《RSC Advances》：Clean hydrogen from water: emerging technologies for a sustainable energy future
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氢能被广泛认为是向清洁能源系统转型的关键组成部分，其具有高能量密度且在终端使用时不产生碳排放。尽管潜力巨大，当前大部分氢气仍依赖化石基工艺生产。以碱性水电解(AWE)、质子交换膜(PEM)电解和阴离子交换膜(AEM)电解为代表的水电解低碳制氢路径正日益受到关注
氢能被广泛认为是向清洁能源系统转型的关键组成部分，其具有高能量密度且在终端使用时不产生碳排放。尽管潜力巨大，当前大部分氢气仍依赖化石基工艺生产。以碱性水电解(AWE)、质子交换膜(PEM)电解和阴离子交换膜(AEM)电解为代表的水电解低碳制氢路径正日益受到关注，但其大规模部署主要受限于电力需求、系统效率和进水水质要求，而非整体耗水量本身。即便在PEM电解系统中，为避免膜降解和催化剂中毒，通常也需要高纯度淡水作为原料。虽然电解过程的绝对耗水量相对于许多工业过程较低，但研究焦点正逐渐转向利用替代水源以提升资源循环性，并减少对高纯度淡水的依赖，特别是在缺水地区。全水制氢(All Water to Hydrogen)理念旨在将水处理与制氢相结合，使各类水体均可成为清洁能源原料，这不仅能缓解淡水资源压力，还能促进废水在循环经济框架下的利用。目前，淡水、海水、废水和灰水均被纳入制氢原料的考察范围。本综述深入探讨了水与制氢之间的关联，强调必须向不依赖淡水的系统转变，重点关注利用率较低且更易获取的水资源。综述进一步指出，电解技术的主要技术经济挑战在于水分解所需的高电能消耗，而水质主要影响电解槽的耐久性和长期运行稳定性。研究表明，借助适宜的预处理技术、耐腐蚀长效材料及优化的电化学技术，各类水源均可成功用于制氢。利用盐水和废水制氢也是同时解决能源与水危机的可行路径。本文整合了支撑全水制氢理念的最新进展与技术，其独特贡献在于将多种水源（特别是废水系统）置于统一框架下进行分析，涵盖其处理需求、性能效率及放大因素。该综述通过将制氢与可持续水管理相衔接，为实现这一概念的实际应用提供了清晰的路径。
1 引言
1.1 全球氢能经济与清洁能源转型
氢能已成为构建清洁、低碳及韧性能源系统的支柱。可再生能源技术的快速发展提升了利用可再生及替代资源制氢的可行性，同时也推动了储运及终端利用技术的进步。作为一种高能量密度的灵活能源载体，氢能在终端使用时不产生碳排放，具有实现难减排部门（包括交通、发电、炼油和钢铁化工等重工业）深度脱碳的巨大潜力。近年来，低成本、可规模化制氢路径的开发成为焦点，包括利用可再生电力进行水电解、生物质转化及废物制氢等。这些方法不仅降低了对化石燃料的依赖，还促进了能源多元化与安全。此外，压缩气体、液氢及固态载体等储氢技术的发展正在解决氢气体积能量密度低及操作困难的难题。燃料电池及氢基能源系统在固定式和移动式能源应用中的范围也在不断扩大。
尽管前景广阔，氢能的大规模推广仍面临严峻挑战，包括高昂的生产成本、基础设施不足、转化过程中的能量损失以及安全问题。这需要巨额投资、支持性的政策框架及标准法规来加速商业化部署。此外，提升氢能系统的整体效率和全生命周期可持续性也是重要的研究目标。与此同时，将氢技术与可再生能源系统结合带来了变革性机遇。通过电转气(Power-to-Gas)技术，过剩的可再生能源可通过电解转化为氢能，从而实现电网平衡和长期储能。利用废水、农业废弃物和餐厨垃圾等废弃物料制氢也有助于资源回收并减少环境污染。这些综合策略契合循环经济原则，减少了废弃物，提高了资源利用率，并将闲置资源转化为高附加值产品。未来，氢能经济将在实现全球气候目标和可持续发展目标中发挥重要作用。持续的创新、跨学科合作与投资对于突破现有壁垒、充分释放氢能作为清洁可持续能源解决方案的潜力至关重要。
氢能作为一种多用途、低排放的能源载体，有望支撑多领域的广泛应用。在电力行业，氢能可通过燃料电池高效发电，也可与天然气掺混燃烧以减少排放，或直接在内燃机及燃气轮机中燃烧，实现近零或零碳发电。由于具备提供可调度的能力，氢能还有助于在高比例可再生能源接入时稳定电网。在交通运输业，氢燃料电池汽车(FCVs)相比纯电动汽车(BEVs)具有续航里程长、加注速度快的优势，使其成为重载长途运输（如货运卡车、公共汽车、火车及海运）的可行选择。此外，氨和合成烃类等氢基燃料正成为航空和航运业难以直接电气化的潜在解决方案。除了作为能源和动力来源，氢在工业运营中也是重要的原料。它已广泛应用于石油精炼、氨和甲醇生产，其在基于直接还原铁(DRI)工艺的低碳钢铁生产及其他难减排工业中的应用也在扩大。在这些行业中用绿氢替代化石基氢气可大幅削减全球碳排放。
氢能同样在住宅和商业供暖领域具有良好的应用前景，无论是与天然气混合使用，还是应用于耐氢锅炉或基于燃料电池的热电联产(CHP)系统。这一转变将有助于减少建筑排放，而建筑能耗在全球能源使用中占很大比例。强有力的政策框架、全球伙伴关系及大规模投资是推动全球向氢能经济转型的动力。已有40多个国家发布了国家氢能计划，资助研究、试点项目及基础设施建设，包括氢气管网、储存设施和加氢站。跨境氢能贸易和公私合营也在兴起，特别是在那些瞄准成为绿氢主要出口区的地区。氢能的一个关键优势在于其储能能力和部门耦合特性。通过电解，它能够将太阳能、风能等间歇性可再生能源产生的过剩电力转化为化学能进行储存、运输，并最终转化为电力或燃料。这一潜力增强了电网灵活性，减少了可再生能源弃电，并提升了能源系统的韧性。然而，要实现氢能的全部潜力仍需克服诸多障碍，包括生产成本高、转化过程中的能量损耗、基础设施限制以及储存和运输的安全问题。其中最关键的是传统电解依赖高纯度淡水，这在缺水地区构成了严重的可持续性问题。为解决这一弱点，越来越多的努力聚焦于利用海水、废水和灰水等替代水源。直接海水电解和先进预处理系统等新兴技术旨在降低淡水需求，同时不影响系统效率和寿命。此外，将制氢与污水处理厂结合可产生能源生产和资源再利用的双重效益，符合循环经济原则。尽管替代水资源为可持续资源回收和循环水管理提供了机遇，但它们不应被视为制氢系统的主要限制因素。目前，电解制氢的主要瓶颈并非水资源的可得性，而是水分解过程伴随的高能耗。电解过程中水分子的分解需要大量的电力输入，这显著增加了运营成本并限制了大规模商业实施。因此，传统电解长期以来仅限于对高纯度氢气有严格需求的特定领域，如核工业和航空航天工业。为应对这一挑战，大量研究集中于通过先进的电催化剂、优化的电解槽构型以及高温电解系统来提高制氢技术的能效，从而降低水分解的热力学能耗。预计这些发展将提升绿氢生产的经济可行性和可持续性，特别是当其与可再生能源结合时。未来，随着电解器技术、可再生能源集成、催化剂开发及系统优化的进一步演进，成本有望下降，效率将得到提升。这些创新，加上有利的政策和全球协作，将使氢能成为可持续、低碳能源未来的基石。
1.2 水-氢关系与替代水源的需求
水与能源系统具有内在联系，缺一不可。水对于能源生产（如热电厂冷却、水力发电和燃料生产）至关重要，而能源对于水的抽取、淡化、处理和分配同样不可或缺。这种相互依赖性被称为水-能纽带(Water-Energy Nexus)，要求对两者进行协调和统筹管理。水、能源与环境可持续性构成了一个紧密交织的系统，支撑着经济增长、生态系统稳定和人类福祉。
两部门间的强关联性意味着一个部门的低效或中断会直接影响另一个部门。例如，高能耗的水处理过程会显著增加运营成本和碳排放，而水资源短缺则会限制能源生产（特别是依赖水的火电和水电技术）。因此，水和废水基础设施的设计与运营应充分考虑能源效率，利用能量回收系统、智能监控和分散式处理等先进技术。同样，能源规划也应考虑水的可用性、水质以及与农业、工业和生活用水的竞争性需求。可再生能源的日益普及为该纽带带来了机遇与挑战。太阳能或风能等技术通常比传统能源耗水更少，为减轻水资源压力提供了途径。然而，水电解等新兴制氢技术需要可靠的水质和适当的资源管理，这激发了对海水和处理过的废水等替代水源的兴趣，以支持长期的可持续部署。虽然电解需要水作为原料，但电解的耗水量相对较低，约为每生产1立方米氢气消耗0.8立方分米水，因此全球需水量并不被认为是制约氢能规模化的主要因素。然而，对于质子交换膜(PEM)电解槽而言，水质尤为重要，需要高纯度进水以防止膜降解、催化剂中毒并维持导电性。碱性电解槽对杂质的耐受性相对较高，但仍需预处理以确保长期运行稳定性。在实际系统中，主要的挑战不在于水量本身，而在于水分解所需的高电能需求以及维持适宜水质以保证电解槽耐久运行。
由于人口增长、气候变化、城市化和工业扩张，水资源管理的重要性日益凸显。这些压力凸显了在水-能一体化系统中改进水回用、处理效率和资源回收的必要性。在制氢背景下，探索海水和处理过的废水等替代水源，主要是为了支持资源循环利用，并在缺水地区减少对高纯度淡水的依赖。然而，水电解的主要挑战仍是水分解的高电能需求，而水质主要影响电解槽的耐久性、膜稳定性和长期运行效率。
目前，全球超过40%的人口面临与水相关的挑战，超过7亿人无法获得满足日常需求的可靠或安全的饮用水。如图2所示，来自家庭、工业和农业部门的大量废水未经处理直接排入自然水体，污染了生态系统并威胁人类健康。气候变化导致的极端天气模式（降水季节性波动、长期干旱及其他严重天气事件）正在破坏传统供水系统并影响全球粮食供应。过度开采地下水进一步加剧了这些问题，导致地下水位下降和地下水水质恶化。
技术进步在解决这些问题中的作用愈发重要。膜技术、正渗透（节能渗透过程）以及“混合”淡化工艺将提高水处理过程的效率和经济性。新型分散式废水处理和回用系统正作为可持续解决方案得到推广，特别是在城市和工业区。废水现在被视为一种资产而非负担，可用于灌溉、工业，甚至经处理后作为饮用水。采用水资源综合管理(IWRM)方法对于协调水、土地及相关资源的开发与管理至关重要。制定政策框架和治理结构并让当地社区参与进来，对于确保公平分配水和保障水资源的长期可持续性至关重要。提高公众意识，包括改变个人行为模式、采取节水措施（如雨水收集、智能灌溉系统、水回用）可以大大减少总用水量。总体而言，解决全球水资源短缺问题需要一个集成的多维方法，包括技术进步、政策干预、环境保护和社会责任。采纳水经济循环原则并为水处理与回用创新创造激励，有助于我们实现更安全、更可持续、更具韧性的水未来。
可再生能源技术正在全球范围内迅速扩张，与此同时，水资源可用性却在显著下降，这再次凸显了对适宜水质和高效系统集成以满足绿氢生产的需求。这增加了人们对开发集成水资源管理和节能处理策略的兴趣，这些策略能够在最小化额外处理成本的同时维持电解槽的耐久性。氢被认为是一种非常清洁的多功能能源载体，在实现向低碳能源系统转型中发挥着重要作用。换句话说，氢在燃烧时仅产生水，不排放温室气体或有害污染物。这使其成为化石燃料的首选替代品。大规模制氢的一个重要考量因素是维持适宜的水质以保障电解槽的稳定性和膜耐久性，特别是在基于PEM的系统中。实际上，只有特定的电解技术，尤其是质子交换膜(PEM)电解槽，才需要高度提纯的水以避免膜降解、催化剂中毒和电导率损失。碱性和高温固体氧化物电解系统通常对水质变化的耐受性更强，从而降低了对超纯进水的依赖。由于许多淡水水源已因过度使用或污染而承受压力，它们无法满足氢能发展中日益增长的用水需求。虽然电解的需水量相对较少，但与某些电解技术相关的纯化要求可能会增加系统复杂性和运营成本。目前，许多替代水源正被研究作为淡水的潜在替代品；这些水源不会减少饮用水或农业用水的供应量。覆盖地球表面约71%的海水储量丰富，本质上是取之不尽的资源。海水电解代表了一种在不耗尽地下水供应的前提下生产氢气的可行手段，同时也允许更大规模的分散式制氢。对于沿海国家而言，这种制氢方式将允许结合海洋水和可再生能源来生产氢气。因此，探索替代水源的动机不仅仅源于绝对的水资源短缺，还源于改善资源循环性、减少与饮用水供应的竞争，以及将制氢与废水处理和工业水回用系统相结合的更广泛目标。
然而，直接利用海水进行水电解也存在技术障碍。从热力学角度来看，直接海水电解的主要挑战之一是析氧反应(OER)与析氯反应(CIER)之间的竞争。在盐水中，氯离子可能在酸性或强氧化性环境下被氧化成氯物种。因此，开发能够优先促进OER同时抑制析氯反应的高选择性电催化剂对于实现高效耐用的海水电解系统至关重要。溶液中的溶解盐（特别是氯离子）可能导致副反应，如在产氢过程中产生氯气。反过来，这些副反应会降低产氢效率，并损坏电极及整个电解系统的组件。电极会降解、膜会污染、结垢等，所有这些问题都必须得到解决以实现系统的长期连续运行。因此，人们投入了大量精力研究先进的催化剂、耐腐蚀材料和选择性膜，以提高性能，同时最大限度地减少或消除竞争反应。新的系统设计理念也被探讨，以提高利用海水作为替代水源进行电解的可行性。例如，结合了淡化和电解过程的混合系统、利用纯化中间流进行间接海水裂解的专用电解槽，以及专为高盐条件设计的电解槽。最近完成的研究中开发的纳米材料和表面工程技术似乎具有提高析氧反应相对于析氯反应选择性的潜力，从而提高了整个电解系统的有效性。最近的催化剂研究不仅关注提高析氢活性，还关注降低极化电阻、抑制寄生反应，以及用地球储量丰富的替代品（如NiFe层状双氢氧化物、Mo基催化剂、过渡金属磷化物、硫化物和CeO2改性材料）替代昂贵的贵金属。这些发展旨在现实运行条件下提高长期稳定性、降低能耗并增强可扩展性。
将海水电解与可再生能源相结合，增加了海水电解作为当今众多能源和环境挑战可持续解决方案的前景。海上风电场和漂浮式太阳能系统可以提供电解所需的电力，无需昂贵的基础设施即可在现场岛屿或海洋上进行。这为储能解决方案、电网稳定性以及绿色燃料（如氨和甲醇）的生产提供了机会。通过海水电解生产的氢气有助于难以减排的部门（航运、航空和重工业）脱碳。除了带来经济和环境影响外，利用海水生产的氢气还可以减轻淡水生态系统的压力，并促进循环的、资源高效的能源系统。此外，海水制氢有助于实现全球可持续发展议程，提供清洁能源获取途径、降低碳排放并发展沿海和岛屿经济。总之，尽管海水电解仍存在一些技术和经济挑战，但它有望成为未来制氢的重要组成部分。材料科学、系统工程和可再生能源集成的持续进步对于充分释放其潜力至关重要。通过将丰富的自然资源转化为清洁能源载体，海水电解可能支撑起一个安全、可持续的全球能源未来。
本综述特别强调能源效率、催化剂耐久性、进水水质和系统级集成之间的关系，因为这些因素共同决定了可持续制氢技术的实际可行性。本综述分为四个主要主题：（i）制氢路径，（ii）废水制氢系统，（iii）预处理与材料限制，以及（iv）放大挑战与技术经济考量。
2 制氢用水源
表1列出了用于生产氢气的几种水源及其具体特征：淡水、海水、工业废水和灰水都具有不同的化学成分。这些水源在盐度、有机物含量、溶解离子、悬浮固体以及可能存在的金属或化学品有害废物方面差异显著。因此，为促进电解或制氢而进行的处理或预处理也会因这些水源的类型和强度而异。例如，基于膜的电解系统通常需要高纯度水，因为离子污染物会加速膜降解、催化剂中毒和结垢。因此，水质管理与系统耐久性和运行稳定性密切相关，而非绝对的供水可用性。然而，海水中的高浓度盐（主要是氯化物）会带来腐蚀和电解电极上发生不良副反应的潜在风险，因此需要淡化或其他先进的净化方法。工业废水的处理需要多种不同类型的处理，例如过滤、有机/无机污染物/油/有毒物质的化学或生物处理。即使灰水不像工业废水那样受污染，它仍然含有肥皂/洗涤剂/残留有机物，必须经过处理才能保证高效稳定的制氢。水源类型及其质量的差异直接影响水处理技术的选择、运营成本和系统设计规格。在尝试优化资源利用并建立利用非传统/多样化水源的可持续制氢时，了解这些差异至关重要。
大部分地球表面被海洋覆盖，约占地球表面积的71%；陆地仅占约29%。然而，地球上可供人类或工业使用的淡水量有限，淡水仅占全球总供水量的约3%（或地球总量的约1/20）。在地球的淡水总量中，任何时候只有不到0.06%可供人类获取。地球上的大部分淡水要么储存在两极的冰川、冰盖中，要么位于地下的深层含水层中。全球淡水资源的分布不平衡正在加剧对已获取淡水资源的压力。因此，有效管理和利用现有的淡水供应对于人类的持续生存和生态平衡的维持至关重要。地表水体（如湖泊和河流）是全球水文循环的重要组成部分，同时也为农业、工业和家庭等多种用途提供水源。湖泊是重要的地表淡水水库，约占所有可用地表淡水的87%，只有约2%存在于河流中；尽管如此，湖泊是相对静止的水体，而河流则提供了在陆地上长距离输水的动态通道。因此，河流是灌溉系统、市政供水系统和生态系统特别重要的组成部分，因为它们不断地向这些系统供水。此外，河流支持生物多样性，帮助调节局部气候，并在环境中循环养分，从而贡献其整体的生态重要性。
对于氢电解而言，进水质量是一个重要的操作参数，因为溶解盐、有机化合物和悬浮固体会降低膜寿命、毒害催化剂并增加电解槽内的结垢。因此，特别是对于PEM系统，通常需要在电解前进行过滤、离子交换、软化和反渗透等预处理过程。因此，进水水质强烈影响系统效率、运行稳定性和电极耐久性。在这方面，表2总结了与不同电解技术和电极材料兼容的物理、化学和生物预处理方法。这些过程去除了包括盐、有机物质和悬浮固体在内的杂质，从而提高了电解性能并延长了系统寿命。然而，在评估利用海水、废水和微咸水等替代水源制氢的整体可持续性和经济可行性时，还必须考虑与水净化相关的额外能耗和运营成本。
海洋包含了地球约97%的总水量。然而，由于海洋中氯化钠(NaCl)浓度相对较高（35 g L-1），海洋水不能直接用作饮用水或许多工业用途。考虑到全球淡水供应因人口增长、城市化和气候变化而承受的压力，许多沿海和干旱地区除了海水外几乎没有淡水供应选择，海洋水因此有望成为一种丰富可靠的替代淡水来源。在可持续制氢的背景下，获取高纯度水和适当的处理基础设施成为一个重要的操作考量。为了使海水成为电解等工艺可接受的水源，必须进行淡化或预处理。传统的海水淡化工艺如反渗透或热蒸馏是最常见的去除海水中盐分和其他杂质的方法。与传统的电解制氢方法相比，目前的淡化方法运行能耗高，导致制氢总成本上升。此外，排放含有海水残留化学品的高浓度卤水会带来严重的环境风险，如破坏海洋生态系统和提高沿海水域盐度。因此，虽然海水通常被认为是制氢的良好水源，但研究人员也探索了其他可能降低加工成本的方法。这些方法包括利用电解直接将海水转化为氢气。由于存在几个与使用海水相关的技术问题，该工艺尚未被广泛使用：电极腐蚀、竞争副反应（如产生氯气）以及氯离子和其他杂质导致的膜破裂。为了克服这些问题，研究人员开发了先进的预处理技术（如过滤、离子交换、化学添加剂、生物处理）以提高电解前的水质。
此外，设计新型催化剂和新型电极材料是提高海水电解系统效率和寿命的关键因素。耐腐蚀材料、选择性催化剂和保护涂层的发展正在被评估其适用性，以降低不必要的反应速率并增加系统寿命。有机会提供将太阳能和风能等可再生能源与海水淡化和电解相结合的集成系统，以减少制氢相关的碳足迹并提供更可持续的制氢工艺。表3总结了不同类型的预处理方法、电解方法和电极材料，包括各自的优点、缺点以及对海水制氢的适用性。总体而言，尽管仍面临众多挑战，但这些进展表明，如果有正确的技术和负责任的环境管理支持，海水将成为大规模可持续生产氢气的强有力候选资源。
在许多经济部门，包括制造业、热能/可再生能源生产、农业、采矿业和油气行业，水都是工业运营的关键资源。因此，可持续用水已成为公司寻求平衡生产力与环境承诺及长期可持续发展的基本目标。遵守法规的压力日益增大、对淡水可用性的担忧以及降低成本的需求，正促使许多公司实施更先进的水管理和回收方法。工业废水的处理和处置是企业面临的一项特别紧迫的挑战；因此，他们越来越多地采用集成方法，利用物理/化学/生物废水处理工艺（通常采用混合配置）来提高整体工艺效率。工业废水由多种成分组成，其数量和质量的变异性很大，这取决于多个来源和各种工况。这种变异性使得工业废水处理变得困难——工业废水的常见特征包括：高总溶解固体(TDS)浓度；不断升高的化学需氧量(COD)水平；高氯离子浓度；有毒重金属，如Pb、Cd、Cr和Ni；大量石油烃、油脂；悬浮固体；以及各种难降解有机化学品。在某些行业，如石化和纺织业，染料、碳氢化合物和持久性有机污染物的存在增加了这些处理过程的复杂性，使得需要定制化处理策略，而不是应用通用的“一刀切”策略，如表4所总结。
与电解制氢相关的水污染物带来了一系列技术挑战。金属离子可以吸附在催化剂表面，导致活性降低和催化剂寿命缩短。高浓度的氯化物会促进氯气生成的竞争反应，并可能导致电极和其他电解系统组件的腐蚀速率加快。有机物杂质和高COD浓度（即>1000 mg COD每升）会导致膜污染、降低离子电导率并阻碍传质，从而降低电解系统效率，同时增加维护需求。此外，结垢和盐沉淀会对电解槽的长期性能产生不利影响。为了缓解这类问题，先进的预处理技术正日益普及。目前正在研究的预处理技术包括基于膜的工艺（如超滤、纳滤和反渗透）、高级氧化工艺(AOP)、电凝以及用于吸附的各种新型材料（如活性炭、生物炭、纳米材料）。有前景的废水处理方法将利用各种废水处理技术的混合工艺，去除废水中的有机和无机污染物，使处理后的废水可用作制氢的原料。此外，从可持续性的角度来看，利用工业废水作为制氢原料具有许多有益方面，包括通过同时处理废水和生产氢气来支持循环资源利用，同时可能减少对高纯度淡水原料的需求；以及减少通常作为废水排放副产物产生的环境污染。此外，将废水处理与制氢相结合将提高资源效率，降低生产成本，并有助于许多不同行业的脱碳。由于利用废物作为可行的能源并促进清洁能源生成的双重好处，工业废水增值利用的实施已成为支持可持续制氢系统发展的重要途径。然而，废水净化的能源和经济成本必须与替代原料的操作收益仔细权衡，因为高度污染的物流在电解前可能需要广泛的预处理。
灰水回用提供了一种有用的方法（也是一种日益增长的趋势），以减少对淡水的需求。灰水是指来自所有家庭来源的水，如洗澡和洗手、洗衣和厨房用水。灰水不包括来自厕所的废水（黑水）。灰水约占家庭废水总量的50-75%，因此回收和回用灰水有助于提高分散式水管理系统中的水资源效率。灰水流含有许多不同的化学物质（例如脂肪、油和油脂、溶解固体、有机物以及个人护理和清洁产品，如肥皂、洗发水、洗涤剂和牙膏），并且具有微量水平的许多新兴微污染物（例如药品和个人护理产品），如果处理不当，可能对环境或健康构成风险。由于每个家庭内部的不同活动和产品使用情况，灰水的理化性质在各家庭之间可能有很大差异。总溶解固体(TDS)通常在300 mg L-1至1500 mg L-1之间，而化学需氧量(COD)可低至58 mg L-1，高达2497 mg L-1，生化需氧量(BOD)可从100 mg L-1变化到1850 mg L-1。由于氯化物浓度高于平均水平（30-400 mg L-1），电化学过程可能会促进析氯反应(CIER)以及电化学析氧反应(OER)。此外，通常来自管道系统和清洁产品的微量金属（如Fe、Zn、Cu和Pb）会在催化剂（可能是催化表面）上积累，导致污染、催化剂失活和电化学性能变化。此外，悬浮固体和胶体物质会增加系统电阻，降低系统电导率，并导致过滤膜污染。
除了这些特性外，灰水回收也带来了许多挑战和机遇。灰水可以经过回收并用于非饮用用途。经过适当处理，灰水可用于景观灌溉、冲厕、冷却系统以及许多工业和电化学应用的原料，包括制氢。为了安全使用灰水，必须进行适当的处理以降低有机负荷、病原体和微污染物，从而提供安全性和可靠性。常见的灰水处理技术包括化学处理（筛分、沉淀、过滤）、生物过程（好氧和厌氧处理系统、人工湿地）以及膜过滤、吸附和高级氧化工艺等先进技术。灰水回收的主要挑战在于灰水成分的天然高度变异性，这使回收过程的设计和操作复杂化。表面活性剂和有机物可能导致泡沫，从而阻止生物系统中的氧气传递，而结垢和污染可能发生在电化学和膜基系统中。此外，由于氯离子的存在，在处理过程中可能会形成消毒副产物，因此需要仔细监测和管理这些现象。必须有有效的预处理方法和量身定制的处理策略来提高系统的效率和寿命。就可持续性而言，分散式灰水处理与回用系统正引起人们的兴趣，因为它们可以减轻集中式废水基础设施的负荷，减少抽取的淡水量，并减少输水所需的能源。如果管理得当，灰水回用对于建立可持续的循环水管理系统至关重要，从而提高水安全性，减少环境影响，并增强城乡地区的韧性。
表5全面概述了灰水的差异性及其对制氢的影响。它特别讨论了需要进行充分的预处理以去除污染物，如有机物、表面活性剂、油、悬浮固体和溶解盐，这些污染物会对电解
