近日，制冷與低溫工程研究所王如竹教授領(lǐng)銜的“能源-水-空氣”交叉學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）在Advanced Functional Materials期刊上發(fā)表了題為“High-Efficiency Atmospheric Water Harvesting and Irrigation Recycling in Greenhouse Using Hygroscopic Composite Gels”的研究論文，提出了一種溫室側(cè)窗水回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)在溫室環(huán)境中可實現(xiàn)78.78%的水資源節(jié)約率，并顯著提高作物產(chǎn)量，為農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。論文第一作者為制冷與低溫工程研究所博士生鄒豪，通訊作者為王如竹教授、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。
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，水資源短缺已成為制約糧食安全的重要因素。溫室農(nóng)業(yè)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要模式，通過調(diào)控內(nèi)部環(huán)境提升作物生長效率，但也面臨水資源浪費(fèi)的難題。傳統(tǒng)的節(jié)水灌溉技術(shù)能夠減少灌溉用水量，但無法有效解決因作物蒸騰和溫室通風(fēng)造成的水分損失。作為調(diào)節(jié)溫濕度的重要組件，溫室側(cè)窗在排放濕空氣的同時，也導(dǎo)致大量水蒸氣流失，降低了水資源利用效率。因此，如何在保證溫室正常通風(fēng)的同時，提高水資源回收率，成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問題。該研究針對這一挑戰(zhàn)，提出了一種利用吸濕材料進(jìn)行水回收的全新策略，利用溫室側(cè)窗本身作為水收集結(jié)構(gòu)，無需額外占用種植空間，使其具有極高的適應(yīng)性和實用價值。
論文研發(fā)了一種高效吸濕凝膠，該材料由羥丙基甲基纖維素、聚丙烯酸鈉、乙二醇二縮水甘油醚和氯化鋰組成，形成了一個具有高吸濕性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種凝膠不僅能夠在高濕度環(huán)境下高效吸附水分（最大吸水能力達(dá)到4.06 g water gsorbent?1），還可在70°C條件下快速釋放水分，實現(xiàn)高效的水循環(huán)回收。研究團(tuán)隊設(shè)計的水回收系統(tǒng)（SWR）將該凝膠集成到溫室側(cè)窗結(jié)構(gòu)中，使其在通風(fēng)時主動吸收溫室內(nèi)部的濕空氣，并在適當(dāng)時機(jī)通過低溫加熱釋放水分，從而將原本會被排放的水蒸氣轉(zhuǎn)化為可用于灌溉的水。實驗數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)在溫室環(huán)境中每平方米可回收5015.6 g的水，大幅提升了水資源利用效率。此外，該系統(tǒng)還能優(yōu)化溫室內(nèi)部的微環(huán)境，使相對濕度控制在60%-80%的最佳生長范圍內(nèi)，并在夜間提供一定的額外熱量，有助于作物的健康生長。生菜種植實驗表明，SWR系統(tǒng)的應(yīng)用可顯著增加葉片數(shù)量、葉片面積和葉綠素含量，最終提升作物產(chǎn)量120%。這一成果展現(xiàn)了該系統(tǒng)在水資源節(jié)約方面的優(yōu)勢，也提升了農(nóng)作物的生長質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。
該研究為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的水資源管理和智能溫室發(fā)展提供了一種可行的解決方案，可推廣至商業(yè)溫室和智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，并結(jié)合可再生能源（如太陽能或風(fēng)能）進(jìn)一步優(yōu)化能效。此外，SWR系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可適配不同類型的溫室結(jié)構(gòu)，并根據(jù)實際需求進(jìn)行擴(kuò)展，為水資源短缺問題提供可持續(xù)的解決方案。
王如竹教授領(lǐng)銜的能源-水-空氣ITEWA創(chuàng)新團(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，近年來在Science, Nature Reviews Materials, Nature Water等高水平期刊發(fā)表50余篇論文。本文工作是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。
原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202501163?af=R
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