阿德莱德大学王少彬团队Nature Water综述: 催化资源回收助力废水产业转型

邃瞳科学云

2025-11-04

导读：本研究系统综述了催化资源回收技术（CRRT），提出了一套实现污染物转化与工业废水智能管理的系统性策略。

工业废水含有多种有机和无机污染物，对传统水处理工艺构成严峻挑战。在全球碳中和目标推动下，废水处理行业作为温室气体排放的重要来源，亟需绿色可持续技术以实现低碳运行。然而，传统处理方法往往导致污染物在液、固、气相之间转移，造成二次污染。尽管持续推动废水回用与减排，但由于高成本及工业废水成分复杂多变，许多行业仍难以实现零液体排放。在此背景下，工业废水成为循环经济框架下资源回收的重要对象。

鉴于此，澳大利亚阿德莱德大学王少彬教授、段晓光副教授联合井冈山大学罗旭彪教授系统综述了催化资源回收技术（CRRT），提出了一套实现污染物转化与工业废水智能管理的系统性策略。文章提出了一种基于直接催化回收、间接催化回收和非催化回收路径的新型污染物分类方法，并评估了扩大化系统中的催化剂与反应器设计。作者全面评估了CRRT在技术效能、经济可行性与环境可持续性方面的优势。总体而言，CRRT展现出强大潜力，推动废水处理从单纯治理转向闭环、资源导向的战略。相关综述以题为“Catalytic resource recovery for transformation of the wastewater industry”发表在最新一期《nature water》上。

【废水回收技术的特点与进展】

传统资源回收技术主要关注污染物去除以产生清洁回用水，包括沉淀、浮选、过滤等物理方法，以及混凝、膜分离、吸附、氧化还原等物理化学过程。然而，这些方法易产生二次废液或固废。第一代回收方法虽致力于减少有害副产物并提升资源回收率，但其处理效率和稳定性在实际复杂水质中常受限。

图 1. 工业废水资源回收催化技术

【高选择性技术面临的挑战与进展】

当前废水处理进入以精细化管理和全面回收为特征的新阶段。然而，在复杂动态水质条件下，确保回收产品的纯度与安全仍是主要挑战，高选择性成为抵抗共存离子、pH波动及复杂基质干扰的关键。

【催化回收技术在废水处理中的应用】

CRRT通过将污染物选择性转化为物化性质迥异、经济价值更高的产物，实现水质净化与资源回收同步。催化还原利用重金属还原电位差异，实现多金属分步回收；催化氧化则将有机污染物选择性转化为小分子高值化学品或聚合物。此外，CRRT系统还可通过利用反应副产物提升能效。针对低电导率有机废水，基于高级氧化过程（AOPs）的非均相催化系统被开发出来，通过形成非自由基表面结合复合物，引发电子转移过程（ETP），实现污染物聚合而非完全矿化。

【工业废水的特性与催化技术定制】

工业废水来源广、成分复杂，且常含商用催化剂、螯合剂等，增加处理难度。其排放呈分级流动结构，污染物浓度因稀释下降，但化学复杂性加剧。传统处理系统多基于浓度阈值设计，难以应对复杂水质。

集成催化资源回收框架通过将污染物视为互连目标，实现选择性、并发和协同转化：

耦合污染物相互作用：废水中金属离子可原位还原为纳米催化剂，促进共存有机物的电化学脱卤或聚合（图2a, 2b）。

调控溶液化学性质：pH等参数可调控反应选择性，如硝酸盐还原为NH₄⁺、N₂或NO₂⁻受pH控制（图2c）。

集成多功能平台：将化学与生物途径结合，催化预处理将难降解有机物解聚为可生物降解中间体（图2e）。