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智慧大棚化身降碳多面手:會(huì)發(fā)電,還可處理廢水

2023-08-15 10:49 來源:科技日報(bào) 次閱讀
 
智慧大棚化身降碳多面手:會(huì)發(fā)電,還可處理廢水

我國西南山區(qū),農(nóng)村土壤貧瘠、水資源缺乏。各地雖已建立起覆蓋面較廣的農(nóng)電網(wǎng)絡(luò),但部分偏遠(yuǎn)村組和農(nóng)戶“電網(wǎng)末梢”吃緊的狀況仍未完全得到緩解。

  科學(xué)研究如何助力鄉(xiāng)村振興?云南大學(xué)材料與能源學(xué)院教授萬艷芬?guī)ьI(lǐng)的云南大學(xué)綠源功能材料團(tuán)隊(duì)為此展開了持久探索。近期,他們以作物秸稈為原料,將原料進(jìn)行碳化后制備出了光熱材料,并將材料進(jìn)行三重仿生設(shè)計(jì),研制出了水電聯(lián)發(fā)的清潔能源裝置,建立起了循環(huán)低碳智慧大棚。

  利用秸稈參與水伏發(fā)電

  2021年,云南省秸稈資源量約1972.08萬噸,可收集量1763.91萬噸。秸稈主要來自玉米、水稻、甘蔗、油菜、小麥、薯類等作物,其中玉米、水稻、甘蔗秸稈的利用空間巨大。

  “基于學(xué)科所長,聚焦農(nóng)業(yè)廢料再利用,是科研團(tuán)隊(duì)致力綠色發(fā)展、促進(jìn)鄉(xiāng)村振興的著力點(diǎn)?!比f艷芬說。

  近年來,隨著納米材料研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)部分碳材料在與液體作用時(shí),會(huì)表現(xiàn)出一系列新的生電效應(yīng),如波動(dòng)生電、液滴生電、蒸發(fā)生電、濕度生電等,這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為水伏效應(yīng),這為新型能源開發(fā)開辟了新路。

  “我們的創(chuàng)新點(diǎn)在于‘水電聯(lián)發(fā)’?!本G源功能材料團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、云南大學(xué)碩士研究生趙嶸介紹,他們研發(fā)的裝置,主要以秸稈碳化后的生物質(zhì)炭作為涂層材料,其易于與水進(jìn)行表面耦合,可使水分在材料的納米微通道中定向滲透,并在靜電作用下讓水中的正負(fù)電荷分離,使上下游產(chǎn)生電勢差,從而產(chǎn)生電壓。

  與此同時(shí),在太陽光的照射下,這種水電聯(lián)發(fā)裝置能夠?qū)⑥r(nóng)業(yè)廢水轉(zhuǎn)換為清潔的農(nóng)業(yè)用水,重金屬離子去除率達(dá)92%,有效解決了農(nóng)業(yè)廢水處理難、部分地區(qū)水資源緊缺的問題。

  首創(chuàng)智慧大棚植物診療平臺

  云南大學(xué)綠源功能材料團(tuán)隊(duì)成員由來自材料化工、新能源、信息技術(shù)、生物科學(xué)、財(cái)務(wù)管理、視覺設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的數(shù)十名研究生組成。

  “團(tuán)隊(duì)根據(jù)水伏凈水發(fā)電、減污節(jié)能這一構(gòu)想,通過配套太陽能水電聯(lián)發(fā)裝置,建成循環(huán)低碳智慧大棚,對作物進(jìn)行精準(zhǔn)呵護(hù)?!比f艷芬說,這樣可提高作物產(chǎn)量,增加經(jīng)濟(jì)效益。

  團(tuán)隊(duì)在調(diào)研中發(fā)現(xiàn),在云南種植花卉、蔬菜的智慧大棚,多停留在僅能監(jiān)測棚內(nèi)環(huán)境溫度、濕度的階段,且存在搭建成本高、碳排放量較高但智能化程度較低等問題?!搬槍@些痛點(diǎn),我們想何不以作物秸稈為原材料,制備一套水電聯(lián)發(fā)裝置,通過太陽能清潔能源,凈化農(nóng)業(yè)廢水,并給大棚供電?”團(tuán)隊(duì)成員羅洪耀說,精準(zhǔn)培育循環(huán)低碳智慧大棚的理念由此誕生。

  團(tuán)隊(duì)首次原創(chuàng)制備出柔性傳感器件,以及對植物微環(huán)境中的氣體、溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)測的一體化平臺,并通過信息技術(shù)對平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行了后端采集,做到植物病蟲害實(shí)時(shí)監(jiān)測。

  “我們與云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院合作,開辟了番茄種植園區(qū)并進(jìn)行了一系列試驗(yàn)?!眻F(tuán)隊(duì)成員王學(xué)科介紹說,通過在不同狀態(tài)的番茄葉片上黏附柔性傳感貼片,他們發(fā)現(xiàn)病變?nèi)~片的微環(huán)境濕度以及氣體釋放量與正常葉片均明顯不同。

  原來,病蟲害發(fā)生時(shí),被侵蝕葉片的氣孔呼吸作用明顯下降,氣孔開合狀態(tài)較差,水分以及氣體釋放量明顯下降?;诖?#xff0c;研究團(tuán)隊(duì)就可以提前診斷出植株是否正在遭病蟲害侵襲?!斑@時(shí),我們就可以進(jìn)行人工干預(yù),減少蟲害發(fā)生?!蓖鯇W(xué)科說,團(tuán)隊(duì)整合了各項(xiàng)技術(shù),成功構(gòu)建了水電聯(lián)發(fā)的植物診療一體化大棚監(jiān)測系統(tǒng)。

  據(jù)悉,這是國內(nèi)首家獲得專利授權(quán)的植物診療平臺。水電聯(lián)發(fā)裝置不僅能對偏遠(yuǎn)、不適宜布設(shè)電網(wǎng)的大棚提供監(jiān)測設(shè)備用電,還能及時(shí)控溫控水,精準(zhǔn)釋放農(nóng)藥、化肥,給作物提供精心呵護(hù),實(shí)現(xiàn)大棚的自動(dòng)化、智能化,減少農(nóng)廢污染,增加經(jīng)濟(jì)效益,助力低碳農(nóng)業(yè)推進(jìn)和鄉(xiāng)村振興目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

  技術(shù)成果促進(jìn)綠色發(fā)展

  水伏發(fā)電和智慧大棚不僅能節(jié)省人力物力,提高產(chǎn)量,增加經(jīng)濟(jì)效益,還能在生產(chǎn)各環(huán)節(jié)減少環(huán)境污染,推動(dòng)農(nóng)村發(fā)展,助力“綠美鄉(xiāng)村”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),其技術(shù)、成本優(yōu)勢對農(nóng)民更有吸引力。

  “涂層材料的原料是從農(nóng)戶那里購買的秸稈,每公斤約0.6元;其他常用的化學(xué)原材料從網(wǎng)絡(luò)渠道購買,整體成本較市場上的各類傳感器更加低廉。”羅洪耀介紹,產(chǎn)品主要針對太陽能資源豐富以及電力緊缺的山區(qū)農(nóng)村,目前裝置正處于推廣階段。

  團(tuán)隊(duì)已獲得了中國青年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金會(huì)的經(jīng)費(fèi)支持,與云南省大理市鳳儀鎮(zhèn)莊科村以及云龍縣團(tuán)結(jié)村簽訂了合作意向書,提供750套水電聯(lián)發(fā)裝置和資金、技術(shù)指導(dǎo),解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)廢難處理以及用電問題。該團(tuán)隊(duì)還與云南省云上小鎮(zhèn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺合作,進(jìn)行項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)孵化,完成了“秸農(nóng)科學(xué)技術(shù)開發(fā)(昆明)有限公司”的工商注冊手續(xù)。

  “當(dāng)然,創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中我們也面臨不少難點(diǎn)。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人趙嶸說,主要是前期推廣投產(chǎn)存在風(fēng)險(xiǎn)與困難,市場份額尚不確定,以及技術(shù)與產(chǎn)品知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)等問題。

  “這項(xiàng)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的實(shí)施,將在西南鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略中扮演重要角色。先進(jìn)技術(shù)手段和創(chuàng)新的農(nóng)業(yè)模式將有利于推動(dòng)農(nóng)村環(huán)境改善和可持續(xù)發(fā)展。”萬艷芬說。后期,團(tuán)隊(duì)將以國家標(biāo)準(zhǔn)為引領(lǐng),向著發(fā)展成為智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域領(lǐng)軍企業(yè)這一目標(biāo)邁進(jìn)。(記者 趙漢斌)

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