近日，上海交通大學(xué)王如竹教授領(lǐng)銜的“能源-空氣-水”交叉學(xué)科創(chuàng)新團隊ITEWA在Advanced Functional Materials上發(fā)表題為“Integrating Rooftop Agriculture and Atmospheric Water Harvesting for Water-Food Production Based on Hygroscopic Manganese Complex”的研究論文，提出了一種將余熱與太陽能耦合驅(qū)動的空氣取水技術(shù)與屋頂精準農(nóng)業(yè)整合的新方法。上海交通大學(xué)-新加坡國立大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生山訸為論文第一作者，通訊作者為王如竹教授和新加坡國立大學(xué)的Swee Ching Tan教授。
隨著氣候變化和人口增長，水和糧食資源的供需不均衡問題日益嚴重，城市地區(qū)對水資源和糧食資源的需求尤為迫切。傳統(tǒng)依賴供應(yīng)鏈輸送糧食以及通過管道輸送水的方式不僅帶來了高碳排放和能源消耗，而且長供應(yīng)鏈也增加了人類生存必需品供應(yīng)的安全風(fēng)險。屋頂農(nóng)業(yè)、熱泵空調(diào)等現(xiàn)有建筑設(shè)施與輻射制冷、空氣取水、彩色光伏等新技術(shù)整合存在廣泛前景，將促進城市的安全與可持續(xù)發(fā)展。
為了推進空氣取水與屋頂農(nóng)業(yè)耦合的實際落地，王如竹教授團隊與Swee Ching Tan教授合作，針對材料動力學(xué)特性、部署位置的氣候特點以及植物生長特性，進行了材料與工程交叉學(xué)科的優(yōu)化，并制作了全自動化大氣水源灌溉屋頂農(nóng)場。最終，在不需要外部水輸入的情況下，該系統(tǒng)在14天內(nèi)實現(xiàn)了879.9 g/m² 的水產(chǎn)量和1.28 kg/m² 的食物產(chǎn)量，為在城市中實現(xiàn)糧食與水的分布式共同收獲以及城市可持續(xù)發(fā)展提供了一條新路線。
面向大規(guī)模低成本制備以及中高濕度下的快速動力學(xué)設(shè)計，研究團隊開發(fā)了一種由錳（II）-乙醇胺復(fù)合吸濕絡(luò)合物和多孔聚乙烯醇縮醛泡沫基質(zhì)組成的吸附材料。最終復(fù)合材料在50-90% 相對濕度下實現(xiàn)了0.45-2.54 g g-1的吸附量，且中高濕度下實現(xiàn)水吸附量的躍升，適合晝夜溫差變化大的干旱地區(qū)或者全天中高濕度的半濕潤地區(qū)。材料吸附動力學(xué)達到0.0235 g g-1 min-1，吸附平衡可在240分鐘內(nèi)完成，適宜于多吸附-解吸循環(huán)的構(gòu)建。研究團隊利用前期提出的太陽能-余熱耦合驅(qū)動的解吸模式，探究了裝置級放大化材料在單獨光熱解吸、空間加熱解吸以及余熱-太陽能耦合界面解吸三種條件下的水釋放性能，為后續(xù)材料在戶外復(fù)雜多樣氣候環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定性能提供設(shè)計保障。
該研究展示了所搭建的戶外全自動運行空氣水源灌溉屋頂農(nóng)場。該裝置利用太陽能光伏板和電池供電，采用Arduino Nano微控制器和電機實現(xiàn)無人看守水釋放與捕獲模式的切換，并設(shè)置了自動控制系統(tǒng)對吸附解吸時長進行精準調(diào)控，確保了在14天長時間無人看管的戶外實驗中，高效且穩(wěn)定的水分獲取，最終實現(xiàn)了879.9克/平方米的水產(chǎn)量和1.28千克/平方米的食物產(chǎn)量，證明了技術(shù)耦合的可行性。該研究致力于彌合實驗室材料開發(fā)與設(shè)備構(gòu)建之間的差距。在材料開發(fā)過程中，不僅報告了實驗室優(yōu)化的性能，還展示了大規(guī)模合成和真實環(huán)境下的測試結(jié)果。在設(shè)備層面，考慮了整個設(shè)備的熱量和質(zhì)量傳遞影響，并評估了影響水收集的溫度變化。然而由于條件限制，吸附材料和屋頂農(nóng)場的驗證面積仍小于1平方米，材料和設(shè)備的規(guī)模化及其成本效益仍需進一步驗證。
將空氣取水技術(shù)與屋頂農(nóng)業(yè)結(jié)合為可持續(xù)城市發(fā)展提供了前所未有的機會。除了表面上的水和食物生產(chǎn)益處外，該技術(shù)還可以進一步與現(xiàn)有建筑的獨特特征相結(jié)合。通過利用建筑暖通熱泵空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱作為脫附所需能量，回收被浪費的資源，避免對植物生長的負面影響，同時最大化熱能利用并調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和濕度。此外，屋頂農(nóng)場通過提供陰涼和蒸騰作用，可以減輕建筑的熱負荷，降低能源消耗，緩解城市熱島效應(yīng)對當?shù)貧夂蚝铜h(huán)境的影響。最終，這種本地化的可持續(xù)水和食物獲取方法消除了長距離運輸?shù)男枨螅M一步革新了我們對城市可持續(xù)性中水資源和食物生產(chǎn)的理解，為在能源-水-食物交匯點上實現(xiàn)可持續(xù)城市發(fā)展，解決全球食品安全和供應(yīng)挑戰(zhàn)邁出了關(guān)鍵一步。
王如竹教授領(lǐng)銜的能源-水-空氣創(chuàng)新團隊（ITEWA）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)域取得突破性進展。團隊近5年來在Science, Nature Water, Joule, EES, Advanced Materials等高水平期刊上發(fā)表40余篇學(xué)科交叉論文，曾于2023年發(fā)表展望文章(doi.org/10.1016/j.energy.2023.129009)，探索了屋頂農(nóng)業(yè)、熱泵空調(diào)等現(xiàn)有建筑設(shè)施與輻射制冷、空氣取水、彩色光伏等新技術(shù)整合的各種可能性及其潛力。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202402839
學(xué)院OA系統(tǒng)
jAccount登錄
ENGLISH
地址：上海市東川路800號上海交通大學(xué)閔行校區(qū)機械與動力工程學(xué)院
郵編：200240
Email：sjtume@sjtu.edu.cn