上海气体网不久的将来，大棚里的蔬果和花卉有望喝上上海科学家创新“特调”的“碳酸饮料”。温室大棚施二氧化碳肥能提高农作物的质量和产量，但传统的二氧化碳施肥法或步骤复杂，或成本高昂，难以推广。上海工程技术大学张延风教授和饶品华教授团队与上海孙桥现代农业园合作，创造性地提出直接捕获空气中的二氧化碳满足温室农业农作物生长需要的设想，并将于近期付诸实践。
捕获二氧化碳代价高
设施农业采用人工技术手段，通过设施及环境调节，为作物营造较为适宜的生长环境，从而达到作物的高产和优产。温室大棚就是设施农业的一个典型代表。国外相关研究起步较早，已实现温室建设大型化、室内技术集成化等特点。我国设施农业从上世纪90年代起步，让不少种植户尝到了甜头。
“设施农业提高了资源利用率和生产效率，还降低了农民的劳动强度。然而，与大田农业不同，相对密闭的设施农业需要补充二氧化碳肥。”张延风介绍。研究显示，当二氧化碳浓度提高到1000ppm（ppm：百万分之一。大气中的二氧化碳浓度仅为400ppm），茄果类蔬菜可增产20-60%。此外，还有降低霜霉病等发病率、提高产品质量的“保健”作用。
可二氧化碳的来源是个大问题。欧美国家多采用纯净的二氧化碳钢瓶气，成本高，在我国难以推广应用。其他方法也有诸多问题，如利用秸秆燃烧的燃烧法，过程控制麻烦，有火灾隐患，同时产生有毒的一氧化碳等气体；利用碳酸盐与无机酸反应的化学法，不但成本高，而且不易控制。孙桥现代农业园首席研究员刘士辉博士形象比喻：“翻过一座大山可以爬山头，也可以绕山脚，捷径当然是走隧道。”而直接捕获空气中的二氧化碳就是那条捷径。
问空气“讨”二氧化碳
“对温室的农作物来说，光照、温度、水肥、基质都能人工控制；采用立体吊挂种植，生长空间也不再受限制。如此一来，二氧化碳成为温室农作物生长的瓶颈。”刘士辉说。
张延风有多年吸附、分离材料开发和二氧化碳捕获项目的经验，曾担任国家高技术研究发展计划（863计划）项目负责人。去年来到上海工程技术大学后，在工程大土壤生态技术协同创新中心的支持下，就一头扎进了分布式二氧化碳捕获装置的研发。
“直接捕获空气中的二氧化碳，既可助力二氧化碳减排目标的实现，又满足了温室大棚对于二氧化碳肥的需求。以温室大棚作物的经济性来带动二氧化碳捕获，也使其减排有了内生动力。”张延风说，“针对温室大棚的二氧化碳捕获，不需要提纯到特别高的浓度，只需1000~2000ppm即可，其能量消耗仅为传统捕获方法的四分之一。我们拟使用太阳能、风能等清洁能源驱动装置，避免因捕获而产生额外的二氧化碳排放。”
工程大团队设计了蜂窝状的结构化床层并采用了高效吸附剂，既保证了气体充分吸附，又使传质阻力和脱附能耗最小化。“分布式捕获装置摆脱了对固定二氧化碳排放源的依赖，装置规模可大可小，属于即插即用型。捕获过程中消耗的能量基本以热能的形式排放到温室中，有利于寒冷天气温室保温。”张延风补充道。这台分布式捕获装置也在今年的工博会上亮相，一台冰箱大小的设备能为一亩大棚蔬菜提供二氧化碳肥。
让蔬果喝“碳酸饮料”
不久，该捕获装置即将在孙桥农业园投入试用。在这两年，团队将继续跟踪设备效能，筛选现有吸附剂，开发新型吸附剂并考评其性能。同时根据农作物对二氧化碳的需求，优化吸脱附操作方式与过程，降低捕获能耗。“我们预计在未来两年内推出用于公顷级温室的二氧化碳捕获装置。在此之前，我们会以温室番茄种植为对象，考察各种因素对番茄产量和品质的影响。”张延风说。
“后续，我们不仅要优化二氧化碳捕获，还要将该捕获装置与灌溉有机结合，将二氧化碳与灌溉水结合成碳酸，通过现有灌溉系统，给植物喝上‘碳酸饮料’。” 刘士辉说。在他看来，未来农业将形成大田、温室和植物工厂并存的局面，二氧化碳分布式捕获装置将成为温室和植物工厂的“标配”。
未来，双方还将在二氧化碳肥释放方面进一步合作，探寻适合不同植物在不同生长阶段下的最适宜值，让植物享受到“定制化”服务，为消费者提供高质量的农产品。工程大化工学院院长饶品华教授说：“这个项目是设施农业与二氧化碳减排的完美结合，是传统化工与材料科学技术在农业领域的创新应用，既解决了设施农业二氧化碳肥的问题，又为国家的二氧化碳减排提供了新思路。团队开发的二氧化碳分布式捕获装置有望在不久的将来大规模推广应用，通过作物增产和二氧化碳减排获得可观的经济效益”。