會(huì )發(fā)電、可處理廢水，還能精準釋放農藥

　　智慧大棚化身降碳多面手

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

　　科學(xué)研究如何助力鄉村振興？云南大學(xué)材料與能源學(xué)院教授萬(wàn)艷芬帶領(lǐng)的云南大學(xué)綠源功能材料團隊為此展開(kāi)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)行三重仿生設計，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(wàn)噸，可收集量1763.91萬(wàn)噸。秸稈主要來(lái)自玉米、水稻、甘蔗、油菜、小麥、薯類(lèi)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(cháng)，聚焦農業(yè)廢料再利用，是科研團隊致力綠色發(fā)展、促進(jìn)鄉村振興的著(zhù)力點(diǎn)。”萬(wàn)艷芬說(shuō)。

　　近年來(lái)，隨著(zhù)納米材料研究的深入，人們發(fā)現部分碳材料在與液體作用時(shí)，會(huì )表現出一系列新的生電效應，如波動(dòng)生電、液滴生電、蒸發(fā)生電、濕度生電等，這些現象統稱(chēng)為水伏效應，這為新型能源開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新路。

　　“我們的創(chuàng )新點(diǎn)在于‘水電聯(lián)發(fā)’。”綠源功能材料團隊負責人、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(yáng)光的照射下，這種水電聯(lián)發(fā)裝置能夠將農業(yè)廢水轉換為清潔的農業(yè)用水，重金屬離子去除率達92%，有效解決了農業(yè)廢水處理難、部分地區水資源緊缺的問(wèn)題。

　　首創(chuàng )智慧大棚植物診療平臺

　　云南大學(xué)綠源功能材料團隊成員由來(lái)自材料化工、新能源、信息技術(shù)、生物科學(xué)、財務(wù)管理、視覺(jué)設計等領(lǐng)域的數十名研究生組成。

　　“團隊根據水伏凈水發(fā)電、減污節能這一構想，通過(guò)配套太陽(yáng)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)行精準呵護。”萬(wàn)艷芬說(shuō)，這樣可提高作物產(chǎn)量，增加經(jīng)濟效益。

　　團隊在調研中發(fā)現，在云南種植花卉、蔬菜的智慧大棚，多停留在僅能監測棚內環(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(wèn)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(guò)太陽(yáng)能清潔能源，凈化農業(yè)廢水，并給大棚供電？”團隊成員羅洪耀說(shuō)，精準培育循環(huán)低碳智慧大棚的理念由此誕生。

　　團隊首次原創(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)行監測的一體化平臺，并通過(guò)信息技術(shù)對平臺數據進(jìn)行了后端采集，做到植物病蟲(chóng)害實(shí)時(shí)監測。

　　“我們與云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院合作，開(kāi)辟了番茄種植園區并進(jìn)行了一系列試驗。”團隊成員王學(xué)科介紹說(shuō)，通過(guò)在不同狀態(tài)的番茄葉片上黏附柔性傳感貼片，他們發(fā)現病變葉片的微環(huán)境濕度以及氣體釋放量與正常葉片均明顯不同。

　　原來(lái)，病蟲(chóng)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(kāi)合狀態(tài)較差，水分以及氣體釋放量明顯下降。基于此，研究團隊就可以提前診斷出植株是否正在遭病蟲(chóng)害侵襲。“這時(shí)，我們就可以進(jìn)行人工干預，減少蟲(chóng)害發(fā)生。”王學(xué)科說(shuō)，團隊整合了各項技術(shù)，成功構建了水電聯(lián)發(fā)的植物診療一體化大棚監測系統。

　　據悉，這是國內首家獲得專(zhuān)利授權的植物診療平臺。水電聯(lián)發(fā)裝置不僅能對偏遠、不適宜布設電網(wǎng)的大棚提供監測設備用電，還能及時(shí)控溫控水，精準釋放農藥、化肥，給作物提供精心呵護，實(shí)現大棚的自動(dòng)化、智能化，減少農廢污染，增加經(jīng)濟效益，助力低碳農業(yè)推進(jìn)和鄉村振興目標的實(shí)現。

　　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省人力物力，提高產(chǎn)量，增加經(jīng)濟效益，還能在生產(chǎn)各環(huán)節減少環(huán)境污染，推動(dòng)農村發(fā)展，助力“綠美鄉村”目標的實(shí)現，其技術(shù)、成本優(yōu)勢對農民更有吸引力。

　　“涂層材料的原料是從農戶(hù)那里購買(mǎi)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(mǎi)，整體成本較市場(chǎng)上的各類(lèi)傳感器更加低廉。”羅洪耀介紹，產(chǎn)品主要針對太陽(yáng)能資源豐富以及電力緊缺的山區農村，目前裝置正處于推廣階段。

　　團隊已獲得了中國青年創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)基金會(huì )的經(jīng)費支持，與云南省大理市鳳儀鎮莊科村以及云龍縣團結村簽訂了合作意向書(shū)，提供750套水電聯(lián)發(fā)裝置和資金、技術(shù)指導，解決當地農廢難處理以及用電問(wèn)題。該團隊還與云南省云上小鎮創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)平臺合作，進(jìn)行項目產(chǎn)業(yè)孵化，完成了“秸農科學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)(昆明)有限公司”的工商注冊手續。

　　“當然，創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)中我們也面臨不少難點(diǎn)。”團隊負責人趙嶸說(shuō)，主要是前期推廣投產(chǎn)存在風(fēng)險與困難，市場(chǎng)份額尚不確定，以及技術(shù)與產(chǎn)品知識產(chǎn)權保護等問(wèn)題。

　　“這項智慧農業(yè)系統的實(shí)施，將在西南鄉村振興戰略中扮演重要角色。先進(jìn)技術(shù)手段和創(chuàng )新的農業(yè)模式將有利于推動(dòng)農村環(huán)境改善和可持續發(fā)展。”萬(wàn)艷芬說(shuō)。后期，團隊將以國家標準為引領(lǐng)，向著(zhù)發(fā)展成為智慧農業(yè)領(lǐng)域領(lǐng)軍企業(yè)這一目標邁進(jìn)。(科技日報記者 趙漢斌)