CN104388677A - 一种锂萃取体系再生的方法 - Google Patents

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李丽娟
宋富根
姬连敏
彭小五
聂峰
刘志启
曾忠民
宋雪雪
李慧芳
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Abstract

本发明公开了一种锂萃取体系再生的方法,采用碱皂化的方法进行再生,该再生方法为将经锂萃取及反萃之后的空有机相与碱液混合,皂化后静置分相,得到澄清透明的再生萃取有机相;其中空有机相包括参与锂萃取及反萃过程的萃取剂、协萃剂、稀释剂;协萃剂为氯化铁。碱液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中的任意一种。根据本发明的锂萃取体系的再生方法操作简单,皂化效果好;经皂化再生后的萃取有机相在循环使用萃取锂时,锂萃取效率高,萃取效果好,该方法实现了萃取锂的萃取有机相的循环利用,并完成了萃取—反萃—再生—萃取的循环萃取锂的工艺流程。

Description

一种锂萃取体系再生的方法
技术领域
本发明属于萃取化学、化工领域,具体地讲,涉及一种锂萃取体系再生的方法。
背景技术
全球锂资源主要集中在玻利维亚、中国、智利、阿根廷、澳大利亚、美国等少数国家,并以盐湖资源为主。因此,从盐湖卤水中提取锂已成为当前各国争夺能源战略高地的重中之重。中国也是锂资源较为丰富的国家之一,储量约占全球的10%,已探明的锂资源工业储量位居世界第二,仅次于玻利维亚。其中,盐湖锂资源所占比例超过80%,主要分布在青海和西藏等地。仅青海和西藏盐湖卤水中锂的远景储量就与世界其他国家目前已探明的总储量相当。据估算,青海柴达木盆地盐区锂资源储量约753.38万吨氧化锂(Li2O),不仅有着巨大的潜在经济价值,而且具有重要的国家战略意义。
中国盐湖除西藏外,都是属于高镁锂比(mMg/mLi>40)盐湖,从高镁锂比的盐湖卤水中分离提取锂是一个世界性难题。卤水中的锂常以微量形式与大量的碱金属、碱土金属离子共存,由于它们化学性质非常相近,使得从中分离提取锂盐十分困难。镁和锂是元素周期表中处于对角线的两种元素,化学性质更是十分相似。卤水中高含量镁的存在,使分离锂的技术变得更加复杂,成为卤水提锂的关键技术难题。因此,降低盐湖卤水中的镁锂比值对利用卤水资源生产锂盐的可行性和经济效益至关重要。而在诸多的分离方法中,溶剂萃取技术是从溶液中分离提取各种金属的有效技术,它具有分离效率高、工艺和设备简单、操作连续化、易于实现自动控制等优点,被认为是从高镁锂比卤水中提取分离锂的最有前途的方法之一。
在已见报导的从卤水中萃取提锂的方法中,有机磷萃取体系对锂具有很高的选择性,是国内外盐湖卤水提锂研究的热点。目前,最常用的锂萃取体系是以磷酸三丁酯(TBP)为萃取剂,三氯化铁为共萃取剂;近几年袁承业院士和李丽娟课题组针对中科院青海盐湖所和上海有机所在上世纪七、八十年代进行的溶剂萃取法从卤水中萃取提锂的研究工作基础,推出了更为实用的酰胺类和中性磷氧类-煤油混合体系,并对该类体系萃取锂的性能进行了系统研究。完成了混合体系的工艺串级试验研究,取得了满意的研究成果:锂的萃取率大于99.5%,Li+与Mg2+、Na+、K+及B2O3的分离系数分别为87720、3937、4830,1167,锂的反萃取率大于99%。研发了一种可降低对设备腐蚀性并适合工业应用的从卤水中提取锂的技术,使得中性磷氧类化合物的腐蚀性、水中溶解度及化学降解作用得以显著缓解。但在实际生产中,不应只关注锂的萃取及反萃效果,对于上述经过萃取及反萃之后的有机相的再生问题是影响该工艺是否可行的一个重要指标,因此对上述有机相进行再生是萃取锂工艺流程中的一个关键环节。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题,本发明提供了一种锂萃取体系再生的方法,该方法采用碱皂化的方法,使得经锂萃取及反萃之后的空有机相得到再生,恢复了萃取锂的能力,保证了萃取有机相的循环利用。
为了达到上述发明目的,本发明采用了如下的技术方案:
一种锂萃取体系再生的方法,采用碱皂化的方法,具体步骤为将经过锂萃取及反萃之后的空有机相与碱液混合,皂化后静置分相,得到澄清透明的再生萃取有机相。
进一步地,所述空有机相包括参与锂萃取及反萃过程的萃取剂、协萃剂、稀释剂;其中,所述协萃剂为氯化铁。
进一步地,在所述碱皂化的过程中,控制皂化度不低于60%且不高于95%;所述皂化度通过以下公式获得:
其中,所述[OH-]碱液表示所述碱液中OH-的浓度,单位为mol·L-1;所述V碱液表示所述碱液的体积,单位为L;所述[Mn+]空有机相表示所述空有机相中Fe3+与H+之间比较,浓度较大者的浓度,单位为mol·L-1;所述V空有机相表示所述空有机相的体积,单位为L。
进一步地,所述皂化度不低于60%且不高于85%。
进一步地,所述碱液的浓度为1mol·L-1~4mol·L-1
进一步地,所述碱液包括氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中的任意一种。
进一步地,所述空有机相中Fe3+的浓度为0.1mol·L-1~0.3mol·L-1
进一步地,所述萃取剂包括磷酸三丁酯、N,N-二(2-乙基己基)乙酰胺中的至少一种。
进一步地,所述磷酸三丁酯的体积分数为所述萃取剂和稀释剂的总体积的5%~80%,所述N,N-二(2-乙基己基)乙酰胺的体积分数为所述萃取剂和稀释剂的总体积的5%~50%。
进一步地,所述稀释剂包括普通煤油、磺化煤油、航空煤油、庚烷、辛烷、十二烷、环己烷、正己烷、戊醇、正辛醇、异辛醇、石油醚、氯仿、四氯化碳、乙酸乙酯、苯、甲苯、二甲苯、1,2-二氯乙烷中的任意一种。
本发明通过采用碱皂化的方法,使得经过锂萃取及反萃之后的空有机相得到再生,再生后的萃取有机相重新恢复了萃取锂的性能,保证了萃取有机相的循环利用,该锂萃取体系再生方法简单,再生效率高。
具体实施方式
以下,将参照具体的实施例来详细描述本发明。然而,可以以许多不同的形式来实施本发明,并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反,提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用,从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
根据本发明的一种锂萃取体系的再生方法,采用碱皂化的方法,将碱液与经过锂萃取及反萃之后的空有机相进行混合,皂化后静置分相,得到澄清透明的再生萃取有机相即可。
上述空有机相包括参与锂萃取及反萃过程的萃取剂、协萃剂、稀释剂。
萃取有机相包括萃取剂、协萃剂和稀释剂。具体地,在锂萃取的过程中,采用的萃取有机相选自磷酸三丁酯-三氯化铁-稀释剂、N,N-二(2-乙基己基)乙酰胺-氯化铁-稀释剂、磷酸三丁酯/N,N-二(2-乙基己基)乙酰胺-氯化铁-稀释剂中的任意一种;换句话说,萃取剂包括磷酸三丁酯、N,N-二(2-乙基己基)乙酰胺中的至少一种,协萃剂为氯化铁,稀释剂可选自普通煤油、磺化煤油、航空煤油、庚烷、辛烷、十二烷、环己烷、正己烷、戊醇、正辛醇、异辛醇、石油醚、氯仿、四氯化碳、乙酸乙酯、苯、甲苯、二甲苯、1,2-二氯乙烷中的任意一种。
上述萃取有机相在从盐湖卤水中萃取锂的过程中,萃取原理为:在由盐湖卤水配制成的萃取水相中,在高氯离子浓度条件下,协萃剂FeCl3首先与Cl-配位形成[FeCl4]-络阴离子,该[FeCl4]-络阴离子再与萃取水相中的Li+、Ca2+、Na+、K+、Mg2+等阳离子结合,形成络合物M(FeCl4)n(Mn+为Li+、Ca2+、Na+、K+、Mg2+等阳离子),此络合物M(FeCl4)n再与萃取剂和稀释剂的混合物(以下均以S表示)结合进入萃取有机相;因此在萃取过程中,[FeCl4]-络阴离子在萃取有机相中是否能够稳定存在是萃取能否实现的关键。在萃取锂的过程中,在由盐湖卤水配制而成的萃取水相中,与Li+共存的Na+、K+、Mg2+、H+、Ca2+等阳离子均对Li+的萃取有竞争作用,上述阳离子与[FeCl4]-络阴离子结合形成M(FeCl4)n的能力的顺序通常是:H+>Li+>Ca2+>Na+>K+>Mg2+。由于上述离子的结合能力存在差异,因此可通过萃取法实现从盐湖卤水中将Li+与其他阳离子分离的目的,得到富锂有机相LiFeCl4·nS。
上述富锂有机相LiFeCl4·nS,可利用酸将其中的Li+反萃,一般为盐酸。
在反萃过程中,可利用H+与[FeCl4]-络阴离子极强的结合能力,将已萃取的Li+从富锂有机相LiFeCl4·nS中置换出来,反萃后得到的空有机相为HFeCl4·nS。
整个萃取和反萃过程中Fe3+始终以[FeCl4]-络阴离子的形式存在于萃取有机相、富锂有机相LiFeCl4·nS或空有机相HFeCl4·nS中不损失(以下均以Fe3+来表示[FeCl4]-络阴离子)。由于H+的被萃取的能力较Li+强,反萃后的空有机相HFeCl4·nS失去了萃取Li+的能力,因此需要将反萃后的空有机相HFeCl4·nS进行再生处理,使其恢复萃取Li+的能力,从而可使萃取有机相进行循环利用。
碱皂化方法即利用碱液与上述经锂萃取、反萃后得到的空有机相HFeCl4·nS进行中和反应,从而使得萃取有机相恢复萃取锂的能力,这个过程需保持Fe3+的含量不变。
在上述碱皂化的过程中,需通过对空有机相HFeCl4·nS中的H+含量进行测定来确定碱液的用量。具体地,空有机相HFeCl4·nS中H+的浓度可以通过测定萃取水相的酸度(以萃取水相中H+浓度计)、萃余液的酸度(以萃余液中H+浓度计)、反萃剂的酸度(以反萃剂中H+浓度计)、反萃液的酸度(以反萃液中H+浓度计)并配合萃取相比和反萃相比求得;此处萃余液指萃取水相经萃取有机相萃取锂后的剩余水相,反萃液指反萃剂反萃富锂有机相LiFeCl4·nS后的剩余水相。空有机相HFeCl4·nS中H+的浓度的计算方法如式(1):
其中,[H+]空有机相指空有机相HFeCl4·nS中H+的浓度,[H+]反萃剂指反萃剂中H+的浓度,[H+]反萃液指反萃液中H+的浓度,[H+]萃取水相指萃取水相中H+的浓度,[H+]萃余液指萃余液中H+的浓度,上述浓度的单位均为mol·L-1;反萃相比指富锂有机相LiFeCl4·nS与反萃剂的体积之比,萃取相比指萃取有机相与萃取水相的体积之比。
在采用碱皂化的过程中,皂化程度对皂化后的再生萃取有机相的萃取锂的能力有着直接的影响。理论上,在不影响皂化分相效果的前提下,皂化度越高,经皂化后的再生萃取有机相在循环使用时,萃取锂的能力越高。
皂化程度简称皂化度,其可通过两种方式计算:当空有机相HFeCl4·nS中H+的浓度比Fe3+的浓度高时,以空有机相HFeCl4·nS中H+的含量计算;当空有机相HFeCl4·nS中Fe3+的浓度比H+的浓度高时,以空有机相HFeCl4·nS中Fe3+的含量计算。具体地,皂化度的计算公式如式(2)和(3)。
当以空有机相HFeCl4·nS中H+为准时,皂化度计算公式如式(2):
当以空有机相HFeCl4·nS中Fe3+为准时,皂化度计算公式如式(3):
其中,[OH-]碱液表示碱液中OH-的浓度,[H+]空有机相表示空有机相HFeCl4·nS中H+的浓度,[Fe3+]空有机相表示空有机相HFeCl4·nS中Fe3+的浓度,上述浓度的单位均为mol·L-1;V碱液表示碱液的体积,V空有机相表示空有机相HFeCl4·nS的体积,上述体积的单位均为L。
下面将结合具体的实施例对本发明的技术方案进行详细地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实例,而不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护范围。
实施例1
首先取40mL空有机相HFeCl4·nS;然后以4.00mol·L-1的NaOH溶液为碱液,在不同皂化度下对上述空有机相HFeCl4·nS进行皂化,分析不同皂化度下的皂化分相效果。皂化后静置分相,得到不同皂化度下的各组再生后的萃取有机相。
为了说明上述皂化再生的效果,以再生的萃取有机相进行循环萃取时,萃取水相中Li+的浓度为5g·L-1,萃取相比为5:1。
在本实施例中,上述空有机相HFeCl4·nS来自一个以体积分数为80%TBP为萃取剂、FeCl3为协萃剂、20%磺化煤油为稀释剂的萃取过程。其中,萃取有机相中Fe3+的浓度为0.216mol·L-1;萃取和反萃过程之后,经分别测定萃取和反萃过程中萃取水相、萃余液、反萃剂和反萃液的酸度,计算得知该空有机相HFeCl4·nS中H+的浓度为0.341mol·L-1。该空有机相HFeCl4·nS中H+的浓度高于Fe3+的浓度,此处皂化度以式(2)为准计算。
不同皂化度下的皂化分相效果及经皂化再生得到的萃取有机相循环萃取锂的结果如表1所示。
表1
皂化度/% 60 70 80 90
碱液含量/mL 2.05 2.39 2.73 3.07
皂化分相效果 正常 正常 正常 絮状物
锂萃取率/% 57.32 68.65 84.71 ——
根据表1可以看出,当皂化度为90%时,在皂化过程中,空有机相HFeCl4·nS中的Fe3+遇相对过量的碱液生成沉淀,造成Fe3+的损失,也不利于皂化后的静置分相;而在皂化分相效果正常的范围内,所得到的再生萃取有机相是澄清透明的,说明没有铁沉淀物生成;并且,皂化度越高,经皂化再生后得到的萃取有机相在循环萃取锂时的锂萃取率越高;尤其当皂化度为80%时,经皂化再生后的萃取有机相在单级萃取时即达到了84.71%的萃取率。这样,经过多级逆流萃取,即可满足萃取要求,同时还实现了有机相的循环使用。故此,为减少Fe3+的损失,优选将皂化度控制在不超过90%为佳。
实施例2
在实施例2的描述中,与实施例1的相同之处在此不再赘述,只描述与实施例1的不同之处。实施例2与实施例1的不同之处在于,空有机相HFeCl4·nS来自一个以体积分数为50%N,N-二(2-乙基己基)乙酰胺为萃取剂、FeCl3为协萃剂、50%磺化煤油为稀释剂的萃取过程。其中,萃取有机相中Fe3+的浓度为0.187mol·L-1;萃取和反萃过程之后,经测定计算,空有机相HFeCl4·nS中H+的浓度为0.176mol·L-1
取上述反萃后的空有机相HFeCl4·nS 20mL,以1.712mol·L-1的NaOH溶液为碱液进行皂化,分析不同皂化度下的皂化分相效果。皂化后静置分相,得到不同皂化度下的各组再生后的萃取有机相。
为了说明上述皂化再生的效果,以再生的萃取有机相进行循环萃取时,萃取水相中Li+的浓度为2g·L-1,萃取相比为2:1。
不同皂化度下的皂化分相效果及经皂化再生后的萃取有机相在循环萃取锂时的萃取效果如表2所示,此处空有机相HFeCl4·nS中Fe3+的浓度比H+的浓度高,因此此时皂化度以式(3)所述的方法计算。
表2
皂化度/% 60 70 80 85
碱液含量/mL 1.31 1.53 1.75 1.86
皂化分相效果 正常 正常 正常 絮状物
锂萃取率/% 54.75 63.35 67.77 71.32
从表2可以看出,当皂化度为85%时,在皂化过程中,空有机相中HFeCl4·nS开始出现含Fe3+的局部絮状沉淀,可想而知的是,继续提高皂化度将会造成空有机相HFeCl4·nS在皂化过程中的严重乳化,造成Fe3+的损失,也不利于皂化后的静置分相;而在皂化分相正常的范围内,所得到的再生萃取有机相是澄清透明的,说明没有铁沉淀物生成;并且,皂化度越高,再生后的萃取有机相循环萃取锂的锂萃取率越高。故此,为减少Fe3+的损失,优选将皂化度控制在不超过85%为佳。
实施例3
首先取20mL空有机相HFeCl4·nS;然后以4.00mol·L-1的NaOH溶液为碱液,在不同皂化度下对上述空有机相HFeCl4·nS进行皂化,分析不同皂化度下的皂化分相效果。皂化后静置分相,得到不同皂化度下的各组再生后的萃取有机相。
为了说明上述皂化再生的效果,以再生的萃取有机相进行循环萃取时,萃取水相中Li+的浓度为1.87g·L-1,萃取相比为2:1。
在本实施例中,上述空有机相HFeCl4·nS来自一个以体积分数为5%TBP/45%N,N-二(2-乙基己基)乙酰胺为萃取剂、FeCl3为协萃剂、50%磺化煤油为稀释剂的萃取过程。其中,萃取有机相中Fe3+的浓度为0.187mol·L-1,且萃取剂为TBP和N,N-二(2-乙基己基)乙酰胺的混合物;萃取和反萃过程之后,通过分别测定萃取水相、萃余液、反萃剂和反萃液中的H+浓度,计算可知该空有机相HFeCl4·nS中H+的浓度为0.3644mol·L-1
不同皂化度下的皂化分相效果及经皂化再生后的萃取有机相在循环萃取锂时的萃取效果如表3所示,此时以式(2)为准计算皂化度。
表3
皂化度/% 65 70 75 80 85 95
碱液含量/mL 1.18 1.28 1.37 1.46 1.55 1.73
皂化分相效果 正常 正常 正常 正常 正常 局部乳化
锂萃取率/% 44.46 51.83 56.96 64.01 69.87 75.55
从表3可以看出,在皂化度为95%时,空有机相HFeCl4·nS在皂化时,出现局部乳化现象,不仅造成Fe3+的部分损失,也不利于皂化后的静置分相;可想而知的是,当皂化度继续增大时,空有机相HFeCl4·nS中的乳化现象将会严重,影响再生后的萃取有机相的循环利用;而在皂化分相效果正常的范围内,所得到的再生萃取有机相是澄清透明的,说明没有铁沉淀物生成;并且,皂化再生后的萃取有机相萃取锂的能力随着皂化度的增加而增加。故此,为减少Fe3+的损失,优选将皂化度控制在不超过95%为佳。
实施例4
在实施例4的描述中,与实施例3的相同之处在此不再赘述,只描述与实施例3的不同之处。实施例4与实施例3的不同之处在于,空有机相HFeCl4·nS来自一个以体积分数为25%TBP/5%N,N-二(2-乙基己基)乙酰胺为萃取剂、FeCl3为协萃剂、70%磺化煤油为稀释剂的萃取过程。其中,空有机相HFeCl4·nS中Fe3+的浓度为0.108mol·L-1。萃取和反萃过程后,计算可知该空有机相HFeCl4·nS中H+的浓度为0.124mol·L-1;取20mL上述反萃后的空有机相HFeCl4·nS,以1.747mol·L-1的KOH溶液为碱液进行皂化,得到再生后的萃取有机相;再在萃取相比为1:1的条件下,以上述萃取有机相萃取含1.2g·L-1Li+的萃取水相。
不同皂化度下的皂化分相效果及经皂化再生后的萃取有机相在循环萃取锂时的萃取效果如表4所示,此处皂化度以式(1)中所述的方法计算。
表4
皂化度/% 60 70 80 90
碱液含量/mL 0.85 0.99 1.14 1.28
皂化分相效果 正常 正常 正常 微量絮状物
锂萃取率/% 40.00 57.50 65.83 78.33
从表4可以看出,在皂化度为90%时,空有机相HFeCl4·nS在皂化时即出现微量絮状物,Fe3+的损失近似忽略,再生后的萃取有机相仍可使用;可以想象的是,当继续增大皂化度时,空有机相HFeCl4·nS在皂化时会有乳化现象产生,造成Fe3+的损失;而在皂化分相效果正常的范围内,所得到的再生萃取有机相是澄清透明的,说明没有铁沉淀物生成;并且,经皂化再生的萃取有机相的萃取锂的能力随着皂化度的增加而增加。故此,为减少Fe3+的损失,优选将皂化度控制在不超过90%为佳。
实施例5
以实施例4中90%皂化度皂化再生后的萃取有机相进行三级逆流萃取锂实验,其中,萃取水相为含Li+浓度为2g·L-1的盐湖卤水,萃取相比为2:1;经过六个循环后,萃余液中Li+浓度稳定在0.02g·L-1,即经三级逆流萃取后锂的总收率达到98%以上,皂化再生后的萃取有机相在进行循环萃取锂时,萃取剂萃取性能稳定,萃取过程中未见萃取剂乳化、三相以及有机相中Fe3+损失等现象出现。
根据本发明的一种锂萃取剂再生的方法,可通过酸碱中和的方法将经萃取锂及反萃锂之后的空有机相HFeCl4·nS进行皂化再生,使空有机相HFeCl4·nS转化成萃取有机相,重新恢复萃取锂的能力。该再生方法简单,易于操作,经皂化再生后的萃取有机相在循环萃取锂时的萃取效率高,萃取过程稳定。该方法实现了萃取—反萃—再生—萃取的循环萃取工艺,具有实际意义。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明,但是本领域的技术人员将理解:在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下,可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (10)

1.一种锂萃取体系再生的方法,其特征在于,采用碱皂化的方法,具体步骤为将经过锂萃取及反萃之后的空有机相与碱液混合,皂化后静置分相,得到澄清透明的再生萃取有机相。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述空有机相包括参与锂萃取及反萃过程的萃取剂、协萃剂、稀释剂;其中,所述协萃剂为氯化铁。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,在所述碱皂化的过程中,控制皂化度不低于60%且不高于95%;
所述皂化度通过以下公式获得:
其中,所述[OH-]碱液表示所述碱液中OH-的浓度,单位为mol·L-1
所述V碱液表示所述碱液的体积,单位为L;
所述[Mn+]空有机相表示所述空有机相中Fe3+与H+之间比较,浓度较大者的浓度,单位为mol·L-1
所述V空有机相表示所述空有机相的体积,单位为L。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述皂化度不低于60%且不高于85%。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述碱液的浓度为1mol·L-1~4mol·L-1
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述碱液包括氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中的任意一种。
7.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述空有机相中Fe3+的浓度为0.1mol·L-1~0.3mol·L-1
8.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述萃取剂包括磷酸三丁酯、N,N-二(2-乙基己基)乙酰胺中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述磷酸三丁酯的体积分数为所述萃取剂和稀释剂的总体积的5%~80%,所述N,N-二(2-乙基己基)乙酰胺的体积分数为所述萃取剂和稀释剂的总体积的5%~50%。
10.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述稀释剂包括普通煤油、磺化煤油、航空煤油、庚烷、辛烷、十二烷、环己烷、正己烷、戊醇、正辛醇、异辛醇、石油醚、氯仿、四氯化碳、乙酸乙酯、苯、甲苯、二甲苯、1,2-二氯乙烷中的任意一种。
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