CN115784202A - 一种改性沼渣生物炭耦合微生物菌剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种改性沼渣生物炭耦合微生物菌剂及其应用，涉及好氧堆肥添加剂领域，包括制取沼渣生物炭以及对沼渣生物炭予以改性；其中，制取沼渣生物炭包括将秸秆沼渣于105℃下烘至含水率至10％以内，将其破碎成段，于600℃的氮气环境下热解40分钟后停止加热并冷却至室温，随后筛选，于干燥箱中105℃下烘干，制得沼渣生物炭；本发明中改性沼渣生物炭具有丰富的孔隙点、大比表面积，含氧基团等结构功能特性，可通过大量负电荷可以与重金属发生反应，与重金属离子进行络合反应，从而可以钝化重金属，使其从活性较高的形态向活性较低的形态转化，减少重金属有效态含量。
Description
技术领域
本发明涉及好氧堆肥添加剂领域，尤其涉及一种改性沼渣生物炭耦合微生物菌剂及其应用。
背景技术
好氧堆肥是资源化处理处置畜禽粪污的重要途径之一，当前，为提高畜禽养殖的经济效益、缩短生产周期，会在饲料中添加Cu、As、Fe、Zn等元素，导致在利用以畜禽粪便为主要原料时易造成重金属污染，而对于降低好氧堆肥中重金属含量，在于改变畜禽粪便中重金属存在形态，降低其可移动性和可利用性，为此添加孔隙结构发达、比表面积较大，离子交换能力强的生物炭与重金属发生反应，来钝化重金属，或是利用生物炭表面诸如羟基、羧基这类的含氧基团与重金属离子进行络合反应，来减少重金属有效态含量。
沼渣作为沼气发酵后剩余的固体物质，含有丰富的有机质、腐殖酸、N、P、K和微量元素等重要营养成分，其作为肥料在改善土壤肥力上有重要作用，加之，富含木质纤维素的沼渣有较高碳含量，是制备优质生物炭功能材料之一，与其他原料炭相比，沼渣经过厌氧消化后，一定程度上打破了木质纤维素结构，以形成发达的孔隙结构，但以纯沼渣作为碳基的生物炭，仍具有多孔性和活性差等缺陷，对重金属钝化效果有限，需进一步对其进行改性，另外，有通过微生物方法中生物吸附、重金属还原、胞外沉淀、生物矿化等功能实现对重金属的钝化，据此，提出改性沼渣生物炭耦合微生物菌剂的技术，来综合降低以畜禽粪污为主要原料的好氧堆肥中重金属污染风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性沼渣生物炭耦合微生物菌剂及其应用，以解决上述技术问题。
本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：
一种改性沼渣生物炭的制备方法，包括制取沼渣生物炭以及对沼渣生物炭予以改性；
其中，制取沼渣生物炭包括将秸秆沼渣于105℃下烘至含水率至10％以内，将其破碎成段，于600℃的氮气环境下热解40分钟后停止加热并冷却至室温，随后筛选，于干燥箱中105℃下烘干，制得沼渣生物炭；
沼渣生物炭予以改性包括将生物炭置于容器内，按浸渍比1∶2加入50％磷酸溶液，搅拌均匀，静置24小时后，将该混合溶液转移至马弗炉内，在N2环境中以500℃热解2小时，取出冷却后，用去离子水冲洗至pH值无变化，再放置在50℃烘箱内烘干，研磨备用以制得改性沼渣生物炭。
一种微生物菌剂制备方法，包括对蜡样芽孢杆菌以及胶质芽孢杆菌的菌种予以活化，并在活化后扩大培养。
优选的，将蜡样芽孢杆菌于第一培养基中，在37℃条件下，以180r/min培养36小时，获得蜡样芽孢杆菌的种子液；
将胶质芽孢杆菌于第二培养基中，在37℃条件下，120r/min培养36h，获得胶质芽孢杆菌的种子液；
将经菌种活化的蜡样芽孢杆菌的种子液和胶质芽孢杆菌种子液分别接种于第一培养基和第二培养基中，在培养温度为37℃的发酵罐中逐级扩大培养，扩大过程按5％～10％的比例转接，并在发酵液中的有效活菌数为109个/mL及以上时终止培养，获得蜡样芽孢杆菌的发酵液。
优选的，按重量份数计，第一培养基组成成分包括牛肉膏5g、蛋白胨10g、NaCl 5g，蒸馏水1L；
按重量份数计，第二培养基组成成分包括(NH4)2SO41g，酵母粉0.22g、白砂糖5.35g、碳酸钙0.04g、K2HPO42.15g、MgSO4·7H2O 0.45g、NaCl 0.22g、FeCl30.04g、玉米淀粉7g，蒸馏水1L。
沼渣预处理装置，包括箱体以及对向设置在所述箱体顶部并向箱体内吹入热气流的两个烘干部，其中，烘干部向箱体吹入热气流处具有设置在所述箱体侧壁的器件槽，该器件槽内阵列多个动态支撑部，并且对向动态支撑部之间由两根彼此平行的撑杆连接，用于将秸秆沼渣横架在所述撑杆上方时，由彼此设立在同一动态支撑部之间的两根撑杆于器件槽长度方向反向远离，使热气流于秸秆沼渣上方流动，或是秸秆沼渣脱水中，由两根撑杆于器件槽长度方向相向抵近，使热气流与秸秆沼渣下方流动。
优选的，设立在同一动态支撑部之间的两根所述撑杆于器件槽长度方向反向远离或是相向抵近时，相邻动态支撑部处的相邻撑杆相向抵近或是反向远离。
优选的，在对向设置的两个所述烘干部之间设置切刀，该切刀包括盖板以及斜向阵列所述盖板底部的多个刀片，多个刀片在相邻动态支撑部处的相邻撑杆相向抵近时搭置在所述撑杆上方，或是相邻动态支撑部处的相邻撑杆反向远离时，使刀片穿过相邻撑杆之间的间隙。
优选的，所述烘干部包括嵌在所述箱体壁体内的加热盒以及置于所述加热盒顶部并较箱体向外显露的风机，其中，在加热盒处阵列多个与动态支持部数量一致的喷头，该喷头穿过箱体并延伸至动态支撑部内。
优选的，所述动态支撑部包括阵列在器件槽内的多个滑架以及设置在每个滑架中的滑组，其中，滑架包括滑架本体以及设置在滑架本体斜坡处的两个相对的滑槽，并且滑架本体内还具有通槽，该通槽用于将喷头引导的热气流扩散至箱体内；
所述滑组包括滑动设置在两个相对滑槽处的滑块以及连接两个滑块的拉簧，其中，滑块为撑杆的安装端。
优选的，所述滑块于滑槽处上滑或下滑时置于同一滑架处的两根撑杆上移同步靠拢或下移同步远离。
本发明的有益效果是：
1.本发明中改性沼渣生物炭具有丰富的孔隙点、大比表面积，含氧基团等结构功能特性，可通过大量负电荷可以与重金属发生反应，与重金属离子进行络合反应，从而可以钝化重金属，使其从活性较高的形态向活性较低的形态转化，减少重金属有效态含量。
2.本发明中改性后的生物炭吸附活性位点和酸性官能团含量增加，表面极性增强，有利于吸附重金属。
3.本发明中在重金属胁迫下蜡样芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌细胞壁上的氨基、巯基、羧基等基团可通过静电引力或氢键作用吸附环境中重金属离子，改变畜禽粪便中重金属存在形态使其固定，从而在一定程度上可综合降低重金属可移动性和可利用性，减少污染环境风险。
附图说明
图1为本发明中沼渣预处理装置的结构示意图；
图2为图1中切刀上移后的结构示意图；
图3为图2中烘干部上移后的结构示意图；
图4为烘干部与箱体的组合结构示意图；
图5为沼渣预处理装置中切刀搭置在撑杆时的立体剖面示意图；
图6为沼渣预处理装置中切刀于撑杆处下穿时立体剖面示意图；
图7为图5于另一个视角下的结构示意图；
图8为图6于另一个视角下的结构示意图；
图9为秸秆托撑部的结构示意图；
图10为动态支撑件的结构示意图；
图11为切刀反置后的结构示意图；
附图标记：1、排口；2、箱体；3、风机；4、盖板；5、滑组；51、滑块；52、拉簧；6、滑架；61、滑槽；62、滑架本体；63、通槽；7、撑杆；8、器件槽；9、刀片；10、加热盒；11、喷头。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。
下面结合附图描述本发明的具体实施例。
本发明提供一种改性沼渣生物炭材料，其以厌氧消化后的秸秆沼渣为碳基材料，经H3PO4改性后制备而成。此外，提供一种微生物菌剂，其主要由蜡样芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌组成。
1)改性秸秆沼渣制备：
取一定量改性沼渣生物炭置于容器内，按浸渍比1∶2加入50％磷酸溶液，搅拌均匀，静置24小时后，将该混合溶液转移至马弗炉内，在N2环境中以500℃热解2小时制备，取出冷却后，用去离子水冲洗至pH值无变化，再放置在50℃烘箱内烘干过夜，研磨备用。
2)微生物菌剂制备
发酵菌系经菌种活化和扩大培养后分别获得含有蜡样芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌的发酵液中有效活菌数量为109个/mL及以上。蜡样芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌其数量比例为1:1。
实施例1
在本实施例中提出一种改性沼渣生物炭耦合微生物菌剂应用于鸡粪好氧堆肥中，即，将鸡粪液与秸秆按碳氮比为25比例混合，避免碳氮比失衡导致微生物代谢失调，调节含水率为60％，随后加入10％(质量比)沼渣生物炭和8％(质量比)微生物菌剂，对照组不添加任何添加剂，实验组和对照组均采用静态堆肥方式对猪粪进行处理，通风方式为翻堆，升温期和高温期堆肥过程每3天翻堆一次，降温期每7天翻堆一次。
关于鸡粪原料中重金属含量，请参阅表1：
表1
重金属含量测定方法：利用连续提取法测定重金属不同形态(水溶态、弱酸提取态、可还原提取态、可氧化提取态)，按以下公式计算有效态重金属的分配率和钝化率：
添加改性沼渣生物炭和微生物菌剂对鸡粪好氧堆肥重金属的影响如表2所示，各重金属有效态含量在堆肥后均有所下降且在实验组中更明显，表明堆肥在一定程度上降低畜禽粪污污染风险，添加改性生物炭和微生物菌剂更有利于钝化重金属，具体而言，经好氧堆肥后Cu在对照组中的钝化效果为17.15％，在实验组中为27.83％，Zn经堆肥后在对照组中可实现18.39％钝化效果，经添加生物炭和微生物菌剂后可提高至32.86％，类似地，Pb和As在生物炭和微生物菌剂作用下好氧堆肥中的钝化效果也得到一定程度的加强。
表2
实施例2
在本实施例中提出一种改性沼渣生物炭耦合微生物菌剂应用于猪粪好氧堆肥中，将猪粪与秸秆按碳氮比为25比例混合，避免碳氮比失衡导致微生物代谢失调，调节含水率为60％，随后加入10％(质量比)沼渣生物炭和8％(质量比)微生物菌剂，对照组为不添加任何添加剂。实验组和对照组均采用静态堆肥方式对猪粪进行处理，通风方式为翻堆，升温期和高温期堆肥过程每3天翻堆一次，降温期每7天翻堆一次。
关于猪粪原料中重金属含量，请参阅表3：
表3
重金属含量测定方法：如实施例1
添加改性沼渣生物炭和微生物菌剂对猪粪好氧堆肥重金属的影响如表4所示，具体而言，Cu在各试验组在堆肥前后的形态转移趋势较为一致，均呈现可利用态和还原态向着氧化态和残渣态转移的趋势，且在堆肥前后各试验组中重金属Cu的氧化态分配率最高，对照组中经堆肥后可钝化33.86％，实验组中则钝化效果为48.22％；和重金属Cu在堆肥前后总浓度表现一致，由于物料在堆肥过程中有所“浓缩”，各试验组Zn的总浓度在堆肥结束后高于堆肥前，且各试验组Zn形态也呈现可利用态和还原态向着氧化态和残渣态转移的趋势，但与重金属Cu不同的是，各试验组重金属Zn在堆肥前主要以可利用态和还原态形式存在，对照组中经堆肥后Zn可钝化30.77％，实验组中则钝化效果为41.32％；在各试验组重金属Pb堆肥前后以残渣态为主，占比超过58％，说明与重金属Cu和Zn相比，猪粪中Pb的存在形态相对稳定，对农作物的危害低于重金属Cu和Zn，对照组中经堆肥后Pb可钝化37.51％，实验组中钝化效果为48.08％。
表4
实施例3
在本实施例中提出沼渣预处理装置，请参阅图1-3，该沼渣预处理装置包括箱体2以及对向设置在箱体2顶部并向箱体2内吹入热气流的两个烘干部，关于烘干部，请参阅图3，其包括嵌在箱体2壁体内的加热盒10(内部具有电加热丝的器件)以及置于加热盒10顶部并较箱体2向外显露的风机3，此外，该加热盒10该具有多个喷头11，并且多个喷头11向箱体2内吹入热气流，据此，结合图示，该烘干部实际上为一组循环的烘干器件，即，风机3朝加热盒10内鼓入气流，由加热盒10对气流进行加热后，途经喷头11进入箱体2内，而风机3的空气入口正好处于箱体2外溢热气流的端口处。
进一步说明，请参阅图4，喷头11向箱体2导入热气流处具有设置在箱体2侧壁的器件槽8，该器件槽8内阵列多个动态支撑部，并且对向动态支撑部之间由两根彼此平行的撑杆7连接，据此，结合多个动态支撑部，于箱体2内形成沿箱体2宽度方向平铺的支撑组，用于将秸秆沼渣横架在撑杆7上方时，由彼此设立在同一动态支撑部之间的两根撑杆7于器件槽8长度方向反向远离，使热气流于秸秆沼渣上方流动，或是秸秆沼渣脱水中，由两根撑杆7于器件槽8长度方向相向抵近，使热气流与秸秆沼渣下方流动。
对上述中“彼此设立在同一动态支撑部之间的两根撑杆7于器件槽8长度方向反向远离，使热气流于秸秆沼渣上方流动，或是秸秆沼渣脱水中，由两根撑杆7于器件槽8长度方向相向抵近，使热气流与秸秆沼渣下方流动”予以说明：
首先，关于动态支撑部，请参阅图9，其包括阵列在器件槽8内的多个滑架6，以及设置在每个滑架6中的滑组5，其中，滑架6包括滑架本体62以及设置在滑架本体62斜坡处的两个相对的滑槽61，并且滑架本体62内还具有通槽63，该通槽63用于将喷头11引导的热气流扩散至箱体2内，而滑组5则包括滑动设置在两个相对滑槽61处的滑块51以及连接两个滑块51的拉簧52，需要注意的是，滑块51为撑杆7的安装端；进一步说明，滑块51于滑槽61处上滑或下滑时置于同一滑架6处的两根撑杆7上移同步靠拢或下移同步远离。
对于秸秆沼渣，其在处理前含水量丰富，与之而来的是具有较大的重量，而在脱水期间，其重量会发生明显变化，因此，结合滑块51于滑槽61处上滑或下滑时，置于同一滑架6处的两根撑杆7上移同步靠拢或下移同步远离的技术特征，使未脱水的秸秆沼渣压制撑杆7，将未脱水的秸秆沼渣显露在通槽63扩散方向以下，对未脱水的秸秆沼渣上方予以烘干处理，烘干期间，包括沥水以及蒸发等方式，秸秆沼渣重量明显发生变化，据此，当秸秆沼渣的重量不足以压制所有拉簧52时，拉簧52拉拽两个滑块51上移同步靠拢，使秸秆沼渣显露在通槽63扩散方向以上，对秸秆沼渣下方予以烘干处理。
本实施例提供的烘干方式，在于结合秸秆沼渣的重量，来调整热气流接触秸秆沼渣的相对位置，此外，多个撑杆7所组成的支撑组，能够利用撑杆7之间的相对间距，使秸秆沼渣更多的架空在箱体2内，使秸秆沼渣能够充分接触热量，以加快烘干进程。
实施例4
包括箱体2以及对向设置在箱体2顶部并向箱体2内吹入热气流的两个烘干部，其中，烘干部向箱体2吹入热气流处具有设置在箱体2侧壁的器件槽8，该器件槽8内阵列多个动态支撑部，并且对向动态支撑部之间由两根彼此平行的撑杆7连接，用于将秸秆沼渣横架在撑杆7上方时，由彼此设立在同一动态支撑部之间的两根撑杆7于器件槽8长度方向反向远离，使热气流于秸秆沼渣上方流动，或是秸秆沼渣脱水中，由两根撑杆7于器件槽8长度方向相向抵近，使热气流与秸秆沼渣下方流动。
本实施例中，烘干部以及动态支撑部的构型请参阅实施例3，此外，本实施例包含实施例3对秸秆沼渣给予烘干的全部功能，与实施例3不同的是，在对向设置的两个烘干部之间设置切刀，该切刀包括盖板4以及斜向阵列盖板4底部的多个刀片9。
请参阅图5-8，设立在同一动态支撑部之间的两根撑杆7于器件槽8长度方向反向远离或是相向抵近时，相邻动态支撑部处的相邻撑杆7相向抵近或是反向远离，据此，如图7所示，多个刀片9在相邻动态支撑部处的相邻撑杆7相向抵近时搭置在撑杆7上方，如图8所示，相邻动态支撑部处的相邻撑杆7反向远离时，使刀片9穿过相邻撑杆7之间的间隙。
秸秆沼渣在烘干后需要切段，据此，结合秸秆沼渣在烘干期间的重量变化，在烘干前，结合相邻动态支撑部处的相邻撑杆7相向抵近的技术特征，使刀片9架在撑杆7上方，而在烘干后，结合相邻动态支撑部处的相邻撑杆7反向远离的技术特征，由盖板4提供压制力，使刀片9由撑杆7之间的间隙内穿过，来对烘干后的秸秆沼渣予以切割处理。
在实施例3以及实施例4中，箱体2均设置了排口1，该排口1与箱体2下底持平，用于引导沥出液体以及切段秸秆沼渣的排出。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种改性沼渣生物炭的制备方法，其特征在于，包括制取沼渣生物炭以及对沼渣生物炭予以改性；
其中，制取沼渣生物炭包括将秸秆沼渣于105℃下烘至含水率至10％以内，将其破碎成段，于600℃的氮气环境下热解40分钟后停止加热并冷却至室温，随后筛选，于干燥箱中105℃下烘干，制得沼渣生物炭；
沼渣生物炭予以改性包括将生物炭置于容器内，按浸渍比1∶2加入50％磷酸溶液，搅拌均匀，静置24小时后，将该混合溶液转移至马弗炉内，在N2环境中以500℃热解2小时，取出冷却后，用去离子水冲洗至pH值无变化，再放置在50℃烘箱内烘干，研磨备用以制得改性沼渣生物炭。
2.一种微生物菌剂制备方法，其特征在于，包括对蜡样芽孢杆菌以及胶质芽孢杆菌的菌种予以活化，并在活化后扩大培养。
3.根据权利要求2所述的一种微生物菌剂制备方法，其特征在于：将蜡样芽孢杆菌于第一培养基中，在37℃条件下，以180r/min培养36小时，获得蜡样芽孢杆菌的种子液；
将胶质芽孢杆菌于第二培养基中，在37℃条件下，120r/min培养36h，获得胶质芽孢杆菌的种子液；
将经菌种活化的蜡样芽孢杆菌的种子液和胶质芽孢杆菌种子液分别接种于第一培养基和第二培养基中，在培养温度为37℃的发酵罐中逐级扩大培养，扩大过程按5％～10％的比例转接，并在发酵液中的有效活菌数为109个/mL及以上时终止培养，获得蜡样芽孢杆菌的发酵液。
4.根据权利要求3所述的一种改性沼渣生物炭耦合微生物菌剂，其特征在于：按重量份数计，第一培养基组成成分包括牛肉膏5g、蛋白胨10g、NaCl5g，蒸馏水1L；
按重量份数计，第二培养基组成成分包括(NH4)2SO41g，酵母粉0.22g、白砂糖5.35g、碳酸钙0.04g、K2HPO42.15g、MgSO4·7H2O0.45g、NaCl0.22g、FeCl30.04g、玉米淀粉7g，蒸馏水1L。
5.实施如权利要求1所述方法的沼渣预处理装置，其特征在于，包括箱体以及对向设置在所述箱体顶部并向箱体内吹入热气流的两个烘干部，其中，烘干部向箱体吹入热气流处具有设置在所述箱体侧壁的器件槽，该器件槽内阵列多个动态支撑部，并且对向动态支撑部之间由两根彼此平行的撑杆连接，用于将秸秆沼渣横架在所述撑杆上方时，由彼此设立在同一动态支撑部之间的两根撑杆于器件槽长度方向反向远离，使热气流于秸秆沼渣上方流动，或是秸秆沼渣脱水中，由两根撑杆于器件槽长度方向相向抵近，使热气流与秸秆沼渣下方流动。
6.根据权利要求5所述的沼渣预处理装置，其特征在于：设立在同一动态支撑部之间的两根所述撑杆于器件槽长度方向反向远离或是相向抵近时，相邻动态支撑部处的相邻撑杆相向抵近或是反向远离。
7.根据权利要求6所述的沼渣预处理装置，其特征在于：在对向设置的两个所述烘干部之间设置切刀，该切刀包括盖板以及斜向阵列所述盖板底部的多个刀片，多个刀片在相邻动态支撑部处的相邻撑杆相向抵近时搭置在所述撑杆上方，或是相邻动态支撑部处的相邻撑杆反向远离时，使刀片穿过相邻撑杆之间的间隙。
8.根据权利要求5所述的沼渣预处理装置，其特征在于：所述烘干部包括嵌在所述箱体壁体内的加热盒以及置于所述加热盒顶部并较箱体向外显露的风机，其中，在加热盒处阵列多个与动态支持部数量一致的喷头，该喷头穿过箱体并延伸至动态支撑部内。
9.根据权利要求8所述的沼渣预处理装置，其特征在于：所述动态支撑部包括阵列在器件槽内的多个滑架以及设置在每个滑架中的滑组，其中，滑架包括滑架本体以及设置在滑架本体斜坡处的两个相对的滑槽，并且滑架本体内还具有通槽，该通槽用于将喷头引导的热气流扩散至箱体内；
所述滑组包括滑动设置在两个相对滑槽处的滑块以及连接两个滑块的拉簧，其中，滑块为撑杆的安装端。
10.根据权利要求9所述的沼渣预处理装置，其特征在于：所述滑块于滑槽处上滑或下滑时置于同一滑架处的两根撑杆上移同步靠拢或下移同步远离。
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| CN117326542A (zh) * | 2023-09-27 | 2024-01-02 | 南京农业大学 | 一种复合改性牛粪生物炭的制备方法及其产品与应用 |
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| CN107644742A (zh) * | 2017-10-31 | 2018-01-30 | 合肥工业大学 | 一种基于生物质厌氧干发酵后沼渣活性炭制备超级电容器的方法 |
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