全球工程前沿2024環(huán)境與輕紡工程領(lǐng)域(以下簡稱環(huán)境領(lǐng)域)所研判的Top10工程研究前沿見表7.1,涉及環(huán)境科學(xué)工程、氣象科學(xué)工程、海洋科學(xué)工程、食品科學(xué)工程、紡織科學(xué)工程和輕工科學(xué)工程6個(gè)學(xué)科方向。各前沿2018年至2023年的核心論文發(fā)表情況見表7.2。1能源轉(zhuǎn)型的減污降碳協(xié)同效應(yīng)研究234567689食品新污染物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制1能源轉(zhuǎn)型的減污降碳協(xié)同效應(yīng)研究2009630085400353220658710212089食品新污染物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制1642240(1)能源轉(zhuǎn)型的減污降碳協(xié)同效應(yīng)研究目前，全球面臨氣候變化應(yīng)對(duì)與環(huán)境污染防治的雙重迫切挑戰(zhàn)。污染減排著重于限制工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域產(chǎn)生的有害物質(zhì)，如顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等，以改善空氣質(zhì)量并減輕對(duì)人體健康的不良影響。而碳減排則致力于削減二氧化碳等溫室氣體的排放。而能源轉(zhuǎn)型下二者之間存在顯著的協(xié)同增效加工和燃煤過程中伴隨的顆粒物污染問題。然而，減污降碳協(xié)同效益的實(shí)現(xiàn)需要以路徑量化、科學(xué)規(guī)劃與政策設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)。能源轉(zhuǎn)型中的減污降碳增效需進(jìn)一步深化交叉學(xué)科整合，尤其是環(huán)境、能源與經(jīng)濟(jì)等學(xué)科的深度融合，構(gòu)筑更為完善的理論指導(dǎo)與量化支撐體系。同時(shí)構(gòu)筑數(shù)據(jù)資源共享平臺(tái)，結(jié)合大氣環(huán)境模擬系統(tǒng)評(píng)估減污降碳的協(xié)同效果，提升研究成果的透明度與可驗(yàn)證性，加速知識(shí)創(chuàng)新與應(yīng)用轉(zhuǎn)化。此外，新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用將成為決定能源轉(zhuǎn)型成效的關(guān)鍵因素，例如新型能源技術(shù)的降本增效，包括新型儲(chǔ)能技術(shù)、氫能經(jīng)濟(jì)以及碳捕集與封存技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及人工智能(AI)、物聯(lián)網(wǎng)等新興信息技術(shù)的不斷完善等。(2)人工智能驅(qū)動(dòng)的可持續(xù)水處理技術(shù)人工智能驅(qū)動(dòng)的可持續(xù)水處理技術(shù)是指通過應(yīng)用人工智能技術(shù)來優(yōu)化水處理過程，以實(shí)現(xiàn)資源的高效利用和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。通過機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法，從復(fù)雜的水質(zhì)數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息，幫助故障預(yù)測(cè)與預(yù)防性維護(hù)、污染源識(shí)別與管理等。人工智能技術(shù)通過分析分布式傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)，提供精確的水質(zhì)評(píng)估和預(yù)警，優(yōu)化水處理過程中的關(guān)鍵參數(shù)，通過學(xué)習(xí)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)，建議預(yù)防性維護(hù)措施，并識(shí)別復(fù)雜水體中的污染源，分析污染物的遷移和轉(zhuǎn)化路徑，從而提出有效的控制和治理策略。人工智能驅(qū)動(dòng)的可持續(xù)水處理技術(shù)將人工智能的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理和分析能力與水處理技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，使人工智能能夠承擔(dān)大部分的監(jiān)測(cè)、控制和分析任務(wù)，深度優(yōu)化資源使用，減(3)納米限域強(qiáng)化污染物降解技術(shù)納米材料具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，表現(xiàn)出高表面活性和催化效率，以及快速的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，在污染物處理領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。當(dāng)物質(zhì)的尺度被限制到1nm或幾納米的范圍內(nèi)，其相行為以及化學(xué)反應(yīng)或物理過程中的能量分布可能與其宏觀性質(zhì)存在差異，這種現(xiàn)象被稱為納米限域作用。納米限域可提高材料比表面積、表面位點(diǎn)的密度與活性，改變電子運(yùn)動(dòng)特性，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生顯著變化，進(jìn)而產(chǎn)生與體相反應(yīng)顯著不同的反應(yīng)路徑與結(jié)果。納米限域空間為很多熱力學(xué)不穩(wěn)定的晶型的生成和穩(wěn)定存在提供了條件，也可為微污染物與自由基的快速擴(kuò)散和富集提供微小的空間，如提高羥基自由基和單線態(tài)氧等的含量等，加快了活性物種和污染物的傳質(zhì)，進(jìn)而強(qiáng)化污染物的降解。同時(shí)，限域空間表面還會(huì)與吸附劑材料產(chǎn)生相互作用，從而改變電子自旋方式，提高吸附劑材料與污染物的結(jié)合強(qiáng)度，大大提高污染物降解速率。當(dāng)前納米限域強(qiáng)化污染物降解技術(shù)主要關(guān)注納米限域?qū)U水處理的性能提升、催化劑的活性和穩(wěn)定性、降解動(dòng)力學(xué)過程等，率先應(yīng)用于水處理與催化領(lǐng)域，如在高級(jí)氧化水處理工藝中，限域芬頓反應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與非限域芬頓反應(yīng)相比可提高820倍。(4)新粒子潛在環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估新粒子生成(newparticleformation,NPF)是指在大氣中通過氣相化學(xué)反應(yīng)、凝聚等物理過程形成的直徑小于100nm的微小顆粒。這些粒子通常是由氣體前體物質(zhì)(如揮發(fā)性有機(jī)化合物、二氧化硫、氨等)在特定環(huán)境條件下凝聚而成。新粒子的形成對(duì)大氣化學(xué)、氣候變化以及人類健康均有重要影響。隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程加速，新粒子的濃度逐漸上升，成為空氣污染研究中的一個(gè)新興領(lǐng)當(dāng)前，新粒子研究重點(diǎn)在分析區(qū)域和全球范圍內(nèi)不同人群對(duì)新粒子的暴露情況，探討其來源、濃度分布及變化模式，整合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)模型，以量化個(gè)體暴露水平，并揭示新粒子在區(qū)域與全球范圍內(nèi)的生心血管疾病等健康問題的關(guān)聯(lián)，尤其是對(duì)易感人群的影響。此外，也有研究研究了不同區(qū)域和類型的新粒子對(duì)健康效應(yīng)的主導(dǎo)作用，以及長期暴露對(duì)慢性病發(fā)病率的影響，并利用動(dòng)物和細(xì)胞模型探究新粒子對(duì)健未來，應(yīng)積極擴(kuò)展大數(shù)據(jù)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，深入分析與新粒子相關(guān)的健康數(shù)據(jù)，以提高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性和效率。同時(shí)，利用自動(dòng)化和高通量測(cè)量技術(shù)，研發(fā)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，快速篩選和評(píng)估新粒子的生物健康效應(yīng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其暴露水平及對(duì)健康的影響。此外，還需構(gòu)建新模型來評(píng)估新粒子暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)，包括風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與管理策略。同時(shí)，拓展對(duì)新粒子與其他污染物協(xié)同作用的研究，提出污染協(xié)同減排(5)深海稀土超常富集控制機(jī)制研究深海富稀土沉積是指產(chǎn)于深海環(huán)境中的富含稀土元素(鑭系元素和釔)的沉積物，是一種潛在的新型稀土資源。現(xiàn)有研究已發(fā)現(xiàn)一些富稀土遠(yuǎn)景成礦帶，但是深海稀土的超該研究領(lǐng)域目前的主要技術(shù)方向和發(fā)展趨勢(shì)包括：①稀土富集載體的研究，微區(qū)分析技術(shù)的應(yīng)用已證實(shí)生物磷灰石和鐵錳微結(jié)核是重要的稀土富集載體，未來需加強(qiáng)對(duì)更小尺度和更多類型的稀土富集載體的研究；②成巖過程中稀土元素循環(huán)過程研究，已知鐵錳微結(jié)核在成巖過程中可因氧化還原條件的改變而重新釋放稀土元素，而關(guān)于生物磷灰石等載體顆粒對(duì)稀土元素的吸附能力以及經(jīng)歷成巖作用時(shí)稀土元素的遷移過程尚需進(jìn)一步研究；③深海稀土超常富集的地域因素研究，不同構(gòu)造區(qū)域的稀土來源、稀土載體類型(6)人工智能在智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，旨在通過模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自我學(xué)習(xí)、推理、感知、規(guī)劃等功能。人工智能在智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)中的應(yīng)用是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，它利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)來改進(jìn)天氣預(yù)報(bào)的精度和效率，實(shí)現(xiàn)了從稀疏離散點(diǎn)預(yù)報(bào)向無縫隙、全覆蓋、精細(xì)化網(wǎng)格數(shù)字預(yù)報(bào)的飛躍，提高了預(yù)報(bào)精度，極大地豐富了預(yù)報(bào)內(nèi)容，為防災(zāi)減災(zāi)、公眾服務(wù)、行業(yè)服務(wù)等領(lǐng)域提供了更加科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)支撐。該領(lǐng)域目前的關(guān)鍵應(yīng)用和研究方向包括海量數(shù)據(jù)處理與特征分析、模型優(yōu)化與預(yù)報(bào)訂正、預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)建模、動(dòng)態(tài)更新與反饋機(jī)制、可視化與解釋性等。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用場景的不斷拓展，智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)系統(tǒng)將在未來發(fā)揮更加重要的作用。一方面，人工智能將與數(shù)值預(yù)報(bào)大數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用更深入地結(jié)合，發(fā)展出更為復(fù)雜和精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)模型與方法；另一方面，智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)系統(tǒng)將不斷拓展其服(7)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的高分辨率海洋數(shù)值模型參數(shù)優(yōu)化研究海洋模型參數(shù)化方案是通過統(tǒng)計(jì)方法將海洋模式中低于網(wǎng)格分辨率尺度的重要物理現(xiàn)象近似為一種物理簡化模型，其選取直接影響到海洋模式的模擬與預(yù)報(bào)能力。因此，參數(shù)調(diào)優(yōu)歷來是海洋數(shù)值建模中一項(xiàng)必不可少的工作。目前，海洋模式物理參數(shù)調(diào)優(yōu)主要依賴人工調(diào)試和啟發(fā)式經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于模式開發(fā)人員而言，缺乏理論支撐和有效的工程方法進(jìn)行參數(shù)調(diào)優(yōu)，這往往使得模式調(diào)優(yōu)過程復(fù)雜、繁瑣、重復(fù)且低效。機(jī)器學(xué)習(xí)可以從海量觀測(cè)數(shù)據(jù)中挖掘規(guī)律，并建立新的參數(shù)化方案，從而提高海洋模式的模擬和預(yù)報(bào)能力，為海洋數(shù)值模式的參數(shù)化方案優(yōu)化提供了機(jī)遇。具體而言，在海洋模式參數(shù)優(yōu)化過程中，可以借助于當(dāng)前超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，選取大量不同的參數(shù)集進(jìn)行模擬，通過與觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比，形成模式輸入樣本集和最優(yōu)物理參數(shù)樣本集，進(jìn)而通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法建立模式輸入與最優(yōu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)模型。在采用海洋模式開展模擬與預(yù)測(cè)時(shí)，通過關(guān)聯(lián)模型得到可能的最優(yōu)參數(shù)值，以達(dá)到最優(yōu)的模擬與預(yù)測(cè)效果。該方法將先進(jìn)計(jì)算技術(shù)與海洋科學(xué)研究高度融合，未來有望大幅度提高海洋模式的模擬能力(8)用于傷口愈合的納米纖維材料研究納米纖維材料在傷口愈合領(lǐng)域的研究正逐漸成為生物醫(yī)學(xué)材料科學(xué)的一個(gè)重要分支。納米纖維，通常指的是直徑在納米級(jí)別的纖維，因其獨(dú)特的高比表面積、高孔隙率以及可模擬細(xì)胞外基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，被廣泛研究用于促進(jìn)傷口愈合和組織再生。這些材料通過電紡技術(shù)制備，能夠精確控制纖維的直徑和排列，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜傷口環(huán)境的實(shí)時(shí)響應(yīng)和精準(zhǔn)治療。同時(shí)，隨著便攜式電紡設(shè)備的開發(fā)，納米纖維的現(xiàn)場制備和應(yīng)用也將成為可能，為戶外創(chuàng)傷處理和戰(zhàn)場醫(yī)療提供新的解決方案。此外，納米纖維材料的研究也將更加(9)食品新污染物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制食品中的新興污染物主要包括抗生素、內(nèi)分泌干擾物、全氟化合物、微塑料等，通過土壤、水、空氣等環(huán)境要素向食品中遷移并進(jìn)入食物鏈，對(duì)食品品質(zhì)和安全造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。在食品領(lǐng)域，新興污染新興污染物的種類繁多、性質(zhì)各異，且食品鏈條與食品基質(zhì)復(fù)雜。因此，探究新污染物的化學(xué)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，開發(fā)并建立高精度、高靈敏度的檢測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)食品新污染物快速、準(zhǔn)確識(shí)別，探究新污染物從環(huán)境到食品以及在食品生產(chǎn)、加工、儲(chǔ)存和消費(fèi)過程中的遷移與轉(zhuǎn)化規(guī)律，探究新污染物在食品基質(zhì)中的穩(wěn)定性與相互作用規(guī)律，對(duì)完成食品新污染物的安全監(jiān)管和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要意義。此外，明確新污染物的暴露量與暴露途徑，建立食品新污染物與特定人群(如嬰幼兒、孕婦、老人、慢性病人群等)的量效關(guān)全球工程前沿2024(10)非糧生物質(zhì)液體燃料全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)的要求推動(dòng)了可再生能源的發(fā)展。生物質(zhì)能源是可再生能源的重要組成部分，具有環(huán)境友好、資源豐富等優(yōu)勢(shì)。在自然界眾多的生物質(zhì)中，采用非糧生物質(zhì)作為原料可有效緩解糧食與燃料之間的競爭，避免對(duì)糧食安全的影響。與此同時(shí)，將農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為可用燃料，有助于推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。非糧生物質(zhì)液體燃料是一類重要的非糧生物質(zhì)能源，是指由非糧食生物質(zhì)資源(如農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)副產(chǎn)品、生活垃圾等)經(jīng)過物理、化學(xué)或生物轉(zhuǎn)化而成的液體燃料。這類燃料包括生物燃料乙醇、可持續(xù)航空燃料、綠色甲醇、生物柴油等。然而，目前非糧生物質(zhì)液體燃料的開發(fā)仍面臨著能源密度低、原料成本高、原料供應(yīng)不穩(wěn)定等問題。未來，非糧生物質(zhì)液體燃料的研究應(yīng)集中于以下幾個(gè)方面：①優(yōu)化原料轉(zhuǎn)化工藝，以提高轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)量；②開發(fā)新型催化劑和反應(yīng)條件，以降低生產(chǎn)成本并提高產(chǎn)品的質(zhì)量；③改進(jìn)生物質(zhì)原料的預(yù)處理技術(shù)，以進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)化效率；④探索7.1.2Top3工程研究前沿重點(diǎn)解讀全球正面臨應(yīng)對(duì)氣候變化和大氣污染防治的雙重嚴(yán)峻考驗(yàn)。其中，前者聚焦于削減CO?等溫室氣體的排放，從而緩解全球變暖；后者則旨在減少PM2.5、SO?、NO等污染物的釋放，從而改善空氣質(zhì)量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境與人類健康。在能源轉(zhuǎn)型的背景下，這兩者之間展現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng)。而能源結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)化石能源轉(zhuǎn)型的減污降碳協(xié)同效應(yīng)研究具有顯著的交叉學(xué)科特征。例如在協(xié)同效應(yīng)評(píng)估環(huán)節(jié)，需要同時(shí)考慮溫室氣體和污染物的直接聯(lián)系與間接影響，不僅需要量化其環(huán)境效益，還需要對(duì)經(jīng)濟(jì)、健康等多維收益進(jìn)行評(píng)估，這涉及經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的交叉和融合。實(shí)現(xiàn)減污降碳的協(xié)同增效需依托精經(jīng)濟(jì)、健康等多個(gè)子模塊，在量化各模塊效應(yīng)的同時(shí)，還要考慮模塊之間的交互作用，數(shù)據(jù)需求、建模和在該研究前沿核心論文的主要產(chǎn)出國家中，中國在該研究領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，擁有最多的核心論文，論文占比達(dá)44.73%;美國在核心論文數(shù)方面位居第二(表7.3)。在主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)方面，排名前六位的機(jī)其余機(jī)構(gòu)在核心論文數(shù)方面差距較小，而阿卜杜勒阿齊茲國王大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的篇均被引頻次位居前列(表7.4)。在主要國家間的合作網(wǎng)絡(luò)中，表現(xiàn)出了較顯著的國際合作特征，尤其是中國和美國以及這兩國與其他國家之間的合作研究較為頻繁(圖7.1)。機(jī)構(gòu)間的合作特征也較為明顯，北京理工大學(xué)和阿卜杜勒阿齊茲國王大學(xué)主要開展機(jī)構(gòu)內(nèi)獨(dú)立研究，而其他大學(xué)，尤其是清華大學(xué)，與各機(jī)構(gòu)之間存在較頻繁的合作關(guān)系(圖7.2)。被引頻次未排除自引，僅使用被引頻次作為論文影響力的表征指標(biāo)具有一定局限性。該工程研究前沿中施引核心論文的主要產(chǎn)出國家和機(jī)構(gòu)分別見表7.5和表7.6。圖7.3為“能源國家1中國2美國美國3英國4馬來西亞馬來西亞567巴基斯坦8印度印度9沙特阿拉伯意大利1234中國科學(xué)院596中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)77國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所78696阿卜杜勒阿齊茲國王大學(xué)5馬來西亞美國中國意大利全球工程前沿2024中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)塞浦路斯國際大學(xué)中國科學(xué)院國家1中國2美國3英國45德國67西班牙8沙特阿拉伯9印度12中國科學(xué)院34阿卜杜勒阿齊茲國王大學(xué)5中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)6789馬來西亞大學(xué)廢棄處置及再生資源利用工業(yè)廢氣凈化隨著綠色能源和新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)稀土的需求持續(xù)增長，深海富稀土沉積作為一種潛在的新型稀土資源，正受到廣泛關(guān)注。目前已發(fā)現(xiàn)了4個(gè)富稀土遠(yuǎn)景成礦帶：西太平洋、中東太平洋、東南太平洋和中印度洋海盆-沃頓海盆深海稀土成礦帶。持續(xù)深入推進(jìn)深海稀土的超常富集機(jī)制研究將有助于提升深深海稀土超常富集控制機(jī)制的主要研究方向包括：①稀土富集載體的研究，微區(qū)分析技術(shù)的應(yīng)用已證實(shí)生物磷灰石和鐵錳微結(jié)核是重要的稀土富集載體，更小尺度和更多類型的載體顆粒的稀土富集能力研究需持續(xù)推進(jìn)；②成巖過程中稀土元素循環(huán)過程研究，微區(qū)分析、淋濾實(shí)驗(yàn)、物理模擬等手段正被廣泛應(yīng)用于揭示不同成巖條件下稀土元素的循環(huán)過程；③深海稀土超常富集的地域因素研究，洋中脊、海山和深海平原區(qū)的稀土來源、稀土載體類型和豐度存在差異，局地因素和環(huán)境變量在稀土超常富集中作用尚不十分明確，相關(guān)研究有待推進(jìn)；④深海稀土超常富集的時(shí)間因素研究，特定測(cè)年技術(shù)的開發(fā)、富集實(shí)驗(yàn)、綜合定年手段的應(yīng)用和廣泛的地層對(duì)比研究將有助于揭示深海富稀土沉積形成的時(shí)限和時(shí)代。在該研究前沿的核心論文主要產(chǎn)出國家中，中國在該研究領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，擁有最多的核心論文；美國在核心論文數(shù)方面位居第二，但篇均被引頻次最高(表7.7)。在主要國家間的合作網(wǎng)絡(luò)方面，中國、美國和德國等國家在該研究領(lǐng)域有較為緊密的合作關(guān)系(圖7.4)。在主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)方面，核心論文數(shù)排名前十的機(jī)構(gòu)中有8個(gè)來自中國，其中，中山大學(xué)以6篇核心論文和21.43%的論文比例領(lǐng)先，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局和中國科學(xué)院并列第二(表7.8)。在主要機(jī)構(gòu)間的合作網(wǎng)絡(luò)方面，中山大學(xué)、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局、中國科學(xué)院、廣東省海洋資源與海岸帶重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)在該研究領(lǐng)域有較多的合作(圖7.5)。此外，在施引核心論文的主要產(chǎn)出國家中，中國以609篇施引核心論文和40.04%的比例占據(jù)首位(表7.9)。在施引核心論文的主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)中，中國科學(xué)院以198篇施引核心論文和28.21%的比例領(lǐng)先(表7.10)。總之，在該前沿的研究中，中國在該領(lǐng)域處于優(yōu)勢(shì)地位，國內(nèi)各機(jī)構(gòu)間的合作較為密切，但仍需加強(qiáng)與國際機(jī)構(gòu)的合作，以提高該領(lǐng)域研究在國際上的影響力。圖7.6為“深海稀土超常富集控制機(jī)制研究”工程研究前沿的發(fā)展路線。全球工程前沿20241國家國家中國2美國83德國542526日本17法國1819英國11瑞士瑞士英國1中山大學(xué)62廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局53中國科學(xué)院544454637中國地質(zhì)大學(xué)38339自然資源部3美國地質(zhì)調(diào)查局22中國地質(zhì)大學(xué)中國科學(xué)院自然資源部廣東省海洋資源與海岸帶重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中山大學(xué)1國家中國2美國3德國4英國567法國8日本9印度1中國科學(xué)院2中國地質(zhì)大學(xué)3中國地質(zhì)科學(xué)院4自然資源部5中國地質(zhì)調(diào)查局6東京大學(xué)789全球工程前沿2024123420242029海底邊界層稀土元素用于傷口愈合的納米纖維材料研究是當(dāng)前紡織生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的一個(gè)研究前沿，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。該領(lǐng)域的研究主要集中在開發(fā)新型納米纖維材料，以促進(jìn)傷口愈合過程，提高治療效果，納米纖維材料因其獨(dú)特的物理化學(xué)特性，如高比表面積、優(yōu)異的機(jī)械性能和可調(diào)控的孔隙結(jié)構(gòu)，成為傷口愈合研究的熱點(diǎn)。近年來，隨著納米技術(shù)和材料科學(xué)的快速發(fā)展，納米纖維材料在傷口敷料、藥物遞送系統(tǒng)和組織工程支架等方面的應(yīng)用取得了顯著進(jìn)展。研究趨勢(shì)表明，未來該領(lǐng)域?qū)⒏幼⒅夭牧系纳飩谟鲜且粋€(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過程，涉及多種細(xì)胞類型和信號(hào)分子的相互作用。納米纖維材料能夠模擬細(xì)胞外基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，為細(xì)胞提供良好的附著和生長環(huán)境，從而促進(jìn)傷口愈合。此外，納米纖維材料還可以通過負(fù)載藥物和生長因子，實(shí)現(xiàn)對(duì)傷口愈合過程的調(diào)控，提高治療效果。該領(lǐng)域的主要研究方向包括：①納米纖維的制備與表征，研究不同聚合物和制備方法對(duì)納米纖維形態(tài)、結(jié)構(gòu)和性能的影響；②生物相容性與生物活性，評(píng)估納米纖維材料與生物體的相容性，以及其促進(jìn)細(xì)胞生長和分化的能力；③藥物遞送系統(tǒng)，開發(fā)基于納米纖維的藥物載體，實(shí)現(xiàn)藥物的控釋和靶向遞送；④組織工程支架，設(shè)計(jì)和制備具有良好生物相容性和力學(xué)性能的納米纖維支架，用于組織修復(fù)和再生。“用于傷口愈合的納米纖維材料研究”工程研究前沿中，核心論文的主要產(chǎn)出國家和機(jī)構(gòu)分別見表7.11和表7.12。核心論文數(shù)排名前三的國家是中國、美國和伊朗，表明這些國家在納米纖維材料研究方面具有較強(qiáng)的科研實(shí)力和活躍的學(xué)術(shù)氛圍。印度、埃及、韓國和馬來西亞等國家也在該領(lǐng)域展現(xiàn)出積極的研究態(tài)勢(shì)。中國科學(xué)院和西安交通大學(xué)在該領(lǐng)域的研究中占據(jù)領(lǐng)先地位，這反映了中國在納米纖維材料研究方面的強(qiáng)勁實(shí)力。其他如四川大學(xué)、青島大學(xué)和上海科技大學(xué)等機(jī)構(gòu)也在該領(lǐng)域有顯著貢獻(xiàn)。合作網(wǎng)絡(luò)顯示，各國和各機(jī)構(gòu)之間的合作日益頻繁，這有助于推動(dòng)知識(shí)的交流和技術(shù)的創(chuàng)新(圖7.7和圖7.8)。通過國際合作，可以整合不同國家和地區(qū)的科研資源，加速研究成果的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。該前沿中施引核心論文的主要產(chǎn)出國家和機(jī)構(gòu)分別見表7.13和表7.14。未來5~10年，“用于傷口愈合的納米纖維材料研究”將重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方向：①多功能集成，開發(fā)具有抗菌、抗氧化和促進(jìn)血管再生等多重功能的納米纖維材料；②智能化響應(yīng)，研制能夠響應(yīng)外部刺激(如溫度、pH值和生物分子)的智能納米纖維材料；③臨床轉(zhuǎn)化，加強(qiáng)納米纖維材料的臨床試驗(yàn)和應(yīng)用研究，推動(dòng)其在醫(yī)療領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用；④機(jī)制研究，深入探究納米纖維材料促進(jìn)傷口愈合的分子機(jī)制和細(xì)胞水平作用(圖7.9)。綜上所述，用于傷口愈合的納米纖維材料是一個(gè)充滿活力和潛力的研究領(lǐng)域，其發(fā)展將對(duì)醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。隨著新材料、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，未來的研究將更加注重臨床需求和患者體驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)更高效、更經(jīng)濟(jì)的傷口治療。國家1中國2美國3伊朗4印度56韓國7馬來西亞89英國1中國科學(xué)院2西安交通大學(xué)3四川大學(xué)456中山大學(xué)7東華大學(xué)89全球工程前沿2024圖7.8英國中國“用于傷口愈合的納米纖維材料研究”工程研究前沿主要國家間的合作網(wǎng)絡(luò)青島大學(xué)東華大學(xué)“用于傷口愈合的納米纖維材料研究”工程研究前沿主要機(jī)構(gòu)間的合作網(wǎng)絡(luò)國家1中國2美國3伊朗4印度56韓國7馬來西亞89英國1中國科學(xué)院2西安交通大學(xué)3四川大學(xué)45中山大學(xué)67東華大學(xué)89發(fā)展發(fā)展方向20242029發(fā)展成熟度描述7.2.1Top10工程開發(fā)前沿發(fā)展態(tài)勢(shì)環(huán)境與輕紡工程領(lǐng)域組所研判的Top10工程開發(fā)前沿(表7.15),涉及環(huán)境科學(xué)工程、氣象科學(xué)工程、海洋科學(xué)工程、食品科學(xué)工程、紡織科工程和輕工科學(xué)工程6個(gè)學(xué)科方向。其中，各工程開發(fā)前沿2018年至2023年的核心專利公開情況見表7.16。(1)低維護(hù)分散型水處理技術(shù)與裝備村鎮(zhèn)飲用水安全保障與污水治理是實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵一環(huán)。然而，偏遠(yuǎn)村鎮(zhèn)地區(qū)普遍存在水源分散、管網(wǎng)覆蓋率低、缺乏專業(yè)維護(hù)人員等問題，導(dǎo)致其水處理設(shè)施落后，存在較大的飲用水安全風(fēng)險(xiǎn)，并影響其水環(huán)境質(zhì)量。針對(duì)傳統(tǒng)集中式水處理技術(shù)工藝流程長、藥耗大、管理維護(hù)復(fù)雜等不足，近年來，基于膜技術(shù)的分散型飲用水凈化技術(shù)得到廣泛推廣，包括絮凝-浸沒式超濾、超濾-反滲透12345智能模型在氣象海洋領(lǐng)域中的應(yīng)用2667數(shù)字孿生技術(shù)在氣候研究中的應(yīng)用8新型食品微生物資源創(chuàng)新利用912345智能模型在氣象海洋領(lǐng)域中的應(yīng)用000011697數(shù)字孿生技術(shù)在氣候研究中的應(yīng)用000148新型食品微生物資源創(chuàng)新利用9占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，且易于裝備化，避免了土建施工等復(fù)雜流程。針對(duì)分散型污水處理，當(dāng)前主要研究方向包括一體式膜生物反應(yīng)器、高負(fù)荷生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、人工濕地等技術(shù)。雖然以上水處理工藝效能已在實(shí)際村鎮(zhèn)分散型工程中得到驗(yàn)證，但其推廣應(yīng)用依然受到諸多因素影響，包括當(dāng)?shù)厮|(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況、技術(shù)管理水平等。為進(jìn)一步提升村鎮(zhèn)分散型供排水保障能力，未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)包括：①開發(fā)原位加藥技術(shù)與裝置，降低藥耗與維護(hù)工作量；②結(jié)合人工智能技術(shù)，開發(fā)自動(dòng)控制程序，提高水處理工藝智能化運(yùn)行水平；③開發(fā)水處理模塊化裝備，構(gòu)建(2)基于大數(shù)據(jù)挖掘的多介質(zhì)污染溯源與風(fēng)險(xiǎn)管控污染溯源是指通過科學(xué)的方法和技術(shù)手段，追蹤和識(shí)別環(huán)境污染的來源及其擴(kuò)散路徑的過程，能夠準(zhǔn)確地分析并研究出污染的源頭與遷移擴(kuò)散路徑，是有效開展污染修復(fù)與風(fēng)險(xiǎn)管控的重要手段。目前，國內(nèi)污染物來源廣泛且種類繁多，不同類型污染物的遷移擴(kuò)散機(jī)制相差甚遠(yuǎn)，且在環(huán)境介質(zhì)分布的隨機(jī)性和不如結(jié)合分子指紋技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法以提高污染溯源的精確程度，但不同技術(shù)的選取在人為權(quán)重的影響綜合考慮多個(gè)環(huán)境介質(zhì)如大氣、地表水、土壤、地下水等的污染情況，進(jìn)行污染源追蹤和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在保然而，大數(shù)據(jù)挖掘所得到的數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及不同算法對(duì)數(shù)據(jù)的權(quán)重和相關(guān)性的判斷也會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果的不同。基于大數(shù)據(jù)挖掘的多介質(zhì)污染溯源與風(fēng)險(xiǎn)管控對(duì)解決世界上污染物與存在介質(zhì)耦合的復(fù)雜情況下的防治與修復(fù)具有重要意義，也是未來環(huán)境科學(xué)與工程研究的重要方向之一。確保數(shù)據(jù)來源的準(zhǔn)確性以及對(duì)數(shù)(3)碳封存建筑儲(chǔ)能材料2022年，建筑行業(yè)在全球與能源和流程相關(guān)的“營運(yùn)碳”排放量當(dāng)中占37%,達(dá)到近100億噸。混凝土是世界上使用最廣泛的建筑材料。混凝土可以在施工后通過碳化過程將碳隔離和儲(chǔ)存。在混凝土中封存碳可采用碳固化策略。碳固化參數(shù)(如初始固化條件，碳固化持續(xù)時(shí)間，CO?壓力、來源和濃度)可影響碳封存的效果；混凝土中黏結(jié)劑的組成對(duì)混凝土的固碳潛力起著至關(guān)重要的作用；混凝土中采用新型骨料混凝土中碳封存和儲(chǔ)存的最佳策略是利用所引入的材料和方法的混合優(yōu)勢(shì)。然而，圍繞碳固化各參數(shù)(4)面向智慧水處理的水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與反饋技術(shù)飲用水和污廢水等水處理過程的各環(huán)節(jié)常面臨來水和出水水質(zhì)波動(dòng)，其中工業(yè)廢水處理面臨的水質(zhì)波動(dòng)往往頻率更高、幅度更大。在傳統(tǒng)水處理廠，為應(yīng)對(duì)水質(zhì)波動(dòng)沖擊問題，操作人員常采用過量投加藥劑模型預(yù)測(cè)和調(diào)控為主要?jiǎng)?chuàng)新的智慧水處理技術(shù)大量涌現(xiàn)并快速發(fā)展。智慧水處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水處理過程各個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)控制和優(yōu)化，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋機(jī)制，根據(jù)水質(zhì)變化和需求動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)和工藝，從而提高水質(zhì)凈化效率，降低運(yùn)行成本，減少資源和能源浪費(fèi)，削減碳排放。其中，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與反饋技術(shù)的開發(fā)對(duì)智慧水處理的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮著至關(guān)重要的支撐作用，開發(fā)方向主要包括：①面向生化需氧量(BOD)、微量特征污染物等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室分析檢測(cè)耗時(shí)較長的水質(zhì)指標(biāo)的現(xiàn)場快速監(jiān)測(cè)技術(shù)，包括傳感器、軟件、自動(dòng)化裝備等；②基于光譜測(cè)量的特定水質(zhì)指標(biāo)的快速估測(cè)與動(dòng)態(tài)反饋技術(shù)；③基于機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)模(5)智能模型在氣象海洋領(lǐng)域中的應(yīng)用智能模型是指使用人工智能技術(shù)構(gòu)建的計(jì)算模型，能夠模仿人類的認(rèn)知功能，如學(xué)習(xí)、推理、識(shí)別模全球工程前沿2024式等。智能模型在氣象和海洋學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。例如，在天氣預(yù)報(bào)方面，其可提高短期和長期天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，更精確地識(shí)別風(fēng)暴系統(tǒng)和其他天氣模式；在氣候模擬方面，其可用于優(yōu)化綜合考慮大氣、海洋、海冰等多種因素的氣候模型，從而更準(zhǔn)確地再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界；在極端天氣氣候事件預(yù)測(cè)方面，其可用于識(shí)別極端天氣氣候事件(如颶風(fēng)、洪水)發(fā)生規(guī)律，并提前發(fā)出預(yù)警；在海流預(yù)測(cè)方面，其可用于預(yù)測(cè)鹽度等信息，識(shí)別海洋生物的聲音信號(hào)，幫助跟蹤特定物種的遷徙模式；在海平面上升方面，其可預(yù)估未智能模型促進(jìn)了氣象、海洋、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的交叉融合，加深了我們對(duì)地球系統(tǒng)的理解。隨著技術(shù)進(jìn)步和數(shù)據(jù)積累，智能模型在氣象海洋領(lǐng)域的應(yīng)用預(yù)計(jì)將持續(xù)優(yōu)化和提升，為更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)和更高效的服務(wù)提(6)基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的自主水下航行器路徑規(guī)劃技術(shù)隨著水下裝備技術(shù)的快速發(fā)展，自主水下航行器(autonomousunderwatervehicle,AUV)在漁業(yè)養(yǎng)殖、水下救援、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋生物調(diào)查、海洋地質(zhì)勘探等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。海洋環(huán)境復(fù)雜多變，安全、精確的路徑規(guī)劃是AUV在海洋中高效執(zhí)行任務(wù)的重要保障。深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)(deepreinforcementlearning,DRL)算法由于其強(qiáng)大的感知和決策能力，成為當(dāng)前解決未知?jiǎng)討B(tài)環(huán)境下AUV路徑規(guī)劃最具潛力的方法。DRL算法的優(yōu)化和綜合利用是提升AUV運(yùn)行自主性和高效性的關(guān)鍵問題，對(duì)于助力AUV海目前，基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的自主水下航行器路徑規(guī)劃技術(shù)的研究主要包括：DRL算法的訓(xùn)練速度和路徑規(guī)劃準(zhǔn)確率的提升，DRL算法的自適應(yīng)性、實(shí)時(shí)性和魯棒性的提升，以及AUV在未知?jiǎng)討B(tài)環(huán)境中全局規(guī)劃能力的改進(jìn)等。未來的發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下方面：一是突破單一AUV執(zhí)行任務(wù)的局限性，利用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)協(xié)同規(guī)劃AUV集群的無沖突作業(yè)路徑，提高多AUV協(xié)同作業(yè)效率；二是拓展DRL算法多目標(biāo)優(yōu)化能力，實(shí)現(xiàn)長期或遠(yuǎn)程任務(wù)下的有效規(guī)劃路徑和長期能源管理；三是開展真機(jī)實(shí)海場景測(cè)試驗(yàn)證，提升DRL算法的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力，為AUV的水下作業(yè)保駕護(hù)航。(7)數(shù)字孿生技術(shù)在氣候研究中的應(yīng)用數(shù)字孿生是指通過數(shù)學(xué)建模、仿真和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)，將實(shí)物對(duì)象或系統(tǒng)的數(shù)字化副本與其現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)應(yīng)物相結(jié)合。數(shù)字孿生技術(shù)在氣候研究中的應(yīng)用是近年來的一個(gè)重要發(fā)展方向，主要包括以下方面：①氣候模擬，通過構(gòu)建高精度地球模型模擬大氣、海洋、陸地和海冰之間的相互作用，提供氣候變化的詳細(xì)信息；②極端天氣氣候事件預(yù)測(cè)，通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，識(shí)別極端天氣氣候事件的發(fā)生模式，提前預(yù)警潛在的自然災(zāi)害；③氣候變化影響評(píng)估，評(píng)估氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)、水資源等方面的影響，以及城市熱島效應(yīng)、空氣質(zhì)量等城市化帶來的環(huán)境問題；④適應(yīng)策略制定，通過模擬不同的氣候變化情景，制定適應(yīng)性策略，以緩解氣候變化帶來的負(fù)面影響；⑤智慧農(nóng)業(yè)，用于創(chuàng)建農(nóng)田的虛擬副本，以優(yōu)化灌溉、施肥等；根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)整操作，提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)減少資源消耗；⑥公眾教育與意識(shí)提升，通過可視化的方式向公眾展示氣候變化的潛在影響，增強(qiáng)公眾對(duì)環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識(shí)。未來數(shù)字孿生技術(shù)除將繼續(xù)加深與AI、高性能計(jì)算等技術(shù)融合，推動(dòng)氣候研究的創(chuàng)新發(fā)展外，還將促進(jìn)氣候研究的國際合作、推動(dòng)氣候(8)新型食品微生物資源創(chuàng)新利用新型食品微生物創(chuàng)新利用技術(shù)結(jié)合微生物學(xué)、合成生物學(xué)等前沿科技，開發(fā)、優(yōu)化和改造食品生產(chǎn)中的微生物，旨在提升食品的營養(yǎng)價(jià)值、風(fēng)味和安全性。這一技術(shù)不局限于傳統(tǒng)發(fā)酵，還包括基因改造、代謝調(diào)控和人工微生物群落構(gòu)建等手段，用于提高食品加工效率及功能性食品開發(fā)。主要研究方向有以下幾個(gè)方面：①發(fā)酵技術(shù)創(chuàng)新，通過多菌種共發(fā)酵和控制微生物群落結(jié)構(gòu)，提升發(fā)酵食品的口感和功能性；②基因編輯與合成生物學(xué)，應(yīng)用CRISPR等工具定向改造微生物的代謝途徑，使其生產(chǎn)特定功能性成分，如益生元、活性肽、維生素等；③微生態(tài)調(diào)控，利用益生菌調(diào)節(jié)人體腸道微生物群，增強(qiáng)免疫力并改善健康；④綠色與可持續(xù)發(fā)展，利用微生物將農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為高營養(yǎng)食品，推動(dòng)綠色生產(chǎn)體系的建設(shè)，減少資源浪費(fèi)。未來，食品微生物技術(shù)將向精準(zhǔn)優(yōu)化發(fā)展，通過基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等技術(shù)深度解析微生物功能，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)應(yīng)用；個(gè)性化食品將成為趨勢(shì)，根據(jù)個(gè)體微生態(tài)特征開發(fā)定制化功能食品；智能發(fā)酵技術(shù)結(jié)合人工智能將實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化與控制；同時(shí)，綠色微生物技術(shù)將進(jìn)一步整合，助力食品工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)轉(zhuǎn)型。(9)納米綠色印刷技術(shù)印刷術(shù)是我國古代四大發(fā)明之一，記錄著人類文明的發(fā)展與變遷。然而，基于感光和刻蝕工藝的傳統(tǒng)印刷技術(shù)在版材生產(chǎn)、印刷制版及油墨揮發(fā)等過程中會(huì)排放大量的重金屬離子、有機(jī)物和有毒氣體等，不利于印刷行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并造成環(huán)境污染問題。此外，電子出版的興起也給傳統(tǒng)印刷技術(shù)帶來了一定的壓力與挑戰(zhàn)。因此，印刷技術(shù)的變革是我國印刷行業(yè)的必然發(fā)展趨勢(shì)。近年來，研究者們將納米技術(shù)應(yīng)用于印刷技術(shù)中的版材、制版和油墨工藝中，不僅從源頭上解決了環(huán)境污染問題，還提升了現(xiàn)代印刷技術(shù)水平。在版材工藝中，通過在版材表面涂布納米功能涂層構(gòu)造特殊的微納結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)印刷過程中的浸潤性調(diào)控，解決傳統(tǒng)電解、氧化等電化學(xué)工藝過程能耗大和污染重的問題。在制版工藝中，利用無機(jī)納米顆粒作為轉(zhuǎn)印材料打印至具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的版材表面，避免了感光液的排放。在油墨工藝中，利用綠色環(huán)保的油墨替換傳統(tǒng)的溶劑型油墨，從而減少了干燥過程中的揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)排放。納米綠色印刷技術(shù)不僅有效解決了傳統(tǒng)印刷技術(shù)存在的瓶頸問題，還可進(jìn)一步拓展應(yīng)用于制備新型光電器件。未來，仍需進(jìn)一步在印刷精度、印刷效率、功能化拓展等方面進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用研究，以推動(dòng)納米綠色印刷技術(shù)形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的變革。(10)纖維基太陽能電池纖維基太陽能電池是一種將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的新型可穿戴能源設(shè)備，它們通常基于柔性的纖維或織物結(jié)構(gòu)，具有輕質(zhì)、可彎曲和可編織等特點(diǎn)。這種太陽能電池的核心在于將光敏材料和電極整合到纖維結(jié)構(gòu)中，使其能夠在保持紡織品舒適性和可穿戴性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。當(dāng)前的研究主要集中在提高纖維基太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性以及與紡織品的兼容性上。研究者們正在探索不同的光敏材料，如有機(jī)聚合物、染料敏化材料和鈣鈦礦材料，以及它們?cè)诶w維基底上的沉積技術(shù)。此外，如何通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇來增強(qiáng)電池的機(jī)械穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性，也是研究的重點(diǎn)。發(fā)展趨勢(shì)方面，未來的纖維基太陽能電池將更加注重與智能紡織品的集成，實(shí)現(xiàn)多功能化和智能化。例如，通過將太陽能電池與其他傳感器和電子組件結(jié)合，可以開發(fā)出能夠監(jiān)測(cè)健康參數(shù)、環(huán)境條件或提供通信功能的智能服裝。此外，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，纖維基太陽能電池的大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化也將成為可能，全球工程前沿2024這將進(jìn)一步推動(dòng)可穿戴能源設(shè)備的發(fā)展。7.2.2.1低維護(hù)分散型水處理技術(shù)與裝備據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球超過30億人口居住在農(nóng)村地區(qū)，且多數(shù)地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平較差，部分偏遠(yuǎn)地區(qū)飲用水源分散、管網(wǎng)覆蓋率低、缺乏必要的凈水設(shè)施與專業(yè)維護(hù)人員。提高農(nóng)村飲用水安全保障與污水處理水平，是保障人類健康和社會(huì)福祉的基本要求。開發(fā)適用于分散型水處理場景的低維護(hù)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)工藝的模塊化與裝備化，降低運(yùn)行維護(hù)成本，具有巨大的工程應(yīng)用需求。面對(duì)低維護(hù)飲用水凈化需求，膜技術(shù)具有出水水質(zhì)好、病原菌去除率高、工藝流程短、易于裝備化等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)常規(guī)地表水水源，采用絮凝-浸沒式超濾實(shí)現(xiàn)有機(jī)物、顆粒物、微生物等污染物的高效去除；針對(duì)苦咸水及硝酸鹽等無機(jī)污染物超標(biāo)地下水，一般采用超濾-反滲透技術(shù)；針對(duì)僅存在某些無機(jī)離子(如砷、氟、鐵、錳)超標(biāo)的地下水，可省去膜工藝，直接采用絮凝/吸附-砂濾工藝，以降低建設(shè)與運(yùn)行成本。為解決膜運(yùn)行過程中存在的膜污染、高藥耗等問題，有研究者開發(fā)出基于電化學(xué)-砂濾/膜技術(shù)的裝配式飲用水廠，通過電化學(xué)單元原位產(chǎn)生絮凝與氧化物種，結(jié)合砂濾和/或膜單元實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)出水，同時(shí)降低膜污染。面對(duì)低維護(hù)村鎮(zhèn)污水凈化需求，當(dāng)前研究方向聚焦于生物強(qiáng)化工藝與裝備，包括一體式膜生物反應(yīng)器、高負(fù)荷生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、人工濕地等。其中，一體化膜生物反應(yīng)器工藝通過將活性污泥法與膜分離相結(jié)合，提高活性污泥濃度，從而強(qiáng)化生物反應(yīng)器的功能并省去二沉池，具有出水水質(zhì)高、占地面積小等優(yōu)勢(shì)。高負(fù)荷生物濾池與生物轉(zhuǎn)盤均屬于生物膜法，通過將微生物負(fù)載至濾料表面，提高微生物穩(wěn)定性，降低水力負(fù)荷沖擊影響。人工濕地是一種生態(tài)型水處理技術(shù)，通過合理構(gòu)筑土壤、人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化植物和微生物對(duì)污染物的降解效果，該技術(shù)運(yùn)行管理簡單，但占地面積較大。從國際范圍來看，“低維護(hù)分散型水處理技術(shù)與裝備”核心專利的主要產(chǎn)出國家中，中國在核心專利公開量上排名第一，占比為99.55%,與其他國家相比，在數(shù)量上有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(表7.17)。與之相比，印度、德國等國家專利公開量遠(yuǎn)小于中國。這表明，中國在低維護(hù)分散型水處理技術(shù)與裝備方面的研究和創(chuàng)新數(shù)量不斷上升，已成為國際上該領(lǐng)域的領(lǐng)先國家。在該工程開發(fā)前沿中核心專利的主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)方面，前十位機(jī)構(gòu)全部來自中國(表7.18)。其中，凌志環(huán)保股份有限公司的核心專利公開量為10項(xiàng)，排在第一位，核心專利平均被引數(shù)為0.60,處于平均水平。除環(huán)保公司外，中國環(huán)境科學(xué)研究院、生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所等科研機(jī)構(gòu)也貢獻(xiàn)了一定量的核心專利產(chǎn)出。由專利平均被引數(shù)可以看出，與科研機(jī)構(gòu)相比，企業(yè)影響力與開創(chuàng)性仍需進(jìn)一步提升。此外，各機(jī)構(gòu)間幾乎不存在合作關(guān)系。為提升相關(guān)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用水平，應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化高校、科研機(jī)構(gòu)企業(yè)之間的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，構(gòu)建政府、行業(yè)、社會(huì)多元參與的可持續(xù)商業(yè)模式，促進(jìn)相關(guān)工程技術(shù)領(lǐng)域的長足發(fā)展。展望低維護(hù)分散型水處理技術(shù)與裝備發(fā)展趨勢(shì)，未來應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)膜污染控制技術(shù)及抗污染型膜材料研究，開發(fā)低維護(hù)-短流程膜法凈水工藝與裝備。面向偏遠(yuǎn)村鎮(zhèn)供排水場景，開發(fā)智能加藥與少/無藥劑供排水處理技術(shù)，并關(guān)注近自然凈水技術(shù)、工藝及其配套裝備研發(fā)。此外，通過引入機(jī)器學(xué)習(xí)與5G信息技術(shù)，開發(fā)水處理工藝的數(shù)字化模擬算法與平臺(tái)，研制無人值守型智能化裝配式水廠，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、凈水效能在線優(yōu)化、工藝調(diào)節(jié)遠(yuǎn)程操控、工藝升級(jí)數(shù)字模擬，保障高品質(zhì)村鎮(zhèn)供水與可持續(xù)污水處理(圖7.10)。1中國2印度203德國104105101凌志環(huán)保股份有限公司62浙江康城環(huán)保科技有限公司913中國建筑股份有限公司804中國環(huán)境科學(xué)研究院685中國電力建設(shè)集團(tuán)有限公司636597湖北水云澗環(huán)保工程有限公司568四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院559同濟(jì)大學(xué)54中凌水環(huán)境設(shè)備有限公司502024203020242030·無人值守型智能化裝配式水廠·膜污染控制技術(shù)及抗污染型膜材料·智能加藥與少/無藥劑供排水處理技術(shù)·水處理工藝的數(shù)字化模擬算法與平臺(tái)智能模型在氣象學(xué)和海洋學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛且深入，這些應(yīng)用顯著提升了氣象預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和效率，為科學(xué)研究、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害預(yù)警等多個(gè)方面提供了有力支持。智能模型在氣象和海洋領(lǐng)域的應(yīng)用歷史可以追溯到計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能技術(shù)的早期階段。隨著時(shí)間的推移，這些技術(shù)逐漸發(fā)展并被引入氣象學(xué)和海洋學(xué)的研究與實(shí)踐中。當(dāng)前氣象學(xué)與海洋學(xué)的智能模型開發(fā)越來越多地涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉融合，世界各國也相繼推出了多個(gè)大模型。例如，在氣象領(lǐng)域，中國氣象局推出三款A(yù)I氣象大模型系統(tǒng)：“風(fēng)清”“風(fēng)雷”和“風(fēng)順”。這些系統(tǒng)通過融合人工智能與氣象學(xué)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了高效的氣象預(yù)測(cè)。“風(fēng)清”模型全球預(yù)報(bào)天數(shù)可達(dá)10.5天，超越歐美主流模型；“風(fēng)雷”模型顯著提升了雷達(dá)回波的預(yù)報(bào)能力；“風(fēng)順”模型則專注于解決長期氣候預(yù)測(cè)難題，能提供未來60天的全球基本要素和極端事件的確定性與概率預(yù)報(bào)。在海洋領(lǐng)域，國家海洋信息中心牽頭實(shí)施的“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)全球工程前沿2024計(jì)劃項(xiàng)目中，構(gòu)建了海表溫度、海面高度、三維溫鹽、海洋聲場、海浪和海霧6種智能預(yù)報(bào)模型，以及中尺度渦、海洋鋒和躍層3種智能識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)了海洋環(huán)境的快速輕量智能預(yù)報(bào)。表7.20是該工程開發(fā)前沿中核心專利的主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)。核心專利排名第一的機(jī)構(gòu)為華北電力大學(xué)，其次是中環(huán)宇恩(廣東)生態(tài)科技有限公司。兩個(gè)機(jī)構(gòu)間沒有合作關(guān)系。智能模型在氣象和海洋領(lǐng)域的應(yīng)用未來5~10年的發(fā)展將受到多種因素的影響，包括技術(shù)的進(jìn)步、計(jì)算能力的提升、數(shù)據(jù)可用性的增加，以及跨學(xué)科合作的深化等。主要的發(fā)展方向包括：①技術(shù)進(jìn)步與模型優(yōu)化；②數(shù)據(jù)處理和管理機(jī)制；③實(shí)時(shí)與交互式預(yù)報(bào)；④數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用；⑤可解釋性與倫理問題；⑥跨學(xué)科合作與開放科學(xué)；⑦教育與公眾參與。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會(huì)需求的增加，預(yù)計(jì)未來智能模型在氣象和海洋領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更