Climate Detectives Projects 2022-2023
Project title: InNovarAction: Climate Change, Air Quality and the Local Agricultural Economy
Team: InNovarAzione
ITI OMAR Novara Italy 7 Student’s age: 14-15 years old, 16-17 years old
Is it possible to create a super-absorbent material for agriculture to cope with drought?
È possibile creare un materiale super-assorbente per l’agricoltura per fare fronte alla siccità?
Climate and environmental changes have a particular impact on water. Of the planet’s 7.7 billion inhabitants, about 3 billion live in drylands. The latter, put together, cover 46.2% of the land area. Given the ongoing climate changes, long periods of drought, and the increase in desert areas, it is necessary to be able to study new materials for capturing and storing water in the air. In Piedmont, the summer of 2022 had an average temperature of 20.7°C, with a positive temperature anomaly of 3.1°C compared to the 1971-2000 average, and was the second hottest summer season in the historical distribution of the last 65 years after the exceptional summer of 2003. The use of satellite images (NDMI, NDVI, OTCI indices), processed with advanced artificial intelligence techniques, has allowed us to establish that approximately 3,000 hectares of rice paddies have been lost in the province of Novara, representing 10% of the total rice area in the Novara area. Our project aimed at building a prototype to capture moisture in the air and transform it into water. The main objective was the realisation of a super-absorbent product that is low cost, stable, regenerable, and above all obtainable from green raw materials. The gel is mainly composed of two cheap and common ingredients: cellulose, which comes from the plant walls of plants, and Konjac gum, a thickener used in cooking. Konjac gum, due to its porous structure, captures moisture from the air while cellulose, when heated by the sun, releases the captured water due to its water-repellent qualities. Synthesis times are reduced because the gel, once freeze-dried in a mould, can be peeled off and used immediately.
I cambiamenti climatici ed ambientali impattano in particolar modo sull’acqua. Sui 7,7 miliardi di abitanti del Pianeta, circa 3 miliardi vivono nelle zone aride. Queste ultime, messe insieme, coprono il 46,2% delle terre emerse. Visti i cambiamenti climatici in atto, i lunghi periodi di siccità, l’aumento delle zone desertiche, è necessario potere studiare nuovi materiali per la cattura e l’immagazzinamento dell’acqua presente nell’aria. In Piemonte l’estate 2022 ha avuto una temperatura media di 20.7°C, con un’anomalia termica positiva di 3.1°C rispetto alla media del periodo 1971-2000, ed è risultata la seconda stagione estiva più calda nella distribuzione storica degli ultimi 65 anni dopo l’eccezionale estate 2003. L’utilizzo di immagini satellitari (indici NDMI, NDVI, OTCI), elaborate con tecniche avanzate di intelligenza artificiale, ha permesso di stabilire che nella provincia di Novara sono andati persi circa 3.000 ettari a risaia che rappresentano il 10% della superficie totale a riso del novarese. Il nostro progetto mira alla realizzazione di un prototipo per catturare l’umidità presente nell’aria e trasformarla in acqua. L’obiettivo principale è stato la realizzazione di un prodotto super-assorbente a basso costo, stabile, rigenerabile, ma soprattutto ottenibile da materie prime green. Il gel è composto principalmente da due ingredienti economici e comuni: la cellulosa, proveniente dalle pareti vegetali delle piante, e la gomma di Konjac, un addensante utilizzato in cucina. La gomma di Konjac, grazie alla sua struttura porosa, cattura l’umidità dell’aria mentre la cellulosa, quando si scalda con il sole, rilascia l’acqua catturata grazie alle sue qualità idrorepellenti. I tempi di sintesi sono ridotti perché il gel, una volta liofilizzato in uno stampo, può essere staccato e utilizzato immediatamente.
Measurement of water vapour absorption: Prior to measurement of water vapour absorption, all samples were dried in an oven at 90 °C for at least 2 h. The dried super hygroscopic polymer (SHPF) samples were placed inside vials and then sealed in a RH-controlled humidity system (dryer or micro-greenhouse). The relative humidity in the test chamber was stabilised to the desired value with an over-saturated solution of a specific salt. The relative humidity of ~15% and ~30% were realised using super-saturated solutions of LiCl and CH3CO2K, respectively. A hygrometer and thermometer probe was used to monitor the relative humidity and temperature in the chamber. Using a microbalance, we then observed the weight changes during the absorption and desorption phases; an IR lamp was used for controlled desorption. From the experimental results obtained, it can be deduced that the optimum concentrations of the reagents are: KGM 4.6% weight and HPC 1% weight.
– Polymers can do more than 10 absorption-desorption cycles per day.
– The absorbed water can be released quickly at solar heating temperatures of 30 °C.
– Water absorption decreases with increasing HPC content
– Konjac gum and hydroxypropyl cellulose are renewable and low-cost biomasses
– The lowest polymer thickness absorbs 0.64 g∙g -1 of water at 15% by H.R.
Misura dell’assorbimento del vapore acqueo: Prima della misurazione dell’assorbimento del vapore acqueo, tutti i campioni sono stati essiccati in stufa a 90 °C per almeno 2 h. I campioni di polimerici super igroscopici (SHPF) essiccati sono stati introdotti all’interno di vials e successivamente chiusi in un sistema ad umidità RH controllato (essiccatore o micro-serra). L’umidità relativa nella camera di prova è stata stabilizzata al valore desiderato con una soluzione sovra-satura di un sale specifico. L’umidità relativa del ~15% e del ~30% sono state realizzate utilizzando rispettivamente soluzioni super-sature di LiCl e CH3CO2K. Per il monitoraggio dell’umidità relativa e della temperatura nella camera è stato impiegato un igrometro e una sonda termometrica. Servendoci di una microbilancia, abbiamo poi osservato le variazioni di peso durante le fasi di assorbimento e di desorbimento, una lampada IR è stata usata per il desorbimento controllato. Dai risultati sperimentali ottenuti si deduce che le concentrazioni ottimali dei reagenti sono: KGM 4,6% peso e HPC 1% peso.
• I polimeri possono fare più di 10 cicli di assorbimento-desorbimento al giorno.
• L’acqua assorbita può essere rilasciata in tempi brevi con temperature di riscaldamento solare di 30 °C.
• L’assorbimento di acqua diminuisce con l’aumento del contenuto di HPC
• La gomma di Konjac e l’idrossipropilcellulosa sono biomasse rinnovabili e a basso costo
• Lo spessore più basso di polimero assorbe 0,64 g∙g -1 d’acqua al 15% di H.R.
From the analysis of satellite data, Arpa Piemonte surveys and studies conducted by the National Rice Agency, it is clear that ongoing climate change, water shortages and increasing levels of air pollution are compromising both the production and quality of rice in the Novara area. Our concrete action involves the creation of a one-square-metre experimental paddy field within the lawn of our school. The soil of the paddy field will be treated with the super-absorbent gel made from koniac gum and hydroxy-propyl-cellulose, experimenting with the Prometheus 81 rice variety, which has a much more developed root system and can therefore grow deeper. In this way, the plant can reach layers of soil that would not normally be explored by other rice varieties with a horizontal root system.
Dall’analisi dei dati satellitari, dai rilievi Arpa Piemonte e dagli studi condotti dall’ente Nazionale risi appare evidente che i cambiamenti climatici in atto, la carenza idrica e l’aumento del grado di inquinamento dell’aria stanno compromettendo sia la produzione sia la qualità dei risi del territorio Novarese. La nostra azione concreta prevede la realizzazione di una risaia sperimentale di un metro quadrato all’interno del prato della nostra scuola. Il terreno della risaia sarà trattato con il gel super assorbente a base di gomma di koniac e idrossi-propil-cellulosa sperimentando la varietà di riso prometeo 81 che possiede un apparato radicale molto più sviluppato e quindi può crescere più in profondità, la pianta, in questo modo, può raggiungere strati del suolo che normalmente non verrebbero esplorati da altre varietà di riso con un sistema radicale di tipo orizzontale.
This project was automatically translated into English.
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