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粉尘会诱发职业性尘肺病，危害人群健康[1]；且粉尘还存在爆炸危险等安全风险[2]。因此，作业场所粉尘的控制具有重要的现实意义。传统的端流式过滤除尘技术 (图1 (a) ) ，具有净化效率高、工艺简单等优点而广泛运用于除尘领域[3]。但端流式过滤过滤阻力上升快、风机能耗大。错流式过滤除尘技术 (图1 (b) ) ，利用切向流的剪切力抑制尘饼生长变厚、阻滞过滤阻力上升[4]，对于处理大风量高浓度粉尘具有优势。错流式过滤除尘一般采用内滤方式[5]，对错滤面上的持续累积的粉尘可采用脉冲喷吹进行清灰。
目前，除尘滤芯的脉冲喷吹清灰已被广泛研究。林莉君等[6]研究了外滤式滤芯内部的脉冲喷吹清灰，在滤芯长度方向上，上部受到的压力最小、中部次之、底部最大；喷吹压力越大，滤芯内压力越大。LI等[7]提出在外滤式滤芯内部设置锥体，能提高脉喷气流的强度，显著提升了中部和顶部滤芯所受压力，改善滤芯压力分布提高脉喷清灰效果。艾子昂等[8]通过在外滤式滤芯内部增设半密闭式气流隔板，降低气流能量损耗，在[R,r]=[120,60]的情况下滤芯所受压力提升至2.11倍，清灰均匀性提升4.11倍，增强了滤芯内整体脉喷清灰性能。薛峰等[9]通过改进喷嘴，设计上部开口散射器和诱导喷嘴改善喷吹流场，提升外滤式滤芯的脉喷清灰性能，在定阻模式清灰条件下对比普通喷嘴清灰间隔分别延长220 s、95 s。QIU等[10]改进内部设置锥体为褶皱式锥体并考察锥体高度提升脉喷清灰的均匀性，在高度为760 mm时清灰效果最好。CHEN等[11]研究了褶式滤芯不同褶皱形状对滤芯脉喷清灰性能的影响，采用梯形褶式结构降低压力损失来提升外滤式滤芯脉喷清灰性能。CHEN等[12]提出了多脉冲喷吹技术改进喷吹策略提升外滤式滤芯清灰效果，喷吹压力提升6.5 %。然而，目前关于滤芯脉冲喷吹清灰的研究主要对象是外滤式滤芯，针对内滤式滤芯的脉喷清灰的研究不足。
本研究拟通过构建CFD数值模型，考察清灰装置的气流流场及错流内滤式滤芯压力变化，探究喷嘴入口压力的影响，考察错流滤芯所受压力随挡板位置移动的变化规律，并设计挡板往复式喷吹策略与其他喷吹策略进行对比，为内滤式滤芯的脉喷清灰设计提供参考。
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本模拟研究以错滤-端滤复合实验装置为基础，系统结构如图2 (a) 所示，其中除尘器主体长宽高尺寸为1 020 mm×500 mm×2 200 mm，箱体内有错滤和端滤区域，分别安装错流滤芯和端流滤芯。在错滤区域内，上下两块花板之间安装错流滤芯 (后文简称“滤芯”) ，滤芯长度1 000 mm，滤料厚度0.6 mm。滤芯周围设置多个喷嘴，每个喷嘴离滤芯中心轴线
75√2 mm，喷嘴直径25 mm，并且喷嘴入口与花板平齐。每个滤芯之间和每个喷嘴之间均相距150 mm，在花板之间设置一块挡板。脉冲喷吹时长设为150 ms，初始气包压力0.2 MPa，气包容积20 L。滤芯上安装有高频压力传感器，MYD-1530A型。本模拟研究错流过滤核心区域，将实验系统装置简化为如图2 (b) 所示模型。为节省计算量，根据对称性将此模型进一步简化为一个三棱柱区域如图2 (c) 所示。采用结构化网格划分，网格节点总数为148 260个，元素为159 541个，如图3 (a) 所示。
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将滤芯入口和出口处设置为压力出口 (pressure outlet) ，花板以及挡板设置成标准固定墙体 (wall) ，喷嘴截面设置为压力入口 (pressure inlet) ，滤芯过滤层设置为多孔介质 (porous zone) ，多孔介质的厚度为0.6 mm，黏性损失系数 (1/α = 2.0×1011 m−2) 的计算可见先前报道[13]。在滤芯沿长度方向上设置3条平行的观测线，从左到右依次设置1~3号观测线 (图2 (c) ) ，因为滤芯是轴对称的，选取的3条观测线反应了滤芯内壁距离喷嘴最近、最远和中间的喷吹压力的分布。每条观测线上均有压力测点P1~P11，测点间距为50 mm，单次计算时长设置为0.000 5 s。计算域内流体假定为理想气体 (ideal gas) ，控制方程为质量守恒方程和Navier-Stokes 方程，流体在求解器中认为是等温可压缩、非稳态的湍流，选用Realizable k-ε湍流模型，采用压力-速度耦合算法。喷吹过程中忽略粉尘及粉尘对计算域的影响、不考虑碰撞挡板时的振动和滤芯形变。
喷嘴压力入口函数通过实验测试获取并拟合得到。实验中在喷嘴出口正前方1.0 cm处设置高频压力传感器，传感器测出喷嘴出口处脉喷气流的压力值，将其变化曲线进行分段拟合，得到式 (1) 。
式中：
Pn 为喷嘴的入口压力，Pa；t 为时间，s。将式 (1) 改编为用户自定义函数格式导入至喷嘴压力入口。 -
1) 在挡板位置 (挡板到滤芯顶部开口的距离) 500 mm条件下考察滤芯喷吹覆盖区 (上部花板和挡板之间的区域) 外侧脉喷气流喷吹压力的时空分布；2) 考察喷嘴入口压力分别为3 000、4 000、5 000、6 000、7 000、8 000、9 000、10 000 Pa时喷吹覆盖区中滤芯所受压力峰值情况，根据滤芯有效清灰压力确定最佳的喷嘴入口压力；3) 在最佳喷嘴入口压力条件下，考察挡板位置为250、300、350、400、450、500 mm对滤芯喷吹覆盖区中滤芯所受压力峰值情况，对比确定挡板往复位置，并设计挡板往复式喷吹策略。
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为验证网格的独立性将滤芯内压力梯度变化较大的区域按如图3 (b) 所示加密，加密后网格节点总数为487 574个、元素512 893个。滤芯外壁中间测点计算出的模拟值如图4所示。对比喷吹压力值随时间变化趋势发现，网格加密前后计算出的压力值大致吻合，认为加密前的网格已满足网格独立性要求。
而实验与模拟的喷吹压力随时间的变化趋势大体一致，并与实验测定数值的均值匹配度较高，认为数值模拟与所得结果可反映实际情况。实验测定的数值相比模拟计算结果波动幅度较大。这可能是模拟未考虑滤芯侧壁区域的流固耦合，而实际脉喷气流作用时会引起挡板或滤芯振动，并使得传感器振动，从而引起测试数据的波动。
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图5所示为脉冲喷吹过程中喷吹覆盖区的静压力云图与流线图。压缩空气从喷嘴喷出后形成一股高压气流，这股气流在喷嘴下方区域形成负压区，导致涡流的形成并卷吸周围气体进入喷吹气流中。喷吹气流挤压下方气体导致了滤芯外部空间整体形成一定的压力。撞击到挡板的喷吹气流在横向扩散的过程中与 (对称的) 其它喷嘴的横向气流发生二次撞击并形成空气墙，使得喷吹气流在挡板与滤芯外壁形成的区域内发生蓄积。
根据静压力云图可知，压力在喷吹覆盖区呈现底部最大、上部次之、中部最小的特点，其中底部的压力较高的规律与滤芯内部脉冲喷吹的压力分布规律一致[6,14-15]；但值得注意的是本研究中滤芯上部压力大于中部压力，主要是顶部上方花板减缓了上升气流流速导致上部静压增大。从喷吹压力随时间的变化特征可知，开始滤芯受脉喷气流卷吸作用呈现负压，随后气流蓄积滤芯外壁所受静压迅速上升，到
t =0.020 s时达到稳定，t =0.080 s时达到最大值，并持续到t =0.160 s时后压力开始下降。喷吹压力在水平上分布如图6所示。沿滤芯水平方向比较发现，喷吹压力呈现两侧较中间高的规律，其中左侧偏大原因主要是离喷嘴距离近，所受气流影响大；右侧偏大原因主要是靠近空气二次对撞区域导致静压增大；由于考虑到滤芯的有效清灰，故后续数值模拟均取水平方向上最小压力 (2号观测线) 进行比较。
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图7为不同入口压力情况下喷吹覆盖区滤芯的压力云图和流线图 (只考虑滤芯压力分布情况，故仅保留滤芯部分) 。
一般以喷吹压力>600 Pa能够进行有效清灰[16-20]。图8为不同喷嘴的入口压力下各测点的压力峰值，通过对比可发现，喷吹覆盖区滤芯整体压力随着入口压力的增大而升高；但值得注意的是滤芯350~500 mm区域 (挡板附近区域) 压力增长速率快于其它区域。喷嘴入口压力大于5 000 Pa时，有效清灰区域面积增长缓慢，浪费气包压力。喷嘴入口压力小于5 000 Pa时，无有效清灰区。
此次喷吹仅对滤芯350~500 mm区域进行有效清灰，但挡板位置可变化，故仅部分区域满足有效清灰即可，其他区域可通过挡板位置变化后再次进行脉冲喷吹实现清灰。最后确定了最佳喷嘴入口压力为5 000 Pa。
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从之前的喷嘴的入口压力分析可知在挡板500 mm实现了滤芯350~500 mm区域有效清灰，通过挡板位置变化实现滤芯0~350mm区域的有效清灰。图9为挡板位置变化时滤芯各测点压力峰值，喷吹覆盖区压力随着挡板距离的减小而增大，再通过对比会发现挡板在350 mm处仅需进行一次喷吹实现了滤芯0~350 mm的有效清灰，若挡板距离减小如300 mm时会出现滤芯300~350 mm区域的清灰盲区，需再次更改挡板位置对此区域进行脉喷清灰，随着挡板位置减小喷吹覆盖区压力增加，同时清灰盲区面积扩大；若挡板距离增大如400 mm时喷吹覆盖区0~350 mm区域不能进行有效清灰。最后确定挡板位置在350 mm可实现滤芯0~350mm区域的有效清灰，在500 mm可实现滤芯350~500mm区域的有效清灰。
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根据上述结论设计挡板往复式喷吹策略：1) 挡板开始在350 mm时上部喷吹，喷吹后位置移动至500 mm；2) 在500 mm处上部喷吹，喷吹后位置移动至650 mm；3) 在650 mm下部喷吹，喷吹后位置移动至500 mm；4) 在500 mm处下部喷吹，喷吹后位置移动到350 mm，完成一次挡板往复式喷吹。喷嘴入口压力为5 000 Pa条件下，对比3种喷吹策略对滤芯喷吹性能进行考察。
图10为3种不同喷吹策略示意图， (a) 为普通单向式喷吹、 (b) 为挡板双向式喷吹、 (c) 为挡板往复式喷吹。其脉冲喷吹的性能一般比较喷吹压力和喷吹均匀性[21-23]，各测点正压力峰值的平均值
−p 越大说明喷吹压力越大，而峰值的变异系数C.V. 越小则意味着喷吹均匀性越好，变异系数以式 (2) 计算。式中：
pi 为各测点压力峰值，n 为测点总数。图11显示3种喷吹策略下的平均喷吹压力和喷吹均匀性的比较。普通单向式喷吹与挡板双向式喷吹比较后得出，后者相较于前者平均喷吹压力提升了224.2 Pa，为0.90倍，清灰均匀性提升了0.96倍 (变异系数降为原来的51.1 %) ，说明增设挡板蓄积气流提升滤芯整体压力，滤芯喷吹性能得到提升。挡板双向式喷吹与挡板往复式喷吹比较后得出，挡板位置的变化改进了对半固定式喷吹清灰不良区域的喷吹压力，平均喷吹压力进一步提升了0.35倍，均匀性提升了3.18倍，这说明改进喷吹策略，通过挡板位置变换来提高整体清灰均匀性，滤芯喷吹性能显著提升。逐级往复式喷吹可实现1000 mm滤芯有效清灰。综上所述，相比普通单向式喷吹，本研究设计的逐级往复式喷吹可实现滤芯外侧脉冲喷吹压力增大1.57倍，清灰均匀性提升7.17倍。
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1) 挡板的设置迫使喷吹气流横向扩散并与相邻的喷吹气流发生二次撞击，由此蓄积局部较高静压从而对滤芯产生增强的清灰作用，滤芯所受气流压力呈现底部最大、上部次之、中部最小的特点；挡板附近滤芯的压力随喷嘴入口压力的增加而显著提高，最佳喷嘴入口压力为5 000 Pa。
2) 喷吹覆盖区滤芯外侧所受压力随着挡板距离的减小而增大，对于所研究的1 000 mm长的滤芯，挡板位置为500 mm和350 mm分别可实现350~500 mm和0~350 mm区域的有效清灰。
3) 设计了挡板往复式喷吹策略：挡板位置依次控制在350、500、650、500 mm处，对应的滤芯外侧平均喷吹压力为638 Pa、变异系数为0.06。相比普通单向式喷吹，平均喷吹压力提升了1.57倍、喷吹均匀性提高了7.17倍；相比挡板双向式喷吹，平均喷吹压力提升了0.35倍、均匀性提高了3.18倍。
错流内滤式滤芯脉喷清灰的数值模拟
Numerical simulation of cross-flow inside-out filter element pulse jet cleaning
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摘要: 错流式过滤除尘技术利用切向风流抑制尘饼生长变厚，具有过滤阻力上升缓慢的优点，采用脉喷气流撞击设置在滤芯外的横向挡板并产生局部静压可实现内滤式滤芯的清灰。构建CFD数值模拟考察了喷吹气流的分布，分析了喷嘴入口处的喷吹压力和挡板位置对脉冲喷吹性能的影响，设计并考察了挡板往复式喷吹策略。结果表明：滤芯压力随喷嘴入口压力升高而增加，确定了最佳喷嘴入口压力为5 000 Pa；挡板位置的变化显著影响清灰的有效区，对于1 000 mm长的滤芯，挡板位置为500 mm和350 mm分别实现350~500 mm和0~350 mm区域的有效清灰；相比普通喷吹，设计的挡板往复式喷吹 (挡板位置依次为350、500、650、500 mm) 可实现滤芯喷吹压力增大1.57倍、均匀性提升7.17倍。该研究结果可为内滤式滤芯脉喷清灰提供参考。Abstract: Cross-flow filter dust removal technology uses tangential air flow to suppress the growth and thickening of dust cake and has the advantage of slow rise of filtration resistance. The inside-out filter element can be cleaned by using pulse jet flow to impact the transverse baffle set outside the filter element and generate local static pressure. In this paper, CFD numerical simulation was constructed to investigate the distribution of jet flow, analyze the influence of the injection pressure at the nozzle entrance and the position of baffle on the performance of pulse jet, and design and investigate the baffle reciprocating injection strategy. The results showed that the filter element pressure increased with the increase of nozzle inlet pressure, and the optimal nozzle inlet pressure was 5 000 Pa. The effective cleaning area was significantly affected by the change of baffle position. For the 1 000 mm long filter element, the effective cleaning area of 350~500 mm and 0~350 mm could be achieved with the baffle position of 500 mm and 350 mm, respectively. Compared with the ordinary injection, 1.57 times increase in filter element injection pressure and 7.17 times increase in uniformity were achieved by the designed baffle reciprocating injection (baffle position at 350, 500, 650, 500 mm in order) . The results of this study can provide a reference for pulse jet cleaning of inside-out filter element.
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由于锂离子电池具有安全环保，电池容量大，输出功率大，自放电小等诸多优点，被广泛用于便携式电子产品，航空航天，医疗器械等领域[1~2]。据报道，2022年中国锂电池正极材料和负极材料产量分别有1.85×106 t和1.4×106 t，而2022年锂电池回收量仅有4.15×105 t，只有15%不到的锂电池得到有效回收，因锂电池使用寿命只有1~3年，如果回收率不变，到2025年可能会有2.835×106 t废电池不能得到有效回收。这些废旧锂电池中含有钴、镍等有毒重金属，直接丢弃会对土壤、河流等造成严重污染，而锂离子电池中锂、镍、钴、锰等金属的含量远高于一般矿物，具有极高的资源性和价值，随着科技不断发展和资源的不断开发，对资源的可循环利用和环境保护的要求被日益重视[3]，因此废旧锂离子电池的回收显得尤为重要并已经迫在眉睫[4-5]。
溶剂萃取法[6]因其具有高提取率、选择分离性高、流程简单和操作连续化等优点，已经成为处理废旧锂电池中金属离子分离回收的主要方法。目前废旧三元锂电池中有价金属提取主要是在无机酸 (硫酸、盐酸等)体系中进行，因此，萃取分离的研究重点主要在硫酸、盐酸等无机酸体系中开展。如：代梦雅等[7]对电极材料使用硫酸浸出，浸出液经过P204除锰，在pH=5.2条件下，分别以0.5 mol·L−1 P507和0.6 mol·L−1 Cyanex272为萃取剂，经过两级错流萃取，钴萃取率分别为98.21%和99.44%, 镍共萃取率分别为24.42%和4.26%, 锂共萃取率分别为15.84%和5.11%；鲁桃等[8]在硫酸体系中使用Cyanex272，初始pH为4，萃取剂体积分数为50%，皂化率75%左右，O/A=1∶1，振荡时间为2 min，钴的一级萃取率为98.38%，而镍的损失率为2.28%。但在无机酸体系提取过程中易产生Cl2、SO2等有害气体、设备易腐蚀、铜、铝等杂质浸出率高等缺点，近年来，更多研究选用酸性较为温和、更为环保、杂质浸出率低的有机酸对正极材料中有价金属进行浸出被越来越多的研究者所关注[9]。如孟飞[10]使用柠檬酸对废旧三元电池浸出，镍钴锂锰的浸出率均大于90%，而铜、铝的浸出率均小于30%；高桂兰[11]对正极材料在柠檬酸浓度1.2 mol·L−1、硫代硫酸钠浓度0.3 mol·L−1、固液比20 g·L−1、浸出温度70 ℃、浸出时间30 min，钴的浸出率可达96%左右，锂的浸出率可达99%左右；但目前，关于在有机酸体系萃取分离废旧三元锂电池中的有价金属的文献较少。
本研究选用的是有机酸中较为便宜的D, L-苹果酸浸出废旧锂电池正极材料，经过前期一定的探索实验探究有机酸体系各种萃取剂对有价金属元素的萃取率；对浸出液选用一种或几种萃取剂来对其中的锰和钴进行分步萃取，研究不同影响因素下萃取剂对苹果酸浸出液中金属元素的萃取效果，为有机酸体系高效萃取锰、钴提供一定的参考。
1. 材料与方法
1.1 实验原料
本实验采用模拟的废旧三元电池正极材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2的苹果酸浸出液。浸出液Ⅰ的成分为：Mn 2.26 g·L−1、Ni 5.7 g·L−1、Co 2.5 g·L−1、Li 1.24 g·L−1，苹果酸质量浓度为100 g·L−1。浸出液Ⅱ的成分为：Mn 4.51 g·L−1，苹果酸质量浓度为100 g·L−1。浸出液Ⅲ的成分为：Co 5.31 g·L−1，苹果酸质量浓度为100 g·L−1。浸出液IV的成分为：Co 2.50 g·L−1、Ni 4.94 g·L−1、Li 1.28 g·L−1，苹果酸质量浓度为100 g·L−1。萃取剂P204和萃取剂Cyanex272由重庆康普化学工业股份有限公司生产、萃取剂溶剂为煤油 (航空煤油)、NaOH为天津市风船化学试剂科技有限公司生产，苹果酸为湖县利乐生物科技实业有限公司生产。
1.2 实验方案
实验时，首先使用30%NaOH溶液对浸出液pH值进行调节，然后按设定相比将浸出液与有机相混于分液漏斗中，在震荡器上震荡一段时间，取出分液漏斗静置分相，随后对负载有机相使用极低质量浓度的被萃金属苹果酸溶液进行洗涤，静置分相并分离，随后用一定质量浓度苹果酸溶液与洗涤后的负载有机相进行反萃处理，静置分相并分离得到反萃液。方程式如式(1)~式(3)所示，其中Men+代表被萃金属离子，Mn+代表其它金属离子，HR表示萃取剂。
stringUtils.convertMath(!{formula.content}) (1) stringUtils.convertMath(!{formula.content}) (2) stringUtils.convertMath(!{formula.content}) (3) 式(1)是萃取剂将浸出液中的金属元素萃取到有机相中，式(2)是通过低质量浓度的苹果酸溶液将其它金属离子洗涤到溶液中，式(3)是使用低质量浓度苹果酸溶液将负载有机相中的金属离子反萃到苹果酸溶液中。
2. 结果与讨论
2.1 P204萃取Mn2+的研究
1)萃取条件对P204萃取Mn2+的影响。取浸出液Ⅱ20 mL，进行温度为25 ℃，萃取时间为1~9 min，相比O/A为1∶2至5∶2，萃取剂体积分数为10%~50%，浸出液pH为2.40~3.70系列条件下的萃取实验，实验结果如图1所示。如图1(a)所示，随着时间的增加，萃取率有轻微变化，但起伏不大，说明反应进行较快。当萃取时间为1 min时，反应已达到平衡，萃取率在60.00%左右；如图1(b)所示，随着相比O/A增加，锰的萃取率先迅速增加后趋于稳定，这是因为在溶液中其他离子质量浓度确定的情况下，锰的萃取率取决于萃取剂P204量的多少，增大相比O/A就等于增加萃取剂的量，当相比O/A较小时，萃取剂P204基本与锰完全反应，因溶液中锰的含量是一定的，所以最终锰的萃取率是趋于稳定的。考虑到原料利用率，相比过大导致体系粘度增加，影响分相效率及分相速率等问题，选择最佳相比O/A为1∶1，其萃取率为63.15%。由图1(c)可知，当萃取剂体积分数分别为10%、20%、30%时，萃取率分别为35.87%、65.25%、78.70%，随着萃取剂体积分数的增加，锰的萃取率也迅速增加，最后趋于平衡，这是因为随着P204含量的增加，萃取剂与锰的接触几率增加，形成萃合物的几率增加，从而萃取率增加，因锰的含量是固定的，所以最后萃取率趋于平衡。考虑到成本及萃取率增加速率，选择最佳萃取剂体积分数为20%。由图1(d)可知，随着初始pH的增加，萃取率迅速增加，然后趋于平缓，这是因为在萃取反应过程中金属离子会与萃取剂反应产生H+离子，pH值的增加有利于反应向生成萃合物的方向进行，当pH=2.96时，萃取率为89.75%，再继续增加pH，萃取率增加相对较小，因此选择最佳pH为2.96。取浸出液Ⅰ在最佳实验条件下进行三级逆流萃取实验，锰的萃取率可达到99.99%，镍、钴、锂的共萃率分别为12.11%、9.20%、3.23%。
图 1 萃取条件对P204萃取Mn2+的影响Figure 1. Effect of extraction conditions on extraction of Mn2+ by P2042)其他金属离子对P204萃取Mn2+的影响。取浸出液Ⅱ20 ml，分别加入一定量碳酸钴、碳酸镍、碳酸锂，进行温度为 25 ℃，萃取时间为1 min，相比O/A=1∶1，萃取剂体积分数为20%的萃取实验，实验结果如图2所示。随着钴离子质量浓度的增加，锰离子萃取率在缓慢增加。由于添加碳酸钴导致初始pH发生变化，初始pH变为2.44~2.65，在无钴离子存在的情况下，P204对锰的萃取率从63%左右升至73%左右，而添加钴离子后，锰的萃取率从60.30%增加到70.40%，说明锰离子萃取率的增加主要是由于添加碳酸钴导致的初始pH值变化引起的。由于钴的萃取率在在逐渐增加，从而使锰、钴的分离系数在不断降低。由图2(b)可知，随着镍离子质量浓度的增加，锰离子的萃取率不断增加。由于加入了碳酸镍，导致初始pH值变为2.48~2.78，在无镍离子存在的情况下，锰的萃取率从64.00%左右升至78.00%左右，而添加镍离子后，锰的萃取率从54.93%升到70.40%，说明锰离子萃取率的增加主要是由于添加碳酸镍导致的pH值变化引起的。而镍离子的萃取率先增加后降低，这是因为P204对镍的萃取容量达到了最大值，继续增加镍离子质量浓度，萃取率降低。由图2(c)可知，随着锂离子质量浓度的增加，锰离子的萃取率不断增加，由于加入了碳酸锂，初始pH值变为2.70~3.28，在无锂离子存在的情况下，P204对锰的萃取率从75.00%左右上升到95.00%左右，添加锂离子后，萃取率由69.28%上升至82.06%，说明锰离子萃取率的增加主要是由于添加碳酸锂导致的pH值变化引起的。由图2的(a)、(b)、(c)可知，3种离子与锰的分离系数均较差，为了保证纯度，需要在后续对负载有机相进行水洗以除去其中大部分的其他金属离子。
图 2 其他金属离子对P204萃取Mn2+的影响Figure 2. Effect of impurity ions on extraction of Mn2+ by P2043) P204负载有机相反萃锰的研究。为了抑制有机相中锰被洗出，使用含1 g·L−1锰的100 g·L−1苹果酸溶液以相比O/A=1∶1对浸出液Ⅰ使用P204进行三级逆流萃取后的负载锰有机相洗涤，洗涤前有机相中Mn为2.255 g·L−1，Ni为0.69 g·L−1，Co为0.23g·L−1，洗涤后有机相中Mn为2.51 g·L−1，Ni为0.04 g·L−1，Co仅含0.03 g·L−1，锂离子质量浓度太低未检测到，表明洗涤效果较良好。对洗涤后的负载有机相进行反萃，固定条件为：反萃介质为苹果酸，相比O/A=1∶1、反萃时间20 min、温度25 ℃，实验结果如图3。由图3可知，在此反萃条件下，Mn的单级反萃率可达55.00%左右。在同样反萃条件下对Mn负载有机相进行三级逆流反萃，反萃率可达88.80%，由此可见，苹果酸溶液能将大部分的锰反萃。
图 3 苹果酸质量浓度对锰反萃率的影响Figure 3. Effect of mass concentration of malate on Mn back extraction4)红外光谱测试分析P204萃取锰对P204有机相萃取前后及反萃后进行了红外光谱分析，如图由图4可知，在3 448.396 cm−1出现二聚体分子间氢键伸缩振动峰，在1 649.731 cm−1出现二聚体的O-H面内弯曲振动峰。在萃取后，3 448.396 cm−1振动峰强度降低但是仍能观察到二聚体峰，说明分子间形成的-OH键中的H被锰取代，但是P204过量，未能完全消除二聚体的影响。而1 649.731 cm−1的峰向低波数1 638.274移动，且峰强度有所降低，这是因为P-O→Mn的生成的同时使氢键电子云降低。在反萃后，振动峰强度有一定恢复且向高波数偏移至1 641.238 cm−1，这是因为反萃后锰被氢离子置换出去，但是仍未置换完全。在1 231.570 cm−1处出现P=O的伸缩振动峰，在萃取后，由高波数的1 231.570 cm−1位移到1 222.978 cm−1说明P=O键与Mn离子发生配位，波数变化是由于P=O键与Mn形成P=O→Mn配位键，使P=O双键的电子云密度降低，键的强度减弱，从而导致其震动频率下降。同时因为Mn与P=O的配位，使P204的对称性发生变化，P=O键的偶极矩发生变化，导致峰强度减弱[12-14]。即P204萃取锰的反应的实质是Mn与P-O-H中的氢发生置换反应，且与P=O形成配位键进而被萃取。
图 4 P204有机相红外光谱(从上依次为新鲜有机相、萃取后有机相、反萃后有机相)Figure 4. P204 organic phase infrared spectrum.(From above, it was followed by fresh organic phase, post extraction organic phase, post reverse extraction organic phase)2.2 Cyanex272萃取钴的研究
1)萃取条件对Cyanex272萃取Co2+的影响。取浸出液Ⅲ 20ml，进行温度为25 ℃，萃取时间为1~9 min，相比O/A为1∶4至5∶2，萃取剂体积分数为10%~50%，平衡pH为4~6的萃取实验，实验结果如图5所示。如图5(a)所示，整个反应进行较快，萃取率整体变化不大。当萃取时间为3min时，萃取率为87.56%，达到最大值，因此，3 min为最佳萃取时间。由图5(b)可知，随着相比O/A的不断增加，萃取率也在不断增加。因溶液中钴离子的含量是一定的，相比O/A的不断增加，最终钴的萃取率时趋于稳定的。考虑到成本，原料利用率，以及相比过大时导致影响分相效率及分相速率低，选择最佳相比O/A为1∶1，钴的最佳萃取率为81.97%。由图5(c)可知，随着萃取剂体积分数的不断增加，萃取率也是在不断增加的。这是因为Cyanex272的增加，萃取剂与钴的接触几率也在不断增加，形成萃合物的几率增加，最终萃取率增加。当萃取剂体积分数分别10%、20%、30%，萃取率分别为71.92%、91.65%、93.72%，因萃取剂体积分数为20%时，萃取率上升幅度较大，所以最佳萃取剂体积分数为20%。由图5(d)可知，随着pH的增加，萃取率不断增加，当pH为5~6时，萃取率有较大幅度增加。当平衡pH=6，钴的萃取率为91.75%。随着萃取反应的进行，溶液的pH在不断降低，增加水相的平衡pH有利于萃取反应发生，进而增大钴的萃取率，最终选择最佳平衡pH为6。取浸出液IV在最佳实验条件下进行三级逆流萃取钴实验，钴的萃取率为94.01%，锂、镍的共萃率分别为11.21%和0.02%。
图 5 萃取条件对Cyanex272萃取Co2+的影响Figure 5. Effect of extraction conditions on extraction of Co2+by Cyanex2722)其他金属离子对Cyanex272萃取Co2+的影响。取浸出液Ⅲ20ml，分别加入一定量碳酸镍、碳酸锂，并重新定容，进行温度为25 ℃，萃取时间为3min，相比O/A=1∶1，萃取剂体积分数为20%，平衡pH=6的萃取实验，实验结果如图6所示。因Cyanex272对钴、镍均具有良好的萃取效果，所以测试在添加一定量镍离子后，在萃取剂体积分数为20%，相比O/A=1∶1，萃取时间3 min，镍离子质量浓度为10.4 g·L−1条件下，不同平衡pH下Cyanex272对镍、钴的萃取效果，结果如图6(a)所示，随着平衡pH的增加，钴离子的萃取率在不断增加，镍离子的萃取率基本保持不变。当pH=6时，钴的萃取率为89.62%，镍的萃取率未超过10%，说明不同pH下，镍离子对Cyanex272萃钴过程基本无影响。由图6(b)可知，随着镍离子质量浓度的增加，钴离子萃取率先增后趋于平衡，与未添加镍离子时相比，钴的的萃取率有一定的下降，即镍离子对Cyanex272萃钴有抑制作用，但是随着镍离子质量浓度的增加，这种抑制作用在不断降低。镍离子萃取率基本维持在20.00%左右，当镍离子质量浓度为3 g·L−1时，钴的萃取率为86.24%，此时镍钴的分离系数为20.2，两者较易进行分离。由图6(c)可知，随着锂离子质量浓度增加，钴离子萃取率整体呈下降趋势，说明锂离子对钴离子的萃取有一定抑制作用，且这种抑制作用在不断增强。
图 6 其他金属离子对Cyanex272萃取Co2+的影响Figure 6. Effect of impurity ions on extraction of Co2+ by Cyanex2723) Cyanex272负载有机相反萃钴的研究。为了抑制有机相中的钴被洗出，使用含1 g·L−1钴的10 g·L−1苹果酸溶液以相比O/A=1∶1对浸出液IV使用Cyanex272进行三级逆流萃取后的负载钴有机相洗涤，洗涤前有机相中Co 2.31 g·L−1，Ni 0.01 g·L−1，Li 0.14 g·L−1，洗涤后有机相中Co为2.81 g·L−1，镍未检测出，锂仅含5.47 mg·L−1，洗涤效果良好。对洗涤后的负载有机相进行反萃，固定条件为：反萃介质为苹果酸、相比O/A=1∶1、反萃时间10min、温度25 ℃。实验结果如图7。由图7可知，当反萃介质苹果酸质量浓度为30 g·L−1时，Co的单级反萃率可达76.61%。在同样条件下进行三级逆流反萃Co后，Co反萃率为99.98%。
图 7 苹果酸质量浓度对Co反萃率的影响Figure 7. Effect of malate mass concentration on cobalt back extraction4)红外光谱测试分析Cyanex272萃取钴对Cyanex272有机相萃取前后及反萃后进行了红外光谱分析， 如图8所示。在3 448.396 cm−1附近和1 639.706 cm−1附近出现了二聚体分子间氢键伸缩振动峰, 和二聚体的O-H面内弯曲振动峰，在1 171.423 cm−1附近出现了P=O的伸缩振动峰。萃取后，位于3 448.396 cm−1的吸收峰的强度变低和位于1 639.706cm−1的峰向高波位1 649.731 cm−1移动，且峰强度有所降低，在反萃后有所恢复，说明-OH中的氢与锰发生了置换反应，而在萃取后，由高波位的1 171.423 cm−1的P=O的伸缩振动峰位移到低波位的1 147.078 cm−1，且峰强度变弱，这说明P=O键与钴离子发生配位反应，使P=O的电子云密度降低，减弱了P=O键的强度，使其振动频率减弱。因为P=O与Co的配位，使得Cyanex272的对称性改变，P=O键的偶极矩发生变化，导致峰强度减弱。即Cyanex272萃取钴的反应的实质是钴与P-O-H中的氢发生置换反应，且与P=O形成配位键进而被萃取。
图 8 Cyanex272有机相红外光谱(从上依次为新鲜有机相、萃取后有机相、反萃后有机相)Figure 8. Cyanex272 organic phase infrared spectrum (From above, it was followed by fresh organic phase, post extraction organic phase, post reverse extraction organic phase)3. 结论
1)在苹果酸体系中， P204做萃取剂通过三级逆流萃取可使锰的萃取率达99.99%，其中除萃取时间外，相比O/A、萃取剂体积分数、pH这3个因素对P204萃锰的萃取率有显著影响；通过三级逆流反萃，锰的反萃率可达88.88%。
2)在苹果酸体系中，Cyanex272做萃取剂通过三级逆流萃取可使钴的萃取率达94.01%，其中平衡pH对Cyanex272萃取钴的萃取率影响最为显著，其次分别是相比O/A和萃取剂体积分数。通过三级逆流萃取，钴的反萃率可达99.98%。
3)根据红外光谱结果表明，P204萃锰、Cyanex272萃钴的原理为金属离子与P-O-H中的氢发生置换反应，且与P=O形成配位键进而被萃取。
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图 1 端流式和错流式过滤除尘原理对比
Figure 1. Comparison of the principle of end-flow filtration and cross-flow filtration
图 5 喷吹过程中静压力云图与流线图
Figure 5. Static pressure contours and flow diagram during injection
图 7 不同喷嘴入口压力下滤芯的压力云图和流线图
Figure 7. Pressure contours and flow diagram of filter element under different nozzle inlet pressures
图 8 滤芯各区域喷吹压力随入口压力的变化
Figure 8. The injection pressure in each area of the filter element changes with the inlet pressure
图 9 喷吹覆盖区滤芯喷吹压力随挡板位置的变化
Figure 9. The change of the pressure of the filter element in the covering area with the position of the baffle
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[1] 国家卫生健康委员会规划发展与信息化司. 2021年我国卫生健康事业发展统计公报[J]. 中国病毒病杂志, 2022, 12(5): 321-330. doi: 10.16505/j.2095-0136.2022.0065 [2] 陈刚, 张晓蕾, 徐帅, 等. 我国2005-2020年粉尘爆炸事故统计分析[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(8): 76-83. [3] 杨燕霞, 张明星, 秦文茜, 等. 脉冲喷吹内置锥形滤筒的清灰性能[J]. 中国粉体技术, 2019, 25(1): 76-80. doi: 10.13732/j.issn.1008-5548.2019.01.013 [4] V. SIBANDA, R. W. GREENWOOD, J. P. K. SEVILLE, et al. Predicting particle segregation in cross-flow gas filtration[J]. Powder Technology, 2010, 203(3): 419-427. doi: 10.1016/j.powtec.2010.03.039 [5] 李建龙, 孙泽文, 杜雷恒, 等. 一种错端滤一体式复合滤筒除尘装置[P]. CN114432811A, 2022-05-06. [6] 林莉君, 陈海焱, 周喜, 等. 脉冲喷吹滤筒除尘器清灰性能的实验研究[J]. 暖通空调, 2009, 39(4): 148-151. doi: 10.3969/j.issn.1002-8501.2009.04.036 [7] LI J L, LI S H, ZHOU F B. Effect of cone installation in a pleated filter cartridge during pulse-jet cleaning[J]. Powder Technology, 2015, 284: 245-252. doi: 10.1016/j.powtec.2015.06.071 [8] 艾子昂, 吴泉泉, 孙燕, 等. 气流隔板改善滤筒脉喷清灰性能的数值模拟[J]. 南昌大学学报(工科版), 2021, 43(4): 384-391. doi: 10.13764/j.cnki.ncdg.2021.04.013 [9] 薛峰, 李朋, 黄琬岚, 等. 喷嘴型式对滤筒脉冲定阻清灰效果的影响[J]. 中国粉体技术, 2022, 28(5): 48-56. doi: 10.13732/j.issn.1008-5548.2022.05.007 [10] QIU J, WU D S, CHEN D R, et al. Reverse pulsed-flow cleaning of pleated filter cartridges having an inner pleated filter cone[J]. Process safety and Environmental Protection, 2021, 146: 481-489. doi: 10.1016/j.psep.2020.11.025 [11] CHEN S W, WANG Q, CHEN D R. Effect of pleat shape on reverse pulsed-jet cleaning of filter cartridges[J]. Powder Technology, 2017, 305: 1-11. doi: 10.1016/j.powtec.2016.09.013 [12] CHEN S W, CHEN D R. Numerical study of reverse multi-pulsing jet cleaning for pleated cartridge filters[J]. Aerosol and Air Quality Research, 2016, 16(8): 1991-2002. [13] 陈强, 林子捷, 李建龙, 等. 扩散喷嘴改善金锥滤筒脉喷清灰性能的数值模拟[J]. 环境工程学报, 2021, 15(5): 1634-1644. doi: 10.12030/j.cjee.202011010 [14] 李建龙, 王安琪, 范博, 等. 除尘器脉喷清灰影响阶段的粉尘分级排放特征[J]. 安全与环境学报, 2018, 18(1): 315-319. doi: 10.13637/j.issn.1009-6094.2018.01.059 [15] 袁彩云, 陈海焱, 李波. 脉冲喷吹滤筒除尘器喷吹清灰实验与数值模拟[J]. 暖通空调, 2012, 42(5): 104-107. doi: 10.3969/j.issn.1002-8501.2012.05.019 [16] HUMPHRIES W. , MADDEN J. Fabric filtration for coal-fired boilers: nature of fabric failures in pulse-jet filters[J]. Filtration & Separation, 1983, 20(1): 40-42. [17] SIEVERT J. , LOFFLER F. Dust cake release from non-woven fabrics[J]. Filtration & Separation, 1987,24(6): 424-427. [18] LU HSIN-CHUNG, TSAI CHUEN-JINN. A pilot-scale study of the design and operation parameters of a pulse-jet baghouse[J]. Aerosol Science and Technology, 1998, 29(6): 510-524. doi: 10.1080/02786829808965587 [19] LI J L, WANG P, WU D S, et al. Numerical study of opposing pulsed-jet cleaning for pleated filter cartridges[J]. Separation and Purification Technology, 2020, 234: 116086. doi: 10.1016/j.seppur.2019.116086 [20] 颜翠平, 张明星, 吕娟, 等. 脉冲喷吹大风量滤筒除尘器的清灰变化过程研究[J]. 环境工程学报, 2016, 10(2): 829-834. doi: 10.12030/j.cjee.20160250 [21] 李建龙, 陈源正, 林子捷, 等. 除尘滤筒脉喷清灰技术研究进展与展望[J]. 金属矿山, 2022, 557(11): 23-35. doi: 10.19614/j.cnki.jsks.202211003 [22] WU Q Q, LI J L, WU D S, et al. Effects of overall length and od on opposing pulse-jet cleaning for pleated filter cartridges[J]. Aerosol and Air Quality Research, 2020, 20: 432-443. [23] 李建龙, 赵艺, 孙泽文, 等. 环形缝隙喷嘴改进导流内锥式除尘滤筒脉冲喷吹性能的数值模拟[J]. 南昌大学学报(工科版), 2023, 45(1): 1-4. doi: 10.13764/j.cnki.ncdg.2023.01.001 期刊类型引用(1)
1. 刘豹，孙谦，李鑫，王行通，徐康，郑兴. 典型含氮有机物氯化消毒过程中碘代三卤甲烷生成特征. 环境化学. 2023(09): 3221-3224 . 
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