综述：重新审视钢渣作为改性催化剂在高级氧化过程中的应用——用于降解水中的新兴污染物：综述

《Environmental Research》：Revisiting Steel Slag as a Modified Catalyst in Advanced Oxidation Processes for the Degradation of Emerging Pollutants in Water: A Review

钢渣改性作为高级氧化工艺处理新兴污染物的潜力与挑战，系统综述了钢渣的化学组成、改性方法及其催化性能提升机制，分析了pH、温度、催化剂用量等关键因素对降解效率的影响，并探讨了金属浸出风险与稳定性问题，提出未来需加强绿色改性技术开发和生命周期评估。

　　

李天意|梁志远|赵颖|杨天奇|季洪兵|李子夫

北京科技大学能源与环境工程学院，中国北京市海淀区学院路30号，邮编100083

摘要

随着钢铁工业的快速发展，钢渣（SS）的产量持续增加，这对其资源化利用带来了重大挑战。同时，传统的水处理技术难以从水体中去除新兴污染物（EPs）。利用改性钢渣作为高级氧化过程（AOPs）中的催化剂来处理废水中的EPs具有协同增效的潜力。然而，目前在这一领域还缺乏系统的综述。本文系统地回顾了钢渣的组成、性质和催化潜力，详细研究了将其作为催化剂使用的改性方法及其对催化性能的影响。文章重点阐明了典型EPs的降解效应和机制，揭示了涉及自由基和非自由基机制的协同降解途径。研究总结了pH值、温度和催化剂用量等关键因素的影响，同时也探讨了催化剂稳定性和金属浸出风险的相关问题。未来的研究应致力于开发绿色改性方法，推进大规模制备技术，并进行生命周期评估（LCA）。这些探索将为钢渣的资源化利用和EPs的管理提供重要见解。

引言

化学品的广泛使用导致水生环境中频繁检测到新兴污染物（EPs），引起了全球的关注[1]、[2]。EPs是指最近在环境中被发现但缺乏足够信息来评估其潜在环境或公共卫生风险的化学物质，无论是合成的还是天然存在的[3]。这些污染物包括多种物质，如药品、个人护理产品、全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）、内分泌干扰物、微塑料、溴化阻燃剂、工程纳米材料和农药[1]、[4]、[5]、[6]。EPs通过各种途径进入水生环境，其浓度范围通常从几纳克/升到数百微克/升不等。这样的浓度可能对水生生态系统构成生态风险[7]、[8]、[9]。由于其高生物毒性和低生物降解性，EPs对生态环境和人类健康构成了直接和潜在的威胁[10]。此外，由EPs引起的水污染加剧了水资源短缺问题，这两个问题都已成为重大的全球性挑战[11]。传统的废水处理方法由于EPs的高毒性和致癌性而无法全面去除它们[12]、[13]。

高级氧化过程（AOPs）已成为处理废水中EPs的有希望的解决方案[14]。在AOPs中，有机污染物通常通过能量驱动或催化剂激活的氧化剂（如过氧化氢（H₂O₂）或过硫酸盐（PS）生成活性氧物种（ROS）而被降解[15]，最终部分或完全矿化为CO₂、H₂O和无机离子[16]、[17]。能量驱动的方法利用光、超声波、微波或热直接破坏氧化剂中的化学键，有效提高ROS的产量[18]。然而，这些方法通常能耗高、运行成本大且设备复杂[19]。此外，可见光或紫外线激活可能会产生有毒副产物，而超声波激活在大规模应用中面临挑战[20]。为了提高效率、降低成本并减少副产物，人们在AOPs中使用了各种催化剂，包括均相催化剂如Fe(II)[21]和异相催化剂如碳基材料[22]、[23]、零价铁（ZVI）[24]、铁基金属有机框架（MOFs）[25]、其他含铁材料[27]以及红泥等[28]。然而，均相催化系统存在一些局限性，包括：（i）在中性或碱性pH条件下可溶性铁离子容易转化为氢氧化物沉淀物；（ii）反应过程中需要严格的pH控制；（iii）出水需要后处理中和步骤[29]。ZVI的制备过程复杂，需要精密设备，并且可重复使用性较差，从而增加了废水处理成本[24]。此外，大多数铁基MOFs的合成依赖于高毒性和致癌性的有机溶剂二甲甲酰胺（DMF）[30]。因此，开发新型异相催化剂至关重要。

钢渣（SS）是铁和钢冶炼过程中产生的工业固体废物。中国钢铁工业的迅速发展导致钢产量增加，从而使得钢渣的排放量也随之增加[31]、[32]。这导致每年产生大量未经处理的钢渣，这些钢渣不仅占用宝贵的土地，还会通过风化和侵蚀逐渐向土壤、地下水和空气中释放有毒和有害物质，引发各种形式的污染和环境退化[33]、[34]、[35]。因此，安全处置和资源化利用钢渣已成为当务之急。钢渣可用于金属回收[36]、水泥熟料生产[37]、建筑材料[38]和土壤修复[39]、[40]。然而，钢渣的整体利用率仍然相对较低。

由于含有FeO和Fe₂O₃，钢渣在类似芬顿的反应中表现出作为异相催化剂的巨大潜力[41]。通常，随着钢渣粒径的减小，CaO和SiO₂的含量显著增加，而Fe₂O₃的比例则显著降低[42]。尽管成本较低，但钢渣复杂的元素组成和较低的比表面积对其催化性能产生了显著影响。为了克服这些限制，在将其用作废水处理催化剂之前，建立合适的改性方法至关重要[43]。据报道，改性钢渣能有效作为催化剂去除多种污染物，包括4-氯苯酚[44]、磺胺类[45]、丙基对羟基苯甲酸酯[46]、阿拉氯[29]、α-硝基-β-萘酚[47]、罗丹明B（RhB）[48]和双酚A[49]，显示出显著的去除效率。

尽管在钢渣资源化利用方面已经取得了一些进展——例如将其作为吸附剂用于处理废水中的污染物[50]，以及在各种催化领域中降解污染物的作用[51]，以及关于钢渣综合利用的研究[52]，但关于改性钢渣作为AOPs催化剂降解新兴污染物的现状和未来发展趋势仍缺乏系统的总结。本文系统地回顾了各种改性技术及其对钢渣催化剂性能的影响，全面阐明了改性钢渣在不同AOPs系统中对多种水生新兴污染物的降解应用和效果，并深入研究了背后的催化机制。通过分析影响新兴污染物降解的关键因素，本研究为推进钢渣在水处理中的应用提供了发展方向。

章节摘录

化学和矿物组成

钢渣是铁和钢生产过程中产生的固体废物，主要由炉渣、矿物质和金属氧化物组成[53]。根据不同的冶炼方法，钢渣可分为三类：转炉渣（SCS）、钢包炉渣（LFS）和电弧炉渣（EAFS）[54]。表1展示了钢渣的化学组成，主要包括钙、硅、铝和铁氧化物。主要的矿物成分包括

热活化改性

热活化改性是一种通过特定高温热处理来增强钢渣物理结构和化学活性的有效方法[51]。通常，高温处理会导致钢渣中的矿物相组成发生变化，使钙铁相和RO相分解，生成更细小、活性更高的过渡金属氧化物颗粒。同时，渣的晶体相也会发生重构

改性钢渣作为催化剂的应用及其降解机制

经过改性处理后，钢渣的比表面积显著增加，使得活性位点（如铁氧化物）得以充分暴露。此外，当钢渣与其他材料混合时，两者之间的协同效应系统地调节了钢渣表面的化学性质、活性金属价态的分布以及局部反应微环境，从而大大提高了污染物降解效率。

改性剂和改性条件

改性剂的选择及其应用条件对使用钢渣降解污染物的性能起着关键作用。活性氧化铝（Al₂O₃）由于其高比表面积、机械强度和两性特性，能够有效吸附废水中的NH₄⁺、PO₄^3-和Cd²⁺等污染物[155]。通过调整氢氧化铝与钢渣的比例，可以显著提高Cd²⁺的去除效率

未来方向

钢渣富含金属氧化物，特别是铁氧化物（FeO、Fe₂O₃），它们在降解EPs方面具有显著潜力。然而，如比表面积低、活性位点被包裹、碱性过强以及原始钢渣中金属浸出的风险等问题限制了其直接应用。为了进一步推进基于改性钢渣的催化剂在水处理中的使用，需要解决几个挑战。

• (1)
  目前，关于微量重金属离子浸出浓度的系统研究

结论

钢渣是铁和钢冶炼过程中产生的工业固体废物，其排放量不断增加。这不仅占用土地，还会造成严重的环境破坏。由于其多孔结构和丰富的金属氧化物含量，钢渣作为催化剂具有有利条件。本文总结了钢渣的各种改性方法及其改性后的结构特征。研究表明，这些改性显著

CRediT作者贡献声明

李子夫：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。季洪兵：撰写——审稿与编辑、监督、数据管理、概念构思。梁志远：监督、数据管理、概念构思。李天意：撰写——初稿撰写、可视化、方法论设计、数据管理、概念构思。杨天奇：可视化、数据管理、概念构思。赵颖：监督、数据管理、概念构思

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：52261145693）的财政支持。