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上海交大ITEWA团队王如竹/黄丹枫，新国大李俊团队AFM：温室侧窗水分回收系统，助力温室高效节水

能源学人 · 公众号 · · 2025-03-06 08:00

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近日，上海交通大学王如竹、黄丹枫教授和新加坡国立大学李俊教授团队在Advanced Functional Materials期刊上发表了题为“High-Efficiency Atmospheric Water Harvesting and Irrigation Recycling in Greenhouse Using Hygroscopic Composite Gels”的研究论文。该论文基于温室水分管理现状，研发了一种基于吸湿凝胶的温室侧窗水资源回收系统，能够有效捕获温室通风过程中逸散的水蒸气，并将其回收用于灌溉。该系统在温室环境中可实现78.78%的水资源节约率，并显著提高作物产量，为农业节水技术的发展提供了新的思路。该论文是能源、农业、材料三个学科深度交叉的成果，为农业灌溉提供了创新且可持续的解决方案。文章第一作者是上海交通大学、新加坡国立大学联合培养博士研究生邹豪，通讯作者为上海交通大学王如竹、黄丹枫教授和新加坡国立大学李俊教授。

【研究背景】

在农业生产中，水资源短缺已成为制约粮食安全的重要因素。全球约70%的淡水资源用于农业，而在部分水资源紧缺地区，这一比例甚至高达95%。温室农业作为现代农业的重要模式，通过调控内部环境来提升作物生长效率，但同时也面临着水资源浪费的难题。传统的节水灌溉技术虽然能减少灌溉用水量，但无法有效解决因作物蒸腾和温室通风造成的水分损失。温室侧窗是调节温湿度的重要组件，然而，其在排放湿空气的同时，也导致大量水蒸气流失，降低了水资源利用效率。因此，如何在保证温室正常通风的同时，提高水资源回收率，成为农业可持续发展亟待解决的关键问题。本研究针对这一挑战，提出了一种利用吸湿材料进行水回收的全新策略，利用温室侧窗本身作为水收集结构，无需额外占用种植空间，使其具有极高的适应性和实用价值。

【主要内容】

1. 材料设计

图 1 展示了 LHPE 吸湿凝胶的合成过程及其微观结构特性。研究团队采用搅拌-交联-干燥成胶的工艺，将羟丙基甲基纤维素（HPMC）、聚丙烯酸钠（PAAS）、乙二醇二缩水甘油醚（EGDE）和氯化锂（LiCl）结合，成功制备出具有高吸湿性和结构稳定性的多孔凝胶材料。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，该材料具备微米级和纳米级多层次互连孔隙结构，有助于水分快速吸收和释放。能量色散光谱（EDS）分析证实 LiCl 在凝胶基体中的均匀分布，确保了凝胶的高效吸湿能力。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X 射线衍射（XRD）结果表明，LHPE 形成了稳定的半无定型网络结构，有效固定 LiCl，避免其溶解流失，同时优化了吸湿-释水性能。这一创新性的材料设计，为温室水资源回收提供了高效、可扩展的解决方案。

图1 LHPE的制备与表征 a. 制备过程 b-c.扫描电子显微镜照片 d. LHPE展示图 e. EDS图谱 f. FTIR图谱 g. XRD图谱

2. 性能测试

图 2 展示了 LHPE 吸湿凝胶的吸湿-脱附性能及其循环稳定性。研究表明，LHPE 在不同湿度条件下均表现出优异的水吸附能力，其中在 90% 相对湿度（RH）下，吸水量高达 4.06 g _water g _sorbent ^-1 。吸湿机理分析显示，LiCl 主要负责低湿度条件下的水分子吸附，而 PAAS 和 HPMC 通过氢键作用增强了凝胶在高湿环境下的吸湿性能。此外，热重分析（TGA）结果表明，LHPE 在 50°C 至 150°C 之间可快速释放吸附水分，并在 70°C 时达到最佳脱附效率，适合低能耗水回收应用。重复吸湿-脱附循环实验进一步验证了该材料的高稳定性，在 15 次循环后，吸水能力仍能保持 97%以上，表明其在长期应用中不会出现明显性能衰减。与现有水收集材料相比，LHPE 在水吸附能力与低温脱附特性方面均表现出显著优势，为高效水资源回收提供了重要的材料基础。

图2 LHPE的吸附-解吸性能。a. LHPE的等温吸附曲线 b-d. 不同填盐量和不同湿度湿度下LHPE的吸附能力 e. TGA测试图 f-g. 凝胶解吸性能测试图 h. 吸附解吸循环图 i. 性能比较图

3. 装置设计

图 3 展示了温室侧窗水回收系统（SWR）的设计及其工作原理。SWR 由吸附室和冷凝室两部分组成，其中吸附室集成了涂覆 LHPE 吸湿凝胶的电加热板，可高效捕获温室通风过程中逸散的高湿空气。SWR 具备三种吸附模式：① 内部吸附模式（仅开启内侧薄膜，减少温室内部湿度），② 外部吸附模式（仅开启外侧薄膜，吸收外界水分），③ 通风模式（双侧薄膜开放，在排湿的同时捕获逸散水分）。当吸湿凝胶饱和后，系统切换至脱附模式，通过电加热将凝胶内的水释放为水蒸气，并引导至冷凝室冷却成液态水，最终回收至温室灌溉系统。该系统设计充分利用温室侧窗的结构特点，在不影响正常通风的情况下高效回收水分，提升温室水资源利用率，为农业节水提供了一种创新性的工程解决方案。

图3 SWR装置设计。a-b. SWR吸附和解吸模式传热传质图 c. SWR不同工况模式图

4. 装置测试

图 4 展示了 SWR 系统的水回收性能及能耗分析。在模拟温室环境实验中，SWR 采用双层吸附凝胶设计，在 10 小时吸附阶段可回收最高 6465.6 g/m ² （单层）的水分。脱附实验结果表明，SWR 在 70°C 下可在 150 分钟内完成水分释放，其中双层凝胶配置的总水回收量达到 5275.6 g/m ² ，回收率高达 82.6%。此外，系统的最大水收集速率达到 3951.3 g m ² h ^-1 ，展现出高效的水分回收能力。能耗测试结果显示，SWR 在整个脱附过程中消耗 0.336 kWh，对应的单位水能耗为 0.25 L/kWh，表明其水回收过程能效较高，具备节能优势。水质分析结果进一步表明，SWR 回收的水中金属离子浓度远低于 WHO 饮用水标准，确保了水质安全性。整体而言，该系统在高效回收水分、低能耗运行和水质安全保障方面均表现优异，为温室水资源管理提供了一种可持续的解决方案。

图4 SWR装置测试实验 a. 吸水量图 b. 温度变化图 c. 取水量图 d. 取水效率图 e. 能耗图 f. 水质测试图

图 5 展示了 SWR 系统在实际温室环境中的水回收能力及其对作物生长的影响。研究团队在模拟温室环境中开展了长达14 天的生菜种植实验，结果表明，SWR 在实际温室条件下节水率可高达 78.78%，大大节省了温室灌溉用水。温湿度监测结果显示，SWR 能够将温室内部湿度控制在 60%-80% 的最佳生长区间，同时在夜间提供适量热量，使温室温度维持在更稳定的水平。此外，SWR 显著提升了生菜的生长表现，作物的叶片长度、宽度和数量均明显增加，最终产量提升 120%。综合来看，SWR 系统不仅实现了温室水资源的高效回收，还优化了温湿度环境，从而提升作物产量与品质，为未来温室农业的节水高效管理提供了重要的技术支撑。

图5 SWR温室节水效果 a. 实验设置图 b. 温度变化图 c. 湿度变化图 d. 单次取水效果图 e. 连续取水效果图 f. 灌溉水节约效果图 g-j. 植物指标比较图

【文章总结】

研究开发了一种创新性的温室水回收系统，通过集成多组分吸湿多孔凝胶，实现了温室侧窗逸散水蒸气的高效捕获与回收。凝胶具备高吸湿能力（最大吸水量 4.06 g _water g _sorbent ^-1 ）和低温脱附特性（70°C 释放水分），确保了水资源的高效循环利用。实验结果表明，该系统在温室环境中实现了 78.78% 的水资源节约率，并显著提升作物产量 120%，不仅优化了温室内部温湿度环境，还提高了作物的光合作用效率和生长质量。该系统的成功应用为农业水资源管理提供了一种可持续的解决方案，其模块化设计使其具备广泛的适应性，能够集成到商业温室和智慧农业系统。未来研究可进一步探索可再生能源（如太阳能）驱动的脱附过程、在不同气候条件下的适用性，以及其对不同作物类型的影响。此外，结合自动化控制系统，该系统可实现对温室湿度和水资源回收的智能化管理，推动农业向更加高效、节水和可持续的方向发展。

【原文链接】

Hao Zou, Jingling Zhu, Xinge Yang, Ziya Zeng, Danfeng Huang*, Jun Li*, Ruzhu Wang*. High-Efficiency Atmospheric Water Harvesting and Irrigation Recycling in Greenhouse Using Hygroscopic Composite Gels, Adv. Funct. Mater. 2025, 2501163, https://doi.org/10.1002/adfm.202501163

上海交通大学ITEWA交叉学科创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）创建于2018年，该团队在王如竹教授的领衔下致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Science, Nature Reviews Materials, Nature Water, Joule, Energy & Environmental Science, Advanced Materials，Science Bulletin，Nature Communications等高水平期刊上发表了系列论文。

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