用于可持续氢能生产的入侵性水生生物量：循环生物能源系统中水葫芦的热化学和生物转化利用

《Biomass and Bioenergy》：Invasive aquatic biomass for sustainable hydrogen: Thermochemical and biological valorization of water hyacinth within circular bioenergy systems

水葫芦兼具生态治理与生物能源潜力，其高水分特性对制氢工艺和经济效益影响显著。通过热化学（热解、气化、催化重整）与生物（暗发酵、光发酵）途径对比分析，发现产氢效率受催化剂、反应器设计及预处理技术制约，需建立标准化评价体系。研究强调需突破水葫芦高含水率处理、抑制物去除及系统集成等技术瓶颈，并完善经济性评估模型。

　　

Ravikumar Jayabal | V. Yokesh | K.R. Padmavathi | R. Ashok Kumar | Prajith Prabhakar

印度泰米尔纳德邦金纳图尔，被视为大学的海事教育与培训学院（AMET）机械工程系

摘要

水葫芦（Eichhornia crassipes）是一种极具入侵性的水生大型植物，会破坏淡水生态系统。然而，它也是一种丰富且低成本的木质纤维素资源，可以在循环生物能源系统中被利用来生产可再生氢气（H₂）。本综述批判性地综合了关于水葫芦的热化学（热解、气化、催化升级/重整）和生物（暗发酵和光发酵）途径的研究证据，特别关注了数据基础、水分管理以及与入侵生物量控制和废水处理相结合的方法。报道的水葫芦制氢产量差异很大（通常为10-22 mmol H₂/g干物质，具体取决于催化剂、反应器和水分含量）。热化学研究表明，在FeCl₃辅助的热解、空气气化和微波化学循环系统中存在显著的配置依赖性。相比之下，生物途径受益于两阶段的暗发酵和光发酵，但受到抑制剂、反应器流体动力学和光照传递的限制。由于研究使用的单位不统一（体积百分比、毫升、mmol/g^?1 vs Nm³ kg^?1），本综述在可行的情况下对指标进行了标准化，并指出了未得到支持的转化过程。本综述中提出的技术经济估算基于特定情景，并且强烈依赖于干燥能量、运输距离和催化剂寿命。综述评估了有限的中试证据，指出了验证上的差距（规模、运行周期、进料水分、气体质量、成本构成），并概述了在混合太阳能-废弃物-热能干燥、低抑制剂预处理、抗焦油模块化反应器以及认可入侵生物量去除和验证副产品效益（生物炭/消化物）方面的研究优先事项。

引言

全球能源框架正在经历重大变革，这一变革是由应对气候变化和减少对化石燃料依赖的迫切需求推动的。在这种背景下，绿色氢气（H₂，即来自可再生能源的氢气）已成为未来低碳能源框架的重要组成部分，尤其是在难以脱碳的领域，如交通运输、化学生产和钢铁制造[1]。国际能源署预计到2050年全球氢气需求可能达到5.3亿吨，其中超过60%将来自可再生能源。然而，通过水电解生产传统绿色氢气仍然能耗较高，在许多低收入和中等收入地区，平均成本估计为每千克4.5-6.0美元，主要是由于可再生能源电力的成本较高且不稳定[2,3]。

鉴于此，从生物质中提取氢气作为一种替代途径受到了越来越多的学术关注，特别是通过热化学（热解、气化、催化重整）和生物（暗发酵和光发酵）转化过程[4]。在各种正在评估的生物质资源中，水葫芦（Eichhornia crassipes）因其快速生长、高碳水化合物含量以及在修复水生生态系统中的作用而引起了学术界的广泛兴趣[5]。这种植物原产于亚马逊盆地，但现在广泛分布于非洲、亚洲和南美洲，在最佳条件下，其生物质量可在7-10天内翻倍，据报道每年每公顷湿生物质产量可达70吨[6]。其木质纤维素结构（通常包含35-45%的纤维素、20-30%的半纤维素和10-15%的木质素）为通过热解、气化和发酵方法生产氢气奠定了生化基础[7]。

实验室实验和有限的中试研究表明，在指定的温度和催化剂参数下，使用Ni-CaO或类似催化剂进行催化热解可以生成大约18-20 mmol H₂每克干生物质；而在750-900°C下进行的蒸汽气化通常会产生氢气浓度为25-45%的合成气，这取决于原料水分、颗粒大小和反应器设计[8]。同时，使用Clostridium物种进行的暗发酵在适当预处理后每克挥发性固体（VS）可产生约3.5-5.2 mmol H₂，而两阶段暗发酵系统相比单阶段过程显示出提高氢气回收率的潜力[9]。这些观察结果表明在实验室规模上技术上是可行的；然而，它们极易受到预处理、反应器配置和操作参数变化的影响[10]。

尽管有这些令人鼓舞的发现，但从水葫芦中生产氢气的总体技术经济可行性、可扩展性和环境可持续性仍不明确。现有文献的大部分集中在单一过程的优化或产量的提高上。相比之下，全面的技术经济分析（TEA）、彻底的生命周期评估（LCA）和系统级整合研究相对较少[11]。此外，大多数关于生物质制氢的综述都集中在农业残余物或藻类生物质上，而对像水葫芦这样的入侵性水生大型植物的系统研究不足，尽管这些植物在许多地方广泛存在且原料成本较低。因此，显然需要一份综合性的评估，将技术性能、经济可行性、环境影响和部署挑战与水葫芦相关联[12,13]。

本综述全面评估了从水葫芦中生产氢气的热化学和生物方法，将其置于生物质增值、技术经济评估和循环生物能源系统的背景下。与以往主要呈现孤立实验室结果的研究不同，本研究整合了来自选定中试实施的数据、新兴的LCA研究和现代TEA框架，以评估技术可行性和环境影响。特别强调了过程描述、水分调节、原料物流以及副产品（包括生物炭和消化物）的处理和利用，这些都是实现整体可持续性的关键因素。

由于水葫芦具有独特的三种特性，使其在技术和系统上都具有独特性，因此值得进行专门的综述。首先，其极高的新鲜水分含量（通常为85%-92%）从根本上改变了其干燥和脱水所需的能量、原料物流和反应器配置，与大多数陆地生物质不同。其次，其显著的入侵性和快速生长速度（大约7-10天即可翻倍）促进了持续、分散且经济上有利的原料供应，不会侵占农业用地或资源。第三，水葫芦与富含废水和营养物质的水生生态系统密切相关，从而促进了通过提取营养物质和重金属同时实现生物质增值和植物修复。这种重要的水分特性、生态挑战和综合能源-环境服务的独特结合，使得有必要专门针对水葫芦制定氢气生产途径，而不仅仅是将其视为水生生物质的一个子集。

水葫芦作为生物质：组成和可用性

Eichhornia crassipes是热带和亚热带生态系统中最具入侵性的水生大型植物之一。它的快速扩张破坏了淡水生物多样性，阻碍了航行和灌溉渠道，并改变了水质；然而，正是这些使其成为问题所在的生物特性也使其成为丰富的、持续再生的木质纤维素资源，可用于生物氢气生产[14,15]。由于其高生产力和高碳水化合物含量

氢气生产方法

有两种主要的技术方法用于从水葫芦中生产氢气：热化学转化和生物发酵。这些方法依赖于根本不同的机制、操作参数和转化剂，将水葫芦的木质纤维素结构转化为富含氢气的气体[54]。选择热化学方法还是生物方法取决于原料准备、所需气体纯度、现有基础设施、能源投入需求等因素

示范项目和相关试点（有限的水葫芦特定公共数据）

尽管针对水葫芦制氢的实验室研究数量不断增加，但将这些科学发现转化为实际应用、评估实际性能、经济可行性和操作可靠性仍然至关重要[84]。因此，试点项目和示范项目在验证反应器设计、原料物流、干燥方法和现场特定条件下的气体处理系统方面发挥着关键作用。

技术经济可行性

从水葫芦中生产氢气的经济可行性是其大规模应用的关键决定因素，特别是在低收入和中等收入地区，这些地区的资本可用性、能源可获取性和基础设施限制显著影响技术的采用。通过水电解生产传统绿色氢气的成本相对较高

环境效益

从水葫芦中生产氢气的系统需要进行生命周期评估，因为上游和下游活动会显著影响整体环境效果。本节的生命周期评估以1千克氢气在200巴压力下输送的功能单位为基础，便于在不同水葫芦生产途径和传统氢气方法之间进行一致比较[132]。系统边界包括通过机械脱水收获水葫芦、干燥（太阳能或

挑战和研究需求

尽管从水葫芦中生产氢子在技术经济和环境方面表现令人鼓舞，但许多相互关联的技术、操作和制度障碍目前阻碍了其广泛应用。这些障碍主要源于水葫芦本身的特性，尤其是其高水分含量和异质组成，以及生物途径中的特定过程复杂性，如抑制剂的形成

结论

本评估严格考察了Eichhornia crassipes作为可持续且经济可行的生物质原料用于生产可再生氢气的潜力。分析表明，当水葫芦被整合到循环生物能源系统中时，它可以同时促进能源生产、入侵物种管理和废水处理。主要结论如下：

• •
  不同研究中报告的水葫芦制氢产量存在显著差异；

CRediT作者贡献声明

Ravikumar Jayabal：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论、概念化。V. Yokesh：撰写 – 审稿与编辑、数据整理、概念化。K.R. Padmavathi：验证、软件应用、概念化。R. Ashok Kumar：可视化、验证、形式分析。Prajith Prabhakar：可视化、验证。

科学写作中生成式AI的声明

作者承认使用了AI辅助工具，特别是ChatGPT（OpenAI），仅用于语言编辑，包括语法校正、清晰度提升和连贯性增强。本文中的所有技术分析、数据选择、解释和结论均由作者独立完成。AI工具的使用仅限于改进文本表达，并符合期刊对透明度和作者伦理实践的要求。