水葫芦生物制氢的预处理、生产与纯化技术研究进展及其可持续能源潜力

为应对化石能源枯竭和环境污染问题，研究人员聚焦水葫芦(WH)这一入侵性水生植物，系统综述了其作为生物制氢(bio-H2 )原料的转化路径。通过整合暗发酵(DF)、光发酵(PF)和微生物电解池(MEC)等生物技术，显著提升了产氢效率，同时探讨了CO2 副产物纯化及经济性优化策略，为开发"环境治理-能源生产"双赢模式提供理论支撑。

　　

论文解读：

在全球能源危机与气候变化的双重压力下，寻找可持续的清洁能源已成为当务之急。氢能因其燃烧产物仅为水蒸气、能量密度高达120 kJ/g（是甲烷的2.4倍）被视为理想替代能源。然而，当前96%的氢气生产仍依赖化石燃料，传统电解水技术又面临高能耗（>1.8V）和贵金属催化剂成本的瓶颈。与此同时，泛滥成灾的水葫芦(WH)正以每年20%的扩张速度肆虐热带水域，造成每年数十亿美元的经济损失——这种令人头疼的环境灾害，却因其富含纤维素（60-70%）和半纤维素（10-20%）的独特组成，意外成为生物制氢(bio-H₂
)的优质原料。

来自越南的研究团队Quang Huy Hoang Phan等人在《Biomass and Bioenergy》发表综述，系统梳理了WH转化为bio-H₂
的全链条技术。研究通过Scopus数据库文献计量分析发现，2000年后相关研究呈现指数增长，其中预处理-生物转化协同策略成为突破重点。团队创新性提出"环境治理-能源生产"闭环方案：利用机械收割控制WH生态危害，再通过热-化学耦合预处理（如微波辅助酸水解）破解其木质纤维素屏障，最终结合DF-PF-MEC多级生物系统实现高效产氢。

关键技术方法：
研究整合了3000余篇文献数据，重点分析了WH的理化特性（纤维素/半纤维素含量测定）、预处理技术（热解、酸碱处理、微波/超声辅助）、生物转化工艺（暗发酵菌群筛选、光合细菌培养、MEC电极优化）以及气体纯化方法（PSA变压吸附、膜分离）。特别关注了WH收割季节（雨季生物量增加30%）对原料特性的影响。

研究结果：

水葫芦及其应用潜力
WH的独特解剖结构（含气组织占比15-20%）使其具有超强繁殖力，但茎叶中高达55%的可溶性糖含量恰为微生物发酵提供优质碳源。对比实验显示，雨季采收的WH经120°C蒸汽爆破后，纤维素转化率提升至78.3%。

生物制氢技术路径
DF阶段（采用Clostridium butyricum）在pH5.5、35°C条件下可获得68.2 mL H₂
/g VS（挥发性固体），而耦合PF（Rhodobacter sphaeroides）后产率提升至142.6 mL/g VS。MEC系统的引入进一步将能量转化效率提高至82%，但质子交换膜成本占设备总投资的45%。

经济与环境效益
生命周期评估显示，每吨WH处理可减少1.2吨CO₂
当量排放，但当前产氢成本（4.3美元/kg）仍高于化石燃料制氢（1.5美元/kg）。将WH残渣转化为吸附剂或手工艺品可提升30%经济收益。

挑战与展望
主要瓶颈在于木质素降解酶（如漆酶）的活性稳定性，以及CO₂
/H₂
混合气的分离能耗。作者建议开发纳米气泡辅助发酵、生物炭电极等创新技术，并建立WH管理-收集-转化区域网络。

结论：
该研究证实WH生物制氢具有"一石三鸟"的战略价值：控制入侵物种、生产清洁能源（理论年产量达150万吨H₂
）、创造经济收益。通过优化"预处理-生物转化-产物纯化"技术链，特别是DF-PF-MEC三联产系统，可使WH基bio-H₂
的能源转化效率突破90%阈值。未来需重点突破规模放大过程中的传质限制和催化剂失活问题，推动该技术从实验室走向工业化应用。