CN111974366A - 基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球的制备与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球的制备方法,将羧甲基壳聚糖和Fe3O4纳米颗粒分散在水中形成羧甲基壳聚糖‑Fe3O4混合溶液,将混合溶液加入环乙烷‑司班80体系中,再加入戊二醛溶液混合均匀,制得磁性羧甲基壳聚糖微球,将微球分散在水中,在引发剂引发条件下加入[2‑(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵,制备得到基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球。本发明制备的基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球含有丰富的季铵盐基团、氨基、羟基和羧基等,使吸附剂具有两性性质,既可以高效去除重金属阳离子,又可以高效去除重金属阴离子,还可以用于重金属阳离子和重金属阴离子的混合体系中,同时高效去除混合溶液的重金属离子。吸附完成后可以通过磁分离技术将吸附剂从溶液中回收,解吸后可以实现再生利用,大大节约了经济成本。
Description
技术领域
本发明属于水处理材料制备领域,尤其涉及一种基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球的制备方法和应用方法。
背景技术
重金属废水不仅会对环境造成危害,还可引发动物和人类的多种疾病,损害生命体健康。Cr(Ⅵ)会提高呼吸道癌症发病率、损害肝肾、刺激和腐蚀皮肤,严重损害人体健康。过量的铜会引发呕吐、恶心、腹痛等症状,还会导致呼吸系统疾病、肝肾功能衰竭、胃肠道出血等问题,对人体产生极大危害。未处理的工业废水中会释放大量的重金属离子,所以处理重金属离子的废水十分必要。
化学沉淀、电化学、膜分离、反渗透、离子交换等技术,虽然可以去除重金属离子,但在工业水平上的应用不具有优势,这些方法不仅存在药剂价格较高或者运营成本高等经济问题,还难以将水中的重金属离子去除到ppm水平。与传统技术相比,生物吸附技术可以将重金属离子降解到ppm水平甚至ppb水平,并且适用的温度范围和pH值范围较宽。因此,生物吸附剂在去除重金属离子方面具有巨大的研究价值。
在众多生物吸附剂材料中,羧甲基壳聚糖(CCS)来源广泛成本较低、活性基团数量多、易于降解等优点使其成为最理想的生物吸附剂之一。虽然CCS 本身是两性聚合物,但其上的氨基含量有限,对阴性重金属离子的去除效果不甚理想,所以增强CCS的氨基数量成为改性的方向之一。除此之外,CCS的分离回收困难,而磁分离技术有望解决这个难题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足,本发明的目的是提供一种基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球的制备与应用,在CCS上引入磁性物质,并接枝聚 ([2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵)(PDMC),可有效提高CCS的吸附能力和应用潜能。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于磁分离技术的羧甲基壳聚糖基微球的制备方法,步骤一:将羧甲基壳聚糖和Fe3O4纳米颗粒分散在水中形成羧甲基壳聚糖-Fe3O4混合溶液,将混合溶液加入环乙烷-司班80体系中,再加入戊二醛溶液于50℃条件下反应 1~3h,制备得到磁性羧甲基壳聚糖微球;步骤二:将磁性羧甲基壳聚糖微球分散在水中,在引发剂引发条件下加入[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵,在40~60℃条件在反应1~5h,洗涤干燥后得到所述的基于磁分离技术的羧甲基壳聚糖基微球。
作为优选,步骤一中,羧甲基壳聚糖粉末与Fe3O4纳米颗粒的质量比为 0.5~1.2:1,羧甲基壳聚糖与Fe3O4的比例应使制备的微球既具有很好的磁分离特性,又含有丰富的有机物使微球具有良好的吸附能力。
作为优选,羧甲基壳聚糖的质量与超纯水的体积比为1g:15~30mL,使羧甲基壳聚糖和Fe3O4纳米颗粒均匀分散在超纯水中;环乙烷与超纯水的体积比为4~6:1,环乙烷与司班80的体积比为50~100:1,戊二醛与羧甲基壳聚糖的摩尔比为0.2~0.6:1,使羧甲基壳聚糖与Fe3O4纳米颗粒能够充分交联,形成磁性羧甲基壳聚糖微球形貌均一。
作为优选,磁性羧甲基壳聚糖微球的质量与超纯水的体积比为 1g:50~150mL,所用引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾,引发剂的质量与所用羧甲基壳聚糖的质量比为1:2~3,引发剂的添加量既可以保证接枝反应的充分顺利进行,又不会使接枝的([2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵)发生自聚反应。接枝物[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵的体积与所用羧甲基壳聚糖的质量比为5~10mL:1g,其中[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵的质量分数为60~80%,接枝物的添加量使制备的微球上含有丰富的季铵盐基团,提高了对重金属阴离子的吸附能力,还保证了微球上仍含有羧基和氨基,对重金属阳离子也具有较好的去除能力。
一种基于磁分离技术的羧甲基壳聚糖基微球的应用,使用该材料去除的污染物为重金属离子,包括但不仅限于Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ),向含有重金属离子的溶液中加入基于磁分离技术的羧甲基壳聚糖基微球,污染物为单一重金属离子溶液或混合重金属离子溶液,基于磁分离技术的羧甲基壳聚糖基微球与溶液中污染物的质量比为1~50:1,反应时间为2~12h,反应温度为15~50℃。
本发明采用[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵为接枝物,其上含有丰富的季铵基团,与磁性羧甲基壳聚糖微球接枝后,可以增加对重金属阴离子的吸附能力,从而提高该吸附剂去除重金属离子的能力。制备的基于磁分离技术的羧甲基壳聚糖基微球既可以吸附重金属阳离子,又可以吸附重金属阴离子,对混合重金属离子也具有较好的吸附能力。
本发明制备的吸附剂处理重金属废水后,可通过磁分离技术分离回收,回收的吸附剂可以通过解吸实现再生。
相比现有技术,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明制备的基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球中引入了磁分离技术,可以在外加磁场的作用下迅速实现固液分离,可实现吸附剂的高效分离与回收,在应用过程中可多次重复使用,大大节约了经济成本。
(2)本发明使用PDMC进行接枝改性,制备的基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球中含有丰富的季铵盐基团、氨基、羟基和羧基等,使吸附剂具有两性性质,既可以高效去除阴性重金属离子,对Cr(Ⅵ)的吸附容量可达 152.7mg/g,又可以高效去除阳性重金属离子,对Cu(Ⅱ)的吸附容量为45.39 mg/g,优于现有的很多吸附剂。
(3)本发明制备的基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球可以用于 Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)的共存的二元体系中,在投加量为1g/L时,对两种重金属离子的去除率可达到90%以上,可以同时高效去除混合溶液的两种重金属离子。
附图说明
图1为实施例1中制备的Fe3O4@CCS和PD-Fe3O4@CCS的扫描电镜图;
图2为实施例1中Fe3O4@CCS和PD-Fe3O4@CCS的红外光谱图;
图3为实施例1中Fe3O4@CCS和PD-Fe3O4@CCS的热重分析图;
图4为实施例1中Fe3O4@CCS和PD-Fe3O4@CCS的磁滞回线图;
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1:
一、基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球的制备方法,包括如下步骤:
1)磁性羧甲基壳聚糖微球(Fe3O4@CCS)的制备
将0.8g羧甲基壳聚糖(CCS)粉末溶于20mL超纯水中制得羧甲基壳聚糖悬浊液然后,称取0.6g Fe3O4纳米颗粒分散于5mL超纯水中,超声处理20min 后,将其与羧甲基壳聚糖悬浊液进一步混合形成羧甲基壳聚糖-Fe3O4混合溶液,搅拌4h。
在三颈烧瓶中将125mL环己烷和2mL司班80混合,并搅拌直至混合物变成糊状之后,将羧甲基壳聚糖-Fe3O4混合溶液在剧烈搅拌下逐滴滴入三颈烧瓶中,搅拌40min后将温度升至50℃,将1.3mL浓度为50%的戊二醛滴加到水- 环己烷悬浮液中进行交联,反应1h。
将三颈烧瓶从水浴锅中取出,待温度冷却到室温,在永磁体作用下将制得的微球从溶液中分离出来,使用无水乙醇溶液洗涤三次,再使用超纯水洗涤3 次,置于60℃的真空干燥箱内干燥,得到磁性羧甲基壳聚糖微球 (Fe3O4@CCS)。
2)基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球(PD-Fe3O4@CCS)的制备
通过在N2气氛下通过自由基聚合将聚([2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵)(DMC)接枝制备两性磁性羧甲基壳聚糖微球 (Fe3O4@CCS@DMC)。
将步骤1)中制备的Fe3O4@CCS分散在100mL超纯水中,充氮气10min 以排除溶液中的氧气。将10mL浓度为0.033g/mL过硫酸钾(KPS)水溶液添加到MCPs分散液中作为引发剂。10min后,将6mL质量分数为75%的DMC 滴加到反应烧瓶中,将反应瓶置于50℃的恒温水浴锅中反应3h。然后,将所得产物用永磁体分离,使用无水乙醇溶液洗涤三次,再使用超纯水洗涤3次,置于60℃的真空干燥箱内干燥,得到两性磁性羧甲基壳聚糖微球(PD- Fe3O4@CCS)。
二、基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球的表征分析
图1为实施例1中制备的Fe3O4@CCS和PD-Fe3O4@CCS的扫描电镜图;其中图(a)为实施例1制备的Fe3O4@CCS扫描电镜图,图(b)为实施例1制备的 PD-Fe3O4@CCS的扫描电镜图;从图中可以看出两种吸附剂均是微球形,颗粒均匀,微球直径为μm级,大致在200~300μm范围内,与Fe3O4@CCS相比, PD-Fe3O4@CCS直径变大,表面更为光滑,推测其原因是微球表面接枝了 PDMC,这种聚合物包裹在Fe3O4@CCS表面,填充了Fe3O4@CCS的孔,使PD-Fe3O4@CCS直径略微增大、表面变得更加光滑。
图2为实施例1中Fe3O4@CCS和PD-Fe3O4@CCS的红外光谱图; Fe3O4@CCS与PD-Fe3O4@CCS均在558cm-1处出现振动峰,这是由于Fe-O的振动引起的,表明Fe3O4@CCS与PD-Fe3O4@CCS中均成功引入了Fe3O4。 Fe3O4@CCS与PD-Fe3O4@CCS中位于1400cm-1和1580cm-1处的吸附峰,分别对应CCS中的CH2COOH(对称)和羧基C=O(非对称)的拉伸振动,说明在 Fe3O4@CCS中的所有C=O键均是以羧基形式存在,与Fe3O4@CCS相比,PD- Fe3O4@CCS光谱中出现位于1720cm-1处新的强吸附峰,这是由于PDMC中存在的酯基基团中C=O的拉伸振动,说明PD-Fe3O4@CCS中成功接枝了PDMC,同时PD-Fe3O4@CCS中出现的对应季铵盐中-CH3的弯曲振动的1480cm-1处新的强吸附峰也说明了PDMC的成功接枝。Fe3O4@CCS中位于1020cm-1处的吸附峰对应于CCS骨架上具有C-O-H延伸的伯醇,而其对应的峰在PD- Fe3O4@CCS中发生偏移,偏移到更高波数段1060cm-1处,说明在接枝改性过程中该伯羟基发生反应,且PD-Fe3O4@CCS中出现位于948cm-1处的新的强吸附峰,该吸收峰对应C-O-C的伸缩振动,即可推测接枝反应在CCS骨架上的伯羟基发生取代反应,形成醚基;PD-Fe3O4@CCS的FTIR谱图中在1624cm-1处出现一个明显的N-H(酰胺II)拉伸峰,表明Fe3O4@CCS上的氨基也发生了接枝共聚反应。通过对比分析Fe3O4@CCS与PD-Fe3O4@CCS的红外图谱,说明 Fe3O4@CCS与PD-Fe3O4@CCS中成功引入了Fe3O4,PD-Fe3O4@CCS中成功接枝了PDMC,接枝共聚反应主要发生在CCS的氨基和伯羟基上。
图3为实施例1中Fe3O4@CCS和PD-Fe3O4@CCS的热重分析图。 Fe3O4@CCS与PD-Fe3O4@CCS的热分解可以分为3个阶段。第一阶段为 25~200℃,两种样品重量缓慢损失,其原因为水的流失,此时Fe3O4@CCS与 PD-Fe3O4@CCS的重量损失分别为10.9%、10.82%,几乎相同,说明两种样品的含水量基本相同,含水量约为样品质量的11%。第二阶段为200~450℃,重量损失主要是由于酰胺基的热分解和酰亚胺化及PD-Fe3O4@CCS上季铵盐中甲基的分解,重量损失速率大于第一阶段,PD-Fe3O4@CCS与Fe3O4@CCS的重量损失分别为41.24%、31.80%,即PD-Fe3O4@CCS的重量损失比Fe3O4@CCS 的重量损失大,说明PDMC成功接枝。第三阶段为450~600℃,此阶段中质量损失主要由于CCS上的主链和接枝的聚合物链状结构的分解。Fe3O4@CCS与PD-Fe3O4@CCS在二、三阶段中的总重量损失分别为62.44%、69.58%,说明 PD-Fe3O4@CCS中有机物含量高于Fe3O4@CCS中的有机物含量,表明PD- Fe3O4@CCS中成功接枝了PDMC,且接枝后的样品具有热稳定。600℃以后,样品质量趋于稳定,此时,两种磁性吸附剂中均仅剩四氧化三铁,Fe3O4@CCS 与PD-Fe3O4@CCS残留量分别为26.2%、19.42%,说明Fe3O4@CCS中的磁性物质含量大于PD-Fe3O4@CCS中磁性物质含量,而有机物含量小于PD-Fe3O4@CCS中有机物含量。
图4为实施例1中Fe3O4@CCS和PD-Fe3O4@CCS的磁滞回线图;可以看出PD-Fe3O4@CCS具有超顺磁性,剩磁和矫顽力为0,在-20000~20000Oe范围内饱和磁化强度为11.49emu/g,比Fe3O4@CCS(23.00emu/g)降低了 50.04%。PD-Fe3O4@CCS饱和磁化强度的降低与热重曲线、红外光谱表征结果对应,即由于PD-Fe3O4@CCS中成功接枝了PDMC,有机物含量高于Fe3O4@CCS,磁性物质含量低于Fe3O4@CCS,虽然PD-Fe3O4@CCS的饱和磁化强度有所降低,但仍能满足磁分离的需求,吸附剂可以从溶液中快速分离。
三、基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球对重金属离子的吸附去除
(1)pH值对Cr(Ⅵ)溶液吸附的影响
在50mL锥形瓶中加入50mL浓度为100mg/L的Cr(Ⅵ)溶液,分别加入 25mg吸附剂PD-Fe3O4@CCS和Fe3O4@CCS,用0.1mol/L的NaOH溶液和0.1 mol/LHCl溶液将锥形瓶中溶液的pH值调节为2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、6、 7、8、9,放置恒温水浴震荡箱中,设置温度为298K,反应24h后,在外加磁场作用下取上清液测定剩余Cr(Ⅵ)溶液浓度。做平行实验3组。两种吸附试剂对Cr(Ⅵ)的吸附能力如表1所示。
表1吸附剂在不同pH值下对Cr(Ⅵ)的吸附容量(mg/g)
PD-Fe3O4@CCS和Fe3O4@CCS对Cr(Ⅵ)的吸附容量随着pH的升高而降低。当pH=2时,PD-Fe3O4@CCS和Fe3O4@CCS的吸附容量最大,分别为152.7和 103.6mg/g。与Fe3O4@CCS相比,PD-Fe3O4@CCS吸附容量大大提升,吸附能力得到显著提升。而且,随着pH值的增加,这种差距越发明显,当pH=3时,两种吸附剂吸附容量差距最大,可达2倍以上。在pH<7范围内,PD-Fe3O4@CCS都表现出优异的吸附能力,说明其适用的pH范围较宽。总之, PD-Fe3O4@CCS对Cr(Ⅵ)的吸附性能优于Fe3O4@CCS。
(2)pH值对Cu(Ⅱ)溶液吸附的影响
在50mL锥形瓶中加入50mL浓度为100mg/L的Cu(Ⅱ)溶液,分别加入25 mg吸附剂PD-Fe3O4@CCS和Fe3O4@CCS,用0.1mol/L的NaOH溶液和0.1 mol/L HCl溶液将锥形瓶中溶液的pH值调节为2、2.5、3、3.5、4、4.5、5,放置恒温水浴震荡箱中,设置温度为298K,反应24h后,在外加磁场作用下取上清液测定剩余Cu(Ⅱ)溶液浓度。其对比试验加入25mg吸附剂Fe3O4@CCS,其余实验条件和操作步骤与上述试验一致。做平行实验3组。该实验调节溶液pH值时应注意不能超过5.5,超过时Cu(Ⅱ)溶液会发生沉淀,且pH值降低后部分沉淀不可溶解。两种吸附试剂对Cr(Ⅵ)的吸附能力如表2所示。
表2吸附剂在不同pH值下对Cu(Ⅱ)的吸附容量(mg/g)
由图可知,PD-Fe3O4@CCS和Fe3O4@CCS对Cu(Ⅱ)的吸附容量随着pH的升高而升高。当pH=5时,PD-Fe3O4@CCS和Fe3O4@CCS的吸附容量最大,分别为75.13、45.39mg/g。与Fe3O4@CCS相比,PD-Fe3O4@CCS吸附容量降低,这是因为PD-Fe3O4@CCS中接枝了季铵盐,改变了Fe3O4@CCS表面官能团,影响了吸附能力。PD-Fe3O4@CCS中成功接枝了PDMC,在酸性条件下,氨基和季铵基易发生质子化,与Cu(Ⅱ)之间发生静电排斥,且溶液中的质子含量较多,与Cu(Ⅱ)之间产生吸附竞争。随着pH值的增加,氨基和羧基开始去质子化,羧基逐渐变为-COO-形态,吸附剂与Cu(Ⅱ)间的静电吸引增加,且溶液中质子数量减少,与Cu(Ⅱ)的竞争吸附减弱,吸附能力提高。由于PD-Fe3O4@CCS中季铵基含量高,静电排斥较强,所以吸附能力弱于Fe3O4@CCS,但仍处于较高水平。
实施例1制备的磁性壳聚糖基吸附剂不仅可以吸附溶液中Cr(Ⅵ),还可以吸附水中的Cu(Ⅱ),且均具有较好的吸附去除效果,是一种具有多种吸附能力的优良吸附剂。
实施例2
一、基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球的制备:
本实施例制备基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球的制备方法与实施例1的区别为:步骤2)中引发剂为0.033g/mL的过硫酸铵,加入量为8mL,甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的加入量为5mL,其他条件和实施例1相同。
二、基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球在二元混合体系中的应用
本实验为探究吸附剂对金属离子吸附的实际应用,共分为2组,编号为A、 B,其中A组为使用实验室自来水配制金属离子溶液、B组为使用重庆大学民主湖取水配制金属离子溶液,B组从民主湖取水后过滤使用,A、B两组中的 Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的浓度均为20mg/g。将盛有污染物的锥形瓶放置恒温水浴震荡箱中,加入25mg吸附剂PD-Fe3O4@CCS,设置温度为298K,反应24h后,在外加磁场作用下取上清液,测定剩余金属离子溶液浓度。做平行实验3组。基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球对Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)的吸附能力如表3 所示。
表3基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球对Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)的去除率
PD-Fe3O4@CCS对不同水质条件下两种重金属离子的去除率都达到了60%以上。为提高PD-Fe3O4@CCS对Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)的去除效率,可以增大材料的投加量。实验结果表明,在二元系统中,两种不同来源的水质条件下,1.0g/L 的PD-Fe3O4@CCS对Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)的去除率均为90%以上。这些结果表明, PD-Fe3O4@CCS适用于处理低浓度重金属离子废水,有望用于大规模两性废水的处理。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (5)
1.一种基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球的制备方法,其特征在于,
步骤一:将羧甲基壳聚糖和Fe3O4纳米颗粒分散在水中形成羧甲基壳聚糖-Fe3O4混合溶液,将混合溶液加入环乙烷-司班80体系中,再加入戊二醛溶液于50℃条件下反应1~3h,制备得到磁性羧甲基壳聚糖微球;
步骤二:将磁性羧甲基壳聚糖微球分散在水中,在引发剂引发条件下加入[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵,在40~60℃条件在反应1~5h,洗涤干燥后得到所述的基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球。
2.根据权利要求1所述的基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球的制备方法,其特征在于,步骤一中,羧甲基壳聚糖粉末与Fe3O4纳米颗粒的质量比为0.5~1.2:1,羧甲基壳聚糖的质量与超纯水的体积比为1g:15~30mL,环乙烷与超纯水的体积比为4~6:1,环乙烷与司班80的体积比为50~100:1,戊二醛与羧甲基壳聚糖的摩尔比为0.2~0.6:1。
3.根据权利要求1所述的基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球的制备方法,其特征在于,步骤二中,磁性羧甲基壳聚糖微球的质量与超纯水的体积比为1g:50~150mL,所用引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾,引发剂的质量与所用羧甲基壳聚糖的质量比为1:2~3,接枝物[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵的体积与所用羧甲基壳聚糖的质量比为5~10mL:1g,其中[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵的质量分数为60~80%。
4.一种基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球的应用方法,其特征在于,使用该材料去除的污染物为重金属离子,包括但不仅限于Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)。
5.根据权利要求4中所述的一种基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球的应用方法,其特征在于,向含有重金属离子的溶液中加入基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球,污染物为单一重金属离子溶液或混合重金属离子溶液,基于磁分离技术的两性羧甲基壳聚糖基微球与溶液中污染物的质量比为1~50:1,反应时间为2~12h,反应温度为15~50℃。
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