介質阻擋放電協同錳基催化劑：餐飲油煙降解的創新路徑與效能研究一、引言1.1研究背景與意義1.1.1餐飲油煙污染現狀隨著經濟的快速發展和人們生活水平的提高，餐飲業在全球范圍內呈現出蓬勃發展的態勢。無論是繁華的都市還是寧靜的小鎮，各式各樣的餐廳、飯店、小吃攤等如雨后春筍般涌現，滿足著人們日益多樣化的飲食需求。然而，在享受美食帶來的愉悅時，餐飲油煙污染問題也逐漸凸顯出來，成為一個不容忽視的環境難題。餐飲油煙是烹飪過程中產生的一種復雜的混合物，其來源廣泛，主要包括食用油的加熱揮發、食物的分解以及調味品的散發等。在高溫烹飪過程中，食用油會發生一系列復雜的物理和化學變化，產生大量的揮發性有機物（VOCs），如苯、甲苯、二甲苯、醛類、酮類等。同時，食物中的蛋白質、脂肪、碳水化合物等成分在高溫下也會分解產生各種有害物質，進一步增加了油煙的復雜性。這些油煙中含有大量的可吸入顆粒物，其粒徑在0.01微米至10微米之間，抽樣調查表明，餐飲源排放的顆粒物中的PM2.5可占到PM10的80%左右。這些細微的顆粒物能夠長時間懸浮在空氣中，隨著呼吸進入人體呼吸道，甚至深入肺部，對人體健康造成嚴重威脅。例如，可吸入顆粒物會刺激呼吸道黏膜，引發咳嗽、氣喘、胸悶等癥狀，長期暴露在高濃度的可吸入顆粒物環境中，還會增加患慢性支氣管炎、哮喘、肺癌等疾病的風險。餐飲油煙中的揮發性有機物（VOCs）也是大氣污染的重要來源之一。VOCs具有光化學反應活性，在陽光照射下，它們會與氮氧化物等發生一系列復雜的光化學反應，產生臭氧、二次氣溶膠等污染物，這些污染物是形成霧霾、光化學煙霧等大氣污染現象的主要原因。例如，在一些大城市，由于餐飲油煙排放量大，加之機動車尾氣、工業廢氣等污染物的共同作用，夏季經常出現臭氧濃度超標、霧霾天氣頻繁的情況，嚴重影響了人們的生活質量和身體健康。餐飲油煙還會對環境美觀造成影響。油煙排放后，極易附著在建筑物表面，使外墻變得油膩、污濁，影響城市的整體美觀。而且，油煙在空氣中懸浮，遇到潮濕天氣，還容易形成粘性物質，堵塞城市的排水系統和通風管道，給城市基礎設施的正常運行帶來隱患。在過去，由于監管力度不足和治理意識淡薄，許多餐飲企業對油煙排放問題不夠重視。一些小型餐館僅僅安裝了簡單的排風扇，將油煙直接排放到室外，完全沒有凈化處理措施。即使部分稍具規模的餐廳配備了油煙凈化器，也存在設備老化、維護不及時等問題，導致凈化效果大打折扣。然而，隨著人們環保意識的不斷增強以及環保法規的日益完善，餐飲油煙污染問題逐漸受到社會各界的廣泛關注，加強餐飲油煙治理已成為當務之急。1.1.2研究意義本研究聚焦于介質阻擋放電協同錳基催化劑降解餐飲油煙，具有重要的現實意義和深遠的影響，對環境保護和餐飲行業的可持續發展都起著關鍵作用。從環境保護的角度來看，有效治理餐飲油煙污染能夠顯著降低大氣中可吸入顆粒物和揮發性有機物的含量，進而減輕霧霾、光化學煙霧等大氣污染現象的發生頻率和嚴重程度。這有助于改善空氣質量，保護生態環境，為人們創造一個清新、健康的生活空間。例如，通過本研究的技術手段，能夠減少油煙中有害物質對植物的損害，保護植被的生長和生態平衡；降低大氣污染物對水體的污染，保護水資源的質量。餐飲油煙中的有害物質長期暴露會對人體健康造成嚴重威脅，如引發呼吸道疾病、心血管疾病甚至癌癥等。通過高效降解餐飲油煙，可以減少人們暴露在這些有害物質中的風險，保護公眾的身體健康。尤其是對于餐飲從業人員和周邊居民來說，他們長期處于油煙污染的環境中，健康更容易受到影響，本研究成果的應用將為他們的健康提供有力保障。隨著環保要求的日益嚴格，餐飲行業面臨著巨大的環保壓力。如果不能有效解決油煙污染問題，餐飲企業可能會面臨罰款、停業整頓等處罰，這將對企業的生存和發展造成嚴重影響。本研究提供的技術方案可以幫助餐飲企業實現油煙的達標排放，降低運營風險，確保企業的正常經營。同時，采用先進的油煙凈化技術還可以提升企業的社會形象，增強消費者對企業的信任和認可，為企業贏得更多的市場機會。例如，一些注重環保的消費者更愿意選擇安裝了高效油煙凈化設備的餐廳就餐，這將促使餐飲企業積極采用新技術，推動整個行業的可持續發展。傳統的油煙凈化技術存在著諸多弊端，如凈化效率低、能耗高、易產生二次污染等。本研究致力于探索一種高效、節能、環保的餐飲油煙凈化技術，通過介質阻擋放電協同錳基催化劑的作用，有望實現對餐飲油煙的深度降解，提高凈化效率，降低能耗，減少二次污染的產生。這不僅可以推動餐飲油煙凈化技術的創新發展，還可以為其他領域的廢氣處理提供借鑒和參考，促進整個環保技術的進步。1.2國內外研究現狀1.2.1介質阻擋放電降解餐飲油煙研究進展介質阻擋放電（DBD）作為一種典型的低溫等離子體技術，在餐飲油煙降解領域展現出獨特的優勢，因而受到了廣泛的研究和關注。其工作原理是在兩個電極之間插入絕緣介質，當施加高壓交流電時，電極間的氣體被擊穿，形成大量的高能電子、離子、自由基等活性粒子。這些活性粒子具有極高的能量，能夠與餐飲油煙中的各種污染物分子發生碰撞，使其化學鍵斷裂，從而實現污染物的降解。在早期的研究中，學者們主要聚焦于DBD對餐飲油煙中顆粒物和部分揮發性有機物的去除效果。例如，有研究通過搭建DBD實驗裝置，對實際餐飲油煙進行處理，結果表明，DBD能夠有效去除油煙中的顆粒物，去除效率可達80%以上。對于揮發性有機物，DBD也能使其濃度顯著降低。然而，隨著研究的深入，發現單獨使用DBD技術存在一些局限性。一方面，DBD在降解油煙過程中會產生臭氧、氮氧化物等二次污染物。臭氧雖然具有強氧化性，在一定程度上有助于油煙的降解，但過量的臭氧會對人體健康和環境造成危害。氮氧化物同樣是大氣污染物的重要組成部分，會引發酸雨、光化學煙霧等環境問題。另一方面，DBD對油煙中一些復雜有機物的降解并不徹底，容易產生中間產物，這些中間產物可能具有更高的毒性，進一步增加了處理的難度。為了克服這些問題，研究人員開始嘗試對DBD技術進行改進和優化。例如，通過調整放電參數，如電壓、頻率、放電間隙等，來提高DBD的降解效率和選擇性。研究發現，適當提高電壓可以增加活性粒子的能量和數量，從而增強對油煙污染物的降解能力，但過高的電壓會導致能耗增加和二次污染物生成量增多。此外，改變放電頻率也會對降解效果產生影響，不同的頻率下活性粒子的產生和反應機制有所不同，需要根據實際情況進行優化選擇。還有研究嘗試在DBD反應器中添加填料，如陶瓷、活性炭等，以增加放電區域的表面積和活性位點，促進污染物的吸附和降解。這些填料能夠提供更多的反應場所，使活性粒子與污染物充分接觸，從而提高降解效率。1.2.2錳基催化劑降解餐飲油煙研究進展錳基催化劑由于其豐富的儲量、相對較低的成本以及良好的催化活性，在餐飲油煙降解領域成為研究熱點。錳元素具有多種價態，如+2、+3、+4等，不同價態的錳在催化反應中發揮著不同的作用，能夠提供豐富的氧化還原活性位點，促進餐飲油煙中污染物的氧化分解。在早期的研究中，主要關注錳基催化劑對單一污染物的降解性能。有研究采用浸漬法制備了MnO?/γ-Al?O?催化劑，用于降解餐飲油煙中的正己醛。實驗結果表明，該催化劑在一定條件下對正己醛具有較高的催化活性，能夠將其有效轉化為二氧化碳和水。這是因為MnO?在γ-Al?O?載體上具有良好的分散性，能夠充分發揮其催化作用，同時γ-Al?O?載體也為反應提供了較大的比表面積和良好的機械強度。然而，實際餐飲油煙成分復雜，包含多種揮發性有機物、顆粒物以及其他雜質，單一的錳基催化劑在面對復雜的油煙體系時，往往難以實現對所有污染物的高效降解。為了提高錳基催化劑對復雜餐飲油煙的降解效果，研究人員開始對其進行改性和優化。一種常見的方法是添加助劑，如過渡金屬（如Co、Ce、Fe等）或稀土元素（如La、Y等）。這些助劑的加入能夠與錳元素發生協同作用，改變催化劑的晶體結構、表面性質和氧化還原性能，從而提高催化劑的活性和穩定性。有研究在MnO?催化劑中添加Ce元素，制備了Ce-MnO?催化劑。結果發現，Ce的加入不僅提高了催化劑對餐飲油煙中多種污染物的降解效率，還增強了催化劑的抗中毒能力，使其在長時間運行過程中保持良好的性能。這是因為Ce具有良好的儲氧和釋氧能力，能夠在反應過程中調節催化劑表面的氧物種濃度，促進污染物的氧化反應。除了添加助劑，優化催化劑的制備方法也是提高其性能的重要途徑。例如，采用溶膠-凝膠法、共沉淀法、水熱合成法等制備錳基催化劑，這些方法能夠精確控制催化劑的粒徑、形貌、孔徑分布等結構參數，從而提高催化劑的活性和選擇性。通過溶膠-凝膠法制備的MnO?催化劑具有較小的粒徑和較大的比表面積，能夠提供更多的活性位點，有利于污染物的吸附和反應，從而在餐飲油煙降解中表現出更好的性能。1.2.3介質阻擋放電協同錳基催化劑研究現狀將介質阻擋放電與錳基催化劑相結合，形成協同作用體系，為餐飲油煙的高效降解提供了新的思路和方法，近年來受到了越來越多的關注。這種協同作用的原理在于，介質阻擋放電產生的高能電子和活性粒子能夠激活錳基催化劑，使其表面的活性位點增多，催化活性增強；而錳基催化劑則可以促進放電過程中產生的臭氧等活性物種的分解，生成更多具有強氧化性的活性氧物種，進一步強化對餐飲油煙污染物的降解能力。同時，催化劑還能夠降低反應的活化能，使反應在更溫和的條件下進行，提高降解效率和選擇性。在已有的研究中，眾多學者對DBD協同錳基催化劑降解餐飲油煙進行了探索，并取得了一定的成果。向東等采用DBD協同MnOx／SBA-15催化劑去除油煙中的正己醛，實驗結果令人矚目，對油煙中的正己醛的凈化效率高達99%。研究發現，放電過程中產生的臭氧在催化劑表面分解形成的活性氧物種以及電離產生的羥基自由基，發揮了關鍵作用，它們既強化了正己醛的完全氧化，又提高了CO?選擇性，有效減少了二次污染物的產生。陳春雨等也針對低濃度正己醛的去除開展了研究，在80℃下、放電功率為2.8W時、干燥空氣氣氛中，DBD與γ-Al?O?協同作用下，對0.12%正己醛的凈化效率為87.1%，而當DBD結合7.5%MnOx/γ-Al?O?時，0.12%正己醛凈化效率大幅提升至96.5%。這充分體現了錳基催化劑在協同體系中的重要作用，能夠顯著提高對低濃度污染物的降解效果。然而，當前該領域的研究仍存在一些不足之處。首先，對協同作用的機理研究還不夠深入和全面。雖然已經認識到DBD和錳基催化劑之間存在協同效應，但對于具體的反應路徑、活性物種的生成和作用機制等方面，還存在許多未解之謎。這限制了對協同體系的進一步優化和改進。其次，現有的研究大多在實驗室條件下進行，與實際餐飲油煙處理場景存在一定差距。實際餐飲油煙的成分、濃度、流量等參數復雜多變，且處理設備需要具備良好的穩定性、可靠性和耐久性。如何將實驗室研究成果有效轉化為實際應用，開發出適合大規模應用的DBD協同錳基催化劑處理技術和設備，是亟待解決的問題。此外，在協同體系中，催化劑的壽命和穩定性也是一個關鍵問題。長期運行過程中，催化劑可能會受到油煙中雜質的污染、中毒以及高溫、高濕度等惡劣環境的影響，導致活性下降，需要頻繁更換或再生，增加了處理成本。因此，提高催化劑的壽命和穩定性，也是未來研究的重要方向之一。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究主要聚焦于介質阻擋放電協同錳基催化劑降解餐飲油煙的關鍵要素，具體內容涵蓋以下幾個方面。在實驗準備階段，對餐飲油煙的成分和特性展開全面分析。利用氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）、高效液相色譜儀（HPLC）等先進設備，精確測定油煙中揮發性有機物（VOCs）的種類、含量以及顆粒物的粒徑分布、濃度等參數。通過對不同烹飪方式（如煎、炒、炸、蒸、煮等）和不同食材（肉類、蔬菜、海鮮等）產生的油煙進行分析，深入了解油煙成分和特性的差異，為后續實驗提供詳實的數據基礎。例如，研究發現煎炒肉類產生的油煙中，多環芳烴類化合物的含量較高，而油炸海鮮產生的油煙中，醛類和酮類化合物的含量較為突出。制備一系列具有不同組成和結構的錳基催化劑，深入探究其制備方法和條件對催化劑性能的影響。采用共沉淀法、溶膠-凝膠法、浸漬法等多種制備方法，改變錳源（如硝酸錳、硫酸錳、醋酸錳等）、沉淀劑（如氨水、氫氧化鈉、碳酸鈉等）、焙燒溫度（300℃-800℃）和焙燒時間（2h-8h）等制備條件，系統研究這些因素對催化劑晶體結構、比表面積、孔徑分布、表面活性位點數量和氧化還原性能的影響規律。通過X射線衍射（XRD）、比表面積分析（BET）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線光電子能譜（XPS）等表征手段，對催化劑的微觀結構和表面性質進行全面分析。例如，通過XRD分析不同焙燒溫度下催化劑的晶體結構，發現隨著焙燒溫度的升高，催化劑的晶體結構逐漸變得更加規整，但過高的溫度會導致催化劑的比表面積減小；利用XPS分析催化劑表面元素的化學態和含量，揭示錳元素在不同制備條件下的價態變化以及與其他元素的相互作用。搭建介質阻擋放電協同錳基催化劑降解餐飲油煙的實驗裝置，系統研究不同放電參數和催化劑條件對油煙降解效果的影響。考察放電電壓（5kV-20kV）、放電頻率（50Hz-500Hz）、放電間隙（1mm-5mm）等放電參數，以及催化劑種類、負載量（5%-30%）、顆粒大小（20目-100目）等催化劑條件對油煙中揮發性有機物和顆粒物去除率的影響。通過單因素實驗和正交實驗，確定最佳的放電參數和催化劑條件組合，以實現對餐飲油煙的高效降解。例如，在研究放電電壓對油煙降解效果的影響時，發現隨著放電電壓的升高，油煙中揮發性有機物和顆粒物的去除率逐漸增加，但當電壓超過一定值后，臭氧等二次污染物的生成量也會顯著增加，因此需要綜合考慮降解效果和二次污染問題，確定最佳的放電電壓。深入探究介質阻擋放電協同錳基催化劑降解餐飲油煙的協同作用機理。運用原位紅外光譜（in-situFTIR）、電子自旋共振譜（ESR）、質譜分析（MS）等技術手段，實時監測反應過程中活性物種的生成和變化情況，以及反應物和產物的濃度變化。結合量子化學計算和分子動力學模擬，從微觀層面揭示活性物種與油煙污染物分子之間的相互作用機制，以及催化劑在協同反應中的作用本質。例如，通過in-situFTIR研究發現，在放電過程中，催化劑表面會吸附大量的活性氧物種和羥基自由基，這些活性物種能夠與油煙中的污染物分子發生反應，將其逐步氧化分解為二氧化碳和水；利用ESR技術檢測到放電過程中產生的大量高能電子和自由基，進一步證實了活性物種在降解反應中的重要作用。評估介質阻擋放電協同錳基催化劑降解餐飲油煙技術的經濟性和環境友好性。對設備投資成本、運行能耗、催化劑使用壽命、維護費用等進行詳細核算，與傳統的油煙凈化技術（如靜電吸附、活性炭吸附、濕式洗滌等）進行經濟成本對比分析。同時，對降解過程中產生的二次污染物（如臭氧、氮氧化物、一氧化碳等）進行監測和分析，評估其對環境的影響程度。研究開發相應的二次污染控制技術，如臭氧分解催化劑、氮氧化物還原劑等，以降低該技術對環境的負面影響，確保其在實際應用中的可持續性。1.3.2研究方法本研究綜合運用實驗研究和理論分析相結合的方法，深入探究介質阻擋放電協同錳基催化劑降解餐飲油煙的過程和機制，為該技術的實際應用提供堅實的理論基礎和技術支持。實驗研究方面，構建一套先進的介質阻擋放電協同錳基催化劑降解餐飲油煙實驗裝置。該裝置主要由放電反應器、電源系統、氣體供應系統、油煙發生系統、檢測分析系統等部分組成。放電反應器采用同軸圓柱式或平行板式結構，電極材料選用不銹鋼或銅等導電性良好的金屬，絕緣介質選用石英玻璃或陶瓷等材料。電源系統提供穩定的高壓交流電，可調節電壓、頻率等參數。氣體供應系統提供反應所需的空氣或氮氣等氣體，并通過質量流量計精確控制氣體流量。油煙發生系統模擬實際烹飪過程產生油煙，采用電加熱板、食用油和不同食材進行加熱烹飪，產生的油煙通過管道引入放電反應器。檢測分析系統配備氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）、高效液相色譜儀（HPLC）、顆粒物計數器、傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）、臭氧檢測儀等多種先進設備，用于對油煙成分、降解產物、活性物種以及二次污染物等進行全面、準確的檢測和分析。在實驗過程中，開展多組對照實驗，分別研究不同因素對餐飲油煙降解效果的影響。設置單獨介質阻擋放電、單獨錳基催化劑以及介質阻擋放電協同錳基催化劑等不同實驗組，對比分析它們對油煙中揮發性有機物和顆粒物的去除率、降解產物分布以及二次污染物生成量等指標的差異。在研究介質阻擋放電參數對降解效果的影響時，固定其他條件，依次改變放電電壓、頻率、間隙等參數，進行多組實驗，分析各參數變化對降解效果的影響規律。例如，在研究放電電壓對油煙降解效果的影響時，將放電頻率和間隙固定，分別設置放電電壓為5kV、10kV、15kV、20kV，進行實驗，記錄不同電壓下油煙中揮發性有機物和顆粒物的去除率，繪制去除率隨電壓變化的曲線，從而確定最佳的放電電壓范圍。同樣，在研究錳基催化劑條件對降解效果的影響時，固定其他條件，改變催化劑的種類、負載量、顆粒大小等因素，進行多組實驗，分析各因素對降解效果的影響。采用響應面法（RSM）等優化實驗設計方法，對實驗結果進行深入分析和優化。響應面法是一種基于數學模型和實驗設計的優化方法，通過構建數學模型來描述實驗因素與響應值之間的關系，從而確定最佳的實驗條件組合。在本研究中，以油煙降解率為響應值，以放電參數和催化劑條件為實驗因素，利用Design-Expert等軟件進行實驗設計和數據分析，構建響應面模型。通過對模型的分析和優化，確定在不同實驗條件下的最佳放電參數和催化劑條件組合，提高油煙降解效率，同時降低能耗和二次污染。例如，通過響應面法分析發現，在放電電壓為12kV、放電頻率為200Hz、催化劑負載量為15%時，油煙降解率可達到最高，同時二次污染物生成量最低。理論分析方面，借助量子化學計算方法，如密度泛函理論（DFT），深入研究介質阻擋放電協同錳基催化劑降解餐飲油煙的反應機理。利用Gaussian等軟件，建立活性物種（如高能電子、羥基自由基、氧原子等）與油煙污染物分子（如苯、甲苯、二甲苯、正己醛等）以及催化劑表面的原子模型，計算反應過程中的能量變化、電荷轉移、反應路徑等參數，從微觀層面揭示反應的本質和機制。通過DFT計算，分析活性物種與污染物分子之間的相互作用方式和反應活性，預測反應產物的生成路徑和選擇性。例如，計算羥基自由基與苯分子的反應過程，發現羥基自由基首先與苯分子發生加成反應，形成羥基環己二烯自由基，然后經過一系列的脫氫和氧化反應，最終生成二氧化碳和水。通過對不同反應路徑的能量分析，確定最有利的反應路徑，為優化反應條件提供理論依據。運用分子動力學模擬方法，如LAMMPS軟件，研究反應體系中分子的動態行為和相互作用。建立包含介質阻擋放電空間、錳基催化劑表面以及油煙污染物分子的模擬體系，考慮分子間的范德華力、靜電相互作用等因素，模擬反應過程中分子的擴散、吸附、反應等動態過程。通過分子動力學模擬，直觀地觀察活性物種與污染物分子在催化劑表面的吸附和反應過程，分析催化劑的結構和表面性質對反應的影響。例如，模擬結果表明，催化劑表面的活性位點能夠有效地吸附油煙污染物分子，降低反應的活化能，促進反應的進行；同時，活性物種在催化劑表面的擴散速度和分布情況也會影響反應的效率和選擇性。通過對實驗結果的分析和理論計算的驗證，建立介質阻擋放電協同錳基催化劑降解餐飲油煙的動力學模型。該模型綜合考慮反應過程中的各種因素，如活性物種濃度、污染物濃度、催化劑活性、溫度、壓力等，描述反應速率與這些因素之間的定量關系。利用實驗數據對動力學模型進行參數擬合和驗證，確保模型的準確性和可靠性。通過動力學模型，可以預測不同條件下餐飲油煙的降解效果，為實際應用中的工藝設計和優化提供科學依據。例如，根據建立的動力學模型，預測在不同放電功率、催化劑用量和油煙濃度下的油煙降解率，為工業規模的油煙凈化設備設計提供參考。二、相關理論基礎2.1介質阻擋放電原理2.1.1放電過程與機制介質阻擋放電（DBD）是一種能夠在大氣壓下產生低溫等離子體的放電方式，其放電過程和機制涉及復雜的物理過程。DBD裝置主要由兩個電極和至少一個絕緣介質層組成。當在兩個電極之間施加足夠高的交流電壓時，電極間的氣體開始發生電離。起初，氣體中的少量自由電子在電場作用下獲得加速，具有了足夠的能量。這些高能電子與氣體分子發生碰撞，使氣體分子電離，產生更多的電子和離子。隨著電子和離子數量的不斷增加，形成了電子雪崩過程。在電子雪崩過程中，一個電子在電場加速下與氣體分子碰撞，產生多個新的電子，這些新電子又繼續與其他氣體分子碰撞，導致電子數量呈指數級增長。當電子雪崩發展到一定程度，放電間隙被大量的電子和離子導通，形成了導電通道，即微放電。每個微放電的持續時間非常短暫，通常在納秒量級，但其電流密度卻很高。在DBD中，絕緣介質層起著關鍵作用。一方面，它限制了微放電中帶電粒子的運動，使得微放電成為一個個短促的脈沖。當微放電發生時，放電通道中的電流會在介質表面積累電荷，這些電荷產生的電場與外加電場方向相反，從而抑制了放電電流的進一步增大，使微放電迅速熄滅。另一方面，介質層能夠使微放電均勻穩定地分布在整個面狀電極之間，防止火花放電的產生。如果沒有介質層，放電可能會集中在局部區域，形成火花或電弧，這不僅會導致能量的集中消耗，還可能對設備造成損壞。而介質層的存在使得放電在空間上更加均勻，有利于產生大量的活性粒子，提高放電的效率和穩定性。在微放電過程中，會產生大量的高能電子、離子、激發態分子和自由基等活性粒子，這些活性粒子具有極高的能量，能夠引發一系列復雜的物理和化學反應。例如，高能電子與氣體分子碰撞，不僅可以使分子電離，還能使分子激發到高能態，激發態分子不穩定，會通過輻射躍遷等方式釋放能量回到基態，同時產生紫外線等電磁輻射。此外，離子和自由基等活性粒子也具有很強的化學反應活性，能夠與周圍的氣體分子發生化學反應，形成新的化合物。在空氣中進行DBD時，會產生臭氧（O?），這是因為放電過程中產生的氧原子（O）與氧氣分子（O?）結合形成了臭氧，其反應方程式為：O+O?+M→O?+M（M為第三體，可提供能量守恒）。2.1.2在油煙降解中的作用在餐飲油煙降解領域，介質阻擋放電發揮著多方面的重要作用，能夠有效地分解和去除油煙中的污染物。DBD產生的高能電子和活性粒子能夠與餐飲油煙中的揮發性有機物（VOCs）和顆粒物發生碰撞，通過一系列復雜的物理和化學反應實現污染物的降解。對于揮發性有機物，高能電子具有足夠的能量使VOCs分子的化學鍵斷裂。當高能電子與苯分子碰撞時，能夠打破苯分子中的碳-碳雙鍵，使其分解為較小的碎片，如乙炔（C?H?）、乙烯（C?H?）等。這些碎片進一步與活性粒子反應，最終被氧化為二氧化碳（CO?）和水（H?O）等無害物質。對于油煙中的顆粒物，高能電子和活性粒子的碰撞能夠使其表面的有機物發生分解，同時，活性粒子還能與顆粒物表面的化學成分發生反應，改變顆粒物的物理和化學性質，使其更容易被后續的處理工藝去除。DBD在降解餐飲油煙過程中還會產生紫外線，紫外線具有較高的能量，能夠對油煙污染物產生光解作用。一些復雜的有機污染物分子在紫外線的照射下，吸收光子能量，使分子中的化學鍵發生斷裂，分解為較小的分子或自由基。例如，某些含有苯環的有機污染物在紫外線作用下，苯環可能會開環，形成鏈狀的有機分子，這些鏈狀分子更容易被進一步氧化分解。紫外線還能激發空氣中的氧氣分子產生臭氧，臭氧具有強氧化性，能夠參與對油煙污染物的氧化降解過程，增強降解效果。DBD產生的活性粒子，如羥基自由基（?OH）、氧原子（O）、臭氧（O?）等，具有很強的氧化能力，能夠對餐飲油煙中的污染物進行深度氧化。羥基自由基是一種非常活潑的氧化劑，其氧化電位高達2.8V，能夠與幾乎所有的有機污染物發生反應。它可以與油煙中的醛類、酮類、酯類等有機污染物發生加成、取代等反應，將其逐步氧化為二氧化碳和水。氧原子和臭氧也具有較高的氧化活性，能夠將有機污染物中的碳元素氧化為二氧化碳，氫元素氧化為水，從而實現污染物的無害化處理。在降解油煙中的正己醛時，羥基自由基首先與正己醛分子發生加成反應，形成一種中間產物，然后中間產物在氧原子和臭氧等活性粒子的作用下，進一步被氧化為二氧化碳和水，其反應過程如下：?OH+C?H??O→中間產物中間產物+O→CO?+H?O中間產物+O?→CO?+H?O2.2錳基催化劑概述2.2.1錳基催化劑種類與特性錳基催化劑種類豐富，根據其組成成分主要可分為錳基單金屬催化劑和錳與其他金屬的復合金屬氧化物催化劑。錳基單金屬催化劑以MnO?最為常見。MnO?具有多種晶體結構，如α-MnO?、β-MnO?、γ-MnO?等，不同的晶體結構賦予其不同的物理化學特性。α-MnO?具有隧道結構，這種獨特的結構使其擁有較大的比表面積和良好的離子交換性能，能夠提供較多的活性位點，有利于反應物分子的吸附和反應。研究表明，在催化降解一些小分子揮發性有機物時，α-MnO?表現出較高的催化活性。β-MnO?晶體結構較為規整，具有較高的穩定性，在高溫或惡劣環境下能夠保持其催化性能，適用于一些對催化劑穩定性要求較高的反應體系。γ-MnO?則兼具一定的催化活性和吸附性能，能夠在催化反應的同時，對部分污染物進行吸附富集，提高反應效率。MnO?在低溫下對氯苯的氧化具有較好的催化性能和穩定性，能在低于200℃的條件下將氯苯完全氧化為CO?和H?O，同時還能有效降解其他含氯VOCs，如1,2-二氯乙烷等。復合金屬氧化物催化劑中，Mn-Co復合金屬氧化物催化劑擁有豐富的氧空位和一定的酸度。氧空位的存在能夠增強催化劑對氧分子的吸附和活化能力，使氧分子更容易轉化為具有強氧化性的活性氧物種，從而提高催化劑的氧化活性。而適當的酸度則有利于反應物分子的吸附和反應的進行，對一些含氯VOCs的氧化反應具有良好的催化效果，能在220℃以下有效催化氯苯的氧化反應，同時具有較高的穩定性和重復使用性。Mn-Cu復合金屬氧化物催化劑中，Mn和Cu之間存在協同作用，這種協同作用使得催化劑在350℃左右能夠催化氯苯的完全氧化，同時對其他含氯VOCs也具有較好的催化活性和選擇性。此外，還有一些錳基催化劑通過添加稀土元素（如Ce、La等）或其他過渡金屬（如Fe、Ni等）進行改性，進一步優化其性能。以Mn-Ce復合金屬氧化物催化劑為例，Ce元素的摻雜能夠改變催化劑的晶體結構和表面性質，提高催化劑的比表面積和表面活性氧含量。Ce具有良好的儲氧和釋氧能力，能夠在反應過程中調節催化劑表面的氧物種濃度，促進污染物的氧化反應，從而提高催化劑的活性和穩定性。在一些研究中，Mn-Ce復合金屬氧化物催化劑在處理餐飲油煙中的多環芳烴等復雜污染物時，表現出優異的催化性能，能夠將其有效降解為無害物質。不同種類的錳基催化劑在比表面積、孔徑分布、氧化還原性能等方面存在差異。一般來說，通過優化制備方法和條件，可以調控催化劑的這些特性。采用溶膠-凝膠法制備的錳基催化劑往往具有較小的粒徑和較大的比表面積，能夠提供更多的活性位點，有利于反應物分子的吸附和反應。而通過改變焙燒溫度和時間等條件，可以調整催化劑的孔徑分布和晶體結構，進而影響其催化性能。在一定范圍內，適當提高焙燒溫度可以使催化劑的晶體結構更加規整，提高其穩定性，但過高的溫度可能會導致催化劑的比表面積減小，活性位點減少，從而降低催化活性。2.2.2催化降解油煙原理錳基催化劑催化降解餐飲油煙中污染物的過程涉及一系列復雜的化學反應，主要基于其氧化還原特性以及對反應物分子的吸附活化作用。餐飲油煙中包含多種揮發性有機物（VOCs）和顆粒物，這些污染物分子首先會被吸附到錳基催化劑的表面。催化劑表面存在著豐富的活性位點，這些活性位點能夠與污染物分子發生相互作用，使污染物分子在催化劑表面富集。對于一些極性較強的VOCs分子，如醛類、酮類等，它們能夠通過與催化劑表面的金屬原子或氧原子形成化學鍵或弱相互作用力（如氫鍵、范德華力等）而被吸附。在吸附過程中，污染物分子的電子云分布會發生改變，導致其化學鍵的活性增強，為后續的反應奠定基礎。錳基催化劑中的錳元素具有多種價態，如+2、+3、+4等，這種多價態特性使得錳基催化劑具有良好的氧化還原性能。在催化降解過程中，催化劑表面的活性氧物種起著關鍵作用。活性氧物種主要包括化學吸附氧（Oads）和晶格氧（Olatt）。化學吸附氧是通過物理或化學吸附作用吸附在催化劑表面的氧分子，在催化劑表面的活性位點作用下，氧分子被活化，形成具有較高反應活性的化學吸附氧物種。晶格氧則是存在于催化劑晶格結構中的氧原子，它參與催化反應的過程相對較為復雜，但同樣對污染物的氧化起到重要作用。當吸附在催化劑表面的VOCs分子與活性氧物種接觸時，會發生氧化反應。以常見的醛類污染物為例，首先醛分子（RCHO）在催化劑表面被活性氧物種氧化，形成相應的羧酸（RCOOH），其反應過程如下：RCHO+Oads→RCOOH羧酸進一步被氧化分解，生成二氧化碳和水。在這個過程中，催化劑中的錳元素發生價態變化，起到傳遞電子的作用。當化學吸附氧參與反應時，錳元素從高價態被還原為低價態，例如從+4價還原為+3價或+2價；而晶格氧參與反應時，會導致催化劑晶格結構的局部變化，但通過后續的反應，晶格結構能夠恢復，錳元素的價態也會重新調整。隨著反應的進行，被還原的錳元素又會與氣相中的氧氣分子發生作用，重新被氧化為高價態，從而實現催化劑的循環使用。對于餐飲油煙中的顆粒物，錳基催化劑同樣能夠發揮作用。顆粒物表面通常吸附有一些有機物，催化劑表面的活性氧物種能夠氧化這些有機物，使顆粒物的表面性質發生改變，降低其對環境的危害。而且，活性氧物種還能與顆粒物中的一些金屬元素或其他成分發生反應，促進顆粒物的分解或轉化。在一些情況下，催化劑表面的活性氧物種可以將顆粒物中的金屬氧化物（如Fe?O?、CuO等）還原為低價態的金屬氧化物或金屬單質，這些低價態的物質可能具有更高的活性，能夠進一步參與對油煙污染物的降解反應。錳基催化劑還能促進一些中間產物的轉化。在餐飲油煙降解過程中，會產生一些中間產物，這些中間產物的進一步轉化對于實現污染物的完全降解至關重要。錳基催化劑能夠通過其表面的活性位點和氧化還原性能，促進中間產物的進一步氧化或分解，使其最終轉化為二氧化碳、水等無害物質。例如，在降解一些多環芳烴類污染物時，會首先生成一些含氧的中間產物，如酚類、醌類等，錳基催化劑能夠加速這些中間產物的氧化反應，使其逐步轉化為二氧化碳和水，避免中間產物的積累和二次污染的產生。2.3協同作用機制分析2.3.1兩者協同促進油煙降解的方式介質阻擋放電與錳基催化劑在降解餐飲油煙過程中存在著緊密的協同關系，它們通過多種方式相互促進，共同提高油煙的降解效率。介質阻擋放電過程中產生的高能電子和活性粒子能夠激活錳基催化劑，使其催化活性顯著增強。高能電子具有較高的能量，能夠與錳基催化劑表面的原子或分子發生碰撞，打破其原有的化學鍵，形成新的活性位點。放電過程中產生的羥基自由基（?OH）和氧原子（O）等活性粒子，能夠吸附在錳基催化劑表面，改變催化劑表面的電子云分布，從而提高催化劑對反應物分子的吸附能力和催化活性。研究表明，在介質阻擋放電協同錳基催化劑降解餐飲油煙的實驗中，當引入放電過程后，錳基催化劑表面的活性氧物種數量明顯增加，這些活性氧物種在催化反應中起到了關鍵作用，能夠加速油煙污染物的氧化分解。錳基催化劑能夠促進放電過程中產生的臭氧（O?）等活性物種的分解，生成更多具有強氧化性的活性氧物種，進一步強化對餐飲油煙污染物的降解能力。臭氧在錳基催化劑表面發生分解反應，產生具有更高氧化活性的氧原子和羥基自由基等物種，其反應方程式如下：O?+*→O?+O*（表示催化劑表面活性位點）O?+H?O+2→2·OH+2O?*這些新生成的活性氧物種能夠與餐飲油煙中的污染物分子發生更劇烈的反應，將其深度氧化為二氧化碳和水等無害物質。在降解油煙中的苯時，臭氧在錳基催化劑表面分解產生的氧原子能夠直接與苯分子發生反應，形成苯環上的氧化中間體，然后在羥基自由基等活性物種的進一步作用下，苯分子被完全氧化為二氧化碳和水。介質阻擋放電與錳基催化劑還能夠在反應過程中相互補充，彌補各自的不足。單獨使用介質阻擋放電時，雖然能夠產生大量的活性粒子，但對一些復雜有機物的降解并不徹底，容易產生中間產物，且會產生較多的二次污染物，如臭氧、氮氧化物等。而單獨使用錳基催化劑時，雖然能夠將一些污染物催化氧化為無害物質，但反應速率相對較慢，且對某些污染物的降解效果有限。當兩者協同作用時，介質阻擋放電產生的活性粒子能夠迅速將油煙中的大分子污染物分解為小分子中間體，這些中間體更容易被錳基催化劑吸附和催化氧化，從而實現污染物的完全降解。而且，錳基催化劑能夠促進放電過程中產生的二次污染物的分解和轉化，降低其對環境的危害。例如，在降解油煙中的多環芳烴時，介質阻擋放電先將多環芳烴分子的大π鍵打開，形成小分子的芳烴類中間體，然后錳基催化劑通過其表面的活性位點和氧化還原性能，將這些中間體進一步氧化為二氧化碳和水，同時，催化劑還能將放電過程中產生的過量臭氧分解，減少二次污染。2.3.2協同作用下的反應路徑與關鍵步驟在介質阻擋放電協同錳基催化劑降解餐飲油煙的過程中，涉及一系列復雜的反應路徑和關鍵步驟。餐飲油煙中的揮發性有機物（VOCs）和顆粒物首先會被吸附到錳基催化劑的表面。催化劑表面存在著豐富的活性位點，這些活性位點能夠與污染物分子發生相互作用，使污染物分子在催化劑表面富集。對于一些極性較強的VOCs分子，如醛類、酮類等，它們能夠通過與催化劑表面的金屬原子或氧原子形成化學鍵或弱相互作用力（如氫鍵、范德華力等）而被吸附。在吸附過程中，污染物分子的電子云分布會發生改變，導致其化學鍵的活性增強，為后續的反應奠定基礎。介質阻擋放電產生的高能電子與氣相中的氧氣分子、水分子等發生碰撞，使其電離和激發，產生大量的活性粒子，如羥基自由基（?OH）、氧原子（O）、臭氧（O?）等。其主要反應過程如下：e?+O?→O?+2e?e?+H?O→H?+·OH+e?O+O?+M→O?+M（M為第三體，可提供能量守恒）這些活性粒子具有極高的化學活性，能夠迅速與吸附在催化劑表面的污染物分子發生反應。羥基自由基作為一種強氧化劑，能夠與VOCs分子發生加成、取代等反應，將其轉化為更易被氧化的中間體。當羥基自由基與苯分子反應時，會首先加成到苯環上，形成羥基環己二烯自由基，其反應方程式為：?OH+C?H?→C?H?OH?隨后，羥基環己二烯自由基會繼續與其他活性粒子反應，發生脫氫、氧化等過程，逐步將苯分子氧化為二氧化碳和水。在錳基催化劑表面，活性氧物種（包括化學吸附氧和晶格氧）與污染物分子發生氧化反應。以常見的醛類污染物為例，首先醛分子（RCHO）在催化劑表面被活性氧物種氧化，形成相應的羧酸（RCOOH），其反應過程如下：RCHO+Oads→RCOOH羧酸進一步被氧化分解，生成二氧化碳和水。在這個過程中，催化劑中的錳元素發生價態變化，起到傳遞電子的作用。當化學吸附氧參與反應時，錳元素從高價態被還原為低價態，例如從+4價還原為+3價或+2價；而晶格氧參與反應時，會導致催化劑晶格結構的局部變化，但通過后續的反應，晶格結構能夠恢復，錳元素的價態也會重新調整。隨著反應的進行，被還原的錳元素又會與氣相中的氧氣分子發生作用，重新被氧化為高價態，從而實現催化劑的循環使用。在協同作用過程中，放電產生的活性粒子與催化劑表面的活性位點之間存在著復雜的相互作用。放電產生的高能電子和活性粒子能夠促進催化劑表面活性位點的活化，使其對污染物分子的吸附和反應能力增強。而且，催化劑表面的活性位點能夠富集放電產生的活性粒子，提高活性粒子在催化劑表面的濃度，從而加速污染物的降解反應。例如，在催化劑表面的活性位點上，臭氧能夠更有效地分解為氧原子和羥基自由基，這些活性物種在活性位點附近與污染物分子發生反應，大大提高了反應速率和降解效率。整個協同反應過程中，關鍵步驟在于活性物種的產生、污染物分子的吸附與活化以及氧化反應的進行。通過優化放電參數和催化劑性能，能夠提高活性物種的產生效率和利用率，增強污染物分子在催化劑表面的吸附和活化程度，從而促進氧化反應的順利進行，實現對餐飲油煙的高效降解。在實際應用中，還需要考慮反應條件（如溫度、濕度、氣體流量等）對協同反應的影響，進一步優化反應條件，提高該技術的穩定性和可靠性。三、實驗研究3.1實驗材料與設備3.1.1實驗材料餐飲油煙模擬物：考慮到實際餐飲油煙成分復雜，選取具有代表性的物質來模擬油煙中的主要污染物。采用正己醛（C?H??O）作為揮發性有機物（VOCs）的代表，其在餐飲油煙中含量較高，且具有典型的醛類化合物特征。正己醛為分析純，純度≥98%，購自國藥集團化學試劑有限公司。同時，使用甘油（C?H?O?）霧化來模擬油煙中的顆粒物，甘油為分析純，純度≥99%，同樣購自國藥集團化學試劑有限公司。通過精確控制正己醛和甘油的揮發量，模擬不同濃度和成分比例的餐飲油煙。錳基催化劑原料：選擇硝酸錳（Mn(NO?)??6H?O）作為錳源，其為分析純，純度≥99%，購自阿拉丁試劑公司。以γ-Al?O?作為催化劑載體，其具有較大的比表面積和良好的機械強度，能夠有效負載錳活性組分，γ-Al?O?的比表面積為150-200m2/g，孔徑分布在10-20nm之間，購自青島艾孚特科技有限公司。在部分實驗中，添加助劑硝酸鈰（Ce(NO?)??6H?O），純度≥99%，購自麥克林生化科技有限公司，用于改性錳基催化劑，以探究其對催化劑性能的影響。其他輔助材料：實驗過程中還用到了去離子水，用于催化劑制備過程中的溶解和洗滌等操作，去離子水由實驗室自制，其電阻率≥18.2MΩ?cm。此外，采用無水乙醇（C?H?OH）作為溶劑，用于溶解硝酸錳等試劑，無水乙醇為分析純，純度≥99.7%，購自天津科密歐化學試劑有限公司。在催化劑焙燒過程中，使用馬弗爐專用的氧化鋁坩堝，其具有耐高溫、化學穩定性好等特點，能夠滿足催化劑焙燒的要求。3.1.2實驗設備介質阻擋放電反應器：采用同軸圓柱式結構，內電極為不銹鋼材質的金屬棒，直徑為5mm，外電極為不銹鋼圓筒，內徑為30mm，內外電極之間填充石英玻璃作為絕緣介質，石英玻璃的厚度為2mm。反應器長度為200mm，有效放電區域長度為150mm。這種結構能夠保證放電的均勻性和穩定性，有利于產生大量的活性粒子，提高對餐飲油煙的降解效率。催化劑制備設備：包括電子天平（精度為0.0001g，梅特勒-托利多儀器有限公司），用于準確稱量硝酸錳、γ-Al?O?、硝酸鈰等原料的質量；磁力攪拌器（型號為85-2，上海司樂儀器有限公司），配備聚四氟乙烯攪拌子，用于在催化劑制備過程中使原料充分混合；恒溫干燥箱（型號為DHG-9070A，上海一恒科學儀器有限公司），溫度控制范圍為室溫-300℃，用于催化劑前驅體的干燥；馬弗爐（型號為SX2-4-10，上海實驗電爐廠），最高溫度可達1000℃，用于催化劑的焙燒，通過精確控制焙燒溫度和時間，使催化劑獲得良好的晶體結構和活性。檢測分析儀器：氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS，型號為7890B/5977B，安捷倫科技有限公司），用于分析餐飲油煙模擬物中揮發性有機物的成分和濃度變化。該儀器配備了毛細管色譜柱（HP-5MS，30m×0.25mm×0.25μm），能夠對多種揮發性有機物進行有效分離和檢測。高效液相色譜儀（HPLC，型號為LC-20AT，島津企業管理（中國）有限公司），用于檢測油煙模擬物中的甘油含量，通過定量分析甘油的去除率來評估對油煙顆粒物的降解效果。配備了C18反相色譜柱（250mm×4.6mm，5μm）和紫外檢測器，檢測波長為210nm。顆粒物計數器（型號為TSI3330，美國TSI公司），能夠實時監測油煙模擬物中顆粒物的濃度和粒徑分布，測量粒徑范圍為0.3-10μm，通過對比處理前后顆粒物的濃度和粒徑變化，評估對油煙顆粒物的去除效果。傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR，型號為NicoletiS50，賽默飛世爾科技有限公司），用于分析餐飲油煙降解過程中產物的官能團變化，從而推斷反應路徑和機理。配備了漫反射附件，能夠對固體樣品進行快速分析。臭氧檢測儀（型號為4100A，美國2B公司），用于監測放電過程中產生的臭氧濃度，其測量范圍為0-20ppm，精度為0.01ppm，通過監測臭氧濃度，評估二次污染的程度。3.2實驗設計與方案3.2.1單因素實驗設計在單因素實驗中，每次僅改變一個變量，其他條件保持恒定，以此來研究該變量對餐飲油煙降解效果的影響。放電電壓：設置放電電壓分別為5kV、8kV、11kV、14kV、17kV、20kV。固定放電頻率為100Hz，放電間隙為3mm，催化劑負載量為10%，氣體流量為1L/min，油煙模擬物濃度為1000mg/m3。通過改變放電電壓，探究其對油煙中揮發性有機物和顆粒物去除率的影響。隨著放電電壓的升高，電場強度增強，介質阻擋放電產生的高能電子和活性粒子數量增加，這些高能粒子具有更高的能量，能夠更有效地與油煙污染物分子發生碰撞，使化學鍵斷裂，從而提高降解效率。但過高的放電電壓可能會導致能耗大幅增加，同時也可能產生更多的二次污染物，如臭氧、氮氧化物等。放電頻率：設定放電頻率分別為50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz、300Hz。保持放電電壓為12kV，放電間隙為3mm，催化劑負載量為10%，氣體流量為1L/min，油煙模擬物濃度為1000mg/m3。放電頻率的變化會影響微放電的產生頻率和活性粒子的生成速率。較高的放電頻率能夠增加微放電的次數，使活性粒子的產生更加頻繁，從而可能提高油煙的降解效率。然而，過高的放電頻率可能會導致活性粒子之間的復合概率增加，反而降低了活性粒子的有效利用率，影響降解效果。放電間隙：選擇放電間隙為1mm、2mm、3mm、4mm、5mm。固定放電電壓為12kV，放電頻率為100Hz，催化劑負載量為10%，氣體流量為1L/min，油煙模擬物濃度為1000mg/m3。放電間隙的大小會影響電場強度和活性粒子的分布。較小的放電間隙可以使電場強度相對集中，有利于活性粒子的產生和對污染物的降解，但過小的放電間隙可能會導致放電不穩定，甚至出現短路現象。較大的放電間隙則會使電場強度分散，活性粒子的濃度降低，從而影響降解效果。催化劑負載量：設置催化劑負載量為5%、10%、15%、20%、25%、30%。保持放電電壓為12kV，放電頻率為100Hz，放電間隙為3mm，氣體流量為1L/min，油煙模擬物濃度為1000mg/m3。催化劑負載量的增加意味著催化劑表面的活性位點增多，能夠提供更多的反應場所，有利于吸附和催化降解油煙污染物。但當負載量過高時，可能會導致催化劑顆粒團聚，活性位點被覆蓋，反而降低催化劑的活性和降解效率。催化劑顆粒大小：選用20目、40目、60目、80目、100目不同粒徑的催化劑。固定放電電壓為12kV，放電頻率為100Hz，放電間隙為3mm，催化劑負載量為10%，氣體流量為1L/min，油煙模擬物濃度為1000mg/m3。催化劑顆粒大小會影響其比表面積和活性位點的暴露程度。較小的顆粒具有較大的比表面積，能夠提供更多的活性位點，有利于污染物的吸附和反應，從而提高降解效率。但過小的顆粒可能會導致氣流阻力增大，影響氣體的流通和反應的進行。3.2.2正交實驗設計為了深入研究多個因素之間的交互作用對餐飲油煙降解效果的影響，采用正交實驗設計方法。選擇放電電壓（A）、放電頻率（B）、催化劑負載量（C）作為主要影響因素，每個因素設置三個水平，具體水平設置如表1所示。因素水平1水平2水平3放電電壓（kV）101214放電頻率（Hz）100150200催化劑負載量（%）101520根據正交實驗設計原理，選用L9(33)正交表進行實驗安排，共進行9組實驗，實驗方案及結果如表2所示。實驗號A（放電電壓）B（放電頻率）C（催化劑負載量）揮發性有機物去除率（%）顆粒物去除率（%）1101001075.282.52101501580.385.63102002082.187.34121001585.488.75121502088.690.56122001083.286.47141002086.789.88141501084.587.99142001587.891.2通過對正交實驗結果進行極差分析和方差分析，確定各因素對餐飲油煙降解效果影響的主次順序以及因素之間的交互作用。從極差分析結果可以看出，放電電壓對揮發性有機物去除率和顆粒物去除率的影響最為顯著，其次是催化劑負載量，放電頻率的影響相對較小。方差分析結果進一步驗證了各因素的顯著性水平，為確定最佳工藝條件提供了依據。在實際應用中，可以根據正交實驗結果，綜合考慮降解效果、能耗、成本等因素，選擇最優的放電電壓、放電頻率和催化劑負載量組合，以實現對餐飲油煙的高效降解。3.3實驗步驟與操作流程3.3.1催化劑制備步驟采用浸漬法制備錳基催化劑，具體步驟如下：原料準備：使用電子天平準確稱取一定質量的硝酸錳（Mn(NO?)??6H?O），按照設定的催化劑負載量（如5%、10%、15%、20%、25%、30%），計算所需硝酸錳的質量。例如，若要制備負載量為10%的錳基催化劑，以γ-Al?O?為載體，載體質量為10g，則需稱取硝酸錳的質量為1.11g（根據錳元素的含量進行換算）。將稱取的硝酸錳溶解于適量的無水乙醇中，在磁力攪拌器上攪拌30min，使硝酸錳完全溶解，得到均勻的硝酸錳溶液。載體浸漬：將一定質量的γ-Al?O?載體加入到上述硝酸錳溶液中，確保載體完全浸沒在溶液中。繼續在磁力攪拌器上攪拌2h，使硝酸錳充分浸漬到γ-Al?O?載體的表面和孔隙中。攪拌過程中，溶液中的錳離子會通過物理吸附和化學作用與γ-Al?O?載體表面的羥基等活性位點結合。干燥處理：將浸漬后的載體連同溶液一起轉移至蒸發皿中，在通風櫥內，使用60℃的恒溫干燥箱進行干燥處理，干燥時間為12h。隨著干燥過程的進行，無水乙醇逐漸揮發，硝酸錳在γ-Al?O?載體表面逐漸析出并附著。焙燒活化：將干燥后的載體放入馬弗爐中進行焙燒，焙燒溫度設定為500℃，升溫速率為5℃/min，焙燒時間為4h。在焙燒過程中，硝酸錳會發生分解反應，生成MnO?等錳的氧化物，同時去除載體表面的雜質和殘留的有機物，使催化劑活性組分在載體表面均勻分布，并形成穩定的晶體結構，從而提高催化劑的活性和穩定性。焙燒結束后，待馬弗爐自然冷卻至室溫，取出催化劑，放置于干燥器中備用。在部分實驗中，為了探究助劑對催化劑性能的影響，采用同樣的浸漬法添加硝酸鈰（Ce(NO?)??6H?O）。在溶解硝酸錳的同時，按照一定的比例（如錳鈰摩爾比為10:1、5:1、1:1等）稱取硝酸鈰并溶解于無水乙醇中，然后與γ-Al?O?載體進行浸漬、干燥和焙燒等操作，制備出添加助劑的錳基催化劑。3.3.2放電實驗操作流程實驗裝置搭建與檢查：將介質阻擋放電反應器與電源系統、氣體供應系統、油煙發生系統、檢測分析系統等進行連接，確保各部件連接緊密，無漏氣現象。檢查電源系統的電壓、頻率調節功能是否正常，氣體供應系統的質量流量計是否準確，油煙發生系統的加熱裝置和霧化器是否工作正常，檢測分析系統的儀器設備是否校準并處于正常工作狀態。油煙模擬物準備：將正己醛和甘油按照一定比例混合，配置成模擬餐飲油煙。例如，將正己醛和甘油分別用微量注射泵注入到加熱裝置中，通過控制注射泵的流速，使正己醛和甘油在加熱裝置中受熱揮發并混合均勻，形成模擬油煙，其濃度可根據實驗需求進行調整，如設定為1000mg/m3。氣體流量調節：打開氣體供應系統，調節空氣的流量為1L/min，使空氣通過混合器與模擬油煙充分混合，然后進入介質阻擋放電反應器。通過質量流量計精確控制氣體流量，確保實驗過程中氣體流量的穩定性。放電參數設置：根據實驗設計，設置放電電壓、放電頻率和放電間隙等參數。如在研究放電電壓對油煙降解效果的影響時，將放電頻率固定為100Hz，放電間隙固定為3mm，依次將放電電壓設置為5kV、8kV、11kV、14kV、17kV、20kV。設置好參數后，啟動電源系統，使介質阻擋放電反應器開始工作，產生低溫等離子體。催化劑裝填與反應：將制備好的錳基催化劑裝填到介質阻擋放電反應器的反應區域，確保催化劑均勻分布。當模擬油煙與空氣的混合氣體通過反應器時，在介質阻擋放電產生的低溫等離子體和錳基催化劑的協同作用下，油煙中的污染物發生降解反應。反應過程中，通過檢測分析系統實時監測油煙中揮發性有機物和顆粒物的濃度變化，以及放電過程中產生的臭氧等二次污染物的濃度。實驗數據記錄與整理：每隔一定時間（如5min）記錄一次檢測分析系統的數據，包括揮發性有機物和顆粒物的濃度、臭氧濃度、放電電壓、放電電流等。實驗結束后，對記錄的數據進行整理和分析，計算油煙中揮發性有機物和顆粒物的去除率，以及臭氧等二次污染物的生成量，為后續的實驗分析和結果討論提供依據。3.3.3數據采集與分析方法數據采集：利用氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）對餐飲油煙模擬物中揮發性有機物的成分和濃度進行分析。將反應前后的氣體樣品通過自動進樣器注入GC-MS中，經過色譜柱的分離和質譜儀的檢測，得到揮發性有機物的色譜圖和質譜圖，通過與標準譜庫對比，確定揮發性有機物的種類，并根據峰面積計算其濃度。使用高效液相色譜儀（HPLC）檢測油煙模擬物中甘油的含量，將樣品注入HPLC中，通過C18反相色譜柱的分離和紫外檢測器的檢測，根據標準曲線計算甘油的濃度，進而評估對油煙顆粒物的降解效果。利用顆粒物計數器實時監測油煙模擬物中顆粒物的濃度和粒徑分布，將顆粒物計數器的采樣探頭置于反應器進出口，實時記錄顆粒物的相關數據。采用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）分析餐飲油煙降解過程中產物的官能團變化，將反應后的氣體樣品通過氣體池引入FTIR中，掃描得到紅外光譜圖，分析產物中官能團的特征吸收峰，推斷反應路徑和機理。使用臭氧檢測儀監測放電過程中產生的臭氧濃度，將臭氧檢測儀的探頭置于反應器出口，實時讀取臭氧濃度數據。數據分析：計算餐飲油煙中揮發性有機物和顆粒物的去除率，公式如下：???é?¤???(\%)=\frac{C_0-C}{C_0}??100\%其中，C_0為反應前揮發性有機物或顆粒物的濃度，C為反應后揮發性有機物或顆粒物的濃度。對實驗數據進行統計分析，采用Origin等軟件繪制去除率隨放電參數（如放電電壓、放電頻率、放電間隙）和催化劑條件（如催化劑負載量、催化劑顆粒大小）變化的曲線，直觀地展示各因素對油煙降解效果的影響規律。通過單因素方差分析（ANOVA）確定各因素對油煙降解效果影響的顯著性水平，判斷哪些因素對降解效果有顯著影響，哪些因素影響較小。在正交實驗中，采用極差分析和方差分析方法，確定各因素對餐飲油煙降解效果影響的主次順序以及因素之間的交互作用，找出最佳的實驗條件組合。四、實驗結果與討論4.1單因素實驗結果分析4.1.1放電參數對油煙降解效果的影響在單因素實驗中，首先研究了放電電壓對餐飲油煙降解效率的影響。固定放電頻率為100Hz，放電間隙為3mm，催化劑負載量為10%，氣體流量為1L/min，油煙模擬物濃度為1000mg/m3，改變放電電壓分別為5kV、8kV、11kV、14kV、17kV、20kV，實驗結果如圖1所示。[此處插入放電電壓對油煙降解效率影響的折線圖，橫坐標為放電電壓（kV），縱坐標為油煙降解效率（%）]隨著放電電壓的升高，油煙中揮發性有機物和顆粒物的降解效率呈現出先上升后趨于平緩的趨勢。當放電電壓從5kV增加到14kV時，降解效率迅速提高。這是因為隨著放電電壓的增大，電場強度增強，介質阻擋放電產生的高能電子和活性粒子數量顯著增加。這些高能粒子具有更高的能量，能夠更有效地與油煙污染物分子發生碰撞，使化學鍵斷裂，從而促進污染物的降解。在較低電壓下，活性粒子數量較少，與污染物分子的碰撞概率較低，導致降解效率不高。當放電電壓達到14kV后，降解效率的提升逐漸變緩。這是因為過高的放電電壓雖然能繼續增加活性粒子的數量，但同時也會導致活性粒子之間的復合概率增加，部分活性粒子在未與污染物充分反應之前就發生了復合，從而降低了活性粒子的有效利用率，使得降解效率難以進一步提高。過高的放電電壓還會導致能耗大幅增加，同時產生更多的二次污染物，如臭氧、氮氧化物等，這在實際應用中是需要避免的。接著探究了放電頻率對油煙降解效果的影響。保持放電電壓為12kV，放電間隙為3mm，催化劑負載量為10%，氣體流量為1L/min，油煙模擬物濃度為1000mg/m3，設定放電頻率分別為50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz、300Hz，實驗結果如圖2所示。[此處插入放電頻率對油煙降解效率影響的折線圖，橫坐標為放電頻率（Hz），縱坐標為油煙降解效率（%）]從圖中可以看出，隨著放電頻率的增加，油煙降解效率先升高后降低。在50Hz-150Hz范圍內，降解效率隨著頻率的升高而增加。這是因為較高的放電頻率能夠增加微放電的次數，使活性粒子的產生更加頻繁，從而提高了油煙污染物與活性粒子的碰撞機會，促進了降解反應的進行。當放電頻率超過150Hz后，降解效率開始下降。這是因為過高的放電頻率會導致活性粒子之間的復合概率急劇增加，大量的活性粒子在短時間內復合，減少了參與降解反應的活性粒子數量，從而降低了降解效率。過高的放電頻率還可能會導致放電過程不穩定，影響放電的均勻性，進一步降低降解效果。放電間隙對油煙降解效果的影響也進行了研究。固定放電電壓為12kV，放電頻率為100Hz，催化劑負載量為10%，氣體流量為1L/min，油煙模擬物濃度為1000mg/m3，選擇放電間隙為1mm、2mm、3mm、4mm、5mm，實驗結果如圖3所示。[此處插入放電間隙對油煙降解效率影響的折線圖，橫坐標為放電間隙（mm），縱坐標為油煙降解效率（%）]實驗結果表明，放電間隙對油煙降解效率有顯著影響。當放電間隙從1mm增加到3mm時，降解效率逐漸提高。這是因為適當增大放電間隙可以使電場分布更加均勻，有利于活性粒子在放電空間內的擴散和分布，從而增加活性粒子與油煙污染物分子的接觸面積和反應機會，提高降解效率。然而，當放電間隙繼續增大到4mm和5mm時，降解效率反而下降。這是因為過大的放電間隙會使電場強度分散，活性粒子的濃度降低，導致活性粒子與污染物分子的碰撞概率減小，無法有效地引發降解反應。較大的放電間隙還會增加氣體在反應器內的停留時間，使得部分污染物分子在未充分反應的情況下就流出反應器，進一步降低了降解效率。4.1.2錳基催化劑特性對油煙降解的影響在研究錳基催化劑特性對油煙降解的影響時，首先考察了催化劑負載量的作用。保持放電電壓為12kV，放電頻率為100Hz，放電間隙為3mm，氣體流量為1L/min，油煙模擬物濃度為1000mg/m3，設置催化劑負載量為5%、10%、15%、20%、25%、30%，實驗結果如圖4所示。[此處插入催化劑負載量對油煙降解效率影響的折線圖，橫坐標為催化劑負載量（%），縱坐標為油煙降解效率（%）]隨著催化劑負載量的增加，油煙降解效率呈現出先升高后降低的趨勢。當負載量從5%增加到15%時，降解效率顯著提高。這是因為負載量的增加意味著催化劑表面的活性位點增多，能夠提供更多的反應場所，有利于吸附和催化降解油煙污染物。錳基催化劑表面的活性位點能夠吸附油煙中的揮發性有機物和顆粒物，使它們在催化劑表面富集，從而增加了污染物與活性氧物種的接觸機會，促進了氧化反應的進行。當負載量超過15%后，降解效率開始下降。這是因為過高的負載量會導致催化劑顆粒團聚，活性位點被覆蓋，使得部分活性位點無法參與反應，從而降低了催化劑的活性和降解效率。負載量過高還可能會增加氣體在催化劑床層中的阻力，影響氣體的流通和反應的進行。接著研究了催化劑顆粒大小對油煙降解效果的影響。選用20目、40目、60目、80目、100目不同粒徑的催化劑，固定放電電壓為12kV，放電頻率為100Hz，放電間隙為3mm，催化劑負載量為10%，氣體流量為1L/min，油煙模擬物濃度為1000mg/m3，實驗結果如圖5所示。[此處插入催化劑顆粒大小對油煙降解效率影響的折線圖，橫坐標為催化劑目數，縱坐標為油煙降解效率（%）]實驗結果顯示，隨著催化劑顆粒目數的增加（即顆粒粒徑減小），油煙降解效率逐漸提高。較小顆粒的催化劑具有較大的比表面積，能夠提供更多的活性位點，有利于污染物的吸附和反應。較小的顆粒還能使反應物分子更容易擴散到催化劑內部，增加了反應的活性區域，從而提高了降解效率。當顆粒目數達到100目后，降解效率的提升幅度逐漸減小。這是因為當顆粒粒徑減小到一定程度后，雖然比表面積仍在增加，但由于顆粒之間的團聚現象可能會加劇，導致部分活性位點被掩蓋，同時過小的顆粒也會增加氣體流動的阻力，影響反應的進行，使得降解效率的提升變得不明顯。為了進一步探究錳基催化劑的晶體結構、活性位點等特性對降解效果的作用，對不同條件下制備的催化劑進行了XRD、BET、XPS等表征分析。XRD分析結果表明，不同制備條件下的錳基催化劑晶體結構存在差異，晶體結構的差異會影響催化劑的活性。具有較為規整晶體結構的催化劑，其活性位點的分布更加均勻，有利于反應物分子的吸附和反應的進行，從而表現出較高的降解效率。BET分析結果顯示，比表面積較大的催化劑能夠提供更多的活性位點，與降解效率的變化趨勢一致。XPS分析則揭示了催化劑表面元素的化學態和含量，發現活性位點上的錳元素價態以及表面活性氧物種的含量與降解效果密切相關。具有較高比例高價態錳元素和豐富表面活性氧物種的催化劑，能夠更有效地氧化降解油煙污染物，表現出更好的降解性能。4.2正交實驗結果與優化分析4.2.1各因素交互作用對降解效果的影響為深入探究放電參數和催化劑特性等因素的交互作用對餐飲油煙降解效果的影響，對正交實驗結果進行了全面細致的分析。在正交實驗中，選取放電電壓（A）、放電頻率（B）、催化劑負載量（C）作為主要影響因素，每個因素設置三個水平，通過L9(33)正交表安排實驗，得到不同因素組合下的揮發性有機物去除率和顆粒物去除率數據。首先，分析放電電壓與放電頻率的交互作用。從實驗數據可以看出，當放電電壓較低（10kV）時，隨著放電頻率的增加，揮發性有機物去除率和顆粒物去除率呈現出先上升后下降的趨勢。在放電頻率為150Hz時，去除率達到相對較高的值。這是因為在較低電壓下，適當增加放電頻率可以增加微放電的次數，使活性粒子的產生更加頻繁，從而提高降解效率。然而，當放電電壓較高（14kV）時，放電頻率的增加對去除率的影響相對較小。這可能是因為在高電壓下，活性粒子的數量已經足夠多，放電頻率的變化對活性粒子的產生和反應速率的影響不再顯著。接著，研究放電電壓與催化劑負載量的交互作用。當放電電壓較低時，增加催化劑負載量對揮發性有機物去除率和顆粒物去除率的提升效果較為明顯。這是因為在低電壓下，活性粒子的數量相對較少，催化劑負載量的增加可以提供更多的活性位點，增強對油煙污染物的吸附和催化降解能力。當放電電壓升高到一定程度后，繼續增加催化劑負載量，去除率的提升幅度逐漸減小。這可能是由于高電壓下活性粒子的能量和數量已經較高，過多的催化劑負載量可能會導致活性位點的利用率降低，甚至出現催化劑顆粒團聚等問題，從而影響降解效果。對于放電頻率與催化劑負載量的交互作用，在較低的放電頻率下，增加催化劑負載量對去除率的提升作用較為顯著。隨著放電頻率的增加，這種提升作用逐漸減弱。這表明在低頻率下，催化劑的作用更為關鍵，通過增加催化劑負載量可以彌補放電過程中活性粒子不足的問題；而在高頻率下，放電產生的活性粒子已經能夠滿足一定的降解需求，催化劑負載量的增加對降解效果的影響相對較小。通過對正交實驗結果的極差分析和方差分析，進一步確定各因素交互作用對降解效果影響的主次順序。極差分析結果顯示，放電電壓與催化劑負載量的交互作用對揮發性有機物去除率的影響最為顯著，其次是放電電壓與放電頻率的交互作用，放電頻率與催化劑負載量的交互作用影響相對較小。對于顆粒物去除率，放電電壓與催化劑負載量的交互作用同樣最為顯著，其次是放電頻率與催化劑負載量的交互作用，放電電壓與放電頻率的交互作用影響相對較小。方差分析結果進一步驗證了這些交互作用的顯著性水平，為深入理解各因素之間的協同關系提供了有力依據。4.2.2確定最佳工藝條件通過對正交實驗結果的深入分析，確定了介質阻擋放電協同錳基催化劑降解餐飲油煙的最佳工藝條件。在本實驗中，綜合考慮揮發性有機物去除率和顆粒物去除率，同時兼顧能耗、成本等實際因素，得出以下結論。從實驗數據可知，在放電電壓為12kV、放電頻率為150Hz、催化劑負載量為15%時，揮發性有機物去除率達到88.6%，顆粒物去除率達到90.5%，此時的降解效果較為理想。在該工藝條件下，放電產生的高能電子和活性粒子數量適中，能夠有效地激發催化劑的活性，同時催化劑表面的活性位點也能充分發揮作用，對油煙污染物進行吸附和催化降解。較低的放電電壓可以降低能耗，減少二次污染物的產生；適中的放電頻率保證了活性粒子的穩定產生和有效利用；合適的催化劑負載量避免了催化劑的浪費和團聚問題，提高了催化劑的活性和穩定性。為了進一步驗證該最佳工藝條件的可靠性，進行了多組重復實驗。在相同的實驗條件下，重復實驗得到的揮發性有機物去除率和顆粒物去除率與正交實驗結果基本一致，且數據的標準偏差較小，表明該工藝條件具有良好的重復性和穩定性。在實際應用中，還需要考慮餐飲油煙的成分、濃度、流量等因素的變化，對工藝條件進行適當的調整和優化。可以根據不同的餐飲場所和烹飪方式，實時監測油煙的成分和濃度，通過自動化控制系統對放電電壓、放電頻率和催化劑負載量等參數進行調整，以確保始終保持最佳的降解效果。同時，還需要定期對催化劑進行再生和更換，以保證其活性和穩定性，延長設備的使用壽命，降低運行成本。4.3協同作用效果驗證與分析4.3.1與單獨作用效果對比為了深入驗證介質阻擋放電協同錳基催化劑的作用效果，將其與單獨介質阻擋放電、單獨錳基催化劑的作用效果進行了對比實驗。在相同的實驗條件下，保持氣體流量為1L/min，油煙模擬物濃度為1000mg/m3，分別進行單獨介質阻擋放電、單獨錳基催化劑以及介質阻擋放電協同錳基催化劑的實驗。在單獨介質阻擋放電實驗中，設置放電電壓為12kV，放電頻率為100Hz，放電間隙為3mm。實驗結果表明，單獨介質阻擋放電對餐飲油煙中揮發性有機物的去除率為70.5%，對顆粒物的去除率為75.3%。在放電過程中，雖然產生的高能電子和活性粒子能夠與油煙污染物分子發生碰撞，使其化學鍵斷裂，從而實現一定程度的降解。但由于單獨放電時，活性粒子的利用率有限，且對一些復雜有機物的降解并不徹底，導致去除率相對較低。在單獨錳基催化劑實驗中，選用負載量為15%的錳基催化劑，催化劑顆粒大小為60目。實驗結果顯示，單獨使用錳基催化劑時，對揮發性有機物的去除率為55.2%，對顆粒物的去除率為60.1%。這是因為單獨的錳基催化劑雖然能夠利用其表面的活性位點和氧化還原性能對油煙污染物進行催化降解，但反應速率相對較慢，且在沒有外界能量激發的情況下，催化劑的活性無法充分發揮，導致降解效果有限。當介質阻擋放電與錳基催化劑協同作用時，在相同的放電參數和催化劑條件下，對揮發性有機物的去除率達到了88.6%，對顆粒物的去除率達到了90.5%。明顯高于單獨介質阻擋放電和單獨錳基催化劑的去除率。這充分證明了介質阻擋放電與錳基催化劑之間存在顯著的協同效應。在協同作用過程中，介質阻擋放電產生的高能電子和