CN106179327B - 活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温scr催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂及其制备方法,通过将MnOx‑CeO2/TiO2‑ZrO2负载于较高比表面和机械强度的活性焦颗粒上,降低SCR反应的温度,提高催化剂的吸附能力和机械抗磨性能力,通过原位生成的纳米活性碳颗粒,对催化剂活性位进行保护,提高催化剂的抗二氧化硫能力;该制备方法工艺简单,不需要苛刻的工艺条件即可实现,适合工业化大规模推广,在火力发电厂低温烟气污染物控制方面,具有实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及低温SCR催化领域,具体涉及一种活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂的制备方法。
背景技术
利用氨NH3作为还原剂,选择性催化还原(SCR)脱除NOx技术是目前应用最广泛的燃煤电站烟气脱硝技术。NH3、NO和O2在催化剂作用下发生氧化还原反应生成N2和H2O。其应用的催化剂主要是V2O5/TiO2系列,它具有很高的催化活性,但是其反应温度较高,在使用环境对应于火力发电厂高温,高飞灰烟气,容易引起催化剂的磨损和中毒。研究降低SCR反应的温度,是改善应用环境的重要研究方向。
低温条件下SCR的反应过程中,NO的吸附转化物是反应中的重要反应中间体,而由SO2生成的硫酸根会占据NO的反应活性位、减少NO的吸附,影响SCR反应的进行。Zhu等人在研究V2O5/AC催化剂时发现,虽然V2O5会将系统中的SO2氧化成硫酸根,但以活性炭作为载体时,形成的硫酸根能够迁移到载体的表面,硫酸根在迁移到活性炭表面后,会形成新Bronsted的酸性位,促进NH4 +的吸附-转化,提高NH4 +的生成量并促使其参与到SCR反应中。
因此,以活性炭为载体时,一方面能够保护催化剂表面的活性位,有利于NO的吸附-转化;另一方面,当硫酸根迁移到活性炭上后,新的酸性位上生成的NH4 +能持续地与NO及其转化物进行反应,又可在一定程度上缓解硫酸(氢)铵在催化剂表面活性位上的沉积。因此,活性炭在作为抗硫催化剂载体方面有较大的优势,但以活性炭为材质的催化剂在强度方面难以满足应用要求。
专利20122059117.8提出了一种利用低温SCR催化剂吸附特性脱除烟气中二氧化硫、利用催化剂低温SCR活性脱除烟气中氮氧化物的方法。专利201310415859提出了配合的催化剂,但是该催化剂在吸附二氧化硫时,对催化剂表面活性位保护的方面仍然不足,催化剂在使用过程中存在的活性组分硫酸盐化降解问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂的制备方法,通过将MnOx-CeO2/TiO2-ZrO2负载于较高比表面和机械强度的活性焦颗粒上,降低SCR反应的温度,提高催化剂的吸附能力和机械抗磨性能力,通过原位生成的纳米活性碳颗粒,对催化剂活性位进行保护,提高催化剂的抗二氧化硫能力;该制备方法工艺简单,不需要苛刻的工艺条件即可实现,适合工业化大规模推广。
上述目的是通过如下技术方案实现的:
一种活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂,以活性焦为载体,载体上负载有锰铈钛锆复合氧化物,锰铈钛锆元素摩尔比为(0.05~0.8):(0.005~0.8):1:1,通过如下步骤制成:
步骤S1,将活性焦用质量分数为0.5~5%的硝酸浸泡5~10小时后,用蒸馏水冲洗滤干;
步骤S2,向含钛盐及锆盐的混合溶液中缓慢加入碱性物质,Ti和Zr摩尔比为1:1,得到白色沉淀,过滤洗涤,洗去白色沉淀表面的无机盐,再用硝酸将获得的白色沉淀溶解,得到溶液;
步骤S3,向步骤S2得到的溶液中加入锰的可溶性盐、铈的可溶性盐和糖类,按照摩尔比Mn:Ce:Cm(H2O)n:Ti=(0.05-0.8):(0.005-0.8):(0.25-0.5):1比例制成混合溶液;
步骤S4,将步骤S1制得的活性焦颗粒浸渍于步骤S3所得溶液中浸渍2~6小时;
步骤S5,将步骤S4的颗粒取出滤干后先置于50~80℃条件下烘1.5~2.5小时,然后再置于100~110℃条件下烘0.5~1.5小时;
步骤S6,将步骤S5得到的固体在氮气和水蒸气保护条件下,用微波加热控温400~550℃处理2~6h,即得所述活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂。
进一步地,步骤S3还可加入改性元素钒V或钨W,改性元素与Ti摩尔比为(0.005~0.1):1。
进一步地,所述活性焦使用颗粒状为原料,粒径大小为40~60目。
进一步地,步骤S2所述碱性物质为氨水。
进一步地,步骤S4中,浸渍前采用超声波震荡的方式处理5~20分钟。
进一步地,所述糖类为蔗糖、葡萄糖、果糖中的一种或多种。
进一步地,所述锰的可溶性盐为硝酸锰或醋酸锰。
进一步地,所述铈的可溶性盐为硝酸铈。
进一步地,所述钛盐为硫酸钛、硫酸氧钛、四氯化钛、三氯化钛中的一种或多种。
进一步地,所述锆盐为四氯化锆或氯氧化锆。
Mn和Ce是催化剂的催化活性组分,其中Mn主要存在形式为无定型态,能够提供催化反应的活性位,对反应物NO和NH3进行吸附,并在邻近的酸性点上进行反应。MnOx作为催化剂时,可以促使反应在100℃左右开始发生,并在120~200℃时取得良好效果。由于Mn存在大量不同的氧化物类型,如MnO、MnO2、Mn2O3和Mn3O4等,各种氧化物可以相互转化,其中含有的大量活性氧,使得MnOx在催化过程中完成催化的循环。Ce主要作用是促进NO向NO2转变,提高SCR反应活性,此外Ce还能增加催化反应中的电子转移,并将其作为较好的贮氧剂,增强催化剂的氧循环,保证催化反应的持续进行。
糖类的加入能够在煅烧过程中原位生成纳米级活性碳材料,这些纳米级碳材料能够吸附二氧化硫,将其催化生成硫酸根,当硫酸根在活性炭表面生成后,新的酸性位与气相中的还原剂生成的NH4 +能持续地与NO及其转化物进行反应。
钒、钨改性元素能改善催化剂对二氧化硫的吸附特性,增强表面酸性,提升催化活性;
使用微波加热能快速将温度提升到糖分脱水温度和金属硝酸盐分解温度以上,有利于纳米碳颗粒和金属氧化物纳米颗粒同步生成,保持金属氧化物分散度的同时提升比表面积。
本发明催化剂相对于专利201310415859,在保持机械特性的同时,由于Ti、Zr按照1:1加入,形成复合氧化物,增大了载体比表面积,由于钛锆复合氧化物表面形成ZrTiO4结构,二氧化硫在吸附时只能形成较弱的、并且可逆的硫酸盐,对活性组分进行了保护;另一方面,由于在活性组分周围均匀生成纳米级活性炭的保护作用,在吸附二氧化硫时,更多的二氧化硫吸附在纳米级碳颗粒表面,生成的硫酸根离子提升了对氨的吸附,增强了催化活性,大幅提高抗二氧化硫中毒能力,在火力发电厂低温烟气污染物控制方面,具有实用价值。
本发明的有益效果:
本发明提供的催化剂通过将MnOx-CeO2/TiO2-ZrO2负载于较高比表面和机械强度的活性焦颗粒上,降低SCR反应的温度,提高催化剂的吸附能力和机械抗磨性能力,通过原位生成的纳米活性碳颗粒,对催化剂活性位进行保护,提高催化剂的抗二氧化硫能力。同时,该催化剂制备方法简单,不需要苛刻的工艺条件即可实现,适合工业化大规模推广。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明的实质性内容,但并不以此限定本发明保护范围。尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
实施例1:活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂的制备
步骤S1:将活性焦颗粒破碎,过筛40~60目,用质量分数为3%的硝酸浸泡10小时后,取出用蒸馏水冲洗2遍后滤干;
步骤S2:将硫酸钛和四氯化锆溶于冷水,Ti、Zr摩尔比为1:1,逐滴加入质量分数为30%的氨水,得到白色沉淀,待沉淀完全后,过滤、洗涤,除去白色沉淀表明的硫酸根、氯离子等无机盐,再用质量分数为20%的硝酸将白色沉淀完全溶解得到溶液;
步骤S3:向步骤S2所得溶液中加入硝酸锰、硝酸铈和蔗糖,搅拌至完全溶解得到混合溶液,摩尔比Mn:Ce:C12(H2O)11:Ti=0.4:0.05:0.5:1;
步骤S4:将步骤S1所得颗粒浸渍步骤S3所得的溶液中,先超声波震荡10分钟后,然后浸渍放置4小时;
步骤S5:将步骤S4颗粒取出滤干置于70℃下烘2小时,然后置于105℃下烘干1小时;
步骤S6:将步骤S5得到的颗粒物放在微波管式炉中,在氮气和水蒸气保护条件下550℃下煅烧2h,获得活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂。
该催化剂用于烟气的SCR法脱硝,烟气GHSV(每小时气体空速)=5000h-1,O2体积浓度3%,脱硝剂NH3按NO:NH3=1:1(摩尔比)加入,反应温度135℃时,脱硝效率86.7%;二氧化硫浓度为100ppm时,脱硝效率85.4%。
实施例2:活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂的制备
步骤S1:将活性焦颗粒破碎,过筛40~60目,用质量分数为5%的硝酸浸泡5小时后,取出用蒸馏水冲洗2遍后滤干;
步骤S2:将硫酸氧钛和氯氧化锆溶于冷水,Ti、Zr摩尔比为1:1,逐滴加入质量分数为30%的氨水,得到白色沉淀,待沉淀完全后,过滤、洗涤,除去白色沉淀表明的硫酸根、氯离子等无机盐,再用质量分数为20%的硝酸将白色沉淀完全溶解得到溶液;
步骤S3:向步骤S2溶液中加入硝酸锰、硝酸铈和葡萄糖,搅拌至完全溶解得到混合溶液,摩尔比Mn:Ce:C6(H2O)6:Ti=0.4:0.05:0.5:1;
步骤S4:将步骤S1所得颗粒浸渍步骤S3所得的溶液中,先超声波震荡10分钟后,然后浸渍放置6小时;
步骤S5:将步骤S4颗粒取出滤干置于80℃下烘2小时,然后置于105℃下烘干1小时;
步骤S6:将步骤S5得到的颗粒物放在微波管式炉中,在氮气和水蒸气保护条件下450℃下煅烧2h,获得活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂。
该催化剂用于烟气的SCR法脱硝,烟气GHSV(每小时气体空速)=5000h-1,O2体积浓度3%,脱硝剂NH3按NO:NH3=1:1(摩尔比)加入,反应温度130℃时,脱硝效率85.4%;二氧化硫浓度100ppm时,脱硝效率83.5%。
实施例3:活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂的制备
步骤S1:将活性焦颗粒破碎,过筛40~60目,用质量分数为0.5%的硝酸浸泡10小时后,取出用蒸馏水冲洗2遍后滤干;
步骤S2:将四氯化钛和氯氧化锆溶于冷水,Ti、Zr摩尔比为1:1,逐滴加入质量分数为30%的氨水,得到白色沉淀,待沉淀完全后,过滤、洗涤,除去白色沉淀表明的硫酸根、氯离子等无机盐,再用质量分数为20%的硝酸将白色沉淀完全溶解得到溶液;
步骤S3:向步骤S2溶液中加入仲钨酸铵、硝酸锰、硝酸铈和果糖,搅拌至完全溶解得到混合溶液,摩尔比W:Mn:Ce:C6(H2O)6:Ti=0.1:0.4:0.05:0.5:1;
步骤S4:将步骤S1所得颗粒浸渍步骤S3所得的溶液中,先超声波震荡10分钟后,然后浸渍放置6小时;
步骤S5:将步骤S4颗粒取出滤干置于80℃下烘2小时,然后置于105℃下烘干1小时;
步骤S6:将步骤S5得到的颗粒物放在微波管式炉中,在氮气和水蒸气保护条件下450℃下煅烧4h,获得活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂。
该催化剂用于烟气的SCR法脱硝,烟气GHSV(每小时气体空速)=5000h-1,O2体积浓度3%,脱硝剂NH3按NO:NH3=1:1(摩尔比)加入,反应温度150℃时,脱硝效率90.7%,二氧化硫浓度100ppm时,脱硝效率91.4%。
实施例4:活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂的制备
步骤S1:将活性焦颗粒破碎,过筛40~60目,用质量分数为5%的硝酸浸泡10小时后,取出用蒸馏水冲洗2遍后滤干;
步骤S2:将硫酸钛和四氯化锆溶于冷水,Ti、Zr摩尔比为1:1,逐滴加入质量分数为30%的氨水,得到白色沉淀,待沉淀完全后,过滤、洗涤,除去白色沉淀表明的硫酸根、氯离子等无机盐,再用质量分数为20%的硝酸将白色沉淀完全溶解得到溶液;
步骤S3:向步骤S2溶液中加入偏钒酸铵、醋酸锰、硝酸铈和葡萄糖,搅拌至完全溶解得到混合溶液,摩尔比V:Mn:Ce:C6(H2O)6:Ti=0.1:0.4:0.05:0.5:1;
步骤S4:将步骤S1所得颗粒浸渍步骤S3所得的溶液中,先超声波震荡10分钟后,然后浸渍放置6小时;
步骤S5:将步骤S4颗粒取出滤干置于80℃下烘2小时,然后置于105℃下烘干1小时;
步骤S6:将步骤S5得到的颗粒物放在微波管式炉中,在氮气和水蒸气保护条件下450℃下煅烧6h,获得活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂。
该催化剂用于烟气的SCR法脱硝,烟气GHSV(每小时气体空速)=5000h-1,O2体积浓度3%,脱硝剂NH3按NO:NH3=1:1(摩尔比)加入,反应温度150℃时,脱硝效率93.8%;二氧化硫浓度100ppm时,脱硝效率94.5%。
实施例5:活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂的制备
步骤S1:将活性焦颗粒破碎,过筛40~60目,用质量分数为0.5%的硝酸浸泡10小时后,取出用蒸馏水冲洗2遍后滤干;
步骤S2:将硫酸钛和四氯化锆溶于冷水,Ti、Zr摩尔比为1:1,逐滴加入质量分数为30%的氨水,得到白色沉淀,待沉淀完全后,过滤、洗涤,除去白色沉淀表明的硫酸根、氯离子等无机盐,再用质量分数为20%的硝酸将白色沉淀完全溶解得到溶液;
步骤S3:向步骤S2所得溶液中加入硝酸锰、硝酸铈和蔗糖,搅拌至完全溶解得到混合溶液,摩尔比Mn:Ce:C12(H2O)11:Ti=0.05:0.005:0.25:1;
步骤S4:将步骤S1所得颗粒浸渍步骤S3所得的溶液中,先超声波震荡5分钟后,然后浸渍放置2小时;
步骤S5:将步骤S4颗粒取出滤干置于50℃下烘2.5小时,然后置于100℃烘干1.5小时;
步骤S6:将步骤S5得到的颗粒物放在微波管式炉中,在氮气和水蒸气保护条件下400℃下煅烧6h,获得活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂。
该催化剂用于烟气的SCR法脱硝,烟气GHSV(每小时气体空速)=5000h-1,O2体积浓度3%,脱硝剂NH3按NO:NH3=1:1(摩尔比)加入,反应温度135℃时,脱硝效率87.2%;二氧化硫浓度为100ppm时,脱硝效率86.9%。
实施例6:活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂的制备
步骤S1:将活性焦颗粒破碎,过筛40~60目,用质量分数为5%的硝酸浸泡5小时后,取出用蒸馏水冲洗2遍后滤干;
步骤S2:将硫酸钛和四氯化锆溶于冷水,Ti、Zr摩尔比为1:1,逐滴加入质量分数为30%的氨水,得到白色沉淀,待沉淀完全后,过滤、洗涤,除去白色沉淀表明的硫酸根、氯离子等无机盐,再用质量分数为20%的硝酸将白色沉淀完全溶解得到溶液;
步骤S3:向步骤S2所得溶液中加入硝酸锰、硝酸铈和蔗糖,搅拌至完全溶解得到混合溶液,摩尔比Mn:Ce:C12(H2O)11:Ti=0.8:0.8:0.5:1;
步骤S4:将步骤S1所得颗粒浸渍步骤S3所得的溶液中,先超声波震荡20分钟后,然后浸渍放置6小时;
步骤S5:将步骤S4颗粒取出滤干置于80℃下烘1.5小时,然后置于110℃下烘0.5小时;
步骤S6:将步骤S5得到的颗粒物放在微波管式炉中,在氮气和水蒸气保护条件下550℃下煅烧2h,获得活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂。
该催化剂用于烟气的SCR法脱硝,烟气GHSV(每小时气体空速)=5000h-1,O2体积浓度3%,脱硝剂NH3按NO:NH3=1:1(摩尔比)加入,反应温度135℃时,脱硝效率88.4%;二氧化硫浓度为100ppm时,脱硝效率87.9%。
实施例7:对比实施例
步骤S1:将活性焦颗粒破碎,过筛40~60目,用质量分数为3%的硝酸浸泡10小时后,取出用蒸馏水冲洗2遍后滤干;
步骤S2:将硫酸钛和四氯化锆溶于冷水,Ti、Zr摩尔比为1:1,逐滴加入质量分数为30%的氨水,得到白色沉淀,待沉淀完全后,过滤、洗涤,除去白色沉淀表明的硫酸根、氯离子等无机盐,再用质量分数为20%的硝酸将白色沉淀完全溶解得到溶液;
步骤S3:向步骤S2溶液中加入硝酸锰、硝酸铈,搅拌至完全溶解得到混合溶液,其中摩尔比Mn:Ce:Ti=0.4:0.05:1;
步骤S4:将步骤S1所得颗粒浸渍步骤S3所得的溶液中,先超声波震荡10分钟后,然后浸渍放置4小时;
步骤S5:将步骤S4颗粒取出滤干置于70℃下烘2小时,然后置于105℃下烘干1小时;
步骤S6:将步骤S5得到的颗粒物放在微波管式炉中,在氮气和水蒸气保护条件下550℃下煅烧2h,获得活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂。
该催化剂用于烟气的SCR法脱硝,烟气GHSV(每小时气体空速)=5000h-1,O2体积浓度3%,脱硝剂NH3按NO:NH3=1(摩尔比)加入,反应温度135℃时,脱硝效率82.7%,二氧化硫浓度100ppm时,脱硝效率74.3%。
实施例8:对比实施例
步骤S1:将活性焦颗粒破碎,过筛40~60目,用质量分数为3%的硝酸浸泡10小时;
步骤S2:将活性焦颗粒取出用蒸馏水冲洗2遍后滤干;
步骤S3:取硝酸铈、硝酸锰混合溶液,摩尔比Mn:Ce=0.4:0.05;
步骤S4:将步骤S2所得颗粒浸渍放入步骤3所得的溶液中浸渍,先超声波震荡10分钟后,然后浸渍放置4小时;
步骤S5:将步骤S4颗粒取出滤干置于70℃下烘2小时,然后置于105℃下烘干1小时;
步骤S6:将步骤S5得到的颗粒物放在微波管式炉中,在氮气和水蒸气保护条件下550℃下煅烧2h,获得负载型催化剂。
该负载型催化剂用于烟气的SCR法脱硝,烟气GHSV(每小时气体空速)=5000h-1,O2体积浓度5%,脱硝剂NH3按NO:NH3=1(摩尔比)加入,反应温度120℃时,脱硝效率80.65%左右,二氧化硫浓度100ppm时,脱硝效率67.5%。
上述实施例的作用在于说明本发明的实质性内容,但并不以此限定本发明的保护范围。本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和保护范围。
Claims (10)
1.一种活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂,其特征在于:该催化剂以活性焦为载体,载体上负载有锰铈钛锆复合氧化物,锰铈钛锆元素摩尔比为(0.05~0.8):(0.005~0.8):1:1,通过如下步骤制备而成:
步骤S1,将活性焦用质量分数为0.5~5%的硝酸浸泡5~10小时后,用蒸馏水冲洗滤干;
步骤S2,向含钛盐及锆盐的混合溶液中缓慢加入碱性物质,Ti和Zr摩尔比为1:1,得到白色沉淀,过滤洗涤,洗去白色沉淀表面的无机盐,再用硝酸将获得的白色沉淀溶解,得到溶液;
步骤S3,向步骤S2得到的溶液中加入锰的可溶性盐、铈的可溶性盐和糖类,按照摩尔比Mn:Ce:Cm(H2O)n:Ti=(0.05-0.8):(0.005-0.8):(0.25-0.5):1比例制成混合溶液;
步骤S4,将步骤S1制得的活性焦颗粒浸渍于步骤S3所得溶液中浸渍2~6小时;
步骤S5,将步骤S4的颗粒取出滤干后先置于50~80℃条件下烘1.5~2.5小时,然后再置于100~110℃条件下烘0.5~1.5小时;
步骤S6,将步骤S5得到的固体在氮气和水蒸气保护条件下,用微波加热控温400~550℃处理2~6h,即得所述活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂。
2.根据权利要求1所述的活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂,其特征在于:步骤S3中,还可以加入改性元素钒V或钨W,改性元素与Ti的摩尔比为(0.005~0.1):1。
3.根据权利要求1所述的活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂,其特征在于:所述活性焦使用颗粒状为原料,粒径大小为40~60目。
4.根据权利要求1所述的活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂,其特征在于:步骤S2所述碱性物质为氨水。
5.根据权利要求1所述的活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂,其特征在于:步骤S4中,浸渍前采用超声波震荡的方式处理5~20分钟。
6.根据权利要求1所述的活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂,其特征在于:所述糖类为蔗糖、葡萄糖、果糖中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂,其特征在于:所述锰的可溶性盐为硝酸锰或醋酸锰。
8.根据权利要求1所述的活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂,其特征在于:所述铈的可溶性盐为硝酸铈。
9.根据权利要求1所述的活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂,其特征在于:所述钛盐为硫酸钛、硫酸氧钛、四氯化钛、三氯化钛中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的活性焦负载型锰铈钛锆复合氧化物低温SCR催化剂,其特征在于:所述锆盐为四氯化锆或氯氧化锆。
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