全球水资源短缺与水污染问题严重制约着人类社会的可持续发展。在我国能源消费结构中，煤化工、石油化工和天然气化工占据主导地位（占比超过60%），但其绿色低碳转型和清洁高效利用面临重大挑战。

以煤制气项目为例，其生产过程中会产生大量难降解有机物（如烃类、酚类等）及高浓度盐溶液。传统的长流程生化处理、高级氧化及膜分离集成技术难以有效去除高盐溶液中的化学需氧量（COD），使其达到排放标准（如<100ppm），这直接影响盐的分质回收，成为煤制气生产工艺的关键制约环节。

催化膜作为一种新型膜催化反应器，能够耦合非均相高级氧化过程和膜分离过程，实现难降解污染物的高效连续去除及矿化。其中，膜内高效催化位点的设计及限域膜孔内传质反应机理的理解是技术核心。中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘富研究员团队在催化膜制备策略和膜内催化位点设计方面进行了系统研究，并首次提出时空限域催化膜的新概念和设计原则。

近期，研究团队提出了时空限域催化膜的扩散反应新机制。通过结合实验和理论模拟，从时间（活性氧寿命和污染物停留时间）和空间（孔道尺寸与活性氧扩散距离）两个维度，建立了单线态氧和羟基自由基协同扩散反应模型，实现了膜孔道内催化界面近程和远程污染物的高效去除。该催化膜具有高通量（645.3 L m-2 h-1 bar-1）和对多种污染物的稳定催化去除效率（>99%），其反应速率常数比悬浮纳米颗粒催化剂体系高出2-4个数量级。

在实际应用中，设计制备的多通道催化膜组件展现出优异的耐盐性能。对于生化和臭氧氧化后废水及浓缩后二级高级氧化废水，经一次处理后总有机碳（TOC）均可降至50ppm以下。该研究首次建立了时空限域催化膜的扩散-反应动力学模型，为催化膜的定向设计提供了理论基础。

该技术具有良好的工程应用前景，其多通道结构易于扩展放大生产，在煤化工、石油化工及天然气化工等行业的工业废水零排放及资源化回收方面展现出显著优势。目前，相关放大试验及工程化应用工作正在积极推进中。