创新的集成催化系统用于强化水处理：迈向更安全的饮用水未来

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Innovative integrated catalytic system for enhanced water treatment: towards a safer future for drinking water

本研究开发新型催化集成系统用于饮用水处理，有效降解有机污染物并转化溴酸盐、硝酸盐。催化臭氧化短暂升高溴酸盐浓度（超10μg/L），后续催化还原降至合规（约4μg/L）。系统在多种催化剂组合下表现稳健，钠藻酸盐基催化剂可持续高效，实际水质中效率损失由副产物吸附引起。该系统为同步去除有机无机污染物提供了创新解决方案。

　　

A. 索菲亚·G.G. 桑托斯 | 安娜·M. 戈里托 | 安娜·R.L. 里贝罗 | 卡拉·A. 奥尔热 | 费尔南多·R. 佩雷拉 | 奥尔索梅·G.P. 索亚雷斯

LSRE-LCM, ALiCE, 波尔图大学工程学院, 罗伯托·弗里亚斯博士街4200-465号, 波尔图, 葡萄牙

摘要

本文测试了一种新型集成催化系统，该系统用于饮用水处理厂（DWTP）。该系统能够有效降解有机污染物，并转化有害的无机物质（如溴酸盐和硝酸盐），为传统处理工艺提供了一种创新且有效的替代方案。催化臭氧化成功降解了地表水中的有机化合物，尽管暂时使溴酸盐浓度超过了建议的法律限值（10 μg/L）。然而，随后的催化还原阶段将溴酸盐转化为溴化物，使其浓度恢复到监管建议的范围内（约4 μg/L）。该处理系统在多种催化剂组合下表现出良好的性能（WCP_550 或 WCP_SA_550 + O₃ | WCP(CNT:TiO₂)_550_Pd_200_Cu 或 WCP(CNT:TiO₂)_SA_550_Pd_200_Cu）或 CVD_Pd_200_Cu + (H₂+CO₂），其中基于海藻酸钠的催化剂被证明是一种可持续且高效的水处理替代方案，同时不会影响催化效果。在实际水样中，效率略有下降，这归因于副产物在催化剂表面的竞争性吸附。这种集成系统成为首批同时去除饮用水中有机和无机污染物的综合解决方案之一。

引言

由于城市化、工业化、气候变化和人口增长，淡水资源的缺乏或质量不佳仍然是一个日益严重的问题[1]、[2]。

污水处理厂（WWTP）旨在有效去除固体、溶解有机物和营养物质，但某些特定类别的污染物（有机和新兴无机污染物）并未在这些处理系统中得到充分处理[3]。由于传统污水处理系统在这些化合物的去除方面效率低下，它们最终会被排放到水环境中，如河流。因此，这些受污染的水将流入负责提供饮用水的处理系统（饮用水处理厂）。这些系统必须应对这些可能具有毒性的物质的处理挑战。

近年来，地表水和污水处理厂中检测到的污染物种类和数量显著增加，这主要得益于分析技术的进步，其中包括农药、抗生素、化肥和消毒副产物（DBPs）等多种污染物[4]、[5]、[6]、[7]。大多数污染物的浓度较低（通常为 ng/L 或 μg/L），但由于多种化合物的残留存在，其潜在毒性值得关注[8]。

近年来，许多研究致力于克服传统水处理系统在去除/降解/转化这些化合物方面的不足。物理、化学和生物方法被用于控制水污染；其中一些最受欢迎的方法包括分解、过滤、离子交换、膜过滤等[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。然而，由于环境基质的复杂性（由于持久性污染物的增加），水处理系统中采用的机制被证明效率不足。因此，为了满足对清洁安全饮用水的日益增长的需求，人们研究并开发了新的方法。过程强化方法已成为确保水质符合人类饮用标准的重要手段。促进不同处理技术之间的协同作用旨在提高处理效率，特别是在降解更具抗性的化合物方面显示出特别有希望的结果[15]、[16]、[17]。

近年来，许多研究集中在整合不同技术上，这些技术已被广泛研究并应用于水处理，以获得更理想的结果[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。然而，这些研究主要集中在有机污染物的去除上，而关于不同类别污染物去除的研究相对较少（这是衡量水处理系统效率的关键点）。

吸附过程（涉及膜和离子交换反应器）仍然是处理受多种污染物污染的复杂水体的最常用和最有效的方法之一[24]、[25]。将这些过程与降解程序（如催化过程）相结合，引起了广泛关注，被认为是防止膜污染和实现多种污染物“彻底”降解的有效途径。然而，基于膜的系统仍然成本高昂，主要侧重于捕获污染物，其在降解或转化方面的选择有限，需要大量的再生和恢复程序以避免效率下降[18]、[26]、[27]、[28]。

在本研究中，探讨了一种基于异相催化过程的新型集成催化处理系统，旨在作为水处理系统的补充，以提高有机和无机化合物的去除/转化效率。所提出的系统结合了催化臭氧化步骤（用于降解有机微污染物）和催化还原步骤（用于转化无机污染物）。在催化臭氧化过程中，臭氧在催化剂表面被激活，生成活性氧物种，促进有机化合物的非选择性氧化和矿化。在后续处理阶段，应用催化氢化作用，在氢气（H₂）存在下将无机物质（硝酸盐 NO₃^? 和溴酸盐 BrO₃^?）转化为危害较小的产物。作为本研究的一部分，在处理设施中使用地表水样进行了催化测试，以评估将该系统纳入饮用水处理过程的可行性。测试了不同的大结构催化剂组合，以实现最大的有机/无机物质降解/转化效果。此外，本研究特别关注通过更可持续的方法合成催化剂的应用，同时不牺牲其去除/转化污染物的效率。

这是首次在实际水处理系统应用背景下研究这种创新系统。

部分摘录

大结构催化剂的合成

使用康宁公司生产的科迪埃莱特蜂窝状单体（直径1厘米，长度6厘米，每平方英寸100个通道）作为宏观框架，合成了合适的大结构催化剂。大结构催化剂的合成采用了三种不同的方法：使用两种不同表面活性剂（Triton X-100作为传统分散剂，海藻酸钠作为更环保的碳纳米管（CNT）分散剂）的替代品）的洗涤涂层法，以及直接

连续催化实验

合成的大结构催化剂被用作新型集成处理系统的主要臭氧化和氢化催化剂。

通过UHPLC-MS/MS（评估34种高环境关注目标物质）评估了收集的水样以及集成系统处理后所得溶液中的多种有机微污染物。还对初始实际水样进行了溶解有机碳分析

结论

测试了一种新型集成催化系统，用于处理从污水处理厂入口附近河流收集的地表水。对该水的初步分析显示存在多种有机污染物，这些污染物被开发的集成催化系统有效降解，克服了传统水处理方法的局限性。这突显了其作为改善人类饮用水质量的强大技术的潜力。

CRediT作者贡献声明

费尔南多·R. 佩雷拉：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。奥尔索梅·G. P. 索亚雷斯：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。里贝罗·安娜·R. L.：撰写 – 审稿与编辑，研究。卡拉·A. 奥尔热：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。索菲亚·G. G. 桑托斯：撰写 – 审稿与编辑，原始草稿撰写，方法学研究，研究，概念构思。安娜·M. 戈里托：撰写 –

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：安娜·索菲亚·桑托斯、卡拉·奥尔热、曼努埃尔·费尔南多·佩雷拉、奥利维亚·索尔梅·索亚雷斯拥有以下专利：用于水或废水处理的氧化-还原系统（用于去除有机和无机污染物）、水或废水处理的工艺、用于异相催化臭氧化和/或异相催化还原的催化剂，以及相关方法

致谢

本工作得到了葡萄牙科学技术基金会（Funda??o para a Ciência e a Tecnologia, I.P. /MCTES）通过国家基金的支持：LSRE-LCM（UID/50020/2025）和 ALiCE（LA/P/0045/2020）（DOI: 10.54499/LA/P/0045/2020）。A.R.L.R. 获得了FCT在Individual Call 2022.00184.CEECIND/CP1733/CT0001（DOI: 10.54499/2022.00184.CEECIND/CP1733/CT0001）下的资助。A.S.G.G.S. 获得了FCT在UI/BD/151093/2021（https://doi.org/10.54499/UI/BD/151093/2021）下的资助。