![]()
在当前全球水资源匮乏的背景下，农业领域面临的挑战愈发严峻。如何通过有效的水资源管理技术来减少农业用水浪费，提升水的利用率，成为了亟待解决的关键问题。基于此，布朗大学和中南大学研究团队联合在期刊Matter上发表题为“Unveiling passive design to enable synergistic water harvesting and irrigation”的Preview论文，介绍了一种创新的被动式水收集与灌溉系统装置。
水资源危机与农业挑战
农业是全球最大的用水部门，占据了全球70%的淡水资源消耗。然而，传统的灌溉方式常伴随着大量的水资源浪费，尤其是通过蒸发和分配效率低下等原因。随着气候变化加剧，干旱和水资源短缺问题日益严重，农业用水的可持续管理成了实现粮食安全的关键环节。为了解决这一问题，研究人员提出了一种创新的解决方案——基于太阳能驱动的水收集凝胶（TCP-Li）技术。这种新型材料能够从植物蒸腾作用和土壤蒸发中收集水蒸气，并将其重新用于农业灌溉。这种可持续的水管理技术不仅减少了农业用水量，还为解决全球水资源危机提供了新的方向。TCP-Li 凝胶的材料创新
TCP-Li 凝胶是一种由四种主要成分构成的高效吸湿材料，分别为TiN（氮化钛）、Curdlan（卡拉胶）、Sodium Polyacrylate（聚丙烯酸钠）和LiCl（氯化锂）。这些成分共同作用，使得该材料具备优异的水收集和保水性能。• TiN（氮化钛）：TiN具有优良的光热转化性能，能够有效吸收太阳能并将其转化为热能，从而加速水的蒸发过程。• Curdlan（卡拉胶）：Curdlan作为结构基质，提供了凝胶的结构完整性，并在水分子吸附过程中提供亲水环境。• Sodium Polyacrylate（聚丙烯酸钠）：此成分大大提升了凝胶的保水能力，使其能够有效锁住吸收的水分。• LiCl（氯化锂）：LiCl能够吸引空气中的水分子，进一步提高凝胶的吸水效率。在相对湿度为90%的环境中，TCP-Li凝胶的吸水量可达到3.38 g/g的水吸附量，展现了其高效的水分收集能力。而在光照条件下，TiN的光热特性使得凝胶迅速升温，将吸附的水分蒸发并凝结成可用于灌溉的水。创新的水收集与灌溉系统设计
在系统层面，研究人员设计了一种蒸腾与蒸发吸附设备（TEAD），将TCP-Li材料集成其中，用于从植物和土壤中收集水分。TEAD设备由一个中空的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）基座、吸附床和中空冷凝盖组成，其运作模式分为夜间吸附和白天脱附两个阶段。这一设计巧妙地与温室的日常管理相结合，不需额外的能源或人力投入。• 夜间吸附模式：在夜间，空气湿度相对较高，TCP-Li凝胶吸收空气中的水分并储存于设备中。• 白天脱附模式：在白天，随着太阳能的照射，TCP-Li凝胶加热释放水分，通过冷凝过程收集到的水直接流入土壤，供植物使用。该系统通过同步白天和夜间的水收集与灌溉过程，不仅提高了水资源的利用效率，还能够有效减少因蒸发而造成的灌溉浪费。实际应用中的表现
为了验证TEAD系统的实际效果，研究团队在温室中进行了大规模的种植测试。结果表明，使用TEAD系统的作物，在不影响生长的前提下，节水效率平均达到了44.9%。同时，TEAD系统能够有效维持植物的生长参数，例如叶片数目、长度、鲜重和干重等，证明了其在农业灌溉中的可行性。
不仅如此，实验还表明，收集到的水质符合世界卫生组织（WHO）饮用水标准，除了Li+浓度外，水中的离子浓度都远低于标准限值。TEAD系统除了用于农业灌溉之外，还有望在水资源极度匮乏的地区提供饮用水资源。
可扩展性与未来发展方向
TEAD系统的设计不仅具备高效性，还具有良好的可扩展性。其模块化的设计能够适应不同规模和配置的温室环境，从而实现更广泛的应用。基于该技术，未来可以将其与智能农业、精准灌溉等技术相结合，实现更为智能化的水资源管理。
尽管该研究已经取得了显著进展，但未来仍有一些值得探索的领域。例如，通过进一步优化材料和系统设计，可以提升水的收集效率，改善集水系统耐候性与耐久性，减少对额外灌溉水的依赖。此外，开发全被动的系统，使得水分传递与滴水收集过程能够自动切换，从而减少人力投入。
基于TCP-Li凝胶的创新水收集与灌溉系统展示了其在解决全球水资源危机中的巨大潜力。其从材料到系统的全面设计，不仅提供了农业灌溉中的高效水资源管理方案，还为全球水资源短缺问题提供了新的解决思路。未来，通过进一步的技术优化与扩展应用，这一系统有望在全球范围内推广应用，助力农业领域的可持续发展。
![]()
引用：Shi C, Sheldon B W, Chen M. Unveiling passive design to enable synergistic water harvesting and irrigation. Matter, 2024, 7(10): 3247-3250.https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.08.003
