CN109133089A - 一种纳米级的t型分子筛的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备纳米T型分子筛的方法。其特征是在合成溶胶中加入导向剂,快速合成了高结晶度且纯相的T型分子筛,颗粒大小约为200nm。与传统的采用直接加入有机模板剂的方式相比较,该方法不仅将昂贵的有机模板剂的使用量大大降低了,且明显提高了分子筛的晶化速率,合成时间缩短了4倍,制备工艺较简单,便于实现工业化批量生产。本方法合成的T型分子筛具有大的比表面积和高的热稳定性,可以更有效地应用于催化和吸附等化工过程。同时,以该纳米晶体作为晶种可用于T型分子筛及膜的合成中。
Description
技术领域
本发明属分子筛材料制备与应用领域,涉及T型分子筛的合成方法,特别是一种快速高效且低成本合成纳米T型分子筛的方法。
背景技术
T型分子筛是由毛沸石(ERI)和菱钾沸石(OFF)交互生长而形成的,硅铝比适中(3-4),平均孔径0.36nm,属于小孔类分子筛。这类分子筛以其较高的热稳定性及水热稳定性以及均一规整的孔道结构等特点,具备了良好的吸附性、离子交换性、择形催化性等优异性能,从而使T型分子筛在气体吸附分离、有机物脱水、环境保护、新功能材料和离子交换等领域得到广泛应用,占据着国民经济的重要地位。特别是纳米T型分子筛,具有晶粒小、扩散阻力小、高的比表面积和短的孔道结构,使其具备高的活性和良好的择形选择性,与常规尺寸T型分子筛相比都表现出更为优越的性能。值得一提的是作为晶种,在支撑体上晶种法合成T型分子筛膜时可有效解决晶种活性问题,从而获得适用于有机物脱水领域的高质量膜层。因此,如何可以直接、高效、快速地合成纳米T型分子筛,使之能够工业化应用有着重要的现实意义和工业价值。
已有文献报道制备T型分子筛过程一般通过添加有机模板剂(四甲基氢氧化铵TMAOH)和微波加热的方式进行。周荣飞等(Microporous and Mesoporous Materials,2009,Vol 124,P117)利用微波加热和普通加热的方式水热合成T型分子筛,普通加热的方式可以合成纯相T型分子筛,晶体颗粒约为2μm,且合成时间长达7天,而利用微波加热的方式合成过程虽然合成时间缩短至2天但容易产生PHI的杂晶;周荣飞、林晓等(石油学报,2005,Vol 21,P19和南京工业大学学报,2008,Vol 30,P23)当添加有机模板剂(TMAOH)为6%时晶化2天后合成出6μm的T型分子筛,然后有机模板剂用量提高至10%,晶化时间5天合成出200nm的T型分子筛,并以此作为晶种诱导合成出1.5-3.5μm的晶体。CN10116488313公布了一种在低温高有机模板剂(TMAOH)条件下采用微波加热和油浴加热的方式进行水热合成T型分子筛,颗粒大小为100-200nm之间,加入有机模板剂用量最高达到15%,油浴加热的合成时间也长达7天。因此,目前报道的合成T型分子筛过程中普遍存在合成时间长、颗粒大小比较大等问题,尽管加入有机模板剂可以获得小颗粒晶体,但是用量比较多,大大增加了合成成本。
导向剂合成分子筛是不仅能节约合成成本,还能提高产品的结晶度。目前已有许多文献和专利报道合成出多种分子筛,如Y型分子筛(石油化工,1975,Vol4,P236)X型分子筛(高等学校化学学报,2002,Vol 12,P2226)、5A分子筛(离子交换与吸附,2013,Vol 29,P496和CN107673368)、ZSM-5分子筛(无机盐工业,2004,Vol36,P31和CN1303816)和SAPO-34分子筛(CN108147424)。结果表明,导向剂存在导向活性可加快晶体生长速率。这种方法具有晶化迅速、操作条件缓和、产品杂晶少、质量高、合成重复性良好及生产周期短等优点。因此,本发明提出采用导向剂快速合成T型分子筛低成本的方法,用来制备小晶粒、高活性的纳米分子筛具有重大意义及实用价值。
发明内容
针对现有合成T型分子筛中普遍存在模板剂用量过多以及合成时间较长等问题,本发明提供了一种导向剂快速合成纳米T型分子筛的方法,可以有效降低模板剂用量,减少合成时间,极大的降低了合成成本,同时所得分子筛颗粒大小均一,更好地避免了分子筛的团聚,合成了不含任何其他晶体杂质的纯相晶体T型分子筛。
一种纳米级的T型分子筛的合成方法,导向剂的配制方法S1为:首先将模板剂(TMA)2O加入到烧杯中用H2O溶解,之后依次加入NaOH、KOH和铝源,待溶液澄清之后再缓缓加入硅源,所述(TMA)2O、H2O、NaOH、KOH、铝源和硅源加入量用氧化物的形式表示的摩尔比为n(SiO2):n(Al2O3):n(Na2O):n(K2O):n(H2O):n((TMA)2O)=1:0.10:0.05:0.047:9:0.28,搅拌混合形成凝胶,然后在油浴振荡器里反应后制得导向剂A,所述油浴振荡器里反应温度为75-100℃,所述油浴振荡器里反应时间为1-48h。
进一步,合成溶胶的配制方法S2为:将铝源、氢氧化钠和氢氧化钾依次溶解于水中,澄清后加入硅源,所述各组分加入量用氧化物的形式表示摩尔比为n(SiO2):n(Al2O3):n(Na2O):n(K2O):n(H2O)=1:0.056:0.23:0.08:12,在室温下老化6-12h后制得合成溶胶B。
进一步,纳米级T型分子筛的合成方法S3为:将所述导向剂A加入所述合成溶胶B中,密封后进行晶化反应,反应温度为80-120℃,反应时间为12-48h,将得到的产物进行离心至中性,然后进行干燥,制得纳米级的T型分子筛。
进一步,所述油浴振荡动态条件下的反应时间为12-24h,所述在室温下老化时间为12h。
进一步,所述油浴振荡动态条件下的反应温度为80-90℃。
进一步,所述S3过程中,所述晶化反应温度为90-100℃,所述导向剂A的添加量为合成溶胶B的2wt%。
进一步,所述步骤S1和/或步骤S2所用铝源为铝箔和/或铝粉,所述步骤S1中所用模板剂是质量分数为25%的四甲基氢氧化铵水溶液,所述步骤S1所用硅源为无定型硅粉,所述步骤S2所用硅源为硅溶胶。
进一步,制备分子筛膜的方法为:所述S3过程得到的分子筛400-900℃煅烧后作为晶种负载在支撑体表面,之后放入膜的反应溶胶中在140-150℃的条件下经过2-4h制得T型分子筛膜,所述膜的反应溶胶组份用氧化物形式表示摩尔比例为n(SiO2):n(Al2O3):n(Na2O+K2O):n(H2O):n(F-)=1:(0.0125-0.055):(0.3-0.5):30:(0.3-0.5),所述n(Na)/n(K)=3。
进一步,合成的所述T型分子筛用于有机物脱水体系或膜反应器。
进一步,有机物脱水体系是水/异丙醇体系。
本发明与现有技术相比,具有如下优点:
(1)在合成溶胶中加入导向剂,快速合成了高结晶度且纯相的T型分子筛,颗粒大小约为200nm;
(2)不仅将昂贵的有机模板剂的使用量明显降低了,有机模板剂添加量仅为1-2wt%,且明显提高了分子筛的晶化速率,合成时间缩短了4倍,制备工艺较简单,便于实现工业化批量生产;
(3)本方法合成的T型分子筛具有大的比表面积和高的热稳定性,可以更有效地应用于催化和吸附等化工过程。同时,以该纳米晶体作为晶种可用于T型分子筛及膜的合成中;
(4)本方法合成的T型分子筛晶体为纯相T型分子筛,不含任何其他晶体杂质;
(5)本方法合成的T型分子筛晶体粒径小、分布均匀,特别适宜在多孔支撑上形成均匀的晶种层,并以此为诱导,可以在膜反应溶胶中继续快速生长成致密的T型分子筛薄膜;
(6)本方法合成的T型分子筛用于有机物脱水体系,特别是异丙醇脱水体系效果很好。
附图说明
图1为不同方法合成的T型分子筛的XRD图。
图2为不同方法合成的T型分子筛的SEM图。
图3为不同合成方法合成的T型分子筛的粒径分布图。
图1中:(a)-模拟T型分子筛标准特征峰,(b)-本发明导向剂法,(c)-已有技术晶种法,(d)-已有技术模板剂法
图2中:(a)-本发明导向剂法,(b)-已有技术晶种法,(c)-已有技术模板剂法
图3中:(a)-已有技术模板剂法;(b)-本发明导向剂法;(c)-已有技术晶种法
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案,并使本发明的上述特征、目的及优点更加清晰易懂,现结合实施例对本发明做进一步解释说明,应当指出的是,在此列出的所有实施例仅仅是说明性的,并不意味着对本发明范围进行限定。
实施例1
导向剂的合成:首先依次将0.0145g的NaOH和0.224g的KOH溶于7.073g有机模板剂(TMAOH)中,澄清后加入0.19g铝箔作为铝源,待铝源溶解完全后加入1.881g无定型硅粉作为硅源,混合均匀后得到凝胶,趁热放入油浴振荡器里85℃反应24h后得到导向剂。所述物料加入量以氧化物的形式表示摩尔比为:
n(SiO2):n(Al2O3)=9.9
n(Na2O+K2O):n(SiO2)=0.098
n(H2O):n(SiO2)=9
n((TMA)2O):n(Na2O+K2O)=2.87
合成溶胶的合成:首先将1.46g氢氧化铝、3.22g的NaOH和1.77g的KOH依次溶解于18.33g水中,澄清后加入HS-40硅溶胶25.22g,在室温下搅拌老化12h后得到合成溶胶。所述物料加入量以氧化物的形式表示摩尔比为:
n(SiO2):n(Al2O3)=17.8
n(Na2O+K2O):n(SiO2)=0.3
n(H2O):n(SiO2)=12
T型分子筛的制备:取0.2g的导向剂与10g合成溶胶混合,密封放入烘箱95℃下晶化24小时,产物经离心、清洗后干燥并煅烧后得到纳米级T型分子筛。
合成的T型分子筛经XRD表征,如图1(b)所示样品在2θ为7.7°、11.7°、13.3°、20.4°、23.6°和31.2°出均有很强的特征衍射峰,和T型分子筛的标准谱图完全一致,并无其它晶相。结合电镜扫描图片,如图2(a)显示,其形貌完好且均一,呈椭球状,颗粒大小为200nm左右,这与图3(b)的粒径分布图是一致的。
实施例2:
纳米T型分子筛的制备
导向剂的合成:首先依次将0.0145g的NaOH、0.224g的KOH溶于7.073g有机模板剂(TMAOH)中,澄清后加入0.19g铝箔作为铝源,待铝源溶解完全后加入1.881g无定型硅粉作为硅源,混合均匀后得到凝胶,趁热放入油浴振荡器里85℃反应24h后得到导向剂。所述物料加入量以氧化物的形式表示摩尔比为:
n(SiO2):n(Al2O3)=9.9
n(Na2O+K2O):n(SiO2)=0.098
n(H2O):n(SiO2)=9
n((TMA)2O):n(Na2O+K2O)=2.87
合成溶胶的合成:首先将1.46g氢氧化铝、3.22g的NaOH和1.77g的KOH依次溶解于18.33g水中,澄清后加入HS-40硅溶胶25.22g,在室温下搅拌老化12h后得到合成溶胶。所述物料加入量以氧化物的形式表示摩尔比为:
n(SiO2):n(Al2O3)=17.8
n(Na2O+K2O):n(SiO2)=0.3
n(H2O):n(SiO2)=12
T型分子筛的制备:取0.2g的导向剂与10g合成溶胶混合,密封放入烘箱120℃下晶化24小时。所得产物加热煮沸后进行离心清洗至中性、干燥,然后在马弗炉煅烧6h。合成的分子筛经XRD表征为纯相的T型分子筛晶体。
实施例3:
纳米T型分子筛的制备
导向剂的合成:首先依次将0.0145g的NaOH、0.224g的KOH溶于7.073g有机模板剂(TMAOH)中,澄清后加入0.19g铝箔作为铝源,待铝源溶解完全后加入1.881g无定型硅粉作为硅源,混合均匀后得到凝胶,趁热放入油浴振荡器里85℃反应24h后得到导向剂。所述物料加入量以氧化物的形式表示摩尔比为:
n(SiO2):n(Al2O3)=9.9
n(Na2O+K2O):n(SiO2)=0.098
n(H2O):n(SiO2)=9
n((TMA)2O):n(Na2O+K2O)=2.87
合成溶胶的合成:首先将1.46g氢氧化铝、3.22g的NaOH和1.77g的KOH依次溶解于18.33g水中,澄清后加入HS-40硅溶胶25.22g,在室温下搅拌老化12h后得到合成溶胶。所述物料加入量以氧化物的形式表示摩尔比为:
n(SiO2):n(Al2O3)=17.8
n(Na2O+K2O):n(SiO2)=0.3
n(H2O):n(SiO2)=12
T型分子筛的制备:取0.4g的导向剂与10g合成溶胶混合,密封放入烘箱95℃下晶化24小时。所得产物加热煮沸后进行离心清洗至中性、干燥,然后在马弗炉煅烧6h。合成的分子筛经XRD表征为纯相的T型分子筛晶体,形貌为棒状,晶体颗粒大小为400nm。
实施例4
导向剂的合成:首先依次将0.0145g的NaOH、0.224g的KOH溶于7.073g有机模板剂(TMAOH)中,澄清后加入0.19g铝箔作为铝源,待铝源溶解完全后加入1.881g无定型硅粉作为硅源,混合均匀后得到凝胶,趁热放入油浴振荡器里85℃反应24h后得到导向剂。所述物料加入量以氧化物的形式表示摩尔比为:
n(SiO2):n(Al2O3)=9.9
n(Na2O+K2O):n(SiO2=0.098
n(H2O):n(SiO2)=9
n((TMA)2O):n(Na2O+K2O)=2.87
合成溶胶的合成:首先将1.46g氢氧化铝、3.22g的NaOH和1.77g的KOH依次溶解于18.33g水中,澄清后加入HS-40硅溶胶25.22g,在室温下搅拌老化12h后得到合成溶胶。所述物料加入量以氧化物的形式表示摩尔比为:
n(SiO2):n(Al2O3)=17.8
n(Na2O+K2O):n(SiO2)=0.3
n(H2O):n(SiO2)=12
T型分子筛的制备:取0.2g的导向剂与10g合成溶胶混合,放入油浴锅动态加热95℃下晶化48小时。产物经离心、清洗后干燥并煅烧后得到纯相的T型分子筛。合成的分子筛经XRD表征为纯相的T型分子筛晶体,形貌为棒状,晶体颗粒大小约为2.5μm。
实施例5:
本实施例和实施例1作为比较,采用已有技术的晶种法在其它条件不变的情况下合成了T型分子筛。
合成溶胶的合成:首先将铝源、碱源依次溶解于水中,澄清后加入硅源,在室温下搅拌老化12h后得到合成溶胶。所述物料加入量以氧化物的形式表示摩尔比为:
n(SiO2):n(Al2O3)=17.8
n(Na2O+K2O):n(SiO2)=0.3
n(H2O):n(SiO2)=12
本实例采用晶种法将导向剂改为0.2g纳米级晶种加入到10g合成溶胶中,100℃下合成36小时后进行离心清洗至中性、干燥。合成的分子筛经XRD表征为纯相的T型分子筛晶体。该形貌为棒状,颗粒大小约为3μm。
合成的T型分子筛经XRD表征,如图1(c)所示样品在2θ为7.7°、11.7°、13.3°、20.4°、23.6°和31.2°出均有很强的特征衍射峰,和T型分子筛的标准谱图完全一致,并无其它晶相。结合电镜扫描图片,如图2(b)显示,其形貌完好且均一,呈椭球状,颗粒大小为3μm,这与图3(c)颗粒分布结果是一致的。
晶种法合成的T型分子筛颗粒较大。
实施例6:
本实施例和实施例2作为比较,采用已有技术的模板剂法在其它条件不变的情况下合成了T型分子筛。
T型分子筛的制备:首先将依次将0.0145g的NaOH、0.224g的KOH溶于7.073g有机模板剂(TMAOH)中,澄清后加入0.19g铝箔,待铝源溶解完全后加入硅源,混合均匀后得到合成溶胶。所述物料摩尔比为
n(SiO2):n(Al2O3)=9.9
n(Na2O+K2O):n(SiO2)=0.098
n(H2O):n(SiO2)=9
n((TMA)2O):n(Na2O+K2O)=2.87。
合成溶胶密封放入烘箱95℃下晶化5天后进行离心清洗至中性、干燥。合成的分子筛经XRD表征为纯相的T型分子筛晶体,颗粒大小不均一。
合成的T型分子筛经XRD表征,如图1(d)所示样品在2θ为7.7°、11.7°、13.3°、20.4°、23.6°和31.2°出均有很强的特征衍射峰,和T型分子筛的标准谱图完全一致,并无其它晶相。结合电镜扫描图片,如图2(c)显示,其形貌完好,呈棍状,小的为200-500nm大的颗粒达到10μm,这与图3(a)颗粒分布结果是一致的。
模板剂法合成的T型分子筛颗粒不均一,且合成时间过长。
实施例7
导向剂的合成:首先依次将0.0145g的NaOH、0.224g的KOH溶于7.073g的有机模板剂(TMAOH)中,澄清后加入0.19g铝箔,待铝源溶解完全后加入硅源,混合均匀后得到凝胶,趁热放入油浴振荡器里85℃反应24h后得到导向剂。所述物料加入量以氧化物的形式表示摩尔比为:
n(SiO2):n(Al2O3)=9.9
n(Na2O+K2O):n(SiO2)=0.098
n(H2O):n(SiO2)=9
n((TMA)2O):n(Na2O+K2O)=2.87
合成溶胶的合成:首先将1.46g氢氧化铝、3.22g的NaOH和1.77g的KOH依次溶解于18.33g水中,澄清后加入25.22g的HS-40硅溶胶,在室温下搅拌老化12h后得到合成溶胶。所述物料加入量以氧化物的形式表示摩尔比为:
n(SiO2):n(Al2O3)=17.8
n(Na2O+K2O):n(SiO2)=0.3
n(H2O):n(SiO2)=12
T型分子筛的制备:取0.2g的导向剂与10g合成溶胶混合,密封放入烘箱95℃下晶化24小时。产物经离心、清洗后干燥并煅烧后得到纳米级T型分子筛。
将此T型分子筛晶体作为晶种负载在支撑体上,之后放入到膜反应溶胶中140℃的条件下经过4h合成T型分子筛膜,考察了纳米T型分子筛的晶种作用。膜反应溶胶组成按各组分氧化物形式表示为:
n(SiO2):n(Al2O3)=18
n(Na2O+K2O):n(SiO2)=0.3
n(H2O):n(SiO2)=30
n(NaF+KF):n(SiO2)=0.3,其中n(Na)/n(K)=3。
T型分子筛由于粒径小、分布均匀,特别适宜在多孔支撑上形成均匀的晶种层,并以此为诱导,在上述的溶胶中继续快速生长成致密的T型分子筛薄膜。
实施例8
导向剂的合成:首先依次将0.0145g的NaOH、0.224g的KOH溶于7.073g的有机模板剂(TMAOH)中,澄清后加入0.19g铝箔,待铝源溶解完全后加入硅源,混合均匀后得到凝胶,趁热放入油浴振荡器里85℃反应24h后得到导向剂。所述物料加入量以氧化物的形式表示摩尔比为:
n(SiO2):n(Al2O3)=9.9
n(Na2O+K2O):n(SiO2)=0.098
n(H2O):n(SiO2)=9
n((TMA)2O):n(Na2O+K2O)=2.87
合成溶胶的合成:首先将1.46g氢氧化铝、3.22g的NaOH和1.77g的KOH依次溶解于18.33g水中,澄清后加入25.22g的HS-40硅溶胶,在室温下搅拌老化12h后得到合成溶胶。所述物料加入量以氧化物的形式表示摩尔比为:
n(SiO2):n(Al2O3)=17.8
n(Na2O+K2O):n(SiO2)=0.3
n(H2O):n(SiO2)=12
T型分子筛的制备:取0.2g的导向剂与10g合成溶胶混合,密封放入烘箱95℃下晶化24小时。产物经离心、清洗后干燥并煅烧后得到纳米级T型分子筛。
将此T型分子筛晶体作为晶种负载在支撑体上,之后放入到膜反应溶胶中150℃的条件下经过2h合成T型分子筛膜,考察了纳米T型分子筛的晶种作用。膜反应溶胶组成按各组分氧化物形式表示为:
n(SiO2):n(Al2O3)=80
n(Na2O+K2O):n(SiO2)=0.5
n(H2O):n(SiO2)=30
n(NaF+KF):n(SiO2)=0.5,其中n(Na)/n(K)=3。
T型分子筛由于粒径小、分布均匀,特别适宜在多孔支撑上形成均匀的晶种层,并以此为诱导,在上述的溶胶中继续快速生长成致密的T型分子筛薄膜。
Claims (10)
1.一种纳米级的T型分子筛的合成方法,其特征在于:包括:
S1导向剂的配制
S2合成溶胶的配制
S3纳米级T型分子筛的合成方法
所述步骤S1导向剂的配制方法为:首先将模板剂(TMA)2O加入到烧杯中用H2O溶解,之后依次加入NaOH、KOH和铝源,待溶液澄清之后再加入硅源,所述(TMA)2O、H2O、NaOH、KOH、铝源和硅源加入量用氧化物的形式表示的摩尔比为n(SiO2):n(Al2O3):n(Na2O):n(K2O):n(H2O):n((TMA)2O)=1:0.10:0.05:0.047:9:0.28,搅拌混合形成凝胶,然后在油浴振荡器里反应后制得导向剂A,所述油浴振荡器里反应温度为75-100℃,所述油浴振荡器里反应时间为1-48h。
2.根据权利要求1所述的一种纳米级的T型分子筛的合成方法,其特征在于:所述步骤S2合成溶胶的配制方法为:将铝源、氢氧化钠和氢氧化钾依次溶解于水中,澄清后加入硅源,所述各组分加入量用氧化物的形式表示摩尔比为n(SiO2):n(Al2O3):n(Na2O):n(K2O):n(H2O)=1:0.056:0.23:0.08:12,在室温下老化6-12h后制得合成溶胶B。
3.根据权利要求1或2所述的一种纳米级的T型分子筛的合成方法,其特征在于纳米级T型分子筛的合成方法S3为:将所述导向剂A加入所述合成溶胶B中,密封后进行晶化反应,反应温度为80-120℃,反应时间为12-48h,将得到的产物进行离心至中性,然后进行干燥,制得纳米级的T型分子筛。
4.根据权利要求1或2所述的一种纳米级的T型分子筛的合成方法,其特征在于:所述步骤S1中,油浴振荡器里反应时间为12-24h,所述步骤S2中,室温下老化时间为12h。
5.根据权利要求4所述的一种纳米级的T型分子筛的合成方法,其特征在于:所述油浴振荡器里的反应温度为80-90℃。
6.根据权利要求3所述的一种纳米级的T型分子筛的合成方法,其特征在于:所述S3过程中,所述晶化反应温度为90-100℃,所述导向剂A的添加量为合成溶胶B的2wt%。
7.根据权利要求1或2所述的一种纳米级的T型分子筛的合成方法,其特征在于:所述步骤S1和/或步骤S2所用铝源为铝箔和/或铝粉,所述步骤S1中所用模板剂是质量分数为25%的四甲基氢氧化铵水溶液,所述步骤S1所用硅源为无定型硅粉,所述步骤S2所用硅源为硅溶胶。
8.根据权利要求3所述的一种纳米级的T型分子筛的合成方法,其特征在于:制备分子筛膜的方法为:所述S3过程得到的分子筛400-900℃煅烧后作为晶种负载在支撑体表面,之后放入膜的反应溶胶中在140-150℃的条件下经过2-4h制得T型分子筛膜,所述膜的反应溶胶组份用氧化物形式表示摩尔比例为n(SiO2):n(Al2O3):n(Na2O+K2O):n(H2O):n(F-)=1:(0.0125-0.055):(0.3-0.5):30:(0.3-0.5),所述n(Na)/n(K)=3。
9.根据权利要求8所述的一种纳米级的T型分子筛的合成方法,其特征在于:合成的所述T型分子筛用于有机物脱水体系或膜反应器。
10.根据权利要求9所述的一种纳米级的T型分子筛的合成方法,其特征在于:有机物脱水体系是水/异丙醇体系。
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