他，井冈山大学首篇Nature之后，再发Nature大子刊综述！

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、井冈山大学罗旭彪教授与澳大利亚阿德莱德大学段晓光副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。

值得一提的是，2025年10月22日，井冈山大学罗旭彪教授联合北京工业大学吴玉锋教授、中国科学院广州能源所袁浩然教授、北京师范大学黄国和教授等多家科研单位合作在顶级学术期刊Nature上发表重要研究成果。历史性突破，井冈山大学首次发表Nature正刊论文。

【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）。

图 2. 针对废水复杂性量身定制的 CRRT 策略

【可扩展催化资源回收反应器的工程化】

面对污染物浓度大幅波动，CRRT系统需按浓度分层定制催化模块。低浓度有机废水推荐多级处理：先通过吸附富集，再经非自由基AOPs催化聚合（图3）。高浓度有机废水可采用催化固定床反应器集成非接触原电池构型。对于成分多变的废水，多技术集成反应器通过模块化系统实现稳定高效资源回收。

图 3. 将不同浓度的有机废水转化为 CRRTs 产物的过程

【催化材料设计策略】

CRRT催化剂设计需超越传统性能指标，聚焦：

界面工程：优化表面性质，促进污染物与活性位点有效作用。

活性位点设计：通过纳米结构材料及单原子催化剂等，调控电子性质，提升选择性与反应动力学。

结构适应性：设计耐波动水质的稳定结构，采用分子印迹、纳米限域工程实现污染物特异性转化。

【大规模生产与实际应用】

高性能催化剂的规模化生产正因精准材料设计与低成本原料使用而变得可行。例如，市政污泥可升级为单原子催化剂；废锂电池浸出液电沉积制备电催化剂。多个中试案例验证了CRRT的实际可行性。

【全组分催化回收策略】

CRRT将污染物分为三类：

直接-CRPs：可通过一步催化过程转化为高值产品（图4a）。

非-CRPs：难以催化转化，可稳定化后用作低影响用途（图4b）。

间接-CRPs：需预处理激活后再进行催化升级（图4c）。

实际工业废水需采用序贯处理框架（图4d），实现多污染物分步回收。

图 4. CRRT 中各种废水的循环路径

【效益分析】

技术效能：CRRT评估需兼顾高转化效率、产物选择性及长期运行稳定性。精准催化剂设计与界面电位匹配对高纯度产物至关重要。

经济可行性：CRRT虽需较高初始投资，但长期可通过降低运营成本、提升原料利用率实现经济性。技术经济对比显示（表1），CRRT在多数案例中实现>99%去除率并回收高值产品，经济效益显著。但部分路径可能因产品市场价值低而经济回报不佳。

环境可持续性：CRRT在能耗、水耗、温室气体排放方面显著优于传统处理。元素流向图展示CRRT对元素循环的贡献（图5）：有机废水污染物可转化为聚合物、化学品等；无机废水成分可转化为燃料、肥料、催化剂等。通过集成可再生能源，CRRT进一步降低环境足迹。

图 5. CRRT 中工业废水的元素循环度

图 6. CRRTs 在废水处理中适用性的决策框架

【总结】

CRRT将工业废水从环境负担转化为资源载体，推动水处理行业向循环经济转型。未来发展方向包括：

从机理认识到材料创新：设计兼具多功能性、耐久性与选择性的下一代催化剂。

集成反应器系统与过程优化：采用先进反应器构型，结合人工智能实现实时优化。

政策与评估框架：通过政府激励、产业链协同提升CRRT竞争力，实施生命周期评估确保可持续性。

决策框架：提出的五步评估框架（图6）支持基于证据的工程决策，推动CRRT标准化与广泛应用。

总体而言，CRRT通过智能系统设计、环保材料与集成工艺，为工业水回用提供可扩展、韧性与循环的解决方案。