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摘要：为解决新疆棉田残膜回收难题，研究了在高压静电场条件下，极板间距、残膜面积对残膜-土壤静电分离装置吸附效率及对应电场强度的影响。研究结果表明，静电吸附方法可以用于残留地膜的回收，吸附效率与极板间距模拟方程为线性方程；当极板高度为6 cm，残膜面积为16 cm2时，吸附效率为96.67%；经过对比试验，吸附高度在 6～10 cm，有土条件下不同面积残膜的吸附电场强度比无土条件稳定。研究结果可为下一步静电式残膜回收机的研制提供技术依据。
关键词：棉田；高压静电场；残留地膜；静电吸附；吸附效率；电场强度
中图分类号： S125文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2017）05-0204-03
地膜覆盖技术从20世纪50年代起在美国、日本和欧洲开始使用，由于经济效益较好，在世界各国得到广泛的应用。我国自20世纪70年代引入地膜覆盖技术，其保土、保温、提高作物产量等特点，促进了我国农业的发展[1]。我国大部分地区使用的残膜为聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）[2]。由于残膜回收不完整和自然条件对地膜的破坏，造成大量的残膜碎片混入了土壤之中。这种物质在土壤中会存留200～400年而不降解，成为环境保护的一个重大问题。新疆每年覆膜量的20%以上残留在土壤中，残留量是全国平均地膜残留量的4～5倍[3-4]。阿克苏地区棉田平均地膜残留量达 134.09 kg/hm2，属于重度污染区[5]。现阶段新疆地区残膜回收还是采取人工和机械回收相结合的方式，残膜回收机具普遍存在残膜回收工作效率低的问题，特别是春播前残膜回收机[6-9]系列，由于残膜风化时间长，残膜成为小碎片，因此残膜回收效率不高。
静电技术[10]作为一门新兴的边缘学科，其应用已经渗透到农业的各个领域，甚至作为改造传统农业生产的方式和手段之一[11-12]。在塑料分离回收等工业生产领域中静电技术应用越来越广泛[13-16]。伴随着农业生产的科技化，农业科研和生产很多环节应用静电技术，本研究利用静电吸附原理来对残膜进行回收。当一个带有静电的物体靠近另一个不带静电的物体时，由于静电感应，没有静电的物体内部靠近带静电物体的一边会集聚与带电物体所携带电荷相反极性的电荷（另一側产生相同数量的同极性电荷），由于异性电荷互相吸引，就会表现出静电吸附现象。由于残膜与农用耕地介电系数相差很大，理论上可以用静电分离法进行分离。本试验研究在高压静电场条件下，极板间距和残膜面积对残膜吸附效率及对应的电场强度的影响规律。
1材料与方法
1.1试验仪器
试验所用的静电发生器是ZGF-60 kV/2 mA直流高压静电发生器，它可把交流220 V整流到0～50 kV。吸附装置由上、下2个平行极板组成，下极板固定，上极板可上下移动从而改变残膜的吸附高度；将残膜和土置于平行板电极形成的匀强电场中，分别改变电压值和高度来改变电场强度进而观察对残膜的吸附情况。电子天平FA1004，可以精确地测量残膜和土的质量。
1.2试验材料
试验使用的残留地膜和土是来源于新疆阿拉尔市10团未耕作棉花地，采集深度0～20 cm。试验前除去杂质，将土壤与残膜分开，土壤研磨过筛后，在恒温箱中进行烘干。按照 1 ∶[KG-*3]1 ∶[KG-*3]1 ∶[KG-*3]1 的比例加适当的水配制成不同湿度的样本土，土壤样品装入相同大小的容器内静置24 h，保证土壤样品的均匀性。将残膜样本按照4、9、16、25 cm2大小裁剪成正方形，随机取20片平铺于下极板。
1.3试验方法
试验电路见图1，自制吸附装置的下极板是固定的，上极板可以上下调节高度。首先按照电路图连线，调节上极板高度，记录此时极板高度，选取土壤样品和地膜称质量后平铺在自制吸附装置的下极板，地膜平铺20片。打开电源，接通高通信号，缓慢调节电压值，当地膜吸附在上极板数量最多时停止调节，读出电压值，记录此时上极板所吸附的残膜片数。缓慢调节电压值至最小，使用放电棒放电，直至放电完成。每次试验后，将升压电位器调回到零位（粗调、细调都回零位），按绿色按钮，切断高压并关闭电源开关，最后进行放电。
为了保证试验的准确性，试验在相同的环境下进行。在指定高度下，将相同大小的残膜放在自制静电吸附装置下极板进行吸附试验，测定上极板吸附效率最大值，每组试验测量
6次，取6次的平均值作为试验结果；即此电压是在高度一定的情况下，同形状的残膜吸附效率最高。通过残膜吸附的静电电压值和吸附高度可以得到电场强度。
吸附效率是试验加入电压后吸附在上极板的残膜片数与试验前在下极板中的残膜片数的比值。
2结果与分析
2.1极板间距对吸附效率及电场强度的影响
2.1.1无土条件下
残膜的吸附效率随极板间距的变化规律见图2，对应模拟曲线方程和相关系数见表1。从图2可以看出，对相同面积的残膜，随着上下极板间距的变大，残膜吸附效率随之下降，变化关系的模拟曲线为一次线性方程，相关系数在0.95以上，模拟的曲线方程效果非常好。当残膜面积为16、25 cm2，吸附高度为6、8 cm时，吸附效率为 83.33%～93.33%。
可以看出，对不同面积的残膜，随着极板间距增高，吸附效率高所对应的电场强度也随之增大；但对相同面积的残膜，随着极板间距增高，吸附效率高所对应的电场强度上下波动，波动范围在0.187～0.72 kV/cm之间。
2.1.2干土条件下
残膜的吸附效率随极板间距的变化规
可以看出，对不同面积的残膜，随着极板间距增高，吸附效率高所對应的电场强度也随之增大；但对相同面积的残膜，随着极板间距增高，吸附效率高所对应的电场强度上下波动很小，波动范围为0～0.173 kV/cm。在下极板有土、相同高度条件下，残膜的吸附电场强度基本相同，在极板间距12、14 cm条件下电场有波动，但变化幅度不大。 2.2殘膜面积对吸附效率及电场强度的影响
2.2.1无土条件下
在下极板无土条件下，极板间距分别为
6、8、10 cm时，残膜的吸附效率随残膜面积的变化规律见图6。从图6可以看出，在极板间距一定的条件下，随着残膜面积增大，残膜的吸附效率先升高后降低，最高值对应的残膜面积是16 cm2，6、8 cm处的吸附效率分别为93.33%、83.33%，效果最差的是4 cm2，6、8 cm处的吸附效率分别为3583%、24.17%。
在同等条件下，残膜的电场强度随残膜面积的变化规律见图7。从图7可以看出，对极板间距一定的条件下，随残膜面积的增大，电场强度有所增加，增加范围为 0.598～0.720 kV/cm。
2.2.2干土条件下
下极板平铺193.05 g被干燥后的土壤条件下，极板间距分别为6、8、10 cm时，残膜的吸附效率随残膜面积的变化规律见图8。从图8可以看出，在极板间距一定的条件下，随着残膜面积变大，残膜的吸附效率先升高后降低，最高值对应的残膜面积是16 cm2。整体来看在下极板有土的条件下，极板间距分别为6、8 cm时，吸附效率有明显增加，对面积为4、9 cm2的残膜尤为显著。
可以看出，在同等条件下，残膜的电场强度随残膜面积的变化规律见图9。对极板间距一定的条件下，随残膜面积的增大，电场强度增加微小，增加范围为0～0.011 kV/cm，接近直线。在下极板有土条件下，不同面积残膜的吸附电场强度比较稳定。
3结论与讨论
针对残膜对新疆地区棉花生产的影响，笔者提出静电吸附回收残膜的思路，并研究在高压静电场条件下，极板间距和残膜面积对残膜吸附效率及对应的电场强度的影响规律。研究结果表明，残膜的吸附效率随极板高度增大的拟合曲线为一次线性方程，拟合度较好，吸附效率最高达96.67%；残膜面积的大小对吸附效率有影响，残膜面积为16 cm2时，吸附效率为83.33%～96.67%；经过对比试验，残膜面积为4、9 cm2 时，有土条件下的吸附效率比无土条件提高；下极板有土条件下相对无土条件，吸附高度在6～10 cm，吸附效率最高所对应的电场强度不随残膜面积大小改变，即不同面积残膜的吸附电场强度比较稳定。因此，残留地膜用静电吸附方法分离可行，本研究結果对研究新型静电吸附残膜回收机提供了理论依据和参考数据。
参考文献：
[1]巩怀仁，谢建华，侯书林，等. 浅析残膜回收机现状及存在的问题[J]. 新疆农机化，2014（3）：18-21.
[2]李明洋，马少辉. 我国残膜回收机研究现状及建议[J]. 农机化研究，2014（6）：242-245，252.
[3]严昌荣，王序俭，何文清，等. 新疆石河子地区棉田土壤中地膜残留研究[J]. 生态学报，2008，28（7）：3470-3474.
[4]刘晨. 新疆残膜污染危害成因分析及治理建议[J]. 基层农技推广，2013，11（1）：28-29.
[5]牛瑞坤，王旭峰，胡灿，等. 新疆阿克苏地区棉田残膜污染现状分析[J]. 新疆农业科学，2016，53（2）：283-288.
[6]李小兵. CMJ-5型春秋两用密排弹齿式残膜回收机[J]. 新疆农机化，2010（2）：12.
[7]程红艳. ISM-450型弹齿式搂膜机在乌苏市的推广应用[J]. 新疆农机化，2008（6）：35.[ZK）][HT][HJ][HT][FL）]
[HT8.]
[8]王吉奎，张佳喜，江英兰，等. 夹持式残膜回收机研制[J]. 新疆农机化，2006（6）：40-41.
[9]王志青. 浅谈残膜回收机发展现状及存在的问题[J]. 农业机械，2008（9）：193-194.[ZK）]
[10]王晓臣，朱益民. 多针对板式负电晕放电电极间距确定[J]. 高电压技术，2003，29（7）：40-42.
[11]张俐，申勋业，杨方. 高压静电场对生物效应影响的研究进展[J]. 东北农业大学学报，2000，31（3）：307-312.
[12]陆军，贾卫东，邱白晶，等. 黄瓜叶片喷雾药液持留量试验[J]. 农业机械学报，2010，41（4）：60-64.
[13]Wei J，Realff M J. Design and optimization of free-fall electrostatic separators for plastics recycling[J]. AIChE Journal，2003，49（12）：3138-3149.
[14]Tilmatine A，Medles K，Bendimerad S，et al. Electrostatic separators of particles：Application to plastic/metal，metal/metal and plastic/plastic mixtures[J]. Waste Management，2009，29（1）：228-232.
[15]Benabboun A，Tilmatine A，Brahami Y A，et al. Experimental investigation of electrostatic separators of plastic particles using different charging devices[J]. Separation Science and Technology，2014，49（3）：464-468.
[16]Iuga A，Samuila A，Morar R，et al. Tribocharging techniques for the electrostatic separation of granular plastics from waste electric and electronic equipment[J]. Particulate Science and Technology，2016，34（1）：45-54.
关键词：棉田；高压静电场；残留地膜；静电吸附；吸附效率；电场强度
中图分类号： S125文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2017）05-0204-03
地膜覆盖技术从20世纪50年代起在美国、日本和欧洲开始使用，由于经济效益较好，在世界各国得到广泛的应用。我国自20世纪70年代引入地膜覆盖技术，其保土、保温、提高作物产量等特点，促进了我国农业的发展[1]。我国大部分地区使用的残膜为聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）[2]。由于残膜回收不完整和自然条件对地膜的破坏，造成大量的残膜碎片混入了土壤之中。这种物质在土壤中会存留200～400年而不降解，成为环境保护的一个重大问题。新疆每年覆膜量的20%以上残留在土壤中，残留量是全国平均地膜残留量的4～5倍[3-4]。阿克苏地区棉田平均地膜残留量达 134.09 kg/hm2，属于重度污染区[5]。现阶段新疆地区残膜回收还是采取人工和机械回收相结合的方式，残膜回收机具普遍存在残膜回收工作效率低的问题，特别是春播前残膜回收机[6-9]系列，由于残膜风化时间长，残膜成为小碎片，因此残膜回收效率不高。
静电技术[10]作为一门新兴的边缘学科，其应用已经渗透到农业的各个领域，甚至作为改造传统农业生产的方式和手段之一[11-12]。在塑料分离回收等工业生产领域中静电技术应用越来越广泛[13-16]。伴随着农业生产的科技化，农业科研和生产很多环节应用静电技术，本研究利用静电吸附原理来对残膜进行回收。当一个带有静电的物体靠近另一个不带静电的物体时，由于静电感应，没有静电的物体内部靠近带静电物体的一边会集聚与带电物体所携带电荷相反极性的电荷（另一側产生相同数量的同极性电荷），由于异性电荷互相吸引，就会表现出静电吸附现象。由于残膜与农用耕地介电系数相差很大，理论上可以用静电分离法进行分离。本试验研究在高压静电场条件下，极板间距和残膜面积对残膜吸附效率及对应的电场强度的影响规律。
1材料与方法
1.1试验仪器
试验所用的静电发生器是ZGF-60 kV/2 mA直流高压静电发生器，它可把交流220 V整流到0～50 kV。吸附装置由上、下2个平行极板组成，下极板固定，上极板可上下移动从而改变残膜的吸附高度；将残膜和土置于平行板电极形成的匀强电场中，分别改变电压值和高度来改变电场强度进而观察对残膜的吸附情况。电子天平FA1004，可以精确地测量残膜和土的质量。
1.2试验材料
试验使用的残留地膜和土是来源于新疆阿拉尔市10团未耕作棉花地，采集深度0～20 cm。试验前除去杂质，将土壤与残膜分开，土壤研磨过筛后，在恒温箱中进行烘干。按照 1 ∶[KG-*3]1 ∶[KG-*3]1 ∶[KG-*3]1 的比例加适当的水配制成不同湿度的样本土，土壤样品装入相同大小的容器内静置24 h，保证土壤样品的均匀性。将残膜样本按照4、9、16、25 cm2大小裁剪成正方形，随机取20片平铺于下极板。
1.3试验方法
试验电路见图1，自制吸附装置的下极板是固定的，上极板可以上下调节高度。首先按照电路图连线，调节上极板高度，记录此时极板高度，选取土壤样品和地膜称质量后平铺在自制吸附装置的下极板，地膜平铺20片。打开电源，接通高通信号，缓慢调节电压值，当地膜吸附在上极板数量最多时停止调节，读出电压值，记录此时上极板所吸附的残膜片数。缓慢调节电压值至最小，使用放电棒放电，直至放电完成。每次试验后，将升压电位器调回到零位（粗调、细调都回零位），按绿色按钮，切断高压并关闭电源开关，最后进行放电。
为了保证试验的准确性，试验在相同的环境下进行。在指定高度下，将相同大小的残膜放在自制静电吸附装置下极板进行吸附试验，测定上极板吸附效率最大值，每组试验测量
6次，取6次的平均值作为试验结果；即此电压是在高度一定的情况下，同形状的残膜吸附效率最高。通过残膜吸附的静电电压值和吸附高度可以得到电场强度。
吸附效率是试验加入电压后吸附在上极板的残膜片数与试验前在下极板中的残膜片数的比值。
2结果与分析
2.1极板间距对吸附效率及电场强度的影响
2.1.1无土条件下
残膜的吸附效率随极板间距的变化规律见图2，对应模拟曲线方程和相关系数见表1。从图2可以看出，对相同面积的残膜，随着上下极板间距的变大，残膜吸附效率随之下降，变化关系的模拟曲线为一次线性方程，相关系数在0.95以上，模拟的曲线方程效果非常好。当残膜面积为16、25 cm2，吸附高度为6、8 cm时，吸附效率为 83.33%～93.33%。
可以看出，对不同面积的残膜，随着极板间距增高，吸附效率高所对应的电场强度也随之增大；但对相同面积的残膜，随着极板间距增高，吸附效率高所对应的电场强度上下波动，波动范围在0.187～0.72 kV/cm之间。
2.1.2干土条件下
残膜的吸附效率随极板间距的变化规
可以看出，对不同面积的残膜，随着极板间距增高，吸附效率高所對应的电场强度也随之增大；但对相同面积的残膜，随着极板间距增高，吸附效率高所对应的电场强度上下波动很小，波动范围为0～0.173 kV/cm。在下极板有土、相同高度条件下，残膜的吸附电场强度基本相同，在极板间距12、14 cm条件下电场有波动，但变化幅度不大。 2.2殘膜面积对吸附效率及电场强度的影响
2.2.1无土条件下
在下极板无土条件下，极板间距分别为
6、8、10 cm时，残膜的吸附效率随残膜面积的变化规律见图6。从图6可以看出，在极板间距一定的条件下，随着残膜面积增大，残膜的吸附效率先升高后降低，最高值对应的残膜面积是16 cm2，6、8 cm处的吸附效率分别为93.33%、83.33%，效果最差的是4 cm2，6、8 cm处的吸附效率分别为3583%、24.17%。
在同等条件下，残膜的电场强度随残膜面积的变化规律见图7。从图7可以看出，对极板间距一定的条件下，随残膜面积的增大，电场强度有所增加，增加范围为 0.598～0.720 kV/cm。
2.2.2干土条件下
下极板平铺193.05 g被干燥后的土壤条件下，极板间距分别为6、8、10 cm时，残膜的吸附效率随残膜面积的变化规律见图8。从图8可以看出，在极板间距一定的条件下，随着残膜面积变大，残膜的吸附效率先升高后降低，最高值对应的残膜面积是16 cm2。整体来看在下极板有土的条件下，极板间距分别为6、8 cm时，吸附效率有明显增加，对面积为4、9 cm2的残膜尤为显著。
可以看出，在同等条件下，残膜的电场强度随残膜面积的变化规律见图9。对极板间距一定的条件下，随残膜面积的增大，电场强度增加微小，增加范围为0～0.011 kV/cm，接近直线。在下极板有土条件下，不同面积残膜的吸附电场强度比较稳定。
3结论与讨论
针对残膜对新疆地区棉花生产的影响，笔者提出静电吸附回收残膜的思路，并研究在高压静电场条件下，极板间距和残膜面积对残膜吸附效率及对应的电场强度的影响规律。研究结果表明，残膜的吸附效率随极板高度增大的拟合曲线为一次线性方程，拟合度较好，吸附效率最高达96.67%；残膜面积的大小对吸附效率有影响，残膜面积为16 cm2时，吸附效率为83.33%～96.67%；经过对比试验，残膜面积为4、9 cm2 时，有土条件下的吸附效率比无土条件提高；下极板有土条件下相对无土条件，吸附高度在6～10 cm，吸附效率最高所对应的电场强度不随残膜面积大小改变，即不同面积残膜的吸附电场强度比较稳定。因此，残留地膜用静电吸附方法分离可行，本研究結果对研究新型静电吸附残膜回收机提供了理论依据和参考数据。
参考文献：
[1]巩怀仁，谢建华，侯书林，等. 浅析残膜回收机现状及存在的问题[J]. 新疆农机化，2014（3）：18-21.
[2]李明洋，马少辉. 我国残膜回收机研究现状及建议[J]. 农机化研究，2014（6）：242-245，252.
[3]严昌荣，王序俭，何文清，等. 新疆石河子地区棉田土壤中地膜残留研究[J]. 生态学报，2008，28（7）：3470-3474.
[4]刘晨. 新疆残膜污染危害成因分析及治理建议[J]. 基层农技推广，2013，11（1）：28-29.
[5]牛瑞坤，王旭峰，胡灿，等. 新疆阿克苏地区棉田残膜污染现状分析[J]. 新疆农业科学，2016，53（2）：283-288.
[6]李小兵. CMJ-5型春秋两用密排弹齿式残膜回收机[J]. 新疆农机化，2010（2）：12.
[7]程红艳. ISM-450型弹齿式搂膜机在乌苏市的推广应用[J]. 新疆农机化，2008（6）：35.[ZK）][HT][HJ][HT][FL）]
[HT8.]
[8]王吉奎，张佳喜，江英兰，等. 夹持式残膜回收机研制[J]. 新疆农机化，2006（6）：40-41.
[9]王志青. 浅谈残膜回收机发展现状及存在的问题[J]. 农业机械，2008（9）：193-194.[ZK）]
[10]王晓臣，朱益民. 多针对板式负电晕放电电极间距确定[J]. 高电压技术，2003，29（7）：40-42.
[11]张俐，申勋业，杨方. 高压静电场对生物效应影响的研究进展[J]. 东北农业大学学报，2000，31（3）：307-312.
[12]陆军，贾卫东，邱白晶，等. 黄瓜叶片喷雾药液持留量试验[J]. 农业机械学报，2010，41（4）：60-64.
[13]Wei J，Realff M J. Design and optimization of free-fall electrostatic separators for plastics recycling[J]. AIChE Journal，2003，49（12）：3138-3149.
[14]Tilmatine A，Medles K，Bendimerad S，et al. Electrostatic separators of particles：Application to plastic/metal，metal/metal and plastic/plastic mixtures[J]. Waste Management，2009，29（1）：228-232.
[15]Benabboun A，Tilmatine A，Brahami Y A，et al. Experimental investigation of electrostatic separators of plastic particles using different charging devices[J]. Separation Science and Technology，2014，49（3）：464-468.
[16]Iuga A，Samuila A，Morar R，et al. Tribocharging techniques for the electrostatic separation of granular plastics from waste electric and electronic equipment[J]. Particulate Science and Technology，2016，34（1）：45-54.