普林斯顿大学突破性研究：利用再生废水生产氢能
Lin Du所在的普林斯顿大学研究团队测试使用再生废水进行氢电解。在电解槽中，电流使带正电的氢离子（质子）从阳极穿过专用膜到达阴极，质子在阴极与电子结合形成氢气。
根据普林斯顿大学的最新研究，废水可以取代清洁水作为氢气生产的来源，消除氢燃料的一个主要缺点，并将水处理成本降低多达47%。
发表在《水研究》期刊上的这些发现，是使氢成为难以通过电气化脱碳的行业（如钢铁和化肥生产）的实用途径的一步。
该研究的资深作者Zhiyong Jason Ren表示，当前的电解制氢需要大量清洁水，这增加了成本并给当地供水带来压力。他的研究团队想要了解是否可以用污水处理厂处理过的水来替代。
“氢基础设施通常会与当地的淡水使用竞争。”Ren说，他是普林斯顿大学土木与环境工程以及安德林格能源与环境中心的教授。“但每个城镇都有污水处理厂，这是氢经济分布式发展的水源。”
氢气生产的现状与挑战
绿色氢气依靠电解将水分解为氢气和氧气。
目前美国生产的大部分氢气被称为蓝氢，其中天然气为该过程提供能量，然后捕获并储存了部分产生的二氧化碳——这使得蓝色氢气成为比直接使用天然气碳排放更低的能源。
绿色氢气电解使用可再生电力，产生的碳排放要低得多。但它通常需要超纯水，通过反渗透等过程处理自来水或地下水来创造，以去除可能干扰电解的杂质。
普林斯顿团队测试使用处理过的废水而不是自来水，以绕过净化过程。在这种情况下，废水被“再生”，即处理到可以排放到含水层或用于灌溉或工业冷却的程度。
找到问题的根源
Ren说，这种方法以前尝试过，但通常在有限的时间后就失败了。为了找出失败的原因，Ren实验室的博士生Lin Du在质子交换膜水电解槽中进行了精心设计的验证实验——这和目前商业上使用超纯水的技术类似效果。
Lin Du和他的共同作者结合使用电化学测试和先进的显微成像，比较了纯水和再生废水在反应器中的性能。他们观察到，使用再生水时系统性能迅速下降，而使用纯水的相同装置继续稳定运行。
通过实验和建模分析，他们确定钙和镁离子——与在家用水龙头和水壶上造成水垢堆积的相同矿物质——是性能损失的主要原因。这些离子粘附在膜上，阻塞离子传输，将其从多孔通道变成固体屏障。
简单但有效的解决方案
为了解决这个问题，研究人员提出了一个简单的解决方案：用硫酸酸化水。产生的酸性缓冲液作为丰富的质子来源，与其他离子竞争，保持离子传导性，维持电流并实现连续的氢气生产。
“去除所有这些离子以便将超纯水送入电解槽是很昂贵的。”Ren说。“现在，你只需稍微酸化它，将含有离子的水放入电解槽，它可以持续300 多个小时而没有明显问题。”
他的团队估计，使用再生废水而不是净化水可以将氢气生产的水处理成本降低约47%，该处理的能源成本降低约62%。
Ren说，关键是，“这种酸是循环使用的，所以它永远不会离开系统，”从环境和成本角度来看都很重要。同样，钙和镁离子保持可溶相，不会干扰循环。
下一步计划
Ren和他的团队正在与行业合作伙伴合作，测试他们的方法在更大规模上的运作方式，以及它如何与预处理的海水作为输入配合使用。
去年，他们发表了一项关于优化氢气生产中水和成本节约的研究，确定了美国将氢气设施与再生水丰富的废水设施共置的最佳地点。
“我们真的想研究使用再生水来实现国家氢战略的可能性，”Ren说。“我们既进行深入的技术研究，也进行宏观分析工作，以满足科学需求和工业需求。”
这项研究意味着什么？简单来说，如果每个城镇都能利用自己的污水处理厂来生产氢气，不仅能降低成本，还能减轻对淡水资源的压力。对于那些难以电气化的重工业来说，这可能是实现脱碳的关键一步。
更多信息：Lin Du等人，《从酸化废水流出物中电解制氢》，《水研究》（2026）。DOI: 10.1016/j.watres.2025.124672
期刊信息：水研究
关于Zhiyong Jason Ren
Zhiyong Jason Ren是普林斯顿大学土木与环境工程系教授，曾担任Andlinger能源与环境中心副主任和执行主任。他领导的普林斯顿 WET（水与能源技术）实验室专注于水领域的去碳化和环境治理过程中的数字化，涵盖废水处理和回用、海水淡化和修复。
他曾获得多个著名奖项，包括 2024 年 Walter J. Weber, Jr. AEESP 研究前沿奖、2021 年 Paul L. Busch 奖和 2020 年 Walter L. Huber研究奖。他还是英国皇家化学学会和国际水协会成员。
【信息来源：普林斯顿大学】