们的预定目标表面上,而不是反弹出去。而这项新研究的重点是问题的另一个方面——如何让液滴到达目标表面。瓦拉纳西解释说,通常只有不到5%的喷洒液体能够最终粘附在预定的目标上;有95%甚至更多的液体会遭到浪费,其中有大约一半的雾滴会飘失,压根没有到达目标上,而另一半雾滴是由于反弹而损失的。
    雾化器是一种能够以微小雾滴的形式喷洒液体,使其悬浮在空气中而不会沉降出来的装置,是许多工业生产过程的关键部件,这些过程包括:喷漆和涂层,将燃料喷射至发动机内,将水喷射至冷却塔内,以及利用细小的墨滴进行印刷。该团队取得的新进展是以较大的液滴形式进行初始喷洒,这些液体受微风影响较小,更有可能到达目标,然后通过在喷头和目标之间放置网格,让大液滴在到达目标表面之前分解为更细小的雾滴。
    瓦拉纳西说,虽然这个方法也许适用于多种不同的喷洒应用,但“主要动机是农业发展”。农药如果没有到达目标表面,而是落在地面上,就会汇聚为径流,形成严重的污染源,同时造成昂贵化学品的浪费。另外,对某些植物而言,较小的雾滴所产生的损害或削弱影响也会更小。
    过去,农民已经懂得如何用织物网格覆盖某些种类的作物,以防止鸟类和昆虫偷吃植物,因此这一方法已经为农民所熟悉,并被广泛使用。研究人员表示,可供使用的网格材料多种多样,但关键是要确定网格中开口的大小和材料的厚度,而团队已通过一系列室内实验和数学分析,精确量化出了这两个参数。在实验的开展过程中,研究人员主要使用的是常见而平价的不锈钢精细丝网。
研究人员提出,由植物茎干或框架支撑的网格放置于作物上方后,农民可以简单地使用产生较大液滴的传统喷雾器,这些液滴即使在微风条件下也能保持其喷洒路线。然后,当大液滴即将到达植物时,它们会被网格分解成细小的雾滴,每粒雾滴的粒径约为十分之一毫米,这将大大增加它们粘附的机会。
    而该方法还会额外带来一个好处:放置在作物上方的网格也可以保护它们免受暴风雨的破坏,网格会将雨滴分解成较小的雾滴,从而降低其撞击植物时产生的压力。研究人员表示,作物如果受到风暴的损害,某些情况下可能会导致作物产量的严重降低,而该方法能有效减少这一现象。此外,较大的液滴会导致更多的飞溅情况,造成病原体的扩散。
    瓦拉纳西说,这一新方法除了能够提高效率,还可以减少农药飘移的问题,有时农药会从一位农民的田地吹到另一个农民的田地,甚至从一个州吹到另一个州,有时还会最终吹进人们的家中。“人们希望解决这一问题,因此正在寻找解决方案。”
    吉拉德指出,这一方法的原则也同样适用于其他用途,例如将水喷射到冷却塔中,这些冷却塔可用于发电厂,以及许多工业或化学工厂。他说,在这些塔中,将网格放置于喷头下方“可以产生更细的雾滴,能够蒸发更快,并提供更好的冷却效果”。吉拉德还补充到,由于冷却效率与液滴的表面积有关,因此使用更细小的液滴会让冷却效率提升三个数量级。
    在最近的研究中,瓦拉纳西和他的团队发现了一个办法,能够通过在塔顶上使用一种不同类型的网格,将大部分从冷却塔中蒸发掉的水进行回收。这一新发现可与上一个新方法相结合,从而提高输入侧和输出侧的发电厂效率。
    吉拉德说,在进行喷漆和涂覆其他种类的涂料时,雾滴越细,涂覆和粘附效果就越好,因此该方法可以改善涂料的质量和耐久性。
吉拉德说,尽管目前大多数雾化方法需要依靠能量所产生的高压,来迫使液体通过狭窄的开口,但这种方法纯粹是被动和机械的。“而我们的方法可以让网格自行雾化,几乎免费。”
    该团队成员还包括安托万·勒·艾洛克(AntoineLe Helloco)、MIT的托马斯·宾得(Thomas Binder)以及巴黎CNRS的大卫·奎尔(David Quere)。该项研究得到了MIT-法国项目的支持。
(来源:麻省理工学院   北京市农林科学院农业信息与经济研究所报道)
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