CN110282786A - 回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的是一种回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理装置及方法,针对废旧锂电池正极材料回收处理产生的含重金属高盐废水主要含硫酸钠的特点,首先通过投加液碱、絮凝剂、粉末炭,利用管式微滤滤除钙、镁、重金属杂质;其次通过超高压反渗透将硫酸钠浓缩,产水回用;再利用双极膜电渗析将硫酸钠分解为稀硫酸与稀液碱,最后分别对稀硫酸与稀液碱进行蒸发浓缩,而回用于生产。本发明能够有效将环保的成本转到节约原材料采购费用上,节约资源,保护环境,使得企业得到良性发展。
Description
技术领域
本发明涉及的是回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理装置及方法,属于工业废水处理技术领域。
背景技术
随着我国近年来汽车工业的快速发展,虽然燃油汽车使用的汽油与排放标准不断提高,但汽车尾气对环境的污染依然随着汽车使用量的增长在不断增大。而电动汽车作为现代科技的尖端产品,不会排放污染大气的有害气体,其所使用的电力可以从多种一次能源获得,不仅可利用传统燃煤火力发电,更能利用核能、光能、水力、风力等新能源发电,从而有利于集中处理并降低火电的污染问题。
2018年全球电动汽车的市场销售量突破了200万辆,而中国电动汽车品牌的销量再次占据领先地位,接近全球电动汽车总销售量的一半,其中前十大品牌厂家的销售量就超过了80万辆。依据中国汽车动力联盟公布的数据,电动汽车配套的锂动力电池比例为:三元电池占比六成,磷酸铁锂电池占比四成。
虽然电动汽车能够解决尾气排放问题,但在电动车的长时间使用过程中,随着动力电池的不断更换,会产生大量的废旧锂电池,若处理不当仍然会对环境造成较大污染。其中废旧锂电池正极材料的回收利用要做到“无害化、减量化、资源化”,首先通过硫酸(H2SO4)浸出、纯碱(Na2CO3)除铁、液碱(NaOH)除铝,再利用液碱皂化萃取、硫酸反萃回收镍、钴、锰等重金属,最后采用纯碱沉锂回收金属锂,在废旧锂电池正极材料的回收处理过程中要利用到大量的酸碱,同时产生大量的含重金属高盐废水,其处理难度较大。传统的方法是先利用重金属吸附床将废水中的重金属去除,然后再利用MVR工艺进行蒸发结晶,直接生产出元明粉(十水硫酸钠);上述处理过程中,如果没有配套的下游生产对元明粉进行利用,元明粉的堆积也容易造成二次污染;同时,由于氢氧化钠价格高,每年采购酸碱的费用高昂,而硫酸钠价格又较低,回收的经济效益低。另外,专利申请号为201110233487.4的发明专利公开了一种废旧锂电池回收行业高盐废水的处理方法,通过反渗透处理废旧锂电池回收行业高盐废水,得到的净化水回收再利用,得到的浓水再利用太阳能、风能等自然能回收废水中的盐分,实现废水零排放。上述针对回收废旧锂电池正极材料废水的处理方法与专利,虽然回收了水与硫酸钠,达到了废水处理零排放的目的,但由于硫酸钠的价值较低,对废水处理运行费用的抵消较少,废水处理的整体效益不理想。
发明内容
本发明的目的旨在针对目前回收废旧锂电池正极材料废水零排放处理效益不理想的问题,提出一种回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理装置及方法,将回收废旧锂电池正极材料废水进行预处理、超高压反渗透浓缩,然后利用双极膜电渗析将Na2SO4分解为稀NaOH和H2SO4,再分别利用液碱蒸发器与石墨酸蒸发器对稀NaOH和H2SO4进行浓缩回用,从而节约大量的酸碱采购费用,提高回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理的经济效益。
本发明的技术解决方案:回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理装置,其结构包括调节池、提升泵、反应池、浓缩池、管式微滤循环泵、管式微滤装置、污泥池、污泥泵、污泥脱水装置、加药装置、中间水池、增压泵、超高压反渗透系统、超高压反渗透产水池、外送水泵、酸系统循环池、酸系统循环泵、酸室、盐系统循环池、盐系统循环池泵、双极膜电渗析/盐室、碱系统循环池、碱系统循环泵、碱室、石磨硫酸3效蒸发器、液碱3效蒸发器;
其中调节池的进水口接入外部管道输送的硫酸钠废水,调节池的出水口经过提升泵接至反应池的进水口,加药装置的出药口接至反应池的进药口,反应池的出水口接至浓缩池的进水口,浓缩池的出泥口接至污泥池的进泥口,污泥池的出泥口经过污泥泵接至污泥脱水装置的进泥口,污泥脱水装置产出泥饼,污泥脱水装置的滤液出口接至调节池的回水进水口;
浓缩池的出水口经过管式微滤循环泵接至管式微滤装置的进水口,管式微滤装置的循环出水口接至浓缩池的循环进水口,管式微滤装置的出水口接至中间水池的进水口;中间水池的出水口经过增压泵接至超高压反渗透系统的进水口,超高压反渗透系统的出水口接至超高压反渗透产水池的进水口以及酸系统循环池的第一进水口与碱系统循环池的第一进水口,超高压反渗透产水池经过外送水泵送出超高压反渗透产水,超高压反渗透系统的浓水口接至盐系统循环池的进水口;
盐系统循环池的出水口经过盐系统循环池泵接至双极膜电渗析/盐室的进水口,双极膜电渗析/盐室的出水口送出盐回流液至中间水池的回流稀盐液的进液口;酸系统循环池的出水口经过酸系统循环泵接至酸室的进水口,酸室的出水口送出低浓度硫酸至石磨硫酸3效蒸发器的稀酸进口,石磨硫酸3效蒸发器的冷凝液出口送出第一冷凝水至酸系统循环池的第二进水口,石磨硫酸3效蒸发器的浓酸出口送出高浓度硫酸;碱系统循环池的出水口经过碱系统循环泵接至碱室的进水口,碱室的出水口送出低浓度氢氧化钠至液碱3效蒸发器的稀碱进口,液碱3效蒸发器的冷凝液出口送出第二冷凝水至碱系统循环池的第二进水口,液碱3效蒸发器的浓碱出口送出高浓度氢氧化钠。
回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理方法,包括如下步骤:
1)回收废旧锂电池正极材料废水(主要成分硫酸钠),通过预处理系统去除钙、镁以及重金属离子;
2)通过超高压反渗透系统,将预处理后废水中的硫酸钠进行浓缩,产水回用;
3)通过双极膜电渗析系统,将硫酸钠浓液分解、制备成稀硫酸与稀碱溶液;
4)通过蒸发稀碱的3效蒸发器系统,将稀碱溶液进行浓缩;
通过蒸发稀酸的石墨3效蒸发器系统,将稀硫酸溶液进行浓缩。
本发明针对废旧锂电池正极材料回收处理产生的含重金属高盐废水主要含硫酸钠的特点,首先通过投加液碱、絮凝剂、粉末炭,利用管式微滤滤除钙、镁、重金属杂质;其次通过超高压反渗透将硫酸钠浓缩,产水回用;再利用双极膜电渗析将硫酸钠分解为稀硫酸与稀液碱,最后分别对稀硫酸与稀液碱进行蒸发浓缩,而回用于生产,将环保的成本转到节约原材料采购费用上,真正做到节约资源,保护环境,使得企业得到良性发展。
附图说明
附图1是回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理装置的总体结构示意图。
附图2是回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理装置及方法实施例的水平衡图。
图中的SSWW表示硫酸钠废水、Cake表示泥饼、PW表示超高压反渗透产水、SB表示盐回流液、CW1表示1#冷凝水、CW2表示2#冷凝水、(LC)H2SO4表示低浓度硫酸、(LC)NaOH表示低浓度氢氧化钠、(HC)H2SO4表示高浓度硫酸、(HC)NaOH表示高浓度氢氧化钠;RT表示反应池、CT表示浓缩池、TMF表示管式微滤装置、SDW表示污泥脱水装置、DS表示加药装置、UHPRO表示超高压反渗透系统、AcR表示酸室、AlR表示碱室、BPED/SR表示双极膜电渗析/盐室、G.3EV表示石磨硫酸3效蒸发器、3EV表示液碱3效蒸发器;T1表示调节池、P1表示提升泵、T2表示中间水池、P2表示增压泵、T3表示污泥池、P3表示污泥泵、T4表示超高压反渗透产水池、P4表示外送水泵、T5表示酸系统循环池、P5表示酸系统循环泵、T6表示盐系统循环池、P6表示盐系统循环池泵、T7表示碱系统循环池、P7表示碱系统循环泵、P8表示管式微滤循环泵。
具体实施方式
如图1所示的回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理装置,其结构包括调节池T1、提升泵P1、反应池RT、浓缩池CT、管式微滤循环泵P8、管式微滤装置TMF、污泥池T3、污泥泵P3、污泥脱水装置SDW、加药装置DS、中间水池T2、增压泵P2、超高压反渗透系统UHPRO、超高压反渗透产水池T4、外送水泵P4、酸系统循环池T5、酸系统循环泵P5、酸室AcR、盐系统循环池T6、盐系统循环池泵P6、双极膜电渗析BPED/盐室SR、碱系统循环池T7、碱系统循环泵P7碱室AlR、石磨硫酸3效蒸发器G.3EV、液碱3效蒸发器3EV;其中硫酸钠废水SSWW接入调节池T1的进水口,调节池T1的出水口经过提升泵P1接至反应池RT的进水口,加药装置DS的出药口接至反应池RT的进药口,反应池RT的出水口接至浓缩池CT的进水口,浓缩池CT的出泥口接至污泥池T3的进泥口,污泥池T3的出泥口经过污泥泵P3接至污泥脱水装置SDW的进泥口,污泥脱水装置SDW产出泥饼Cake,污泥脱水装置SDW的滤液出口接至调节池T1的回水进水口,浓缩池CT的出水口经过管式微滤循环泵P8接至管式微滤装置TMF的进水口,管式微滤装置TMF的循环出水口接至浓缩池CT的循环进水口,管式微滤装置TMF的出水口接至中间水池T2的进水口;中间水池T2的出水口经过增压泵P2接至超高压反渗透系统UHPRO的进水口,超高压反渗透系统UHPRO的产水口接至超高压反渗透产水池T4的进水口以及酸系统循环池T5的1#进水口与碱系统循环池T7的1#进水口,超高压反渗透产水池T4经过外送水泵P4送出超高压反渗透产水PW,超高压反渗透系统UHPRO的浓水口接至盐系统循环池T6的进水口;盐系统循环池T6的出水口经过盐系统循环池泵P6接至双极膜电渗析BPED/盐室SR的进水口,双极膜电渗析BPED/盐室SR的出水口送出盐回流液SB至中间水池T2回流稀盐液的进液口;酸系统循环池T5的出水口经过酸系统循环泵P5接至酸室AcR的进水口,酸室AcR的出水口送出低浓度硫酸(LC)H2SO4至石磨硫酸3效蒸发器G.3EV的稀酸进口,石磨硫酸3效蒸发器G.3EV的冷凝液出口送出1#冷凝水CW1至酸系统循环池T5的2#进水口,石磨硫酸3效蒸发器G.3EV的浓酸出口送出高浓度硫酸(HC)H2SO4;碱系统循环池T7的出水口经过碱系统循环泵P7接至碱室AlR的进水口,碱室AlR的出水口送出低浓度氢氧化钠(LC)NaOH至液碱3效蒸发器3EV的稀碱进口,液碱3效蒸发器3EV的冷凝液出口送出2#冷凝水CW2至碱系统循环池T7的2#进水口,液碱3效蒸发器3EV的浓碱出口送出高浓度氢氧化钠(HC)NaOH。
所述的超高压反渗透系统UHPRO,其结构包括阻垢剂投加装置、保安过滤器、高压柱塞泵、超高压反渗透装置,其中阻垢剂投加装置连接保安过滤器,保安过滤器通过高压柱塞泵连接超高压反渗透装置;预处理后的硫酸钠废水通过投加阻垢剂防止超高压反渗透膜结垢,依次经过保安过滤器、高压柱塞泵进入超高压反渗透装置,利用超高压反渗透膜来净化浓缩,将废水中的硫酸钠的浓度从5~10%浓缩到12~18%,以便于后续双极膜制酸碱,超高压反渗透产水的TDS小于0.03%,回用于生产。
回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理方法,包括如下步骤:
1)回收废旧锂电池正极材料废水(主要成分硫酸钠),通过预处理系统去除钙、镁以及重金属离子;
2)通过超高压反渗透系统将预处理后废水中的硫酸钠进行浓缩,产水回用;
3)通过双极膜电渗析系统,将硫酸钠浓液分解、制备成稀硫酸与稀碱溶液;
4)通过蒸发稀碱的3效蒸发器系统,将稀碱溶液进行浓缩;
5)通过蒸发稀酸的石墨3效蒸发器系统,将稀硫酸溶液进行浓缩。
所述步骤1)回收废旧锂电池正极材料废水(主要成分硫酸钠),通过预处理系统,投加液碱、絮凝剂、粉末炭,将pH调节到8~10,有效去除钙、镁以及重金属离子,然后再投加硫酸回调pH值为6~8。浓缩污泥通过脱水外运。
所述步骤2)通过超高压反渗透系统,将预处理后废水中的硫酸钠的浓度从5~10%浓缩到12~18%,超高压反渗透产水的TDS小于0.03%,回用于生产。
所述步骤3)通过双极膜电渗析系统,将超高压反渗透系统浓缩的12~18%的硫酸钠浓液泵入双极膜电渗析系统的盐室,在双极膜电渗析系统的酸室和碱室加入超高压反渗透产水与冷凝水,采用循环方式,利用双极膜电渗析将硫酸钠分解,在双极膜电渗析系统的酸室制备成8~12%的稀硫酸溶液,在双极膜电渗析系统的碱室制备成6~10%的稀碱溶液,同时,在双极膜电渗析系统的盐室产生6~8%的硫酸钠溶液返回到超高压反渗透系统的前端再行处理。
所述步骤4)通过蒸发稀碱的3效蒸发器系统,将双极膜电渗析产出的6~10%的稀碱溶液进行浓缩,使其浓度达到25~32%而回用于生产,冷凝水的TDS小于0.01%,回收到双极膜电渗析系统的碱循环池。
所述步骤5)通过蒸发稀酸的石墨3效蒸发器系统,将双极膜电渗析产出的8~12%的稀硫酸溶液进行浓缩,使其浓度达到50~65%而回用于生产,冷凝水的TDS小于0.03%,回收到双极膜电渗析系统的酸循环池。
实施例
下面根据实施例进一步说明本发明的技术方案。
处理10000吨废旧锂电池正极材料,其回收处理过程中,首先通过硫酸浸出、纯碱除铁、液碱除铝,再利用液碱皂化萃取、硫酸反萃回收镍、钴、锰等重金属,最后采用纯碱沉锂回收金属锂,在废旧锂电池正极材料的回收处理过程中,一方面要利用到大量的酸碱,每年企业要花费超过5000万元大量采购32%的液碱与98%的硫酸,另一方面产生大量的含重金属高盐废水中回收的硫酸钠又不易销出,最好的办法是将硫酸钠废水中的硫酸钠直接转化为液碱与硫酸回用于生产,将环保的成本转到节约原材料采购费用上,真正做到节约资源,保护环境,利国利民,又使得企业得利。本实施例是其配套的含重金属高盐废水资源化处理工程。
设计进水水质
设计进水来自废旧锂电池正极材料项目产生的高盐废水,其水质指标如下:
表中ND表示未测到。其废水中的成分主要为:Na+、SO4 2-,Na2SO4浓度达到12.3%,其他杂质小于0.5%。
设计处理水量及产物指标
系统设计处理水量:720m3/D(30m3/H);
处理后的回用水(TDS≤300mg/L):545m3/D(22.7m3/H);
处理后的氢氧化钠(32%):156T/D(6.5T/H);
处理后的硫酸(65%):94T/D(3.9T/H)。
水平衡
参见附图2中的回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理装置及方法实施例的水平衡图。
工艺说明
(1)硫酸钠废水首先利用原水泵加压进入预处理系统,通过投加液碱、絮凝剂、粉末炭,在循环泵的大流量循环状态下,利用管式微滤膜循环浓缩过滤,去除废水中的重金属,然后再利用硫酸回调pH值。浓缩污泥利用板框压滤机脱水,泥饼外运。
(2)预处理后的硫酸钠废水通过反渗透增压泵增压,经过反渗透保安过滤器保护,再经过高压泵加压,使得12.3%的硫酸钠废水与双极膜电渗析产生的8%的硫酸钠溶液混合后经超高压反渗透再浓缩到硫酸钠质量分数为16%。反渗透产水含盐量为0.03%,用于产酸碱的水,剩余部分回用于生产。
(3)硫酸钠废水经过反渗透浓缩到16%后进入双极膜电渗析系统制备酸碱。双极膜电渗析系统产生10%的硫酸溶液、8%的氢氧化钠溶液和8%的硫酸钠溶液。双极膜电渗析系统产生的8%的硫酸钠溶液返回到反渗透系统的前端。
硫酸钠废水的处理采用超高压反渗透+双极膜电渗析结合的处理工艺。原水硫酸钠浓度12.3%、流量30m3/H进入超高压反渗透系统进行浓缩,超高压反渗透浓水硫酸钠浓度16%进入双极膜电渗析系统的盐室制备硫酸溶液和氢氧化钠溶液。
双极膜电渗析系统的盐室和极室加入反渗透浓水,酸室和碱室加入反渗透产水,采用循环运行的方式来制备酸碱,当酸室的酸溶液和碱室的碱溶液达到用户要求即可外排,再补充反渗透产水。
(4)双极膜电渗析产出8%N的aOH溶液26T/H,其浓度虽低,但一般可以满足生产工艺的回用,如要求更高浓度,可以采用稀碱的3效蒸发器将8%的NaOH溶液浓缩到32%。这里将8%的NaOH溶液26T/H浓缩到32%的NaOH溶液6.5T/H。
(5)双极膜电渗析产出10%的H2SO4溶液25.5T/H,其浓度较低,一般可以采用稀酸的石墨3效蒸发器将10%的H2SO4溶液浓缩到65%。这里将10%的H2SO4溶液25.5T/H浓缩到65% 的H2SO4溶液3.9T/H。
系统主要设计参数
(1)土建工程:
(2)主要设备:
Claims (8)
1.回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理装置,其特征是包括调节池、提升泵、反应池、浓缩池、管式微滤循环泵、管式微滤装置、污泥池、污泥泵、污泥脱水装置、加药装置、中间水池、增压泵、超高压反渗透系统、超高压反渗透产水池、外送水泵、酸系统循环池、酸系统循环泵、酸室、盐系统循环池、盐系统循环池泵、双极膜电渗析/盐室、碱系统循环池、碱系统循环泵、碱室、石磨硫酸3效蒸发器、液碱3效蒸发器;
其中调节池的进水口接入外部管道输送的硫酸钠废水,调节池的出水口经过提升泵接至反应池的进水口,加药装置的出药口接至反应池的进药口,反应池的出水口接至浓缩池的进水口,浓缩池的出泥口接至污泥池的进泥口,污泥池的出泥口经过污泥泵接至污泥脱水装置的进泥口,污泥脱水装置产出泥饼,污泥脱水装置的滤液出口接至调节池的回水进水口;
浓缩池的出水口经过管式微滤循环泵接至管式微滤装置的进水口,管式微滤装置的循环出水口接至浓缩池的循环进水口,管式微滤装置的出水口接至中间水池的进水口;中间水池的出水口经过增压泵接至超高压反渗透系统的进水口,超高压反渗透系统的出水口接至超高压反渗透产水池的进水口以及酸系统循环池的第一进水口与碱系统循环池的第一进水口,超高压反渗透产水池经过外送水泵送出超高压反渗透产水,超高压反渗透系统的浓水口接至盐系统循环池的进水口;
盐系统循环池的出水口经过盐系统循环池泵接至双极膜电渗析/盐室的进水口,双极膜电渗析/盐室的出水口送出盐回流液至中间水池的回流稀盐液的进液口;酸系统循环池的出水口经过酸系统循环泵接至酸室的进水口,酸室的出水口送出低浓度硫酸至石磨硫酸3效蒸发器的稀酸进口,石磨硫酸3效蒸发器的冷凝液出口送出第一冷凝水至酸系统循环池的第二进水口,石磨硫酸3效蒸发器的浓酸出口送出高浓度硫酸;碱系统循环池的出水口经过碱系统循环泵接至碱室的进水口,碱室的出水口送出低浓度氢氧化钠至液碱3效蒸发器的稀碱进口,液碱3效蒸发器的冷凝液出口送出第二冷凝水至碱系统循环池的第二进水口,液碱3效蒸发器的浓碱出口送出高浓度氢氧化钠。
2.根据权利要求1所述的回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理装置,其特征是所述的超高压反渗透系统,其结构包括阻垢剂投加装置、保安过滤器、高压柱塞泵、超高压反渗透装置,其中阻垢剂投加装置连接保安过滤器,保安过滤器通过高压柱塞泵连接超高压反渗透装置;预处理后的硫酸钠废水首先通过阻垢剂投加装置投加阻垢剂,防止超高压反渗透膜结垢,然后依次经过保安过滤器、高压柱塞泵进入超高压反渗透装置,利用超高压反渗透膜来净化浓缩。
3.利用如权利要求1所述的回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理装置的回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理方法,其特征是该方法包括如下步骤:
1)回收主要成分为硫酸钠的废旧锂电池正极材料废水,通过预处理系统去除钙、镁以及重金属离子;
2)通过超高压反渗透系统将预处理后废水中的硫酸钠进行浓缩,产水回用;
3)通过双极膜电渗析系统,将硫酸钠浓液分解、制备成稀硫酸与稀碱溶液;
4)通过蒸发稀碱的3效蒸发器系统,将稀碱溶液进行浓缩;
5)通过蒸发稀酸的石墨3效蒸发器系统,将稀硫酸溶液进行浓缩。
4.根据权利要求3所述的回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理方法,其特征是所述步骤1)具体包括:通过预处理系统,投加液碱、絮凝剂、粉末炭,将pH调节到8~10,有效去除钙、镁以及重金属离子,然后再投加硫酸回调pH值为6~8,浓缩污泥通过脱水外运。
5.根据权利要求3所述的回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理方法,其特征是所述步骤2)具体包括:通过超高压反渗透系统,将预处理后废水中的硫酸钠的浓度从5~10%浓缩到12~18%,超高压反渗透产水的TDS小于0.03%,回用于生产。
6.根据权利要求3所述的回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理方法,其特征是所述步骤3)具体包括:通过双极膜电渗析系统,将超高压反渗透系统浓缩的12~18%的硫酸钠浓液泵入双极膜电渗析系统的盐室,在双极膜电渗析系统的酸室和碱室加入超高压反渗透产水与冷凝水,采用循环方式,利用双极膜电渗析将硫酸钠分解,在双极膜电渗析系统的酸室制备成8~12%的稀硫酸溶液,在双极膜电渗析系统的碱室制备成6~10%的稀碱溶液,同时,在双极膜电渗析系统的盐室产生6~8%的硫酸钠溶液返回到超高压反渗透系统的前端再行处理。
7.根据权利要求3所述的回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理方法,其特征是所述步骤4)具体包括:通过蒸发稀碱的3效蒸发器系统,将双极膜电渗析产出的6~10%的稀碱溶液进行浓缩,使其浓度达到25~32%而回用于生产,冷凝水的TDS小于0.01%,回收到双极膜电渗析系统的碱循环池。
8.根据权利要求3所述的回收废旧锂电池正极材料废水资源化处理方法,其特征是所述步骤5)具体包括:通过蒸发稀酸的石墨3效蒸发器系统,将双极膜电渗析产出的8~12%的稀硫酸溶液进行浓缩,使其浓度达到50~65%而回用于生产,冷凝水的TDS小于0.03%,回收到双极膜电渗析系统的酸循环池。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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