四川
研究背景
清洁水和食物是人类生存和文明发展所必需的两种最具战略意义的资源。据报道，到2050年，受淡水短缺影响的人口将从2016年的9.33亿增加到23.7亿，同时全球农业灌溉用水预计将减少约19%。因此，为了可持续地养活不断增加的人口（预计到2050年将达到100亿），必须大幅提高粮食生产力，同时减少农业对脆弱生态系统的影响，以确保农业促进包容性经济发展。最近的研究表明，自主环境集水技术有可能满足农业和人类的用水需求。因此，利用周围环境的能源作为替代的水生产方法可能是解决水资源短缺和实现农业可持续发展的一个有前景的策略。除了农业可用清洁用水的直接减少外，适合农业的耕地面积不断减少也进一步加剧了粮食安全问题。目前，农作物生产覆盖了全球11%的土地，而这些土地仅占地球表面积的3%。令人兴奋的是，海洋（占地球表面积的70%）现在为新型农业发展提供了新的前沿和机遇。如果能够有效、合理地利用，海洋农业可以在应对气候变化、同时解决粮食和清洁水短缺方面发挥关键作用。尽管海洋农业已得到一定发展，但目前仍面临一些问题和一些重大局限性。首先，海洋农业主要只适合特种水生植物和一些耐盐水培植物，其本身无法满足全球日益增长的粮食需求。其次，由于海洋地区淡水资源有限，通常需要整理额外的淡水生产设施来支持植物灌溉，成本极高，并且需要频繁的监督和持续维护，限制了其广泛应用。此外，清洁水和农作物生产通常在物理上分离为占用大量表面积的单独操作单元，从而增加了总体维护和操作成本。因此，迫切需要制定一种全新的海洋农业实际应用策略，该策略适用于多种经济作物类型、高效的清洁水供应、易于操作且经济可行。由于太阳能和海水丰富且对环境影响最小，界面太阳能蒸发（ISE）最近受到了广泛的研究兴趣。它被认为是海水淡化、大气水分收集和释放、太阳能电池板冷却和土壤修复等方面有前途的技术。相对于先前开发的技术的主要优点是，基于ISE的海水淡化技术创造了一种自我可持续的清洁水源，不仅有可能满足数百万人的饮用水需求，而且还可以增加农业需求。因此，ISE 技术也可能成为解决海洋农业淡水短缺的潜在新战略。南澳大利亚大学的徐浩兰教授团队开发了一种多功能双层垂直太阳能海洋农场（DVSSF），通过纵向分层实现海水（底层）自吸灌溉和农业耕作（顶层）。该解决方案大大提高了海面面积的利用率，确保可持续生产农业用清洁水。
相关成果以“An interfacial solar evaporation enabled autonomous double-layered vertical floating solar sea farm”为题发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》(JCR一区，中科院一区TOP，IF=15.1 )上。
研究结论
研究人员设计了一种设计了一个自我维持的太阳能驱动系统，该系统蒸发海水并将其回收到淡水中，在没有任何人类参与的情况下种植作物，这被认为是世界首例。界面太阳能海水蒸发和自灌溉过程的集成已成功展示了一种自我维持的 DVSSF 系统，该系统可以漂浮在海洋和/或咸水表面，为农作物生长产生清洁的水，能够缓解全球水的严重性短缺和粮食不安全。同时，该系统仅靠太阳能供电，采用垂直多层功能分区，直接利用海水进行净水生产、灌溉和农业生产，大大提高了空间利用效率。在DVSSF中，下部太阳能蒸发室可以产生充足的洁净水，并自动实时将洁净水输送到上部生长室用于土壤和作物灌溉，使发芽率>80%，随后植物生长良好。这种地质限制最小的垂直农业设计可以为包括海水、河流和盐湖在内的许多水体的农业灌溉提供一种有前途的方式。这种方法具有显着改善全球水-能源-粮食关系的巨大潜力，为现有的淡水、土地和粮食危机提供新的解决方案。
研究数据
图 1. (a)自主DVSSF示意图。(b)自主DVSSF的横截面图。
图2. 材料表征和太阳海水蒸发测试。
图 3. 室内测试。
图 4. 室外测试。
图 5. 扩大户外测试。
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145452
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