JP2003113169A - 隔膜型触媒を用いるプロピレンオキシドの製造方法 - Google Patents

隔膜型触媒を用いるプロピレンオキシドの製造方法

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JP2003113169A JP2001308446A JP2001308446A JP2003113169A JP 2003113169 A JP2003113169 A JP 2003113169A JP 2001308446 A JP2001308446 A JP 2001308446A JP 2001308446 A JP2001308446 A JP 2001308446A JP 2003113169 A JP2003113169 A JP 2003113169A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 分子状酸素を用いて、隔膜型触媒を備えた反
応容器を用いてプロピレンを直接酸化し、一段の反応工
程でプロピレンオキシドを選択的に高収率で製造する方
法を提供すること。 【解決手段】 酸素をプロピレンと反応させてプロピレ
ンオキシドを製造する方法において、酸素を隔膜型触媒
を通過させることにより活性化し、これをプロピレンと
反応させることを特徴とするプロピレンオキシドの製造
方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、直接酸化法により
プロピレンからプロピレンオキシドを製造する方法に関
する。さらに詳しくは、隔膜型触媒を備えた反応容器を
用いてプロピレンを直接酸化するプロピレンオキシドの
製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】プロピレンオキシドは、有機化学工業に
おける化合物として重要なものであり、その主な用途と
しては、プロピレングリコール及びポリプロピレングリ
コール製造の合成中間体である。このプロピレンオキシ
ドの工業的製法としては、クロロヒドリン法や過酸化物
を酸化剤とする間接酸化法(ハルコン法)等が知られて
おり、これらはいずれもプロピレンを出発原料としてい
る。
【0003】まず、クロロヒドリン法は、水と塩素を反
応させて生成した次亜塩素酸(HOCl)にプロピレン
を反応させて、α−、β−クロロヒドリン混合物を生成
させ、次いで水酸化カルシウムで脱塩化水素反応を行わ
せてプロピレンオキシドを得る方法である。
【0004】この製造法におけるプロピレンからプロピ
レンオキシドへの総括収率は約85%に達し、高収率と
いう利点があるが、その一方で、原料として高価な塩素
を使用する上、これが最終的には実質的に価値のない塩
化カルシウムになり、その廃水処理に要する費用が高価
になる等の欠点がある。
【0005】一方、塩素を使用せずにプロピレンオキシ
ドを製造する方法として開発されたのがハルコン(Ha
lcon)法であり、エチルベンゼン法とイソブタン法
の2つの方法が知られている。これらの方法は、エチル
ベンゼンを酸化して得られるエチルベンゼンヒドロペル
オキシド、または、イソブタンを酸化して得られるt−
ブチルヒドロペルオキシドを酸化剤として、モリブデン
やタングステン触媒を用いてプロピレンを間接的にエポ
キシ化することに基づいており、対応するアルコールが
併産されることが特徴である。
【0006】このハルコン法の反応は多段で行われ、エ
チルベンゼン法の場合、エチルベンゼンの酸化、プ
ロピレンのエポキシ化およびα−メチルベンジルアル
コールの脱水の3工程よりなる。エチルベンゼンを使用
する最も一般的な反応成績は、プロピレン反応率が10
%で、プロピレンオキシドの選択率は90%である。こ
の方法では、最後の工程であるα−メチルベンジルアル
コールの脱水によりスチレンが大量に併産されるため、
プロピレンオキシドの価格がスチレンの需要量に左右さ
れ、変動されてしまうという欠点があった。
【0007】このように、従来のプロピレンオキシドの
工業的な製造法は、いずれも多段階の工程かつ複雑な反
応系を経由しており、また不要な副生物が生成するとい
う欠点を有していた。よって、より高収率でかつ簡便な
製造プロセスの工業化が望まれていた。
【0008】上記の要望を満足する製造法としては、プ
ロピレンを分子状酸素により直接的に酸化する直接酸化
法が最も理想的なものである。最近では、この直接酸化
法の試みもいくつか提案されており、例えば、特開平8
−283252号公報では、結晶性メタロシリケートに
硝酸銀等の硝酸金属塩を担持した触媒を用い、プロピレ
ンを気相酸化してプロピレンオキシドを製造する方法が
提案されている。この方法では、プロピレン転化率が
1.1〜2.0%で、プロピレンオキシド選択率が50
〜57%と比較的高いものであるが、定常状態において
触媒活性が維持できないという問題があった。また、特
開平9−291084号公報では、上記方法において、
該触媒の担体をイオン交換処理することにより活性が維
持されるということが開示されているが、この場合に
は、転化率が0.6%以下と極めて低くなってしまうと
いう問題が生じていた。
【0009】さらに、特開平11−76820号公報で
は、チタン含有珪酸塩に金を担持した触媒を用い、水素
の共存下にプロピレンを気相酸化してプロピレンオキシ
ドを製造する方法が提案されている。この方法では、プ
ロピレン転化率0.8〜1.7%で、プロピレンオキシ
ドの選択率が89%と極めて高いものである一方、水素
を用いることで高温において転化率が低下したり、触媒
の経時劣化が起こるなどの問題があった。このように、
いずれの製造方法も、触媒性能が不十分なものであっ
て、実用的なプロピレンオキシドの製造方法とは言い難
いものであった。
【0010】また一般的に、直接酸化法によるプロピレ
ンと酸素の反応においては、反応条件が制約され、収率
が低いことが問題となる。これは、原料プロピレンと酸
素の混合ガスに爆発の危険性があり、これを避けるため
に低濃度、低転化率で反応を行なわなければならないた
めである。
【0011】さらに、直接酸化法の場合、生成したプロ
ピレンオキシドは、原料のプロピレンに比べてより酸化
されやすいため、逐次酸化反応による過反応が起こり、
目的とする生成物の選択性が低下してしまうという問題
があった。この過反応を抑制するためにも、生成物と比
較して原料が常に大過剰となるようにしておく必要があ
った。
【0012】これらの問題が、直接酸化法の低収率の原
因となっており、このため、分子状酸素を用いた直接酸
化法によるプロピレンオキシドの製造法は、工業的に実
用的な製造法として確立されるには至っていないのが現
状であった。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、分
子状酸素を用いた直接酸化法によりプロピレンからプロ
ピレンオキシドを製造する方法において、爆発の危険性
を回避し、安全で、かつ、プロピレンオキシドを選択的
に高収率で製造する方法の提供をその課題とするもので
ある。
【0014】本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意
検討した結果、触媒の形態を膜状にした隔膜型触媒を用
い、これを通過させて活性化した酸素を用いることによ
り、上記課題を解決しうることを見出した。すなわち、
隔膜型触媒を通過し活性化された酸素をプロピレンと反
応させることにより、プロピレンを直接酸化することが
でき、しかもプロピレンと酸素ないしは生成したプロピ
レンオキシドと酸素の接触を制御し得るため、爆発の危
険性を回避するとともに目的生成物の過反応を防止する
ことが可能となり、その結果、選択的に高収率でプロピ
レンオキシドを製造することができることを見出し、本
発明を完成した。
【0015】すなわち本発明は、酸素とプロピレンを反
応させてプロピレンオキシドを製造する方法において、
酸素を隔膜型触媒を通過させることにより活性化し、こ
れをプロピレンと反応させることを特徴とするプロピレ
ンオキシドの製造方法である。
【0016】また本発明は、反応を、隔膜型触媒により
複数の室に区分されてなり、隣接する一方の室には酸素
を、他方の室にはプロピレンを流通させることができ、
酸素が隔膜型触媒を通過する際に活性化されてプロピレ
ンと反応するよう構成された反応容器を用いて反応を行
う、上記のプロピレンオキシドの製造方法である。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明において、プロピレンオキ
シドは、通過する物質を活性化する隔膜型触媒により活
性化された酸素をプロピレンと反応させることにより、
一段の反応工程で製造される。
【0018】本発明において、隔膜型触媒は重要な構成
要素であるが、このものは、上記のように通過する物質
を活性化する作用を有するものであり、例えば、膜状の
多孔質支持体に触媒活性成分を担持せしめることにより
構成される。
【0019】この隔膜型触媒において用いられる触媒活
性成分としては、隔膜型触媒を通過する酸素を活性化す
る金属または金属複合体を挙げることができる。
【0020】このうち、触媒として有効な金属として
は、銀が挙げられる。 また、金属複合体としては、銀
と、第一遷移金属、第二遷移金属、第三遷移金属、ラン
タニド系元素、アクチニド系元素のいずれかの群に属す
る1種以上の元素との複合体が挙げられる。ここで、第
一遷移金属元素は、周期律表第4周期の第4A族から第
8A族の元素を意味し、具体的には、チタン、バナジウ
ム、クロム、マンガン、鉄、コバルト及びニッケルの元
素が例示される。また、第二遷移金属元素は、周期律表
第5周期の第4A族から第8A族の元素を意味し、具体
的には、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチ
ウム、ルテニウム、ロジウム及びパラジウムの元素が例
示される。更に、第三遷移金属元素は、周期律表第6周
期の第4A族から第8A族の元素を意味し、具体的に
は、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、
オスミウム、イリジウム及び白金の元素が例示される。
【0021】さらに、触媒活性を向上させるために、触
媒活性成分中に上記の金属または金属複合体と併せて助
触媒を添加することができる。この助触媒としては、例
えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属のいずれかの群
に属する元素を挙げることができる。
【0022】これらの触媒活性成分を担持する多孔質支
持体としては、触媒の活性成分を均一に分散・担持で
き、酸化反応触媒等の担体として有効なものであり、か
つ、膜状に成形可能であって、原料とするガス状反応成
分(例えば分子状酸素)を一方から他方に透過できるも
のであれば特に制限されことなく種々の多孔質支持体を
利用することができる。このような多孔質支持体の例と
しては、シリカ、アルミナ、チタニア及びジルコニアか
ら選ばれる酸化物多孔体や、これらの酸化物多孔体の2
種以上の複合体、あるいはゼオライトの多孔体を挙げる
ことができる。
【0023】また、上記の多孔体を直接用いるほか、ガ
ス透過性を適度に抑制し、小さくするために、ディップ
コーティング、スプレーコーティング、スピンコーティ
ング、水熱合成等の方法により、シリカ、アルミナ、チ
タニア、ジルコニア、ゼオライト等を膜状の金属多孔体
や多孔質の無機材料(セラミックス等)上に担持したも
のを多孔質支持体として用いることもできる。
【0024】これらの多孔体の細孔径は、目的とする反
応の種類や条件に応じて選択されるが、一般に0.5n
m〜10μmのものが適当であり、0.5nm〜1μm
のものが好ましい。また、多孔体の比表面積は、一般に
2〜1,000m /gのものが適用可能である。
【0025】以上の多孔質支持体は、基本的に膜状であ
り、膜の厚さは50μm〜5mmのものが使用可能であ
るが、機械的強度及び透過抵抗の面から100〜500
μmのものが好ましい。また、多孔質支持体の形状は、
一般に膜がチューブ状、あるいはプレート状の形状をな
すものが好適である。該形状の多孔体は、例えば特公平
5−66343号(特許1850556号)に記載の方
法を用いることにより得ることができる。
【0026】なお、上記の多孔質支持体の膜の厚さ、細
孔径及び比表面積は、多孔体の製造、あるいは触媒調製
時の条件によって制御することができ、反応条件によっ
て適宜選択される。
【0027】上記多孔質支持体に触媒活性成分を担持す
る方法としては、通常の酸化反応触媒の調製に用いられ
る方法、例えば含浸法、沈殿法、イオン交換法、蒸着
法、水熱合成法等を用いることができる。また、これら
に加えCVD法(化学蒸着法)、PVD法(物理蒸着
法)、ディップコーティング、スプレーコーティング、
スピンコーティングなども適用できる。多孔質支持体上
に担持される触媒活性成分の含有量は、触媒活性を行う
ために有効な量であれば特に限定されるものではなく、
触媒活性成分や多孔質支持体の種類や反応条件によって
適宜設定される。
【0028】本発明方法によるプロピレンオキシドを製
造する場合の反応条件として、一般に反応温度は−20
0〜900℃の範囲、好ましくは−10〜600℃の範
囲である。また、反応圧力は0.1〜150kg/cm
の範囲、好ましくは0.5〜50kg/cm の範
囲である。
【0029】本発明において使用される原料は、酸素と
プロピレンである。このうち、酸素の供給源としては、
空気、純酸素、オゾンガスまたはこれらの混合ガスを用
いることができる。また、プロピレンの供給源として
は、純プロピレンを用いるのがよいが、メタン、エタ
ン、プロパン等の炭化水素を不純物として含んでいても
よい。また、これらの原料を反応容器に供給する際に
は、反応の希釈剤として、窒素、水蒸気、ヘリウム、二
酸化炭素、メタン等を用いることができる。
【0030】これら酸素とプロピレンは、酸素濃度を2
%以上、好ましくは5〜50%、またプロピレン濃度を
5%以上、好ましくは10〜80%の濃度範囲で反応容
器に供給され、隔膜型触媒を間に挟んで流通させること
が好ましい。この供給ガスの流通方向は、正方向または
逆方法のいずれでもよく、また、一方の供給ガスは出口
を閉じて静止状態として、もう一方の供給ガスのみを流
通させてもよい。各供給ガスの流通速度は、供給ガス中
の原料成分の濃度、反応容器及び隔膜型触媒の形態や大
きさによって適宜決定される。
【0031】以上説明した本発明方法を実施するために
使用される反応容器は、酸素が隔膜型触媒を通過するこ
とによって活性化され、これがプロピレンと反応して酸
化反応が進行するようであれば、その構成は特に制限は
ない。
【0032】例えば、本発明方法を有利に実施すること
のできる反応容器としては、その基本的な構造として、
反応容器を複数の室に区分する隔膜型触媒が設けられて
おり、区分されてできた隣接する一方の室には、上記隔
膜型触媒により活性化されるべき物質、即ち酸素が流通
可能とされており、区分されてできた隣接する他方の室
には、上記活性化さた物質と反応すべき化合物、すなわ
ちプロピレンが流通可能とされており、活性化されるべ
き物質(酸素)が隔膜型触媒を通過する際に活性化さ
れ、反応すべき化合物と反応するよう構成されている容
器を挙げることができる。
【0033】以下、より具体的に本発明方法の実施にお
いて有効に利用される反応容器(以下、「隔膜型反応
器」と略する場合がある)の例を図面と共に説明する。
【0034】図1は、隔膜型反応器の一例の縦断面図を
示す図面である。図中、1は酸素流通部、2はプロピレ
ンの滞留部、3は隔膜型触媒、4はプロピレンの導入
口、5は反応生成物の出口、6は酸素の導入口、7は酸
素の排出口、8は外側筒、9は内側筒をそれぞれ示して
いる。
【0035】図1に示す反応容器は、気相反応用の2重
管式反応器であり、外側筒8と内側筒9の間の空間が酸
素流通部1を形成し、その一部または大部分が隔膜型触
媒3で構成されている内側筒9がプロピレンの滞留部2
を形成する。
【0036】酸素は、酸素の導入口6から酸素流通部1
に導入され、酸素の排出口7から排出される。一方、プ
ロピレンは、プロピレンの導入口4からプロピレン滞留
部2に導入される。
【0037】酸素流通部1中の酸素の一部は、隔膜型触
媒3で活性化され、当該触媒を通過してプロピレン滞留
部2中でプロピレンと反応し、プロピレンオキシドを生
成する。生成したプロピレンオキシドと、残存したプロ
ピレンは、反応生成物の出口5から取り出される。
【0038】なお、上記図1で示した反応容器には、一
般には反応容器を覆う加熱装置や冷却装置、あるいは内
部の温度や圧力を測定するための計器等が設置される
が、ここでは省略している。
【0039】以上説明した本発明の製造方法によれば、
簡便にプロピレンを分子状酸素を用いて直接酸化するこ
とができ、しかもプロピレンおよび酸素の接触を自由に
制御し得るため、爆発の危険性を回避するとともに目的
生成物の過反応を防止することができ、その結果、選択
的に高収率でプロピレンオキシドを製造することができ
る。
【0040】また、本発明の製造方法では、反応ガス濃
度を高くすることもでき、かつ、供給される反応ガス濃
度が高い場合において、より高い選択率でプロピレンオ
キシドを製造することができる。
【0041】
【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をさらに詳細に
説明するが、本発明はこれら実施例に何ら制約されるも
のではない。
【0042】なお、以下の実施例において、生成物およ
び残った原料プロピレンの分析はガスクロマトグラフ法
で行った。ここで、%はモル濃度を表す。
【0043】参 考 例 1 隔膜型触媒の製造:まず、特許1850556号の実施
例1記載の方法に従い、多孔体膜として用いるチューブ
を製造した。すなわち、0.3μmのα−アルミナ粉末
を用いて、外径約2.0mm、内径約1.6mm、細孔
径0.2μmのα−アルミナ製の多孔質チューブを製造
した。水銀圧入法で測定したその比表面積は2m
gで、気孔率は43vol%であった。
【0044】次いで、酢酸銀18.05g、マレイン酸
銀17.96gを29wt%アンモニア水28.32g
に溶解させた溶液と、27wt%の酢酸ストロンチウム
溶液17.46gを混合し、生成した固体と液体をろ過
により分離した。得られた固体から2.6gを分取し、
ろ液45.59g、イオン交換水14.95gと混合し
た。この液体にα−アルミナチューブを浸漬し、68℃
で1時間保持した。このα−アルミナチューブを窒素雰
囲気下、68℃で一晩乾燥した後、空気中で230℃、
さらに3%酸素を含むCO 気流中で40分焼成し
た。反応前には、水素気流中で150℃、1時間前処理
を行った。
【0045】得られた銀担持多孔体膜に担持された銀及
びストロンチウムの担持量を、蛍光X線分析法にて測定
したところ、それぞれ9.6wt%、0.63wt%で
あった。
【0046】実 施 例 1 プロピレンオキシドの製造:参考例1で製造した銀担持
多孔体膜を隔膜型触媒として使用して、図1の同様の反
応容器を用いてプロピレンの酸化反応を行った。即ち、
図1の酸素流通部1(容積193ml)に、酸素導入口
6より窒素及び酸素を、それぞれ20ml/min、5
ml/minの供給速度で導入した。一方、プロピレン
の滞留部2(容積0.76ml)には、窒素、プロピレ
ンおよび水蒸気を、それぞれ20ml/min、5ml
/min、2.5ml/minの供給速度で導入した。
反応器を加熱し、反応温度220℃で反応させたとこ
ろ、プロピレン転化率4.4%で、プロピレンオキシド
の選択率が32%の結果が得られた。
【0047】上記の結果より、本発明の隔膜型触媒を用
いる方法は、従来技術と同等以上の転化率のもとに、選
択的にプロピレンオキシドが得られることが確認でき
た。
【0048】実 施 例 2: プロピレンオキシドの製造:実施例1と同様の反応を酸
素濃度を変えて行った。即ち、酸素流通部1に、酸素導
入口6より窒素及び酸素を、それぞれ20ml/mi
n、2.5ml/minの供給速度で導入した。一方、
プロピレンの滞留部2には、窒素、プロピレンおよび水
蒸気を、それぞれ20ml/min、5ml/min、
2.5ml/minの供給速度で導入した。反応器を加
熱し、反応温度220℃で反応させたところ、プロピレ
ン転化率1.3%で、プロピレンオキシド選択率34%
であった。
【0049】実 施 例 3: プロピレンオキシドの製造:実施例1と同様の反応をプ
ロピレン濃度を変えて行った。即ち、酸素流通部1に、
酸素導入口6より窒素及び酸素を、それぞれ20ml/
min、5ml/minの供給速度で導入した。一方、
プロピレンの滞留部2には、窒素、プロピレンおよび水
蒸気を、それぞれ15ml/min、10ml/mi
n、6.2ml/minの供給速度で導入した。反応器
を加熱し、反応温度220℃で反応させたところ、プロ
ピレン転化率1.7%で、プロピレンオキシド選択率4
4%であった。
【0050】上記の結果より、本発明の製造方法は、反
応容器にプロピレン濃度の高いガスを導入でき、かつ、
供給されるプロピレンの濃度が高い場合において、より
高い選択率でプロピレンオキシドが得られることが確認
できた。
【0051】
【発明の効果】本発明の製造方法によれば、簡便にプロ
ピレンを分子状酸素を用いて直接酸化することができ、
しかもプロピレンおよび酸素の接触を自由に制御し得る
ため、爆発の危険性を回避するとともに目的生成物の過
反応を防止することができ、その結果、選択的に高収率
でプロピレンオキシドを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の気相反応用の隔膜型反応容器の一例
の縦断面図を示す図面である。
【符号の説明】 1 … … 酸素流通部 2 … … プロピレン滞留部 3 … … 隔膜型触媒 4 … … プロピレン導入口 5 … … 反応生成物の出口 6 …… 酸素の導入口 7 …… 酸素の排出口 8 …… 外側筒 9 …… 内側筒 以 上
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水上 富士夫 茨城県つくば市東1−1−1 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内 (72)発明者 丹羽 修一 茨城県つくば市東1−1−1 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内 (72)発明者 伊藤 直次 茨城県つくば市東1−1−1 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内 (72)発明者 庄司 宏 千葉県市原市島野551−10 (72)発明者 羽場 一彦 千葉県市原市五井東1−22−2 (72)発明者 斎藤 知成 茨城県つくば市和台25番地 エヌオーケー 株式会社筑波技術研究所内 (72)発明者 難波 竹已 茨城県つくば市和台25番地 エヌオーケー 株式会社筑波技術研究所内 Fターム(参考) 4C048 AA01 BB02 CC01 UU03 XX02

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸素をプロピレンと反応させてプロピレ
    ンオキシドを製造する方法において、酸素を隔膜型触媒
    を通過させることにより活性化し、これをプロピレンと
    反応させることを特徴とするプロピレンオキシドの製造
    方法。
  2. 【請求項2】 反応を、隔膜型触媒により複数の室に区
    分されてなり、隣接する一方の室には酸素を、他方の室
    にはプロピレンを流通させることができ、酸素が隔膜型
    触媒を通過する際に活性化されてプロピレンと反応する
    よう構成された反応容器を用いて行うことを特徴とする
    請求項第1項記載のプロピレンオキシドの製造方法。
  3. 【請求項3】 反応容器が、一つの隔膜型触媒により、
    二つの室に区分された反応容器である請求項第2項記載
    のプロピレンオキシドの製造方法。
  4. 【請求項4】 隔膜型触媒が、膜状の多孔質支持体に触
    媒活性成分を担持したものである請求項第1項ないし第
    3項のいずれかの項に記載のプロピレンオキシドの製造
    方法。
  5. 【請求項5】 担持された触媒活性成分が銀である請求
    項第4項記載のプロピレンオキシドの製造方法。
  6. 【請求項6】 担持された触媒活性成分が、銀と、第一
    遷移金属、第二遷移金属、第三遷移金属、ランタニド系
    元素、アクチニド系元素のいずれかの群に属する1種以
    上の元素との複合体である請求項第4項記載のプロピレ
    ンオキシドの製造方法。
  7. 【請求項7】 触媒活性成分が、さらに助触媒としてア
    ルカリ金属、アルカリ土類金属のいずれかの群に属する
    1種以上の元素を含む請求項第4項ないし第6項のいず
    れかの項記載のプロピレンオキシドの製造方法。
  8. 【請求項8】 膜状の多孔質支持体が、シリカ、アルミ
    ナ、チタニア及びジルコニアから選ばれる酸化物多孔
    体、これら酸化物多孔体の2種以上の複合体、またはゼ
    オライトのいずれかである請求項第4項ないし第7項の
    いずれかの項記載のプロピレンオキシドの製造方法。
  9. 【請求項9】 反応に用いられている酸素源が、空気、
    純酸素ガス、オゾンガスまたはこれらの混合ガスである
    請求項第1項ないし第8項のいずれかの項記載のプロピ
    レンオキシドの製造方法。
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