MIT用“土方法”提高农药喷洒效率,液滴大小仅为原来的千分之一

科学
MIT用“土方法”提高农药喷洒效率,液滴大小仅为原来的千分之一
麻省理工科技评论 2018-09-08

2018-09-08

近日,一些麻省理工学院研究人员提出了一种结合喷洒准确度和液滴附着能力两方面的方法,取得了满意的效果。
化学 MIT
近日,一些麻省理工学院研究人员提出了一种结合喷洒准确度和液滴附着能力两方面的方法,取得了满意的效果。

喷雾技术在喷漆和农药喷洒等诸多领域应用广泛,而小液滴尺寸对于喷洒结果影响很大。更大的液滴在风中不容易飘散,因此能令喷洒更准确,但是更小的液滴更容易在接触物体表面时附在上面而不是弹开。

近日,一些麻省理工学院研究人员提出了一种结合喷洒准确度和液滴附着能力两方面的方法,取得了满意的效果。该技术简单的惊人:在物体前面放一个细孔纱网就够了。经过这个纱网后,液滴的大小变成原来的千分之一。《物理综述·流体》(Physical Review Fluids)发表了该成果的论文,作者包括麻省理工机械工程副教授 Kripa Varanasi、前博士后 Dan Soto、研究生 Henri-Louis Girard以及其他3名麻省理工和法国国家科学研究院(CNRS)的研究人员。

Varanasi 团队的早期工作聚焦于让液滴更好地附着在物体表面而不是弹开。新的研究聚焦于另一个问题:如何让液滴准确到达目标物体。Varanasi 解释道,通常只有5% 的液滴能附着在目标表面,95% 的液滴都浪费了,而浪费液滴中的一半根本没有碰到过目标,另一半在碰到物体表面后弹开。

雾化器是将液体雾化为小液滴,使其能悬浮在空中而不是直接落地的工具。雾化器在很多工业领域有广泛应用,包括喷涂、内燃机、发电厂冷却塔以及艺术喷绘。研究团队首先制造不容易被风吹散的大液滴,然后在液滴到达目标表面之前将其用细眼纱网变成小液滴。

该技术可以用于很多喷雾应用中。首先,在农业领域,没有留在作物表面的杀虫剂落在地面,会产生严重污染。此外,更细的液滴对于某些比较脆弱的植物伤害更小。

农民很早就用网眼罩住植物防止鸟和昆虫来偷食,因此使用纱网对他们来说根本不成问题。研究人员表示,很多种纱网材料都可以凑效,关键是网眼大小和材料的厚度——研究团队通过大量的实验研究和数学分析,确定了这两个参数的合适值。当然,为了控制成本,科学家在实验中主要使用廉价易得的不锈钢纱网。

研究人员表示,只要用细眼纱网罩住植物,农民完全可以用传统的大液滴喷雾器喷洒农药,当液滴碰到纱网时,自然会变成直径小于1毫米的小液滴,被吸收的概率极大提高。

此外,在庄稼上放置纱网还可以放置暴雨对庄稼的损坏,因为大液滴可以被分散成对植物冲击力更小的小液滴。此外,暴雨还可能导致植物病害的传播。因此,暴雨在某些情况下是作物减产的重要原因,而纱网能起到防范作用。

由于喷洒效率提高,农民可能无需喷洒太多农药,这样可以减轻农药被风吹散到别处导致的环境污染,此问题也长期困扰农民。

当然,细眼纱网喷雾技术还有其他潜在应用领域,比如发电厂冷却塔或者其他的化工反应流程。小液滴蒸发更快,因此能提供更好的冷却效率,因为冷却效率跟液滴表面积有关,越小的液滴表面积越大。

前期工作中,Varanasi团队发明了从冷却塔中回收大量由于蒸发而流失的水的技术,方法是在塔顶盖上多重不同网眼大小的纱网。结合小液滴喷雾技术,冷却塔的效率有望进一步提高。

喷漆时,液滴越小,附着力越好,因此喷漆的质量也可以借此技术得到提高。

更重要的是,新型小液滴技术无需外加能源就可以工作。

波士顿大学机械工程助理教授 James Bird 表示,该项工作非常有创造力,看上去也很可行。不过最重要的是,作者在研究中体现出了对复杂物理过程的深刻洞察力,然后敏锐地将其用于解决现实世界的问题。

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