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利用可再生能源驱动电解水生产绿色氢气，实现能量到氢气的转化（power-to-hydrogen, P2H），可最大限度地减少可再生能源的浪费，对减少碳排放具有重要意义。截至目前，有超过400个主要使用可再生能源的P2H项目正在计划或建设中，70%集中在欧洲国家。预计到2050年，北非、印度、中国、智利、澳大利亚和沙特阿拉伯等拥有丰富可再生能源资源和实施多样化低碳经济战略的国家和地区也将建设大量的P2H项目。为满足城市规模的能源需求而生产足够的绿色氢气，需要消耗大量的水（即每千克氢气需要10-15升水）。然而，正在进行或计划中的P2H项目中，约有30%位于水资源稀缺地区，特别是在中国北方、中东、北非和印度等水资源稀缺或水质恶化程度较高的地区。该问题可能对P2H技术的广泛应用造成严重限制。
全球氢气项目分布与水资源风险
近日，北京师范大学环境与生态前沿交叉研究院（BNU-ADIIEE）凌力教授团队与香港科技大学（HKUST）商启教授团队合作开发了新型膜-电化学联用系统，耦合了正渗透过程（FO）和碱性水电解体系（WSAWE），实现了从污水中快速产生绿色氢气。该研究以“Ultra-fast green hydrogen production from municipal wastewater by an integrated forward osmosis-alkaline water electrolysis system”为题，发表于Nature Communications期刊上。
研究团队在所构建的FOWSAWE体系中，使用了薄膜复合正渗透膜（Thin-Film Composite, TFC），该膜对氢氧化钾具有良好的耐受性，可以长时间在高浓度的碱性环境下稳定运行。系统中使用的TFC-FO膜在含有1M氢氧化钾的溶液中表现出448 Nm3/m2/天的氢气产率，这一数据是现有技术的14倍以上。
用KOH作为FO工艺提取污水的提取液的影响
研究团队通过调整氢氧化钾浓度和电流密度，在不同的操作压力下可以维持稳定的氢气产出。碱性水电解单元在运行时表现出高达99%的法拉第效率，特定能耗（SEC）在标准操作温度23 °C时约为4.43 kWh/Nm3，而在提高到40°C时能进一步降低至3.96 kWh/Nm3。
FO工艺与碱性电解（WSAWE）的集成
FOWSAWE系统的一个关键创新是其水氢平衡模型，该模型优化了正渗透和水电解单元的运行，确保了系统的高效稳定运行。通过实时监控和调整正渗透单元和碱性水电解单元之间的水通量，实现了持续的氢气生产。模型帮助系统在各种运行条件下达到最优化的水氢平衡。
研究团队通过实验证实了FOWSAWE系统在长时间的运行测试中对不同污水条件的高适应性和稳定性。系统能够处理来自不同地区的污水样本，证明了其广泛的适用性和高效的处理能力，即使是在复杂的污水成分中也能维持高效的运行。在连续运行168小时的测试中，FOWSAWE系统的出水通量仅降低10%左右，且氢气纯度始终保持在99%以上。
FOWSAWE系统的氢气产量和能源效率
综上所述，该系统可以直接从污水中以448 Nm3/天/每平方米膜面积的速率产生高纯度氢气，而且能耗仅为3.96 kWh/Nm3。系统的高氢气产生速率源于采用了1 M氢氧化钾作为正渗透汲取液和碱性电解槽电解液，实现从污水中提取纯水并原位电解产生氢气的目标。通过团队构建的正渗透-碱性水电解系统水-氢平衡模型，FOWSAWE装置可以实现模块化设计，以满足从家庭到城市规模以及从各类非常规水源产生氢气的需求。
模块化正渗透-碱性水电解系统从污水快速产生绿色氢气示意
随着全球对减少碳排放和提高能源效率的需求不断增长，本研究所构建的FOWSAWE系统的市场潜力巨大。该系统通过高效地利用市政污水资源，不仅提高了氢气的产量和纯度，显著降低了能耗，同时还能够减轻城市的水处理压力，将污水转化为有价值的能源资源，使得氢气生产过程更加经济可持续。FOWSAWE系统的开发和实施，标志着绿色氢气生产领域的一次重大技术进步。其在推动全球能源结构向低碳转型方面具有重要的战略意义，尤其适用于资源有限和水资源稀缺的地区，预计将在未来的环境保护和可再生能源领域占据重要地位，有望成为全球多地推广和应用的典范。
论文信息
发布期刊 Nature Communications
发布时间 2024年3月23日
文章标题 Ultra-fast green hydrogen production from municipal wastewater by an integrated forward osmosis-alkaline water electrolysis system
（https://doi.org/10.1038/s41467-024-46964-8）
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