CN107973326B - 一种浓缩卤水并除盐的物理方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浓缩卤水并除盐的物理方法及***,方法包括:将卤水升温,增强其表面空气对流,加速蒸发至盐接近饱和或饱和状态,得到初步浓缩的卤水;将初步浓缩的卤水冷却使其中的盐析出,固液分离,收集剩余的卤水;对剩余的卤水重复上述两步操作,进一步浓缩卤水并分离析出的盐,达到生产需要停止浓缩。本发明方法为纯物理方法,实施过程中无需额外添加化学试剂即可快速、有效、低耗能的除去卤水中90%以上的Mg、Na、K等杂质离子,同时锂离子浓度快速提高约10倍,质量损耗控制在10%以内,可用于各锂盐湖卤水的除镁处理,特别是高镁锂比卤水除镁处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种浓缩卤水并除盐的物理方法及***,特别涉及一种浓缩卤水并除镁的物理方法及***。
背景技术
锂是一种用途广泛的金属元素,随着新能源汽车的发展,特别是电动车的发展,对锂的需求量越来越大。现有的锂主要从盐湖中提取得到。镁是地球的地壳中第八丰富的元素,约占2%的质量,因此,在盐湖卤水中,普遍含有较多量的镁。镁的存在,使得难以有效地对卤水进行分离纯化,导致在从卤水中提取所需要的盐时,需要进行处理的除镁处理。而盐湖普遍地处偏远地区,基础设施薄弱,交通不便,原位降低卤水中镁含量存在很大的困难。
从盐湖湖水制备工业可用卤水的进程中,需要蒸发大量的水,以提高卤水中对应离子的浓度。然而受制于高原特殊的自然环境,现有的卤水制备过程,使用的是常规的晒盐法,即通过建设晒盐池(盐滩),利用自然的风吹日晒使池中近90%的水分蒸发,进而实现卤水的浓缩。晒盐池普遍占地数十平方公里,管理难度很大。晒盐法严重依赖于天气,卤水的生产周期普遍需要半年,年度间的产量极不稳定,极端条件下当年甚至无法得到可用的卤水,卤水产量难以控制,严重制约了盐湖的开采。
此外,晒盐制卤的过程中往往伴随着不可避免的卤水渗漏、镁等盐在漫长的制卤过程中析出并夹带大量的锂等,造成大量的锂离子损失,使得有限的资源难以得到较好的利用。晒盐法严重提高了湖水的蒸发量,对盐湖地区的生态环境也存在较大的不利影响,已有盐湖因为晒盐法开采而干涸。现有晒盐法制备得到的卤水,受限于自然条件,卤水成分批间差异大,无法得到标准化的卤水,导致生产工艺难以固化,得到的产品质量同样不够稳定。
现有方法制备得到的卤水中,普遍存在大量的杂质离子。在众多的杂质离子中,镁离子对锂的影响最大。这是因为镁锂的离子性质比较接近,难以通过物理方法将其分离。如镁沉淀时,比较容易带出锂离子,造成锂大量损失。因此,现有技术中为了降低卤水中镁锂比,进而获得可用于锂生产的卤水,人们开发出的除镁方法均为化学除镁。如CN105217665A公开了以高镁锂盐湖卤水为原料,加入一定的可溶性三价金属盐,通过合成镁基层状功能材料来降低高镁锂比盐湖卤水中镁锂比,使高镁锂比盐湖卤水中的镁锂得以分离。
对于镁锂的质量比高达几十甚至几百的盐湖卤水,如采用化学沉淀来除镁,需要消耗大量的化学试剂,操作繁杂冗长,生产成本高,环保成本高。如采用离子吸附法处理上述盐湖卤水,镁含量太高,极易影响吸附剂对锂的选择系数,对吸附剂造粒性和渗透性等要求高,在吸附和脱吸的过程中,容易损耗吸附剂,而锂的损耗量也超过50%。煅烧法因运行温度高,能耗高,结块严重,设备腐蚀严重。萃取法的萃取和反萃取工艺流程长,药剂消耗量大,毒性大,对环境不友好。同时,上述方法处理后的卤水中锂的浓度仍然较低,仍需要进行进一步的浓缩来制取锂盐。这些现有的方法,普遍操作复杂,耗时较长,需要引入较大量的化学添加剂,对盐湖地区脆弱的生态是一个严峻的挑战。
通过加热液体,可以加速其中的水分蒸发,加速液体表面的空气流动速度,也有利于加速水分的蒸发,但是,这意味着需要消耗更多的能量。但是对于盐湖而言,因为湖水中含有大量的矿物质,通过加热固然可以在一定程度上提高其蒸发速度,但是随着湖水的蒸发,其中的盐浓度越来越高,蒸发的速度也会随之降低,蒸发相同量的水所耗费的能量一般是初始蒸发时的3~5倍,能耗急剧上升。这也是现有晒盐法耗时极长的一个重要原因。此外,加热湖水来提高其浓缩速度,意味着需要消耗大量的能量,同时因为散热量加大,意味着能量的损失也是极大的,在偏远的盐湖地区这是一个巨大的挑战。
高原盐湖地区的空气比较干燥,据相关文献记载,部分盐湖地区的平均温度仅为10℃,空气相对温度一般不超过30%。经计算可知,这种条件下,每立方米空气中的含水量一般不超过3g。如本领域技术人员熟知的,干空气的引入可以进一步提高盐湖水的蒸发速度,然而其同时可以使湖水或卤水表面的温度快速降低,影响蒸发速度进一步升高。加热干空气并使用热干空气固然可以较为有效地避免水面温度下降过快,提高湖水或卤水的蒸发温度,但热空气与水的热交换并不充分,导致热的损失非常之大,测算表达其热损失超过80%,大量的热被白白浪费。
因此,有必要提出一种新的方法,既能够快速、低能耗的浓缩湖水或卤水,又可以在尽可能少损耗锂的情况下析出一定量的镁盐,提高目标产物锂的浓度,降低卤水的镁锂比,然后再选择合适的方法制备锂盐产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有效浓缩卤水并除盐的物理方法。
本发明所采取的技术方案是:
一种浓缩卤水并除盐的方法,包括如下步骤:
1)将卤水升温,增强其表面空气对流,加速蒸发至盐接近饱和或饱和状态,得到初步浓缩的卤水;
2)将初步浓缩的卤水冷却使其中的盐析出,固液分离,收集剩余的卤水;
3)对剩余的卤水重复上述两步操作,进一步浓缩卤水并分离析出的盐,达到生产需要时停止浓缩。
作为上述方法的进一步改进,卤水升温至30℃以上,优选的40℃、45℃、50℃以上,进一步的,卤水升温至40~80℃之间,优选45~75℃之间,进一步为60~75℃之间。
作为上述方法的进一步改进,空气在引入前升温至40~100℃。
作为上述方法的进一步改进,将卤水冷却至10℃以下使其中的盐析出。
作为上述方法的进一步改进,经热泵冷端降温除湿后的出风进一步被加热用于增强卤水表面的空气对流,实现闭循环浓缩卤水。
作为上述方法的进一步改进,使用热泵将回收初步浓缩卤水中的热,将卤水冷却并加速盐的析出。
作为上述方法的进一步改进,卤水表面的风速为不低于4m/s,进一步的,卤水表面的风速为6~12m/s。
一种浓缩卤水并除盐的***,包括第一蒸发装置,进风口、出风口、冷凝器和热交换器;
蒸发装置具有进水口、出水口;
进风口引入的空气导入至蒸发装置;
蒸发装置排出的空气通过冷凝器后经出风口排出;
热交换器用于与蒸发装置中的卤水进行热交换。
作为上述***的进一步改进,出风口通过导风管连接至另一设有热交换器的第二蒸发装置。
作为上述***的进一步改进,进风口后设有用于加热空气的换热器。
作为上述***的进一步改进,蒸发装置包括第一立式蒸发器和级连的第二立式蒸发器组成,第一立式蒸发器和级连的第二立式蒸发器之间设有导气装置。
作为上述***的进一步改进,冷凝器为热泵的冷端。
作为上述***的进一步改进,出风口通过导风管与进风口连通。
作为上述***的进一步改进,进风口与卤水水平面之间的距离保持恒定。
作为上述***的进一步改进,第一和第二蒸发装置之间设有可自由切换冷热端的热泵。
作为上述***的进一步改进,蒸发装置上方设有盖板。
作为上述***的进一步改进,冷凝器设有冷凝水收集器。
作为上述***的进一步改进,***设有用于给蒸发装置曝气的曝气装置。
作为上述***的进一步改进,装置还包括用于为装置运行时补热的太阳能光热装置。
本发明的有益效果是:
本发明方法为纯物理方法,实施过程中无需额外添加化学试剂即可快速有效的除去卤水中90%以上的Mg、Na、K等杂质离子,同时锂离子浓度快速提高约10倍,质量损耗控制在10%以内,可用于各锂盐湖卤水的除镁处理,提高锂离子的含量,为下一步碳酸锂产品的制备节省数倍的除镁成本和能源消耗。本发明方法特别适合处理高镁锂比的卤水。
本发明方法通过控制卤水的蒸发温度和引入高速风机,增强液体表面的空气对流,卤水的蒸发速率是无风机时的11~32倍,极大的提高了蒸发速率。75℃、20W风机作用下,卤水的单位质量蒸发能耗仅为无风机时的32.9%,节能效果显著。通过热泵等方式回收和利用蒸发过程中的热量,可以进一步降低能耗约40~50%。
本发明方法在蒸发一定程度后,对卤水进行及时的降温处理和固液分离,使混盐,特别是含镁因卤水降温后过饱而结晶析出,有效降低了卤水中镁离子的含量,进一步提高了卤水后续蒸发的速率。应用于工业化制卤时,整个卤水(湖水)的浓缩过程基本可以控制在数小时至数天内完成,实现了卤水的连续化制备,可以根据需要对卤水的浓度、镁含量等关键指标进行调整,可以获得标准化的卤水使得后续的锂生产工艺可以固定,得到的产品质量也更为稳定可靠。及时固液分离后的混盐,如含镁混盐不易结块,方便进行后续的深加工,这些副产物都有利于盐湖综合开发利用,克服了现有技术难以对混盐进行充分利用的不足。
本发明方法基本摆脱了天气对生产的制约,有望实现稳定可靠的盐湖资源开采。同时,由于仅需满足数天内卤水生产的要求,盐滩占地由数十平方公里缩小到1%以内,极大的缩小了湖水浓缩制卤的占地面积;避免了由于降雨引起的减产;避免了大型工程中普遍存在的渗漏难题;避免了镁等混合盐在漫长的析出过程中因板结而夹带损失大量的锂,大幅减少了锂的损失;避免了盐田扩建引发的湖水蒸发量失衡而逐渐干涸,同时也可以充分利用其他杂质盐。此外,本发明***在卤水蒸发过程中还可以获得冷凝水,利于减少盐湖地区水的损失,对保护盐湖地区脆弱的生态环境具有非常重要的意义。
本发明的方法及***既可以实现闭式浓缩,也可以实现开放式浓缩。闭式浓缩即在不持续引入外界空气的情况下,通过对空气冷却除湿后进一步加热用于卤水的加速蒸发,实现对卤水的浓缩,可以有效避免空气中的CO2被卤水吸收,导致碳酸锂过早析出,影响其收率。开放式浓缩与之相反,通过持续引入加热的干空气对卤水进行浓缩,这种情况下空气中的CO2会被卤水吸收,在条件合适的情况下,如杂质盐的量远大于锂的量时,可以促使杂质盐先行析出,残留的CO3 2-根也有利于后续碳酸锂的析出。可以根据实际情况的需要,选择不同的浓缩方法,满足不同的需要。
本发明方法及***可以很好地利用高原地区日照丰富,空气湿度小等天然条件,同时操作简单,易于控制,人力成本低;生产周期短,容易实现工业化连续生产,十分适用于条件相对恶劣的高原盐湖地区。
附图说明
图1是本发明***的结构示意图;
图2是不同条件下的相对蒸发速度对比图;
图3是不同条件下的相对能耗对比图;
图4是本明***的另一结构示意图。
具体实施方式
一种浓缩卤水并除盐的方法,包括如下步骤:
1)将卤水升温,增强其表面空气对流,加速蒸发至盐接近饱和或饱和状态,得到初步浓缩的卤水;
2)将初步浓缩的卤水冷却使其中的盐析出,固液分离,收集剩余的卤水;
3)对剩余的卤水重复上述两步操作,进一步浓缩卤水并分离析出的盐,达到生产需要时停止浓缩。
温度升高,在加快蒸发速度的同时,同时可以进一步降低能耗。作为上述方法的进一步改进,卤水升温至30℃以上,优选的40℃、45℃、50℃以上,进一步的,卤水升温至40~80℃之间,优选45~75℃之间,进一步为60~75℃之间。
作为上述方法的进一步改进,空气在引入前升温至40~100℃。热空气有利于进一步提高蒸发速度,减少能耗。
作为上述方法的进一步改进,将卤水冷却至10℃以下使其中的盐析出。
作为上述方法的进一步改进,经热泵冷端降温除湿后的出风进一步被加热用于增强卤水表面的空气对流,实现闭循环浓缩卤水。
作为上述方法的进一步改进,使用热泵将回收初步浓缩卤水中的热,将卤水冷却并加速盐的析出。
作为上述方法的进一步改进,卤水表面的风速为不低于4m/s,进一步的,卤水表面的风速为6~12m/s。
下面结合附图,进一步说明本发明的***。
参照图1,一种浓缩卤水并除盐的***,包括第一蒸发装置1,进风口2、出风口3、冷凝器4和热交换器6;
蒸发装置1具有进水口、出水口;
进风口2引入的空气导入至蒸发装置1;
蒸发装置1排出的空气通过冷凝器4后经出风口3排出;
热交换器6用于与蒸发装置1中的卤水进行热交换。
作为上述***的进一步改进,出风口3通过导风管连接至另一设有热交换器6的第二蒸发装置1。第一蒸发装置和第二蒸发装置可以根据需要进行对调,不影响其功能行使。
参照图4,另一种浓缩卤水并除盐的***,包括第一蒸发装置1,进风口2、出风口3、冷凝器4和热交换器6;
蒸发装置1包括第一立式蒸发器101和级连的第二立式蒸发器101组成,第一立式蒸发器101和级连的第二立式蒸发器101之间设有导气装置,立式蒸发器101具有独立的进水口,底部设有出水口;
进风口2引入的空气经换热器7加热后依次进过蒸发装置1的第一立式蒸发器101和级连的第二立式蒸发器101进行热质交换;
蒸发装置1排出的空气通过冷凝器4后经出风口3排出;
热交换器6用于与蒸发装置1中的卤水进行热交换;
冷凝器4为热泵5的冷端,用于回收出风中的热。
出风口的风可以直接排入大气,或出风口通过导风管与进风口连通,之后引入换热器内,再次进行加热后导入蒸发装置中,进一步用于卤水的蒸发浓缩。这样可以分别实现开放式浓缩和闭式浓缩,满足不同的需要。
热泵回收的热可以根据需要,灵活用于卤水的预热、补热,或空气的预热或加热。
立式蒸发器是指蒸发器内部可以进行水循环并使水与空气相接触的密闭式蒸发器,其结构可以是本领域周知的。一般而言,两个立式蒸发器串联设置,已经可以使空气与液体进行充分的热质交换,携带出尽可能多的水。当然,也可以根据实际需要设置多组立式蒸发器串联。
作为上述***的进一步改进,出风口通过导风管连接至另一设有热交换器的第二蒸发装置。
作为上述***的进一步改进,进风口后设有用于加热空气的换热器。
作为上述***的进一步改进,蒸发装置包括第一立式蒸发器和级连的第二立式蒸发器组成,第一立式蒸发器和级连的第二立式蒸发器之间设有导气装置。
作为上述***的进一步改进,冷凝器为热泵的冷端。
作为上述***的进一步改进,出风口通过导风管与进风口连通。
作为上述***的进一步改进,进风口与卤水水平面之间的距离保持恒定。
作为上述***的进一步改进,第一和第二蒸发装置之间设有可自由切换冷热端的热泵。
作为上述***的进一步改进,蒸发装置1设有活动滤板11。这样可以方便地对析出的盐进行初步的压缩,减少其中的水分。
作为上述***的进一步改进,进风口与卤水水平面之间的距离保持恒定。这样可以尽可能减少风的损耗,保持尽可能高的风速。
作为上述***的进一步改进,第一和第二蒸发装置之间设有可自由切换冷热端的热泵5。这样可以有效地回收利用其中的热能,也可以方便根据需要对卤水进行冷却或加热(预热),满足生产工艺的需要。热泵回收的热能还可以根据需要,用于卤水的补热,或空气的预热,或其他用途。
作为上述***的进一步改进,蒸发装置上方设有盖板。这样可以有效减少热量不必要的散失,同时可以提高液体表面的风速,提高能源的利用率。
作为上述***的进一步改进,冷凝器设有冷凝水收集器。这样可以得到淡水,满足盐湖地区的淡水需求,同时有助于维持盐湖地区的水平衡。
作为上述***的进一步改进,***设有用于给蒸发装置曝气的曝气装置,使空气与水更为充分的接触,同时对卤水进行一定的搅动。
作为上述***的进一步改进,装置还包括用于为装置运行时补热的太阳能光热装置。
下面结合实验,对本发明方法进行进一步的说明。
不同因素对水蒸发速率的影响:
分别取一定量的淡水、低浓度卤水和高浓度卤水,分别置于同规格的不同敞口容器中,保持风机与液面的高度相同,初始液面高度相同,于不同温度、不同风机作用下,测定其蒸发速度和能耗。方便比较起见,蒸发速度、能耗均以相对值表示,以45℃淡水在无风机作用下的蒸发速率为1,单位质量蒸发能耗为1。实验数据如下表和图2所示。
表1和2中,A为淡水,B为低浓度卤水,其密度为1.15g/ml,含盐量约18w/w%;C为高浓度卤水,其中,高浓度卤水的密度为1.29g/ml,含盐量约35w/w%;7W的风机作用下,液面的风速约为4~5m/s;12W的风机作用下,液面的风速约为7~9m/s;20W的风机作用下,液面的风速约为10~12m/s。实验地为西藏。
表1、不同条件下的相对蒸发速度表
表2、不同条件下蒸发单位质量水的相对能耗表
从以上实验数据可知:
1)风机作用下,淡水的蒸发速度明显加快,是同温度下无风机时的5~20倍,其单位质量蒸发能耗也有所降低;
2)相同功率风机作用下,随着温度的升高,风机对高浓度卤水起的节能效果明显优于淡水和低浓度卤水。12W风机作用下,45、60、75℃时淡水的单位质量蒸发能耗相对于该温度下无风机时分别降低了26.0%、20.4%和8.8;而高浓度卤水则分别降低了34.6%、51.0%和63.8%%;
3)整体而言,风机的作用大大降低了液相的单位质量蒸发能耗。但同一温度下,随着风机功率的增加,各液相表现出不同的节能效果:淡水的蒸发能耗变化幅度很小,且略有增加;低浓度卤水的能耗则持续降低,降幅为5%左右;高浓度卤水在7W风机作用时能耗反而增大,而风机功率达到12W以上时,能耗则迅速降到无风机时的30~60%;
4)由实验数据可知,高浓度卤水的蒸发有其特殊性。无风机作用时,高温卤水的蒸发速度与低温下基本一致,且能耗更高。但是出乎意料的,在风机的作用下,高温卤水蒸发时的能耗反而低于低温卤水蒸发的能耗。75℃20W风机的作用下,卤水单位质量蒸发能耗达到极低值0.724,要低于45℃20W风机时的0.913。75℃20W风机作用时相对于该温度下无风机的节能效率达到了67.1%,要远远高于后者的33.7%;
5)实验数据显示,较小的风速虽然可以提高高浓度卤水的蒸发速度,但是其能耗显著增加,而蒸发速度的提高极为有限,仅为同温度卤水自然蒸发的1.7~3.3倍。这一意料之外的结果提示高浓度卤水有其特殊性,卤水表面的风速要超过一阀值(约为6m/s)才会造成蒸发速度和能耗的突变。在风速超过阀值后,进一步提高风速可以加快卤水的蒸发,在高温段(60~75℃)进一步提高风速不仅可以显著提高卤水的蒸发速度,还可以进一步降低能耗,可见对高浓度卤水而言,高温高风速可以更快更为节能地浓缩卤水,方便后续镁离子的去除;
6)对于低浓度的卤水而言,高温高风速同样可以更快更节能地浓缩卤水;
7)通过热泵等能源回收利用技术的使用,可以进一步降低单位质量水蒸发的能耗。
综合考虑,60℃~75℃间,液面风速不低于6m/s时,特别是6~13m/s时,不论是对低浓度卤水进行浓缩,还是对高浓度卤水进行浓缩,都可以获得更佳的能耗比。同时,高温下的热能更易于回收利用,通过热能的回收利用,可以进一步提高能效,蒸发单位质量的水所需要的总热能更少。
40~60℃之间,不低于4m/s的风速可以显著加快低浓度卤水(盐湖水)的蒸发速度,可以在白天约5~7个小时内将卤水浓缩至设计值,之后利用高原地区夜间的低温实现冷却,使镁盐沉淀,去除部分镁。
可以预见,在加热的过程中对卤水进行搅拌,或通入气泡,可能可以进一步提高卤水的蒸发速度。
热回收后的卤水蒸发:
待浓缩的卤水为Li+含量为600ppm的湖水,其含盐量约为35wt%,浓缩终点:Li+含量提高至1.5g/L。
方法:10℃、相对湿度30%的冷空气通过换热器持续升温至50℃,之后使用风机持续引入第一立式蒸发器,第一立式蒸发器中循环的卤水被预热至45℃,热风与卤水接触换热,使卤水浓缩;
交换后的热风被导入第二立式蒸发器,进一步对第二立式蒸发器中循环的卤水相接触,对卤水进行进一步的浓缩并对卤水进行冷却,以于除盐;
此时,从第二立式蒸发器中排出的空气经过两次交换之后,相对湿度已经大大提高,使用热泵回收其中的热,回收的热根据需要用于对卤水进行补热或用于预热冷空气。
方便比较起见,蒸发速度、能耗均以相对值表示,以上述45℃淡水在无风机作用下的单位质量蒸发能耗为1。经测算,与前述的低浓度卤水的加速蒸发相比,蒸发单位质量的水相对能耗进一步降低至0.40~0.43左右。
除镁实验
取卤水3L置于蒸发器内,液面高度为86mm。将卤水加热到60℃,然后快速蒸发浓缩一定体积后,混盐析出,然后将卤水在5℃下冷却,固液分离后,将滤液置于蒸发器内继续浓缩,重复上述步骤。
各阶段的固、液相成分变化如下,其中Ax、Bx表示第x次分离后的滤液和固体。
从表中的数据可以看出,固体中Li的质量分数仅为万分之几,而镁的质量分数在10%以上。卤水蒸发90%体积时,Li的质量损耗只有15%左右,而镁、钠、钾的去除率达到90%左右,很好的实现了除镁制卤的目标,具有意想不到的效果。
上述实验中Li的损耗,与实验室的操作有关。大规模生产时,卤水的蒸发体积要小于90%,压滤可以更为充分,可以控制锂的损失在10%以内。
通过实验证实:
1、该方法的除镁效果比较好,多次重复之后,可以有效降低镁锂比,最终获得符合要求的卤水。
2、该方法在除镁的同时,锂的损失量远小于现有晒盐法,可以尽可能多的提取得到卤水中的锂元素。
3、本方法分离出来的盐可以很好的回收利用,可以实现盐资源的综合回收利用,进一步减少固体废弃物的产生。
Claims (5)
1.一种浓缩卤水并除盐的方法,包括如下步骤:
1) 将密度为1.29 g/ml,含盐量35 w/w %的卤水升温至60~75℃,增强其表面空气对流,液面风速不低于6m/s,加速蒸发至盐接近饱和或饱和状态,得到初步浓缩的卤水;
2) 将初步浓缩的卤水冷却使其中的盐析出,固液分离,收集剩余的卤水;
3) 对剩余的卤水重复上述两步操作,进一步浓缩卤水并分离析出的盐,达到生产需要时停止浓缩。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:空气在引入前升温至40~100℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:使用热泵回收空气带出的热。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:使用热泵回收初步浓缩卤水中的热,将卤水冷却并加速盐的析出。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:经热泵冷端降温除湿后的出风进一步被加热用于增强卤水表面的空气对流,实现闭式浓缩卤水。
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