近日，制冷與低溫工程研究所王如竹教授ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）團(tuán)隊在Nature Water期刊上發(fā)表了題為“Solar-driven Scalable Hygroscopic Gel for Passive Plant Transpiration and Soil Evaporation Water Recycling”的研究論文。論文針對溫室生產(chǎn)中水資源利用效率低下的問題，提出了一種基于太陽能驅(qū)動吸濕性水凝膠材料的植物蒸騰和土壤蒸發(fā)水回收裝置，該裝置在不影響植物光合作用及正常生長的前提下，實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi)部的高效水循環(huán)和再利用。論文第一作者為制冷與低溫工程研究所博士生鄒豪，王如竹教授、農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院黃丹楓教授和新加坡國立大學(xué)李俊教授為通訊作者。
全球正在經(jīng)歷人口增長加劇等導(dǎo)致的水資源短缺問題。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門，特別是溫室農(nóng)業(yè)，占人類用水量近70%，發(fā)展節(jié)約資源的農(nóng)業(yè)方法和減少溫室用水成為解決水資源危機(jī)的關(guān)鍵。在溫室生產(chǎn)中，大部分灌溉水通過土壤蒸發(fā)和植物蒸騰損失，只有2%-3%用于植物生長。由于溫室固有的高濕度和除濕需求，吸附式空氣取水技術(shù)在溫室中的應(yīng)用具有巨大潛力。
因此，為了解決全球水資源短缺問題并提高溫室中的水資源利用效率，該論文針對材料動力學(xué)特性、部署位置的氣候特點(diǎn)以及植物生長特性，進(jìn)行了材料與工程交叉學(xué)科的優(yōu)化，從而開發(fā)了一種名為TEAD的裝置來優(yōu)化灌溉水的利用。TEAD包括一種多組分互連，具有良好擴(kuò)展性和可靠粘附性能的吸濕多孔凝膠TCP-Li。得益于精細(xì)的合成工藝和各個合成材料的有效性能表達(dá)，合成的TCP-Li表現(xiàn)出高達(dá)3.38g/g的吸水性能，并在自然陽光下具有快速解吸能力。在溫室測試中，TEAD能夠在不影響植物光合作用及正常生長的前提下，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)部的高效水循環(huán)和再利用，裝置取水量高達(dá)每株87.1g以及每平米1890.6g，從而節(jié)約44.9%的灌溉用水。結(jié)合以上優(yōu)點(diǎn)，該設(shè)計為進(jìn)一步提高溫室水資源利用效率提供了一種新方法，有望緩解全球水危機(jī)并減少農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)。
該研究工作為離網(wǎng)和干旱地區(qū)的可持續(xù)節(jié)水溫室生產(chǎn)提供了潛在的方法。未來的研究應(yīng)集中于適應(yīng)更大規(guī)模的應(yīng)用，并將這項技術(shù)與其他可持續(xù)農(nóng)業(yè)實(shí)踐，如精準(zhǔn)灌溉和土壤濕度監(jiān)測相結(jié)合。TEAD代表了溫室水資源管理的重大進(jìn)展，提供了一種創(chuàng)新且可持續(xù)的解決方案來提高農(nóng)業(yè)中的水資源利用效率。通過結(jié)合園藝、能源和材料科學(xué)等跨學(xué)科領(lǐng)域，這項研究為解決全球水資源短缺和優(yōu)化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)用水提供了一種可行的方法。
王如竹教授ITEWA團(tuán)隊長期致力于解決能源、水、空氣交叉領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。團(tuán)隊近年來在Science，Nature Reviews Materials，Nature Water，Joule，Energy＆Environmental Science，Advanced Materials，Science Bulletin，Nature Communications等國際期刊發(fā)表40余篇學(xué)科交叉論文。本研究工作是ITEWA團(tuán)隊與農(nóng)生學(xué)科和材料學(xué)科領(lǐng)域的深度合作。
閱讀原文：https://doi.org/10.1038/s44221-024-00265-y
相關(guān)導(dǎo)讀：https://doi.org/10.1038/s44221-024-00272-z
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