一、均相催化剂

典型类型与特性

• 过渡金属盐类：这是最常见的均相催化剂，如硫酸亚铁（Fe²⁺）、硫酸铜（Cu²⁺）、硫酸锰（Mn²⁺）、醋酸钴（Co²⁺）等。
  • 作用机制：金属离子与体系中的氧化剂（如 O₂、H₂O₂）反应，生成强氧化性的羟基自由基（・OH），通过・OH 直接攻击有机污染物分子，实现氧化降解。
  • 优势：催化活性高，对酚类、氰化物、小分子有机酸等污染物的降解效率可达 80% 以上，且反应启动速度快。

  • 局限性：催化剂难以从废水中分离回收，易导致金属离子残留，引发二次污染（如 Cu²⁺超标），需额外增加沉淀、过滤等处理环节，工程应用中因 “二次污染 + 回收难题” 逐渐被非均相催化剂替代，仅在小批量、特定废水处理中偶用。
    

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二、非均相催化剂

1. 贵金属催化剂

• 活性组分：铂（Pt）、钯（Pd）、钌（Ru）、铑（Rh）等，其中 Ru（钌）因性价比和稳定性优势应用最广。
• 常用载体：氧化铝（Al₂O₃）、二氧化钛（TiO₂）、二氧化锆（ZrO₂）、活性炭等 —— 载体需具备耐高温（200-300℃）、耐高压（2-8MPa）、耐腐蚀（酸性 / 碱性废水）特性。
• 典型应用：
  • Ru/Al₂O₃：对含氮有机物（如苯胺、吡啶）降解效率超 90%，高温下不易失活，适用于煤化工、农药废水处理；
  • Pt/TiO₂：可在 200℃以下高效分解卤代烃（如氯苯），抗 Cl⁻中毒能力强，适合含卤难降解废水。
• 优势：催化活性极高，抗杂质（S²⁻、Cl⁻）中毒能力强，使用寿命长（1-3 年）；
• 局限性：成本高昂（贵金属占比超 70%），仅限高毒性、高价值废水（如制药母液）处理，难以大规模普及。

2. 过渡金属氧化物催化剂

• 活性组分：铜（Cu）、锰（Mn）、铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、铈（Ce）等金属的氧化物或复合氧化物（如 CuO、MnO₂、Fe₃O₄、CeO₂-MnO₂）。
• 常用载体：堇青石（蜂窝陶瓷，利于传质）、Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂（减少活性组分溶出）。
• 典型应用：
  • CuO-ZnO/Al₂O₃：对脂肪酸类废水（如醋酸、丙酸）降解率达 85%，成本仅为贵金属催化剂的 1/10，适用于食品加工、印染废水；
  • MnO₂-CeO₂/ZrO₂：Ce 的加入可增强载体耐高温性，抑制 Mn 离子溶出，抗硫中毒能力强，COD 去除率稳定在 90% 以上，适合含硫工业废水；
  • Fe₃O₄@SiO₂：磁性载体设计便于反应后通过磁分离回收，减少催化剂流失，降低运行成本。
• 优势：成本低（仅为贵金属的 1/5-1/10）、制备工艺简单（沉淀法、浸渍法），适合规模化工业废水处理；
• 局限性：高温高压下部分金属离子（如 Cu²⁺）易溶出，长期使用可能因积碳、活性组分烧结失活，寿命较短（通常 3-12 个月）。

3. 非金属催化剂

• 典型类型：活性炭、石墨烯、碳纳米管、氮化碳（g-C₃N₄）等碳基材料。
• 作用机制：通过表面丰富的官能团（如羟基 - OH、羧基 - COOH）吸附有机污染物，同时活化体系中的 O₂或 H₂O₂，生成・OH 辅助氧化；部分碳材料（如石墨烯）还可通过电子转移加速反应。
• 优势：无金属离子溶出风险，不会造成二次污染，成本极低，且可通过高温（800-1000℃）灼烧再生，重复使用性好；
• 局限性：催化活性远低于金属基催化剂，仅适用于低浓度废水的辅助处理（如预处理后废水的深度氧化），难以单独降解高浓度（COD＞5000mg/L）难降解有机物。

三、复合型催化剂

1. 贵金属 - 过渡金属复合催化剂

• 典型示例：Ru-CuO/ZrO₂、Pt-MnO₂/Al₂O₃。
• 设计逻辑：利用贵金属（如 Ru）的高活性提升降解效率，同时通过过渡金属（如 CuO）降低贵金属用量，协同作用下成本可降低 30%-50%，且抗中毒能力优于单一过渡金属催化剂。

2. 载体改性复合催化剂

• 典型示例：Ce 掺杂 ZrO₂负载 Mn（Mn/Ce-ZrO₂）、介孔 SiO₂负载 Fe。
• 设计逻辑：通过 Ce、Zr 等元素掺杂增强载体的耐高温、耐溶出性能；介孔载体（如介孔 SiO₂）可增大比表面积，提升活性组分分散度，延长催化剂寿命（如 Mn/Ce-ZrO₂寿命可达 18 个月以上）。

3. 均相 - 非均相复合催化剂

• 典型示例：Fe²⁺化学键固定于介孔 SiO₂、Cu²⁺负载于离子交换树脂。
• 设计逻辑：将均相催化剂（如 Fe²⁺）通过化学键或离子交换固定在固体载体上，既保留均相催化的高活性，又实现催化剂高效回收，金属离子溶出量可降至 0.1mg/L 以下（远低于国家标准）。

总结