《Process Safety and Environmental Protection》：Catalytically functionalized ceramic membranes for advanced oxidation processes: Integration of separation, reaction and anti-fouling in water purification
编辑推荐：
摘要工业废水排放以及新兴污染物正在加剧全球水资源危机，这凸显出对先进、可持续处理技术的迫切需求。催化功能化陶瓷膜作为一种创新性技术平台，将膜过滤的物理分离作用与高级氧化过程的强氧化能力有机结合。本综述全面深入地分析了催化功能化陶瓷膜的设计原理、作用机制及其应用情况。首先，阐述了将
摘要
工业废水排放以及新兴污染物正在加剧全球水资源危机，这凸显出对先进、可持续处理技术的迫切需求。催化功能化陶瓷膜作为一种创新性技术平台，将膜过滤的物理分离作用与高级氧化过程的强氧化能力有机结合。本综述全面深入地分析了催化功能化陶瓷膜的设计原理、作用机制及其应用情况。首先，阐述了将多种催化活性位点嵌入多孔陶瓷基底的核心制备策略，包括原位生长、化学键合和体外沉积等方法。通过各种表征技术，明确了结构设计与其分离催化性能之间的关联。随后，本文探讨了催化功能化陶瓷膜与电催化、光催化、类芬顿反应、催化臭氧氧化以及过硫酸盐活化等主要高级氧化过程之间的耦合机制。此外，还评估了这类膜系统在处理工业纺织废水、制药废水以及含有特定微污染物的水体时的性能表现。同时，本文也分析了在实际应用中面临的一些挑战，如催化剂的长期稳定性、工艺的可扩展性以及经济可行性等问题。催化功能化陶瓷膜系统的模块化设计为优化工程应用提供了有效途径，能够实现高效、紧凑且具备可持续性的水净化解决方案。总之，催化功能化陶瓷膜代表了水处理技术向智能化、多功能方向发展的新趋势。通过系统总结最新研究成果并指出现有不足，本综述旨在为未来研究指明方向，帮助实现从实验室创新到实际应用的跨越，进而提升水处理系统的性能与效率。
引言
随着监管要求日益严格以及水资源短缺问题日益突出，传统的废水处理技术已越来越难以有效去除那些浓度较低但具有毒性的新兴污染物，比如各类药品和内分泌干扰物（Xu等人，2026年）。这类污染物由于具有生物累积性且难以被生物降解，会对水生生态系统和人类健康造成严重威胁。高级氧化过程因能够在反应体系中产生羟基自由基和硫酸根自由基等高活性氧化物种，从而快速且几乎无选择性地分解难处理的有机污染物，因此在水和废水处理领域受到了广泛关注。不过，尽管传统高级氧化过程具有出色的氧化能力，但仍存在诸多局限，包括催化剂回收困难、氧化剂利用效率低、传质受限、催化剂易失活，以及连续流动操作带来的诸多问题。
为解决这些缺陷，人们开始致力于催化陶瓷膜复合材料的合理设计与制备，由此诞生了催化功能化陶瓷膜这一材料类别。在2000年代之前，陶瓷膜凭借其优异的热稳定性、化学稳定性和机械强度，已被广泛用作高效的分离介质（Wang等人，2025a年）。随着催化剂固定化技术和界面工程策略的不断发展，过去十年间，陶瓷膜逐渐从单纯的过滤材料演变为兼具污染物分离、催化氧化以及膜自清洁功能的多功能催化平台（Wang等人，2025a年；Qiu等人，2026年）。因此，催化功能化陶瓷膜作为一种连接膜分离技术与高级氧化过程的优秀技术，已经经历了四个发展阶段：21世纪初出现了光催化膜系统（Fabiyi和Skelton，2000年），2010年左右则出现了经过过渡金属氧化物改性的膜材料。2010年代中期，以PMS和PDS作为氧化剂的硫酸根自由基基团膜系统开始得到广泛应用，成为该领域的一个重要转折点。而自2020年以来，这一领域又进入了新的发展阶段，单原子催化剂、基于金属有机框架的材料以及经过缺陷工程设计的活性位点等新技术不断涌现。这一发展轨迹清晰地显示出，相关技术正从简单的催化剂固定化向功能更为完备、效率更高、实用性更强的集成平台方向发展（Sanches等人，2017年；Li等人，2021年；Hirani等人，2023年）。
催化功能化陶瓷膜特有的封闭微环境有助于增强污染物、氧化剂与催化剂之间的相互作用，从而实现过滤与降解功能的整合。尽管具有这些优势，但其实际应用仍面临诸多挑战。在催化剂固定化过程中，稳定性、可及性以及工艺可扩展性之间往往需要权衡。目前对于决定氧化剂活性的结构-活性关系理解还不够深入，尤其是在反应机制在自由基反应与非自由基反应之间切换时更是如此。此外，催化剂流失、膜污染以及溶液组成对膜的干扰等问题，也会影响这类系统的长期稳定运行。
然而，现有的综述大多分别探讨了陶瓷膜、催化剂以及高级氧化过程各自的特点，却很少从反应-分离一体化平台的角度来分析它们在催化功能化陶瓷膜中的整合应用。膜功能化、界面催化以及抗污染控制之间的相互作用往往被忽视。而且，近年来在单原子催化剂、缺陷工程设计的活性位点以及具有自清洁功能的膜界面等方面取得的突破，虽然大大拓展了催化功能化陶瓷膜的设计空间，但这些进展尚未从分离工程的角度进行系统评价。这一现状不利于催化功能化陶瓷膜基高级氧化处理系统的合理设计及其规模化应用。本综述总结了催化功能化陶瓷膜领域的最新研究进展，重点介绍了相关的制备与表征方法，并梳理了目前对于跨膜物质传递过程以及污染动态行为的认识——这两者是决定这类集成系统实际应用性能的关键因素，但目前相关研究还相对不足。本文系统涵盖了材料设计、工艺耦合、抗污染机制以及在实际水体中的应用情况，最后还对规模化应用面临的挑战以及未来研究方向进行了深入探讨，旨在推动这项技术向工业化应用迈进。
章节要点
功能化策略
近年来，人们采用了多种表面功能化/改性策略来制备催化功能化陶瓷膜，常见的方法包括涂层法、浸渍法、沉积法以及原位生长法等。根据催化物质或功能层在膜表面的引入方式，这些技术可分为物理负载型、化学键合型和原位生成型三类（见图1a）。因此，本节将通过典型案例系统介绍这些功能化策略。
与高级氧化过程的耦合机制
将催化功能化陶瓷膜与高级氧化过程相结合，并非简单的两者叠加，而是形成了相互促进的协同体系。这种耦合机制不仅能够提升污染物的降解效率，还能在反应过程中减少膜污染，进一步提升整个处理工艺的可持续性。本节将深入分析催化功能化陶瓷膜与各类主要高级氧化过程之间的耦合机制，不再仅做简单描述，而是从更深层次展开探讨。
抗污染机制与膜自清洁机制
在催化功能化陶瓷膜的实际运行过程中，膜污染被认为是影响其长期稳定运行的最关键因素。在复杂的废水中，溶解态和颗粒态的污染物会通过吸附和沉积作用附着在膜表面，而尺寸排阻效应和机械拦截作用则会导致这些污染物在膜表面及孔道内部不断积累。随着时间的推移，这些现象会增大水流阻力，提高跨膜压力，降低水的渗透通量，最终缩短膜的使用寿命。
工业废水的处理
在各类工业废水当中，纺织废水因其含有大量难降解有机物、颜色较深且盐分含量较高，一直是检验先进水处理技术效果的重要对象（Kouzi等人，2025年）。催化功能化陶瓷膜由于其优异的化学稳定性、耐高温性能，以及与高级氧化过程良好的协同作用，在处理这类废水方面展现出巨大潜力（Solaiman等人，2024年）（见图8a）。
在染料和盐分的回收方面，有一些研究采用了陶瓷超滤技术来实现相关目标。
面临的挑战、规模化应用考虑因素及未来发展方向
催化功能化陶瓷膜是一种能够将高效分离功能与定制化催化功能相结合的革新性技术，在整体水处理领域具有重要的应用价值。通过引入金属氧化物、单原子催化剂、碳纳米复合材料以及异质结构等各类先进材料，这类膜已经超越了传统被动过滤材料的局限，成为了具备智能反应能力的界面材料，能够实现氧化剂（如臭氧、PMS/PDS等）的原位活化。
CRediT作者贡献说明
Pu Li： 文章撰写——综述与编辑工作，资金获取，概念构思。Yuchen Zhou： 文章撰写——综述与编辑工作。Zhiming Chen： 文章撰写——综述与编辑工作，数据整理工作。Yingze Guo： 文章撰写——综述与编辑工作。Mingguo Peng： 形式分析，数据整理工作。Kunbo Wu： 文章初稿撰写，研究指导，方法设计工作。Feiyang Li： 文章撰写——综述与编辑工作，实验研究工作。Jie Teng： 文章撰写——综述与编辑工作，资金获取工作。
利益冲突声明
所有作者均声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本项目得到了以下机构的支持：中国国家自然科学基金（项目编号：52400069、52400150）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20240984）、不稳定材料科学和技术国家重点实验室（项目编号：202502）、常州市科技计划-应用基础研究项目（项目编号：CJ20240050），以及常州市领军创新人才引进与培养计划（项目编号：CQ20240126）。
Kunbo Wu|Feiyang Li|Jie Teng|Yuchen Zhou|Zhiming Chen|Yingze Guo|Mingguo Peng|Pu Li
