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上海交大王如竹ITEWA团队整合全自动屋顶农业与空气取水精准灌溉,实现城市粮食-水资源的协同增产

近日,上海交通大学王如竹教授领衔的“能源-空气-水”交叉学科创新团队ITEWA在Advanced Functional Materials上发表题为“Integrating Rooftop Agriculture and Atmospheric Water Harvesting for Water-Food Production Based on Hygroscopic Manganese Complex”的研究论文,提出了一种将余热与太阳能耦合驱动的空气取水技术与屋顶精准农业整合的新方法。上海交通大学-新加坡国立大学联合培养博士生山訸为论文第一作者,通讯作者为王如竹教授和新加坡国立大学的Swee Ching Tan教授。

随着气候变化和人口增长,水和粮食资源的供需不均衡问题日益严重,城市地区对水资源和粮食资源的需求尤为迫切。传统依赖供应链输送粮食以及通过管道输送水的方式不仅带来了高碳排放和能源消耗,而且长供应链也增加了人类生存必需品供应的安全风险。屋顶农业、热泵空调等现有建筑设施与辐射制冷、空气取水、彩色光伏等新技术整合存在广泛前景,将促进城市的安全与可持续发展。

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为了推进空气取水与屋顶农业耦合的实际落地,王如竹教授团队与Swee Ching Tan教授合作,针对材料动力学特性、部署位置的气候特点以及植物生长特性,进行了材料与工程交叉学科的优化,并制作了全自动化大气水源灌溉屋顶农场。最终,在不需要外部水输入的情况下,该系统在14天内实现了879.9 g/m² 的水产量和1.28 kg/m² 的食物产量,为在城市中实现粮食与水的分布式共同收获以及城市可持续发展提供了一条新路线。

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面向大规模低成本制备以及中高湿度下的快速动力学设计,研究团队开发了一种由锰(II)-乙醇胺复合吸湿络合物和多孔聚乙烯醇缩醛泡沫基质组成的吸附材料。最终复合材料在50-90% 相对湿度下实现了0.45-2.54 g g-1的吸附量,且中高湿度下实现水吸附量的跃升,适合昼夜温差变化大的干旱地区或者全天中高湿度的半湿润地区。材料吸附动力学达到0.0235 g g-1 min-1,吸附平衡可在240分钟内完成,适宜于多吸附-解吸循环的构建。研究团队利用前期提出的太阳能-余热耦合驱动的解吸模式,探究了装置级放大化材料在单独光热解吸、空间加热解吸以及余热-太阳能耦合界面解吸三种条件下的水释放性能,为后续材料在户外复杂多样气候环境下实现稳定性能提供设计保障。

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该研究展示了所搭建的户外全自动运行空气水源灌溉屋顶农场。该装置利用太阳能光伏板和电池供电,采用Arduino Nano微控制器和电机实现无人看守水释放与捕获模式的切换,并设置了自动控制系统对吸附解吸时长进行精准调控,确保了在14天长时间无人看管的户外实验中,高效且稳定的水分获取,最终实现了879.9克/平方米的水产量和1.28千克/平方米的食物产量,证明了技术耦合的可行性。该研究致力于弥合实验室材料开发与设备构建之间的差距。在材料开发过程中,不仅报告了实验室优化的性能,还展示了大规模合成和真实环境下的测试结果。在设备层面,考虑了整个设备的热量和质量传递影响,并评估了影响水收集的温度变化。然而由于条件限制,吸附材料和屋顶农场的验证面积仍小于1平方米,材料和设备的规模化及其成本效益仍需进一步验证。

将空气取水技术与屋顶农业结合为可持续城市发展提供了前所未有的机会。除了表面上的水和食物生产益处外,该技术还可以进一步与现有建筑的独特特征相结合。通过利用建筑暖通热泵空调系统产生的废热作为脱附所需能量,回收被浪费的资源,避免对植物生长的负面影响,同时最大化热能利用并调节室内温度和湿度。此外,屋顶农场通过提供阴凉和蒸腾作用,可以减轻建筑的热负荷,降低能源消耗,缓解城市热岛效应对当地气候和环境的影响。最终,这种本地化的可持续水和食物获取方法消除了长距离运输的需求,进一步革新了我们对城市可持续性中水资源和食物生产的理解,为在能源-水-食物交汇点上实现可持续城市发展,解决全球食品安全和供应挑战迈出了关键一步。

王如竹教授领衔的能源-水-空气创新团队(ITEWA)长期致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术,旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案,推动相关领域取得突破性进展。团队近5年来在Science, Nature Water, Joule, EES, Advanced Materials等高水平期刊上发表40余篇学科交叉论文,曾于2023年发表展望文章(doi.org/10.1016/j.energy.2023.129009),探索了屋顶农业、热泵空调等现有建筑设施与辐射制冷、空气取水、彩色光伏等新技术整合的各种可能性及其潜力。

论文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202402839

制冷与低温工程研究所
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