综述：固体燃料燃烧产生的气态污染物排放的综述性研究，以及用于这些减排项目的吸附材料的二十年发展历程

《Environmental Functional Materials》：A Scoping Review of Gaseous Pollutant Emissions from Solid Fuel Combustion and Vicennial Advancement in Adsorbent Materials for Their Mitigation Programs

固体燃料燃烧释放的CO、CO?、NOx、SO?等气体污染物需高效吸附材料治理，综述纳米碳材料（AC、MWCNTs、CF）、MOFs（如Cu-BTC、Zr-MOF）、COFs及金属氧化物（CoCr?O?、MnO?）的吸附机理与性能，指出材料需兼顾高容量、选择性、再生性与成本效益，并探讨复杂工况下的协同优化策略。

　　在当今社会，固体燃料燃烧所释放的气体污染物对环境和人类健康构成了严重威胁。全球约有23亿人口依赖传统的燃烧系统，其中包括约8亿人生活在印度，使用生物质燃料、动物粪便和农业废弃物等作为主要能源来源。这些燃烧方式通常效率低下，且缺乏良好的通风条件，导致大量有害气体排放。例如，二氧化碳（CO?）占排放量的70-90%，一氧化碳（CO）占7-10%，甲烷（CH?）占1-3%，挥发性有机化合物（VOCs）占2-5%，氮氧化物（NOx）占2-4%，二氧化硫（SO?）占1-3%。这些气体不仅污染空气，还对人类健康造成严重影响，据世界卫生组织（WHO）统计，2020年这些排放导致了约320万人死亡，其中包括超过23.7万名五岁以下儿童。因此，寻找有效的污染控制方法显得尤为迫切。

为了应对这一问题，吸附技术因其简单性和高效率，逐渐成为一种备受关注的解决方案。吸附材料在捕获这些气体方面表现出色，如氮和硫掺杂的纳米多孔碳，以及功能化聚乙烯亚胺（PEI）的二氧化硅片。这些材料的吸附性能得益于其与目标气体之间的强化学相互作用。对于一氧化碳（CO）的去除，钴铬氧化物（CoCr?O?）等尖晶石型氧化物表现出优异的催化氧化性能，而基于二氧化钛（TiO?）和石墨烯衍生物的复合材料则实现了高效的光催化性能。在二氧化氮（NO?）吸附方面，基于焦油的活性炭纤维（ACF）和基于锆的金属有机框架（如UiO-66）因其高反应性和强相互作用成为最有前景的材料。对于一氧化氮（NO）的去除，锰氧化物修饰的活性炭纤维表现出卓越的性能，优于传统活性炭。二氧化硫（SO?）的捕获主要依赖于活性炭纤维和共价有机框架（如PI-COF-m），它们能够通过物理和化学吸附途径有效去除污染物。而对于挥发性有机化合物（VOCs）的去除，微波照射和KOH活化的石墨烯氧化物，以及多壁碳纳米管（MWCNT）复合材料和石墨烯量子点-金属有机框架（MOF）混合物都显示出强大的吸附能力，主要通过π-π相互作用和表面官能团实现。

尽管这些吸附材料在去除气体污染物方面表现出色，但在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，一些材料在高湿度或存在竞争性吸附物的情况下会表现出较低的吸附效率。此外，某些材料在反复使用过程中可能会出现结构损坏或活性位点的不可逆失活，这限制了它们的再生能力和长期稳定性。同时，合成这些高性能材料往往需要复杂的工艺和高成本，这对大规模生产和应用提出了更高的要求。因此，未来的研究应聚焦于提高吸附材料的选择性、稳定性及再生能力，特别是在复杂环境中。

为了进一步推动吸附技术的发展，研究者们正在探索多种创新材料，如金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）和金属-有机骨架（ZIFs）。这些材料因其可调的孔隙结构和高比表面积，在气体捕获方面展现出巨大潜力。然而，它们的高合成成本和对湿度的敏感性仍然是实际应用中的主要障碍。此外，虽然活性炭因其成本效益和广泛可用性在挥发性有机化合物（VOCs）去除中占据主导地位，但其对极性气体的吸附能力有限，因此需要进一步的表面改性和孔隙结构调整以提高其选择性。

在吸附材料的设计和优化过程中，实验条件对吸附性能的影响不容忽视。反应器类型、操作条件、气体组成、流量等因素都会影响吸附效率。例如，固定床反应器能够提供更均匀的气体流动和更长的停留时间，从而提高吸附效率。而流化床反应器虽然提供了更大的表面接触面积和更快的传质速率，但也可能因流道效应导致吸附材料的利用率降低。此外，湿度对吸附过程的影响尤为复杂，它不仅会与目标气体竞争吸附位点，还可能影响材料的稳定性。因此，吸附材料的选择和设计必须充分考虑环境条件，以确保其在实际应用中的有效性。

在吸附材料的实际应用中，反应器的设计和材料的性质同样重要。反应器的构造材料会影响吸附效率和稳定性，例如石英玻璃因其惰性和良好的热稳定性，适合在高温条件下使用，但可能会与某些气体发生不必要的反应。不锈钢虽然具有良好的耐腐蚀性，但在高湿度或酸性环境中可能催化或吸附某些物质，从而影响其性能。因此，选择合适的反应器材料对于提高吸附效率至关重要。

为了提高吸附材料的性能，研究人员正在探索多种表面改性和结构优化方法。例如，通过引入氮、硫等元素可以改变材料的电子结构，增强其对特定气体的吸附能力。此外，通过功能化处理，如引入氨基、羧基等官能团，可以显著提高吸附效率。然而，这些改性过程可能会对材料的结构稳定性产生影响，因此需要在性能提升和结构稳定性之间找到平衡。

在未来的研究中，提升吸附材料的选择性、稳定性和再生能力将是关键。通过开发具有增强湿度和化学耐受性的多功能材料，以及简化合成路径，提高材料的可扩展性和可重复使用性，可以推动吸附技术的进一步发展。同时，结合机器学习指导的设计框架，以及利用可持续前驱体合成的混合吸附材料，有望在下一代吸附技术中发挥重要作用。这些方法不仅可以优化吸附性能，还可以提高环境友好性，从而推动更广泛的应用。

总之，固体燃料燃烧导致的气体污染物问题是一个复杂的环境挑战，需要综合考虑材料科学、化学工程和环境工程等多个学科的知识。吸附技术作为一种有效的解决方案，其应用前景广阔，但仍需克服一系列技术和经济上的障碍。通过不断的研究和创新，有望开发出更加高效、经济和可持续的吸附材料，从而改善空气质量，减少对人类健康和环境的负面影响，实现清洁燃烧的目标。