CN114229852A - 一种利用钢渣脱除烟气中so2协同提取硅胶的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工业废弃物资源化处理技术领域,特别涉及一种利用钢渣脱除烟气中SO2协同提取硅胶的方法。本发明提供了一种利用钢渣脱除烟气中SO2协同提取硅胶的方法,包括以下步骤:将钢渣和水混合,进行水解反应,得到浆液;将所述浆液与待处理烟气接触,对烟气进行脱硫处理,得到含硫浆液,所述烟气包括SO2和O2;将所述含硫浆液进行固液分离,得到固相产物和液相产物;对所述液相产物进行渗析提纯,将所得渗析液干燥,得到所述硅胶。本发明利用钢渣处理烟气中的SO2协同提取硅胶,既解决了火电厂低成本、高效率的烟气脱硫需求,又可以联产高附加值的硅胶产品,同步实现了钢渣和含硫烟气的资源化利用。
Description
技术领域
本发明属于工业废弃物资源化处理技术领域,特别涉及一种利用钢渣脱除烟气中SO2协同提取硅胶的方法。
背景技术
SO2是火电厂生产过程中释放的主要污染物,是产生酸雨、光化学烟雾和温室效应等气象灾害的主要原因,严重影响了人类生存环境和健康。当前,石灰石/石灰-石膏湿法烟气脱硫技术是当前火电厂使用最为广泛的、最为成熟的烟气脱硫技术。石灰石作为天然矿石,其存储量有限,同时CaCO3在和SO2反应后会生成温室气体CO2。
钢渣是炼钢过程中产生的一种碱性工业固体废物,一般占粗钢产量的10~15%,而钢渣的资源综合利用率不足25%,这就意味着约有75%的钢渣处于无序堆放状态,这必然会导致环境污染,资源浪费,占用土地。钢渣的成分由炉型、原材料、冶炼工艺、冶炼添加剂等共同决定,不同钢厂钢渣的组成存在差异,但其主要的矿物成分均为Ca2SiO3、Ca3SiO5、Ca2Fe2O5和RO相,主要的化学组成包括CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Al2O3、MnO和P2O5,有些钢渣还含有少量的TiO2和V2O5成分,具有碱度高、活性低、难磨细的特点。
中国专利申请CN102614772A利用有机酸强化钢渣烟气脱硫来提高脱硫浆液pH缓冲值,能有效提高钙离子浓度,同等条件下提高脱硫效率10~20%,提高钢渣的利用率10~15%,降低脱硫成本;中国专利申请CN106178922A提供了一种钢渣微粉与生物质活性炭复合脱硫剂及其制备方法和应用,可以提高生物质活性炭的脱硫效率;中国专利申请CN107551801A将含钒钢渣破碎后打成浆液,然后发生催化氧化反应将SO2转化为硫酸,同时硫酸浸出脱硫浆液中的钒。以上技术方案均仅实现了钢渣对烟气的脱硫,无法实现脱硫产物的资源化利用。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种利用钢渣脱除烟气中SO2协同提取硅胶的方法,由本发明提供的方法不仅充分利用钢渣进行烟气脱硫,还得到具有高活性多孔吸附性能的硅胶,实现工业废弃物的高效利用。
为了实现上述发明的目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种利用钢渣脱除烟气中SO2协同提取硅胶的方法,包括以下步骤:
将钢渣和水混合,进行水解反应,得到浆液;
将所述浆液与待处理烟气接触,对烟气进行脱硫处理,得到含硫浆液,所述烟气包括SO2和O2;
将所述含硫浆液进行固液分离,得到固相产物和液相产物;
对所述液相产物进行渗析提纯,将所得渗析液干燥,得到所述硅胶。
优选的,所述钢渣的中值粒径≤10μm。
优选的,所述钢渣和水的质量比为1:(5~25)。
优选的,所述水解反应的温度为20~60℃,时间为5~10min。
优选的,所述烟气中SO2和O2的体积比为(1~2):1。
优选的,所述烟气的流量为0.8~1.6mL/min。
优选的,所述脱硫处理的时间为0.5~2.5h。
优选的,所述渗析提纯的截留分子量为8000~14000。
优选的,所述干燥为烘干或冷冻干燥;
所述烘干的温度为100~200℃,时间为4~8h。
优选的,所述硅胶的比表面积为530~540m2·g,微孔比表面积为20~22m2·g,孔容为0.5~0.6cm3·g-1,孔直径为6~7nm。
本发明提供了一种利用钢渣脱除烟气中SO2协同提取硅胶的方法,包括以下步骤:将钢渣和水混合,进行水解反应,得到浆液;将所述浆液与待处理烟气接触,对烟气进行脱硫处理,得到含硫浆液,所述烟气包括SO2和O2;将所述含硫浆液进行固液分离,得到产物和产物;对所述液相产物进行渗析提纯,将所得渗析液干燥,得到所述硅胶。
本发明将钢渣和水混合,进行水解反应,钢渣中的游离CaO在浆液中发生水解反应,其产物为Ca(OH)2,在浆液中放出大量的Ca2+,有利于提高浆液中Ca2+含量,提高脱硫效率;然后将浆液与待处理烟气接触,在SO2溶解在浆液中形成酸性条件的环境下,C2S、C3S和Ca2Fe2O5同样释放出Ca2+,Ca2+、SO3 2-和SO4 2-发生反应,生成脱硫石膏,附着在水解后的钢渣颗粒表面,实现烟气中SO2的脱除;将含硫浆液中的液相进行渗透提纯并将所得渗析液干燥,物理方法提纯硅胶,保持硅胶的结构完整性,同时避免了化学药品提纯硅胶造成的硅胶结构破坏和化学污染,渗析设备可重复利用,成本低。
本发明利用钢渣处理烟气中的SO2,既解决了火电厂低成本、高效率的烟气脱硫需求,又利用废气资源实现钢渣的净化分离,得到一种硅胶,同步实现了钢渣和含硫烟气的资源化利用。而且,本发明提供的方法还可以减少传统脱硫手段中天然矿石石灰石的开采,减排CO2,实现高效脱硫。
实施例测试结果表明,本发明提供的方法同步实现了钢渣和含硫烟气的资源化利用,烟气中SO2低,钢渣固硫率高;硅胶的比表面积为532.8~537.4m2·g,微孔比表面积为20.3~21.8m2·g,孔容为0.523~0.578cm3·g-1,孔直径为6.52~6.89nm。
附图说明
图1为本发明利用钢渣脱除烟气中SO2协同提取硅胶的方法的流程图;
图2为实施例1所得硅胶的FT-IR图;
图3为实施例1所得硅胶的SEM图;
图4为实施例1所得硅胶的XRD图;
图5为实施例1液相的丁达尔现象图。
具体实施方式
本发明提供了一种利用钢渣脱除烟气中SO2协同提取硅胶的方法,包括以下步骤:
将钢渣和水混合,进行水解反应,得到浆液;
将所述浆液与待处理烟气接触,对烟气进行脱硫处理,得到含硫浆液,所述烟气包括SO2和O2;
将所述含硫浆液进行固液分离,得到固相产物和液相产物;
对所述液相产物进行渗析提纯,将所得渗析液干燥,得到所述硅胶。
图1为本发明利用钢渣脱除烟气中SO2协同提取硅胶的方法的流程图,下面结合图1对本发明提供的方法进行详细说明。
本发明将钢渣和水混合,进行水解反应,得到浆液。
在本发明中,所述钢渣的中值粒径优选≤10μm。
在本发明中,所述钢渣的矿物成分包括Ca2SiO3、Ca3SiO5、Ca2Fe2O5和RO相;所述钢渣的化学组成包括CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Al2O3、MnO和P2O5。
在本发明中,所述钢渣和水的质量比优选为1:(5~25),更优选为1:(7~22),1:(10~20)。
在本发明中,所述水解反应的温度优选为20~60℃,更优选为25~55℃,再优选为30~50℃;时间优选为5~10min,更优选为6~9min,再优选为7~9min。
在本发明中,所述水解反应优选在搅拌的条件下进行;所述搅拌的速率优选为380~960rpm,更优选为400~940rpm,再优选为450~900rpm。
在本发明中,钢渣水解有利于提高浆液中Ca2+含量,提高脱硫效率。
得到浆液后,本发明将所述浆液与待处理烟气接触,对烟气进行脱硫处理,得到含硫浆液。
在本发明中,所述烟气包括SO2和O2。在本发明中,所述烟气中SO2和O2的体积比优选为(1~2):1,更优选为(1.2~1.8):1。
在本发明中,所述烟气优选还包括配气平衡气;所述配气平衡气包括SO2配气平衡气和O2配气平衡气。在本发明中,所述SO2配气平衡气和O2配气平衡气独立优选为N2。
在本发明中,所述烟气中SO2和SO2配气平衡气的体积比优选为5:95。
在本发明中,所述烟气中O2和O2配气平衡气的体积比优选为25:75。
在本发明中,所述烟气的流量优选为0.8~1.6mL/min,更优选为0.9~1.5mL/min,再优选为1~1.4mL/min。
在本发明中,所述脱硫处理的时间优选为0.5~2.5h,更优选为0.7~2.4h,再优选为0.8~2.3h。在本发明中,所述脱硫处理优选在搅拌的条件下进行;所述搅拌的速率优选为380~960rpm,更优选为400~940rpm,再优选为450~900rpm。
在本发明中,所述对烟气的脱硫处理中,钢渣中含钙化合物和矿物会与烟气中的SO2发生反应将SO2氧化去除,具体的,发生如下反应:
SO2+H2O→SO3 2-,
SO3 2-+O2→SO4 2-,
CaO+H2O→Ca(OH)2,
SO4 2-+Ca(OH)2→CaSO4,
SO4 2-+Ca2SiO4→CaSO4,
SO4 2-+Ca3SiO4→CaSO4,
SO3 2-+Ca(OH)2→CaSO3,
SO3 2-+Ca2SiO4→CaSO3,
SO3 2-+Ca3SiO4→CaSO3,
2SO2+2H2O+O2→2H2SO4,
Ca2SiO4+2H2SO4→2CaSO4+H2SiO3,
Ca3SiO4+H2SO4→CaSO4+H2SiO3。
本发明通过对烟气进行脱硫处理以脱除烟气中的SO2。
得到含硫浆液后,本发明将所述含硫浆液进行固液分离,得到固相产物和液相产物。
本发明对所述固液分离没有特殊限定,采用本领域技术人员熟知的固液分离即可,具体的,如抽滤。
得到液相后,本发明对所述液相产物进行渗析提纯,将所得渗析液干燥,得到所述硅胶。
在本发明中,所述渗析提纯的截留分子量优选为8000~14000。在本发明中,所述渗析提纯优选利用渗析袋进行渗析提纯。
在本发明中,所述渗析提纯优选包括以下步骤:
将装有液相的渗析袋放在装有去离子水的烧杯中浸泡,持续换水;换水之前使用电导率仪分别测量去离子水的电导率和浸泡有渗析袋的去离子水的电导率,直至二者结果接近,则认为透析完成。
在本发明中,所述干燥优选为烘干或冷冻干燥。在本发明中,所述烘干的温度优选为100~200℃,时间优选为4~8h。本发明对所述冷冻干燥没有特殊限定,采用本领域技术人员熟知的冷冻干燥即可。
在本发明中,所述硅胶的比表面积优选为530~540m2·g,微孔比表面积优选为20~22m2·g,孔容优选为0.5~0.6cm3·g-1,孔直径优选为6~7nm。
为了进一步说明本发明,下面结合实施例对本发明提供的一种利用钢渣脱除烟气中SO2协同提取硅胶的方法进行详细地描述,但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
将10g中值粒径为3.15μm的钢渣和100mL水混合,在50℃、380rpm搅拌条件下进行水解反应5min,得到浆液;
由模拟烟气系统配制模拟烟气,其中SO2和O2的体积比为1:1,SO2和SO2配气平衡气N2的体积比为5:95,O2和O2配气平衡气N2的体积比为25:75,以0.8mL/min流速向装有所述浆液的装置中通入烟气,并在该装置中发生烟气的脱硫处理0.5h,其中,烟气脱硫处理装置的进出口的气体浓度采用烟气分析仪检测,得到含硫浆液;
将所述含硫浆液进行抽滤,得到固相和液相;
将所得液相置于截留分子量为8000~14000的渗析袋中,将装有液相的渗析袋放在装有自来水的烧杯中浸泡,持续换水,每次换水之前使用电导率仪分别测量自来水的电导率和浸泡有渗析袋的自来水的电导率,直至二者结果接近,认为渗析完成;将所得渗析液冷冻干燥,得到所述硅胶。
采用定硫仪测定固相产物中的S元素含量来计算钢渣的固硫率,结果表明,1吨钢渣可以固定406.7kg的SO2,达到了通常使用的富钙脱硫剂的SO2固定能力水平。在本实施例中,硅胶产率为钢渣用量的10.2wt.%。
对本实施例所得硅胶进行傅里叶红外光谱测试,所得FT-IR图见图2。由图2可见,所制得硅胶的FT-IR图中无明显杂峰,即所制得硅胶的纯度较高。
对本实施例所得硅胶进行扫描电子显微测试,所得SEM图见图3。由图3可见,硅胶表面出现了孔道,这说明硅胶有潜在的吸附性能。
对本实施例所得硅胶进行X射线衍射测试,所得XRD图见图4。由图4可见,XRD谱图中出现了一个非常显著的漫散峰,这归因于无定形SiO2峰包,表明制备的硅胶是由无定形SiO2构成的;另外,XRD图中并没有其它的比较尖锐或者比较宽的晶体或者非晶体的衍射峰出现,说明所制备的硅胶纯度高。
对本实施例含硫浆液固液分离所得的液相进行激光灯照射,所得液相的丁达尔现象图见图5。由图5可见,液相中含有胶体物质存在,与图4相互印证,证明液相脱硫产物含有胶体物质,进而佐证渗析提纯并干燥所得的最终产物为硅胶。
实施例2
将10g中值粒径为3.15μm的钢渣和100mL水混合,在50℃、380rpm搅拌条件下进行水解反应10min,得到浆液;
由模拟烟气系统配制模拟烟气,其中SO2和O2的体积比为1:1,SO2和SO2配气平衡气N2的体积比为5:95,O2和O2配气平衡气N2的体积比为25:75,以1.2mL/min流速向装有所述浆液的装置中通入烟气,并在该装置中发生烟气的脱硫处理1h,其中,烟气脱硫处理装置的进出口的气体浓度采用烟气分析仪检测,得到含硫浆液;
将所述含硫浆液进行抽滤,得到固相和液相;
将所得液相置于截留分子量为8000~14000的渗析袋中,将装有液相的渗析袋放在装有自来水的烧杯中浸泡,持续换水,每次换水之前使用电导率仪分别测量自来水的电导率和浸泡有渗析袋的自来水的电导率,直至二者结果接近,认为渗析完成;将所得渗析液冷冻干燥,得到所述硅胶。
采用定硫仪测定固相产物中的S元素含量来计算钢渣的固硫率,结果表明,1吨钢渣可以固定405.8kg的SO2,达到了通常使用的富钙脱硫剂的SO2固定能力水平。本实施例中硅胶产率为钢渣用量的10.0wt.%。
实施例3
将10g中值粒径为4.63μm的钢渣和50mL水混合,在60℃、380rpm搅拌条件下进行水解反应10min,得到浆液;
由模拟烟气系统配制模拟烟气,其中SO2和O2的体积比为1:1,SO2和SO2配气平衡气N2的体积比为5:95,O2和O2配气平衡气N2的体积比为25:75,以1.2mL/min流速向装有所述浆液的装置中通入烟气,并在该装置中发生烟气的脱硫处理1h,其中,烟气脱硫处理装置的进出口的气体浓度采用烟气分析仪检测,得到含硫浆液;
将所述含硫浆液进行抽滤,得到固相和液相;
将所得液相置于截留分子量为8000~14000的渗析袋中,将装有液相的渗析袋放在装有自来水的烧杯中浸泡,持续换水,每次换水之前使用电导率仪分别测量自来水的电导率和浸泡有渗析袋的自来水的电导率,直至二者结果接近,认为渗析完成;将所得渗析液冷冻干燥,得到所述硅胶。
采用定硫仪测定固相产物中的S元素含量来计算钢渣的固硫率,结果表明,1吨钢渣可以固定401.2kg的SO2,达到了通常使用的富钙脱硫剂的SO2固定能力水平。本实施例中硅胶产率为钢渣用量的9.5wt.%。
实施例4
将10g中值粒径为4.63μm的钢渣和250mL水混合,在30℃、580rpm搅拌条件下进行水解反应5min,得到浆液;
由模拟烟气系统配制模拟烟气,其中SO2和O2的体积比为1:1,SO2和SO2配气平衡气N2的体积比为5:95,O2和O2配气平衡气N2的体积比为25:75,以1.6mL/min流速向装有所述浆液的装置中通入烟气,并在该装置中发生烟气的脱硫处理0.5h,其中,烟气脱硫处理装置的进出口的气体浓度采用烟气分析仪检测,得到含硫浆液;
将所述含硫浆液进行抽滤,得到固相和液相;
将所得液相置于截留分子量为8000~14000的渗析袋中,将装有液相的渗析袋放在装有自来水的烧杯中浸泡,持续换水,每次换水之前使用电导率仪分别测量自来水的电导率和浸泡有渗析袋的自来水的电导率,直至二者结果接近,认为渗析完成;将所得渗析液冷冻干燥,得到所述硅胶。
采用定硫仪测定固相产物中的S元素含量来计算钢渣的固硫率,结果表明,1吨钢渣可以固定400.7kg的SO2,达到了通常使用的富钙脱硫剂的SO2固定能力水平。本实施例中硅胶产率为钢渣用量的9.2wt.%。
实施例5
将10g中值粒径为6.72μm的钢渣和100mL水混合,在20℃、960rpm搅拌条件下进行水解反应10min,得到浆液;
由模拟烟气系统配制模拟烟气,其中SO2和O2的体积比为1:1,SO2和SO2配气平衡气N2的体积比为5:95,O2和O2配气平衡气N2的体积比为25:75,以0.8mL/min流速向装有所述浆液的装置中通入烟气,并在该装置中发生烟气的脱硫处理2.5h,其中,烟气脱硫处理装置的进出口的气体浓度采用烟气分析仪检测,得到含硫浆液;
将所述含硫浆液进行抽滤,得到固相和液相;
将所得液相置于截留分子量为8000~14000的渗析袋中,将装有液相的渗析袋放在装有自来水的烧杯中浸泡,持续换水,每次换水之前使用电导率仪分别测量自来水的电导率和浸泡有渗析袋的自来水的电导率,直至二者结果接近,认为渗析完成;将所得渗析液冷冻干燥,得到所述硅胶。
采用定硫仪测定固相产物中的S元素含量来计算钢渣的固硫率,结果表明,1吨钢渣可以固定395.7kg的SO2,达到了通常使用的富钙脱硫剂的SO2固定能力水平。本实施例中硅胶产率为钢渣用量的8.9wt.%。
通过BET测定实施例1~5所得的硅胶的孔结构参数;测试结果见表1。
表1实施例1~5所得硅胶的测试结果
S<sub>BET</sub>/(m<sup>2</sup>·g) | S<sub>mic</sub>/(m<sup>2</sup>·g) | V<sub>t</sub>/(cm<sup>3</sup>·g<sup>-1</sup>) | D<sub>av</sub>/nm | |
实施例1 | 534.6 | 20.9 | 0.555 | 6.64 |
实施例2 | 535.6 | 21.3 | 0.562 | 6.78 |
实施例3 | 537.4 | 21.8 | 0.578 | 6.89 |
实施例4 | 532.8 | 20.3 | 0.523 | 6.52 |
实施例5 | 534.9 | 21.5 | 0.543 | 6.62 |
由表1可见,本发明提供的硅胶的比表面积为532.8~537.4m2·g,微孔比表面积为20.3~21.8m2·g,孔容为0.523~0.578cm3·g-1,孔直径为6.52~6.89nm。
对比例1
将10g中值粒径为11.77μm的钢渣和100mL水混合,在50℃、380rpm搅拌条件下进行水解反应5min,得到浆液;
由模拟烟气系统配制模拟烟气,其中SO2和O2的体积比为1:1,SO2和SO2配气平衡气N2的体积比为5:95,O2和O2配气平衡气N2的体积比为25:75,以0.8mL/min流速向装有所述浆液的装置中通入烟气,并在该装置中发生烟气的脱硫处理0.5h,其中,烟气脱硫处理装置的进出口的气体浓度采用烟气分析仪检测,得到含硫浆液;
将所述含硫浆液进行抽滤,得到固相和液相;
将所得液相置于截留分子量为8000~14000的渗析袋中,将装有液相的渗析袋放在装有自来水的烧杯中浸泡,持续换水,每次换水之前使用电导率仪分别测量自来水的电导率和浸泡有渗析袋的自来水的电导率,直至二者结果接近,认为渗析完成;将所得渗析液冷冻干燥,得到所述硅胶。
采用定硫仪测定固相产物中的S元素含量来计算钢渣的固硫率,结果表明,1吨钢渣可以固定380.6kg的SO2。本对比例中硅胶产率为钢渣用量的8.0wt.%。
对比例2
将10g中值粒径为15.78μm的钢渣和100mL水混合,在50℃、380rpm搅拌条件下进行水解反应5min,得到浆液;
由模拟烟气系统配制模拟烟气,其中SO2和O2的体积比为1:1,SO2和SO2配气平衡气N2的体积比为5:95,O2和O2配气平衡气N2的体积比为25:75,以0.8mL/min流速向装有所述浆液的装置中通入烟气,并在该装置中发生烟气的脱硫处理0.5h,其中,烟气脱硫处理装置的进出口的气体浓度采用烟气分析仪检测,得到含硫浆液;
将所述含硫浆液进行抽滤,得到固相和液相;
将所得液相置于截留分子量为8000~14000的渗析袋中,将装有液相的渗析袋放在装有自来水的烧杯中浸泡,持续换水,每次换水之前使用电导率仪分别测量自来水的电导率和浸泡有渗析袋的自来水的电导率,直至二者结果接近,认为渗析完成;将所得渗析液冷冻干燥,得到所述硅胶。
采用定硫仪测定固相产物中的S元素含量来计算钢渣的固硫率,结果表明,1吨钢渣可以固定365.5kg的SO2。本对比例中硅胶产率为钢渣用量的7.5wt.%。
通过实施例1和对比例1~2测试结果对比可见,对比例超出本发明钢渣粒径范围,钢渣固硫率和硅胶产品产率低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用钢渣脱除烟气中SO2协同提取硅胶的方法,包括以下步骤:
将钢渣和水混合,进行水解反应,得到浆液;
将所述浆液与待处理烟气接触,对烟气进行脱硫处理,得到含硫浆液,所述烟气包括SO2和O2;
将所述含硫浆液进行固液分离,得到固相产物和液相产物;
对所述液相产物进行渗析提纯,将所得渗析液干燥,得到所述硅胶。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述钢渣的中值粒径≤10μm。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述钢渣和水的质量比为1:(5~25)。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法,其特征在于,所述水解反应的温度为20~60℃,时间为5~10min。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述烟气中SO2和O2的体积比为(1~2):1。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述烟气的流量为0.8~1.6mL/min。
7.根据权利要求1或6所述的方法,其特征在于,所述脱硫处理的时间为0.5~2.5h。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述渗析提纯的截留分子量为8000~14000。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述干燥为烘干或冷冻干燥;
所述烘干的温度为100~200℃,时间为4~8h。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述硅胶的比表面积为530~540m2·g,微孔比表面积为20~22m2·g,孔容为0.5~0.6cm3·g-1,孔直径为6~7nm。
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