从再生水到可再生氢气：面向电解槽性能优化的处理工艺优化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：From Reclaimed Water to Renewable Hydrogen: Treatment Optimisation for Electrolyser Performance

　　

绿氢生产需要安全供应高纯度水，在水稀缺日益严重的地区构成重大挑战。城市污水厂三级出水是一种可持续、本地可获取的替代水源，可使制氢与淡水取用脱钩。研究人员评估了以三级处理城市污水为进料，经超滤（UF）、反渗透（RO）与电去离子（EDI）多级处理链产出的水用于阴离子交换膜（AEM）电解的可行性。中试系统安装于城市污水处理厂，以三级出水为进水。RO对溶解盐与微污染物去除显著；然而苯并三唑及甲基苯并三唑仍以痕量残留于透过液，平均电导率约15 μS/cm。后续EDI抛光进一步降低离子含量，产水电导率≤1 μS/cm，微污染物总去除率（98±3）%，满足ASTM II型水电导率标准。为评估水质对电解槽耐久性的影响，研究人员以RO透过液（RO-P）、EDI透过液（EDI-P）及超纯水为参照进行加速退化测试。RO-P导致严重性能损失（约82%），表明残留污染物引起催化剂失活与内阻增加；EDI-P退化仅约2%，与超纯水相当。结果表明先进抛光对稳定AEM运行不可或缺，并确认废水制氢路径可行，将污水处理厂定位为水-能循环中的战略枢纽。

研究背景与问题提出

在全球清洁能源需求增长背景下，氢气作为深度脱碳关键载体受到重视，可再生电力驱动的水电解可制备近零排放氢。欧盟通过氢能战略与融资机制推动2030年可再生氢目标。然而高纯度水的稳定供应在水压力地区存在可持续性争议，以饮用水制氢面临社会接受度问题。城市污水处理厂三级出水具备气候韧性与本地可得性，将其升级为电解级用水，可使污水处理厂由卫生基础设施转为水-能枢纽，契合《城市废水处理指令（EU 2024/3019）》的回用导向。现有文献多偏理论或模型，真实工况下将再生水接入膜电解（尤其AEM电解）的实验验证稀缺；AEM电解虽减少贵金属依赖、可在弱碱条件运行，但对痕量无机离子、过渡金属与有机物高度敏感，直接电解或仅经RO处理均可能致催化剂中毒与膜退化。因此研究人员开展中试实验，明确再生水经UF-RO-EDI处理后能否满足AEM电解水质门槛并支撑长期稳定运行。

主要技术方法概括

研究人员在葡萄牙北部一座服务约17万人口当量、日均3.6万m3的城市污水处理厂内安装UF-RO-EDI中试链，以三级出水为原水，在TW、UF透过液、RO-P、EDI-P四点取样，采用离子色谱测阴阳离子、ICP-OES测金属、UHPLC-MS/MS测12种微污染物（苯并三唑类等）。电解侧采用Fraunhofer ISE压缩笼式AEM单电池（几何面积3.6 cm²），Sustainion? X37-50 RT膜、镍铁商业电极（Catrode?）、Bekaert镍多孔传输层，1 M KOH电解液分别以超纯水、RO-P、EDI-P配制，阳极接触再生水基质、阴极恒用超纯水基质；通过循环伏安（CV）、计时电流（CA）、线性扫描伏安（LSV）、极化曲线与3000周CV加速退化测试（ADT），并在100 mA cm^-2下做24小时计时电位（CP）稳态验证；辅以SEM-EDS、XRD、XPS表征电极表面元素与物相。

研究结果

3.1 UF-RO-EDI处理链性能

3.1.1 理化性质演变：三级出水（TW）电导率942 μS/cm，UF仅降浊度与悬浮固形物、对离子几乎无作用；RO使电导率降至约15 μS/cm，Cl^-、PO₄^3-、Mg²⁺低于检出限，NO₃^-、SO₄^2-、NH₄⁺降至亚mg/L，DOC降约80%；EDI继续抛光至电导率0.07 μS/cm（电阻率对应ASTM II型），NH₄⁺、Na⁺、K⁺近全去除，DOC再降至1.2 mg/L，整体达ASTM II型电导率标准。

3.1.2 有机微污染物演变：TW中检出双氯芬酸（2636 ng/L）、氢氯噻嗪（2549 ng/L）、厄贝沙坦（1574 ng/L）等；RO对多数药物去除率（93±14）%、至检出限以下，但苯并三唑（BTA）438.7 ng/L与4/6-甲基苯并三唑（13 ng/L）穿透，归因于低分子量、高极性、弱电离；EDI后除BTA残163 ng/L外其余均低于检出限，证实EDI树脂与电迁移对极性有机物有附加衰减。

3.2 水质对AEM电解性能的影响

LSV与极化曲线显示RO-P在同等电位下电流密度偏低，ADT后于100 mA cm^-2基准下RO-P性能衰减约82%，EDI-P仅约2%、与超纯水参照相当；24小时CP中EDI-P电压曲线与超纯水平行稳定。SEM-EDS见RO-P阳极表面Fe、C、O、Mo、Si丰度高于超纯水与EDI-P，表明痕量无机/有机物致沉积与活性面损失；XRD显示UP与EDI-P电极体相fcc Fe-Ni合金保留，表面（200）向（111）取向重构并出现低角非晶包（膜碎片/碳质层），RO-P样品未单独列相变但表面元素污染最重；XPS见Fe₂O₃与Ni(OH)₂态为主，超纯水组表面C略高但与退化率不相关，判定碳信号源于膜操作转移而非进水水质主导。

讨论与结论翻译

讨论指出，RO虽去除了绝大部分盐与药物，但残留NO₃^-、NO₂^-、SO₄^2-及BTA会占据AEM固定阳离子位点、排挤OH^-载流子，叠加有机物吸附引发催化位阻塞；EDI作为终端抛光将阴离子含量再降78%、阳离子降96%、痕量金属降77%，是达到稳定AEM运行的必要条件。中试链比能耗1.56-1.77 kWh/m³抛光水，折算至制氢仅0.014-0.016 kWh/kg_H2，占电解电耗0.025-0.028%，能量惩罚可忽略却被寿命收益抵消。该研究支持将污水处理厂嵌入循环水-能系统。

结论部分：本研究论证了以UF-RO-EDI集成链将城市再生水制成AEM电解级水的技术可行性。RO虽高效但残留离子与有机物足以加速电催化退化；EDI终端抛光产水满足ASTM II型电导率（≤1 μS/cm），将电解槽退化限制在超纯水水平。仅阳极接触再生水基质使结论偏保守，实际双供液AEM中阴极侧结垢风险会更高。UF-RO-EDI附加水处理能耗相对于电解可忽略，并被电解槽耐久性提升所补偿。更广义上，研究支撑先进水回用与可再生氢耦合，确立污水处理厂作为循环经济体中水-能枢纽的定位。后续应关注变组成长期运行、残留微量污染物累积机制、AEM水质阈值与浓水管理，以及BTA在碱性条件下的电化学转化路径。

（该文发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，作者Marisa Cruz、Cátia Azenha、Catarina Cruzeiro、Ana I. Gomes、Romeu Avó、Adélio Mendes、Vítor J.P. Vilar，单位LSRE-LCM, ALiCE, Faculty of Engineering, University of Porto, Porto, Portugal）