會發(fā)電、可處理廢水，還能精準(zhǔn)釋放農(nóng)藥

智慧大棚化身降碳多面手

(資料圖片僅供參考)

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)。”萬艷芬說。

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，會表現(xiàn)出一系列新的生電效應(yīng)，如波動生電、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)’。”綠源功能材料團(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，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)。”萬艷芬說，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。“針對這些痛點(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)。”團(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，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。基于此，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。“這時，我們就可以進(jìn)行人工干預(yù)，減少蟲害發(fā)生。”王學(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)。(科技日報記者 趙漢斌)

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