CN111689466A - 有机废弃物的综合处理方法及其处理*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于废弃物处理技术领域,尤其涉及一种有机废弃物的综合处理方法,包括以下步骤:对有机废弃物进行裂解处理,得到裂解产物;在金属催化剂的作用下,对所述裂解产物进行热催化处理,得到纳米碳材料和氢气。本申请有机废弃物的综合处理方法,以有机废弃物为原料,通过裂解处理和热催化处理,将有机废弃物中碳元素转化为纳米碳材料,将氢元素以氢气的方式纯化富集,得到高纯度的氢气能源,对有机废弃物的处理方法可实现零碳排放、零污染、高回收利用率,降低环境污染,提高社会效益。
Description
技术领域
本申请属于废弃物处理技术领域,尤其涉及一种有机废弃物的综合处理方法,以及一种有机废弃物的综合处理***。
背景技术
随着工业化进程的加快及城市化的快速发展,所产生的废弃有机物迅速增加。一般废弃有机物分为:塑料、橡胶、纤维等固体废弃物,废机油、民用油等液体废弃物,工业废气、民用废气等气体废弃物。目前,废弃塑料、废弃橡胶等固体废弃物的处理主要是填埋和焚烧。由于废弃塑料、橡胶不能像天然高分子那样自然降解进入自然生态循环,填埋之后难降解,容易形成白色污染进入土壤和海洋;而焚烧处理会形成大量的有害气体污染大气环境。工业废油、民用废油等液体废弃物,以及工业废气、民用废气等气体废弃物的处理则需要进行繁杂的回收提炼工序,回收困难,且工作量大。
为了解决废弃有机物污染问题并实现最大化价值,一些研究者提出,将废弃有机物热解和催化得到H2、碳氢化合物(CmHn)气体、CO、CO2等可燃混合物。但其中氢气等绿色能源的含量较少,大部分为碳污染气体(燃烧后会形成CO2),存在可燃气体纯度、含量等品质不高,附加值也不高等问题。并且,也与当前国内倡导的低碳循环发展经济体系相违背。目前,针对固体废弃物、液体废弃物以及气体废弃物等有机废弃物的综合处理回收利用,仍缺乏有效的方法。
发明内容
本申请的目的在于提供一种有机废弃物的综合处理方法,以及一种有机废弃物的综合处理***,旨在一定程度上解决现有针对有机废弃物的综合处理、回收利用缺乏有效方法的问题。
为实现上述申请目的,本申请采用的技术方案如下:
第一方面,本申请提供一种有机废弃物的综合处理方法,包括以下步骤:
对有机废弃物进行裂解处理,得到裂解产物;
在金属催化剂的作用下,对所述裂解产物进行热催化处理,得到纳米碳材料和氢气。
第二方面,本申请提供一种有机废弃物的综合处理***,包括:
裂解单元,用于裂解有机废弃物,生成裂解产物;
热催化单元,内部设置有金属催化剂,并与所述裂解单元连通,用于催化所述裂解产物,生成纳米碳材料和氢气;
气体收集单元,与所述热催化单元连通,用于收集氢气。
本申请第一方面提供的有机废弃物的综合处理方法,以固体废弃物、液体废弃油、有机废气等有机废弃物为原料,通过对有机废弃物的裂解处理,将有机废弃物裂解成活泼的烃类气体、氢气、硫化物、氮气等气态混合物;然后在金属催化剂的作用下,对所述裂解产物进行热催化处理。一方面,在热催化处理过程中,金属催化剂表面高温熔融,烃类化合物在金属表面催化分解,生成的碳元素按特定结构在金属表面排列形成碳纳米管、石墨烯、富勒烯、石墨炔等纳米碳材料。另一方面,活泼烃类气体被催化形成纳米碳材料的过程中,能够将裂解产物中硫等元素固定在纳米碳材料中,并且硫等元素可以作为纳米碳材料的生长促进剂,进一步促进纳米碳材料的沉积。再一方面,裂解产物中氢气具有还原性,能够防止金属催化剂被氧化而失去催化活性,保持金属催化剂的活性,有利于烃类气体沉积形成纳米碳材料。并且,通过热催化处理,氢气能够被纯化富集,提高氢气的利用率。另外,裂解产物中氮气等惰性气体,不但有利于防止金属催化剂被氧化失活,而且能够起到调节烃类碳源气体浓度的作用,从而调节纳米碳材料的沉积成型速率,确保纳米碳材料的质量;氮气等惰性气体可以循环利用。
本申请第二方面提供的有机废弃物的综合处理***,包括依次导通的裂解单元、热催化单元和其他收集单元,其中裂解单元用于裂解有机废弃物,生成的裂解产物导通到热催化单元,通过内部设置的金属催化剂的催化作用,生成纳米碳材料和氢气;由于裂解产物中各组分在热催化单元被吸收转化,使生成的氢气再通过气体收集单元被收集,纯度高,可直接回收利用。本申请提供的有机废弃物的综合处理***,通过对有机废弃物的裂解处理及热催化处理,可基本回收有机废气物中碳、氢等元素成分,回收效率高,可实现零污染、零碳排放,高利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的有机废弃物的综合处理***的结构示意图;
图2和3是本申请实施例1提供的碳纳米管的扫描电镜图SEM;
其中,图中各附图标记:
1—裂解单元 2—热催化单元 3—气体收集单元 4—气体分离单元
具体实施方式
为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
本申请中,术语“和/或”,描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B的情况。其中A,B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中,“至少一个”是指一个或者多个,“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达,是指的这些项中的任意组合,包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如,“a,b,或c中的至少一项(个)”,或,“a,b,和c中的至少一项(个)”,均可以表示:a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c,其中a,b,c分别可以是单个,也可以是多个。
应理解,在本申请的各种实施例中,上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后,部分或全部步骤可以并行执行或先后执行,各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定,而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。
本申请实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量,也可以表示各组分间重量的比例关系,因此,只要是按照本申请实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请实施例说明书公开的范围之内。具体地,本申请实施例说明书中的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,用来将目的如物质彼此区分开,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如,在不脱离本申请实施例范围的情况下,第一XX也可以被称为第二XX,类似地,第二XX也可以被称为第一XX。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本申请实施例第一方面提供一种有机废弃物的综合处理方法,包括以下步骤:
S10.对有机废弃物进行裂解处理,得到裂解产物;
S20.在金属催化剂的作用下,对裂解产物进行热催化处理,得到纳米碳材料和氢气。
本申请第一方面提供的有机废弃物的综合处理方法,以固体废弃物、液体废弃油、有机废气等有机废弃物为原料,通过对有机废弃物的裂解处理,将有机废弃物裂解成活泼的烃类气体、氢气、硫化物、氮气等气态混合物;然后在金属催化剂的作用下,对裂解产物进行热催化处理。一方面,在热催化处理过程中,金属催化剂表面高温熔融,烃类化合物在金属表面催化分解,生成的碳元素按特定结构在金属表面排列形成碳纳米管、石墨烯、富勒烯、石墨炔等纳米碳材料。另一方面,活泼烃类气体被催化形成纳米碳材料的过程中,能够将裂解产物中硫等元素固定在纳米碳材料中,并且硫等元素可以作为纳米碳材料的生长促进剂,进一步促进纳米碳材料的沉积。再一方面,裂解产物中氢气具有还原性,能够防止金属催化剂被氧化而失去催化活性,保持金属催化剂的活性,有利于烃类气体沉积形成纳米碳材料。并且,通过热催化处理,氢气能够被纯化富集,提高氢气的利用率。另外,裂解产物中氮气等惰性气体,不但有利于防止金属催化剂被氧化失活,而且能够起到调节烃类碳源气体浓度的作用,从而调节纳米碳材料的沉积成型速率,确保纳米碳材料的质量;氮气等惰性气体可以循环利用。
具体地,上述步骤S10中,对有机废弃物进行裂解处理,得到裂解产物。本申请实施例以固体废弃物、液体废弃油、有机废气等有机废弃物为原料,通过对有机废弃物的裂解处理,将有机废弃物裂解成活泼的烃类气体、氢气、硫化物、氮气等气态混合物,不但有效解决了有机废弃物难处理的问题,而且以这些有机废弃物为原料,通过裂解处理以及后续的热催化处理,充分利用裂解产物中各组分,能够基本回收有机废弃物中氢元素和碳元素,实现零污染、零碳排放、高利用率。
在一些实施例中,对有机废弃物进行裂解处理的步骤包括:在温度为300℃~600℃的无氧环境下,对有机废弃物裂解处理1~3小时,得到裂解产物。本申请实施例在温度为300℃~600℃的无氧环境下,对有机废弃物裂解处理1~3小时,有机废弃物被充***解成气态小分子的碳氢化合物、氢气、气态硫化物、氮气等。其中,气态小分子的碳氢化合物在后续的热催化处理过程中,在金属催化剂的作用下能够生成纳米碳材料;硫元素能够被纳米碳材料捕获,被固定在纳米碳材料上,并作为纳米碳材料的生长促进剂;氮气等惰性气体能够调节气态小分子的碳氢化合物在金属表面的沉积速率,从而调控纳米碳材料的生长速率,有利于确保纳米碳材料的稳定性。若裂解温度低于300℃,则不利于有机废弃物的裂解,影响后续纳米碳材料的生长;若裂解温度过高,造成不必要的能源浪费,不经济环保。
在一些实施例中,有机废弃物选自:固体废弃物、液体废弃油、有机废气中的至少一种。本申请实施例提供的综合处理方法,适用于处理塑料、橡胶、纤维等固体废弃物,废机油、民用油等液体废弃油,工业废气、民用废气等有机废弃,适用范围广,应用灵活,实用价值高。
具体地,上述步骤S20中,在金属催化剂的作用下,对裂解产物进行热催化处理,得到纳米碳材料和氢气。本申请实施例在金属催化剂的作用下,对裂解产物进行热催化处理,使烃类化合物在金属表面催化分解,生成的碳元素按特定结构在金属表面排列形成碳纳米管、石墨烯、富勒烯、石墨炔等纳米碳材料。裂解产物中硫等元素能够被固定在纳米材料中,并可以作为纳米碳材料的生长促进剂,进一步促进纳米碳材料的沉积。裂解产物中氢气被富集纯化,提高氢气的利用率。另外,裂解产物中氮气等惰性气体,可以循环利用。本申请实施例通过对裂解产物的热催化处理,充分利用回收裂解产物各组分,实现对有机废弃物的回收利用,达到零碳排放、零污染、高利用率的效果。
在一些实施例中,对裂解产物进行热催化处理的步骤包括:在温度为600℃~900℃,含有金属催化剂的条件下,对裂解产物进行热催化处理1~5小时,得到纳米碳材料和氢气。本申请实施例热催化处理在温度为600℃~900℃的条件下进行,该温度既能够对裂解产物中未充***解的碳源进一步裂解成烃类气体,又能确保金属催化剂对裂解产物中烃类气体的催化效果,保证生长的纳米碳材料的质量,提高材料纯度,减少缺陷。通过热催化处理1~5小时,使裂解产物中烃类气体完全与金属催化剂反应,形成纳米碳材料,彻底回收裂解产物中有机烃类,同时提高氢气的纯度。若催化温度过低,则不利于烃类气体在金属催化剂表面生长形成纳米碳材料;若催化温度过高,则烃类气体活性过高,在金属催化剂表面沉积速率过快,碳源来不及有序生长,容易形成无定型碳。
在一些实施例中,金属催化剂与裂解产物的质量之比为(0.1~1)kg:(0.1~1)t。本申请实施例在金属催化剂与裂解产物的质量之比为(0.1~1)kg:(0.1~1)t的条件下,对裂解产物进行热催化处理,该配比的金属催化剂,确保了对裂解产物中烃类气体的充分回收利用。若金属催化剂含量过低,则裂解产物中烃类气体回收不充分,气体产物中氢气纯度低,无法直接利用。
在一些实施例中,金属催化剂包括:铁、镍、钴、铜中的至少一种,本申请实施例采用的这些金属催化剂均具有较高的碳容量,对裂解产物中烃类化合物有较好的催化作用,有利于碳元素按特定结构在金属表面排列形成纳米碳材料。
本申请实施例制得的纳米碳材料包括:碳纳米管、石墨烯、炭黑、富勒烯中的至少一种,可通过实际应用需求,通过对沉积温度、催化剂类型等因素的调节,选择性的制得对应的纳米碳材料。
在一些实施例中,金属催化剂的粒径为3纳米~100纳米。本申请实施例采用粒径为3纳米~100纳米的金属催化剂,粒径为纳米级的金属催化剂有利于制备小管径的碳纳米管。当金属催化剂超过100纳米时,较难形成少壁、比表面积大等优良性能的碳纳米管。在一些具体实施例中,在温度为800℃,催化剂为Co系催化剂,粒径为50纳米的条件下,沉积得到碳纳米管。
在另一些实施例中,金属催化剂可采用铜箔等,通过裂解产物中碳源的气相沉积,制备石墨烯等纳米碳材料。
本申请实施例第二方面提供一种有机废弃物的综合处理***,包括:
裂解单元,用于裂解有机废弃物,生成裂解产物;
热催化单元,内部设置有金属催化剂,并与裂解单元连通,用于催化裂解产物,生成纳米碳材料和氢气;
气体收集单元,与热催化单元连通,用于收集氢气。
本申请第二方面提供的有机废弃物的综合处理***,包括依次导通的裂解单元、热催化单元和其他收集单元,其中裂解单元用于裂解有机废弃物,生成的裂解产物导通到热催化单元,通过内部设置的金属催化剂的催化作用,生成纳米碳材料和氢气;由于裂解产物中各组分在热催化单元被吸收转化,使生成的氢气再通过气体收集单元被收集,纯度高,可直接回收利用。本申请实施例提供的有机废弃物的综合处理***,通过对有机废弃物的裂解处理及热催化处理,可基本回收有机废气物中碳、氢等元素成分,回收效率高,可实现零污染、零碳排放,高利用率。
在一些实施例中,裂解单元内设置有第一加热器件,第一加热器件用于将裂解单元加热至300℃~600℃。本申请实施例裂解单元内设置有第一加热器件,用于将裂解单元加热至300℃~600℃,为有机废弃物的裂解提供合适的裂解温度,将有机废弃物充***解成活性烃类气体、氢气、氮气、气态硫化物等产物,有利于在后续热催化单元中对裂解产物充分吸收转化,从而确保对有机废弃物的充分回收利用。
在一些具体实施例中,为确保有机废弃物充***解,防止废弃物被氧化,有机废弃物在裂解单元内加热裂解时,通过通惰性气体等方式排除裂解单元内的氧气,保持无氧环境。
在一些实施例中,热催化单元内设置有第二加热器件,第二加热器件用于将热催化单元加热至600℃~900℃。本申请实施例热催化单元内设置有第二加热器件,用于将热催化单元加热至600℃~900℃,催化裂解产区中烃类碳源气体沉积形成纳米碳材料。在该温度下金属催化剂表面熔融,烃类化合物在金属表面催化分解,生成的碳元素按特定结构在金属表面排列形成纳米碳材料。同时裂解产物中硫元素被纳米碳材料捕获,固定在纳米碳材料上,能进一步促进纳米碳材料的生长。本申请通过对裂解产物中碳源等组分的回收转化得到纳米碳材料,通过对裂解产物中氢气起到纯化富集的作用,得到高纯度的氢气,更有利于产品的直接应用。
在一些实施例中,纳米碳材料包括:碳纳米管、石墨烯、炭黑、富勒烯中的至少一种。
在一些实施例中,金属催化剂包括:铁、镍、钴、铜中的至少一种。
在一些具体实施例中,采用粒径为3纳米~100纳米的金属催化剂,用于制备小管件的碳纳米管材料。在另一些具体实施例中,采用铜箔催化剂制备石墨烯。
本申请有机废弃物的综合处理***适用于固体废弃物、液体废弃油、有机废气等任意状态有机废弃物的综合处理、回收利用。
在一些具体实施例中,当处理固体废弃物时,首先将固体废弃物在温度为300℃~600℃且无氧的裂解单元中进行充***解1~3小时;得到的裂解产物导通到温度为600℃~900℃热催化单元中,该热催化单元中设置有铁、镍、钴、铜中的至少一种金属催化剂;通过金属催化剂对裂解产物热催化处理1~5小时,充分吸收转化裂解产物中碳源,得到纳米碳材料;同时对裂解产物中氢气富集纯化。在其气体收集单元中收集得到高纯度的氢气,氮气等惰性气体可通过分离循环用于反应体系中。
在另一些具体实施例中,当处理液体废弃油时,有机废弃物的综合处理***中,裂解单元可直接设置在热催化单元内部,液体废弃油通过温度为300℃~600℃的裂解单元裂解处理1~3小时,气化成游离的碳源分子、氢气分子等。被气化的碳源在热催化单元中,温度为600℃~900℃的区域内与金属催化剂接触反应1~5小时,游离碳原子按特定结构排列形成纳米级碳材料生成纳米碳材料,碳源可基本回收利用。游离氢原子则形成氢气,通过纯化富集得到高纯度氢气,氮气等惰性气体可通过分离循环用于反应体系中。
在另一些具体实施例中,当处理有机废气时,可直接将有机废气通入温度为600℃~900℃的热催化单元,通过与金属催化剂的接触反应1~5小时,使有机废气中碳源气体在金属催化表面有规律的排列形成纳米碳材料,氢气等被纯化富集,氮气等惰性气体可通过分离循环用于反应体系中。
在一些实施例中,热催化单元和气体收集单元之间还设置有气体分离单元,用于分离纯化氢气。本申请实施例有机废弃物的综合处理***还可以在热催化单元和气体收集单元之间设置气体分离单元,用于分离纯化氢气,将氮气等惰性气体、以及少量未反应完全的碳源气体分离后,重新输送到热催化单元中,使少量未反应完全的碳源气体被重新吸收转化,氮气等惰性气体为***提供惰性气体氛围,调节碳源沉积速率。
在一些具体实施例中,有机废弃物的综合处理***如附图1所示,包括:裂解单元1,用于裂解有机废弃物,生成裂解产物;热催化单元2,内部设置有金属催化剂,并与裂解单元连通,用于催化裂解产物,生成纳米碳材料和氢气;气体分离单元4,用于分离纯化热催化单元2导出的气体,分离后的惰性气体以及未反应完全的烃类气体通过导管重新从热催化单元2的进料一侧进入热催化单元2,纯化后的氢气通入到气体收集单元3收集。
为使本发明上述实施细节和操作能清楚地被本领域技术人员理解,以及本发明实施例有机废弃物的综合处理方法及其处理***的进步性能显著的体现,以下通过多个实施例来举例说明上述技术方案。
实施例1
一种有机废弃物的综合处理方法,它包括以下步骤:
①在温度为300℃氮气氛围的裂解单元中,对废弃塑料进行裂解处理2时间;得到裂解产物;
②将裂解产物通入温度为800℃的热催化单元,热催化单元中设置有粒径约为10纳米的Co系催化剂,对裂解产物进行热催化处理5小时,得到碳纳米管和氢气。
③通过气体分离单元对热催化单元排除的气体进行分离纯化,在气体收集单元中回收得到氢气。
实施例2
一种有机废弃物的综合处理方法,它包括以下步骤:
①在温度为400℃氮气氛围的裂解单元中,对废弃塑料进行裂解处理3时间;得到裂解产物;
②将裂解产物通入温度为750℃的热催化单元,热催化单元中设置有铜箔催化剂,对裂解产物进行热催化处理5小时,得到石墨烯和氢气。
③通过气体分离单元对热催化单元排除的气体进行分离纯化,在气体收集单元中回收得到氢气。
进一步的,为了验证本发明实施例有机废弃物的综合处理方法及处理***的进步性,本申请对实施例1制备的碳纳米管的形貌进行的观测,如附图2~3所示,制得的碳纳米管杂质少,纯度高,长径比高。另外,对实施例1气体收集单元中回收的氢气纯度进行了测试,氢气纯度可达到78%,纯度高,可直接回收利用。
本申请对实施例2气体收集单元中回收的氢气纯度进行了测试,氢气纯度达到75%,纯度高。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种有机废弃物的综合处理方法,其特征在于,包括以下步骤:
对有机废弃物进行裂解处理,得到裂解产物;
在金属催化剂的作用下,对所述裂解产物进行热催化处理,得到纳米碳材料和氢气。
2.如权利要求1所述的有机废弃物的综合处理方法,其特征在于,对有机废弃物进行裂解处理的步骤包括:在温度为300℃~600℃的无氧环境下,对所述有机废弃物裂解处理1~3小时,得到裂解产物;和/或,
所述有机废弃物选自:固体废弃物、液体废弃油、有机废气中的至少一种。
3.如权利要求1或2所述的有机废弃物的综合处理方法,其特征在于,对所述裂解产物进行热催化处理的步骤包括:在温度为600℃~900℃,含有所述金属催化剂的条件下,对所述裂解产物进行热催化处理1~5小时,得到纳米碳材料和氢气。
4.如权利要求3所述的有机废弃物的综合处理方法,其特征在于,所述金属催化剂与所述裂解产物的质量之比为(0.1~1)kg:(0.1~1)t。
5.如权利要求1、2或4任一所述的有机废弃物的综合处理方法,其特征在于,所述纳米碳材料包括:碳纳米管、石墨烯、炭黑、富勒烯中的至少一种;和/或,
所述金属催化剂包括:铁、镍、钴、铜中的至少一种。
6.如权利要求5所述的有机废弃物的综合处理方法,其特征在于,所述金属催化剂的粒径为3纳米~100纳米。
7.一种有机废弃物的综合处理***,其特征在于,包括:
裂解单元,用于裂解有机废弃物,生成裂解产物;
热催化单元,内部设置有金属催化剂,并与所述裂解单元连通,用于催化所述裂解产物,生成纳米碳材料和氢气;
气体收集单元,与所述热催化单元连通,用于收集氢气。
8.如权利要求7所述的有机废弃物的综合处理***,其特征在于,所述裂解单元内设置有第一加热器件,所述第一加热器件用于将所述裂解单元加热至300℃~600℃;和/或,
所述热催化单元内设置有第二加热器件,所述第二加热器件用于将所述热催化单元加热至600℃~900℃。
9.如权利要求7所述的有机废弃物的综合处理***,其特征在于,所述有机废弃物选自:固体废弃物、液体废弃油、有机废气中的至少一种;和/或,
所述纳米碳材料包括:碳纳米管、石墨烯、炭黑、富勒烯中的至少一种;和/或,
所述金属催化剂包括:铁、镍、钴、铜中的至少一种;和/或,
所述金属催化剂的粒径为3纳米~100纳米。
10.如权利要求7~9任一所述的有机废弃物的综合处理***,其特征在于,所述热催化单元和所述气体收集单元之间还设置有气体分离单元,用于分离纯化氢气。
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