JP3511003B2 - 気体ハロゲン化水素から水を除去する方法及び吸着剤 - Google Patents
気体ハロゲン化水素から水を除去する方法及び吸着剤Info
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Description
(HCl)から湿分又は蒸気の水を除去することに関す
る。
塩化水素は、半導体装置の製造において用いられる重要
な特殊ガスのうちの一つである。HClは、シリコン結
晶を成長(エピタキシー)させるのに用いられ、そして
またドライエッチングプロセスでシリコンウエーハをエ
ッチングするのにも用いられる。これらの用途の両方に
ついて、高純度のHClが必要とされる。高純度HCl
とは一般に、水を含まない、又は水を0.5ppm未満
含有しているHClを意味すると解される。
あり、ガスの配給システムに問題を引き起こすし、また
半導体装置の製造の際に製造収率に悪影響を及ぼす。
は、塩化水素を半導体製造プロセスの使用個所へ配給す
るのに使用される配管、マニホールド、弁類その他の頻
繁な取替えを余儀なくさせる。その上でウエーハを処理
加工する支持構造体であるサセプタをクリーニングする
際、気体塩化水素に含まれる水はサセプタ上に新たな酸
化物を生成することになり、こうして塩化水素のクリー
ニング機能を妨げることになる。エッチングの用途で
は、塩化水素に含まれる水は、半導体製造の環境におけ
る不所望の汚染物質源となり、そしてそれはこの環境に
おいて製作されるチップ製品を効率的とは言えないもの
にすることがあり、あるいは意図する目的にとって完全
に無用なものにすることがある。
第4925646号明細書には、HClから水を除去す
るための吸着性組成物と方法が多数開示されている。提
案された物質と方法の中に、アルミナ(Al2O3)基材
に担持された塩化マグネシウム(MgCl2)を使用す
る吸着がある。ところが、Al2O3上のMgCl2を塩
化水素から湿分を除去するために使用すると塩化水素が
Al2O3担体とゆっくり反応して揮発性生成物のAlC
l3を生成することになることが分かった。AlCl3は
下流の処理機器の冷たい個所で固化して、調節器、フィ
ルター及び弁類等のような処理機器上に堆積することに
なる。今度はこれがシステムの保守の問題になり、結局
はHCl製品の汚染の原因になる。
モルデナイトを使って気体の塩化水素から水を除去する
ことが開示されている。ところが、合成モルデナイトは
気体の塩化水素中では安定でないことがわかった。
は、炭素基材に担持された塩化鉄(FeCl2)を使っ
て塩化水素ガスから水と酸素を除去することが開示され
ている。
ら水を除去するのにシリカゲルも使用している。ところ
が、シリカゲル及び炭素上のFeCl2は塩化水素中で
安定であるのに、それらの水の吸着能力は比較的低く、
そのためこれらの物質はHCl精製装置で使用する場合
には頻繁に交換しなくてはならない。
技術では減圧含浸の手法が知られている。例えば、1)
木材の色を変更するために木材を処理するもの(米国特
許第4959076号及び同第4840637号明細
書)、2)炭素‐金属リン酸塩複合材料を製造するもの
(米国特許第4707299号明細書)、及び3)グラ
ナイトを着色するもの(米国特許第4695487号明
細書)、などがある。
技術では違った減圧含浸手法が適用されており、それら
には、1)硫化水素の吸着用に活性炭上にイオン(II
I)の塩化物を付着させるもの(東ドイツ国特許出願公
開第236912号明細書)、及び2)二酸化炭素の吸
着用にN‐メチルアラニンのアルカリ塩の水溶液を多孔
質基材へ含浸させるもの(特開昭61‐101244号
公報)、が含まれる。これらの二つの特許文献の両方で
使用する「減圧含浸」という用語は、多孔質の支持体を
減圧下に水溶液中に浸漬する手法を指している。
術には、米国特許第2196246号明細書、同第52
02106号明細書、同第5539998号明細書、同
第5766565号明細書、東ドイツ国特許第2150
64号明細書及び英国特許第2188043号明細書が
含まれる。
体に含浸させるための様々な物質と手法を提案してい
る。一部の場合には、水の収着以外用の吸着剤のために
減圧が利用されている。この減圧は、含浸中の脱ガスの
ために使用される。ところが、HClなどのような潜在
的に腐食性のガスから水を除去するのに有効で、水収着
性物質が湿ったHClの存在下で安定であり且つ水収着
性物質を形成する化学物質の十分な充填が安定な担体上
でなされる水収着性物質を製造するのには、なおも問題
が存在する。本発明は、これらの目的を思いもよらぬこ
とに達成するものであり、産業界におけるこの長期にわ
たる問題を、以下で説明するように減圧含浸手法を使っ
て安定な担体上の効果的な水収着性化学物質を使用する
ことにより克服するものである。
量ppmの水を含有しているハロゲン化水素流をハロゲ
ン化マグネシウムを5〜35wt%含む吸着剤を通過さ
せることにより、HCl、HF、HBr、HI及びそれ
らの混合物からなる群より選ばれる気体のハロゲン化水
素から水を除去する方法であって、当該ハロゲン化マグ
ネシウムにおけるハロゲンは当該気体のハロゲン化水素
のハロゲンであり、このハロゲン化マグネシウムは、活
性炭基材を減圧条件にさらす工程、この減圧条件下で活
性炭基材に5〜35wt%のハロゲン化マグネシウムを
付着させて吸着剤を作る工程、活性炭に担持されたハロ
ゲン化マグネシウムを乾燥させる工程、及び270℃
(518°F)〜400℃(752°F)の温度に加熱
して吸着剤を活性化させる工程、を含む工程により調製
された活性炭基材上に担持されている。
り、ハロゲン化マグネシウムはMgCl2である。好ま
しくは、MgCl2を付着させる前に活性炭基材を乾燥
させる。好ましくは、10〜20wt%のMgCl2が
活性炭上に存在する。好ましくは、減圧は少なくとも
0.133Pa(10-3torr)である。好ましく
は、基材は表面積が300〜2500m2/gである。
を含み、このMgCl2が当該活性炭基材を減圧条件下
で準備しそしてこの活性炭基材をMgCl2の溶液と接
触させることにより当該活性炭基材に含浸されている、
気体のHClから湿分を除去するための吸着剤である。
I及びそれらの混合物からなる群より選ばれる気体のハ
ロゲン化水素から水を除去するための吸着剤の調製方法
であって、活性炭基材を減圧条件にさらす工程、この減
圧条件下で、ハロゲンが当該気体のハロゲン化水素のハ
ロゲンであるハロゲン化マグネシウム5〜35wt%を
当該活性炭基材に付着させて吸着剤を作る工程、活性炭
に担持されたハロゲン化マグネシウムを乾燥させる工
程、及び270℃(518°F)〜400℃(752°
F)の温度に加熱して吸着剤を活性化させる工程、を含
む吸着剤調製方法である。
水素ガスなどのハロゲン化水素を利用するためには、ハ
ロゲン化水素が少量の残存する水の蒸気又は湿分、すな
わち0.5ppm未満の水分、を含有していることが非
常に重要である。
gCl2などのようなハロゲン化マグネシウムの水ゲッ
ターと、ハロゲン化水素への暴露に耐える活性炭基材
と、この基材の細孔を開き、清浄にし、そして最大量の
ゲッター物質を担体の細孔に含浸させる減圧含浸との極
めて有効な組み合わせを使用する。ハロゲン化マグネシ
ウムのハロゲンは、好ましくは、乾燥されるハロゲン化
水素のハロゲンである。
物質が気体のハロゲン化水素から湿分を除去するための
理想的吸着剤となる次の四つの主要な基準、すなわち、
(1)気体のハロゲン化水素中における高い安定性、
(2)精製しようとするガス流への暴露下での大きな水
吸着容量、(3)気体のハロゲン化水素についての高い
乾燥効率、そして(4)精製した製品を汚染しないこ
と、を具備することである。
Cl2、合成モルデナイト、シリカゲル、及び活性炭上
のFeCl2を使用して、低水分含有量の気体の塩化水
素を得ようとしている。Al2O3担体上のMgCl
2も、モルデナイトも、HCl中では安定でないことが
見出された。HClはAl2O3(モルデナイト中にも存
在する)と反応して揮発性のAlCl3を生成すること
があり、そしてそれは下流のプロセス機器の構成要素に
付着して半導体製造業者にとっての運転上の問題を引き
起こす。シリカゲルと活性炭上のFeCl2は半導体製
造プロセスにおいて見られるHCl環境において安定で
はあるが、水の吸着容量が比較的小さく、そのため精製
用物質のより頻繁な交換が必要である
水を所望のレベルまで除去するのに有効である吸着剤
は、ハロゲン化水素による攻撃に耐え且つ金属塩化物を
支持することができる担体に含まれていなくてはならな
い。
質を液体のHCl溶液中と純粋な水中で試験することに
より選別した。各候補は、HClにより引き起こされる
反応を水により引き起こされる反応と区別するため、3
8%HCl水溶液と純水の浴とに試料を入れて試験され
た。試料入りのHCl溶液と水の浴を25℃で24時間
保持して、色の変化、ひび、あるいは溶解があるかどう
か観測した。表1にこの選別の結果を要約して示す。
モレキュラーシーブの試料は全て、たとえシリカゲルだ
けでは38%HCl溶液中でも純水中でも試験期間にわ
たり安定ではなかったとは言うものの、ハロゲン化マグ
ネシウム、好ましくはMgCl2を担持するのに満足で
あると判定された。シリカゲルの不安定性は、水の存在
下でのこの物質の膨潤効果により引き起こされのであ
り、HClとの反応により引き起こされるのではない。
り組成物を調製した。この固体担体は大きな表面積を持
つように選ばれた。本発明の状況において、この表面積
は、広くいえば300〜2500m2/gの範囲内にあ
るべきであり、狭くいえば700〜1200m2/gの
範囲内にあるべきである。上記の活性炭は、Calgo
n Corp.より入手し、タイプPSCとして識別さ
れるものであった。下記で説明する新しい減圧含浸手法
により、MgCl2を基材上に付着又は配置した。
gCl2から、とりわけHCl中の水濃度1〜500容
量ppmで、気体のHClから水分を除去するための効
果的な吸着剤が得られた。好ましくは、水は0.1容量
ppm以下まで減少させる。MgCl2/炭素によるH
Clの乾燥のための本発明の好ましい組成物は、従来技
術の他の二つの物質と比べて一番大きな水容量を示し、
且つHCl中で安定である。好ましくは、MgCl2の
質量パーセントはおよそ10〜20である。これらの物
質は270℃(518°F)と400℃(752°F)
の間で活性化させるべきである。
活性炭担体に含浸するのに初期の大気圧湿潤手法を使用
した。ところが、本発明の発明者らは、減圧含浸がより
意味のある結果をもたらすことを思いもよらぬことに見
出した。減圧含浸がそのように有効である理由は、含浸
前及び含浸中における基材の減圧での処理が基材の細孔
に最初から捕捉されていた空気を除去し、その一方でま
た実際の含浸の際に大きな推進力又は圧力差を作り出す
ことである。これは、活性炭を予熱して湿分及び何らか
の他の揮発分を追い出し、そして減圧含浸した活性炭を
活性化の前に適度の加熱で乾燥させて、MgCl2用の
キャリヤー又は溶媒を再び追い出す場合に、特に当ては
まる。減圧含浸後の適度(中程度)の温度での乾燥は、
基材の細孔内の含浸物質の均一な分散を保持するのに重
要である。含浸した基材の細孔内部の連続の通路を、完
全に乾燥させあるいは活性化させる前に作り出さなくて
はならず、そうしないと液の詰まった細孔内で発生した
揮発性の気泡が付着した物質を絞り出す。従って、好ま
しい方法では、周囲温度近くで所定の時間乾燥してから
およそ120℃の上昇した温度で更に乾燥し、そしても
っと高い温度で活性化するのが有利である。図3に関し
て説明すると、多孔質の基材に塩を付着させるための減
圧含浸手法を、次のようにして実施する。すなわち、多
孔質基材材料1を、開放の弁7を通し真空ポンプ5によ
り0.133Pa(10-3torr)未満の減圧が適用
される減圧室3に入れ、そして付着させるべき塩を蒸留
水9に溶解させて、周囲に13を通して開放する溶液タ
ンク11に貯蔵する。減圧室3の圧力が安定したなら、
真空管路15を弁7により閉じ、そして溶液のタンク1
1を減圧室につなぐ管路17を弁19により開放する。
その結果効率的で且つ完全な含浸が行われる。
から、活性炭に担持されたハロゲン化マグネシウム、好
ましくはMgCl2である本発明の吸着剤を使用して、
水を除去する方法は、本発明の調製手法を用いて能力が
高められる。炭素表面にハロゲン化マグネシウム、好ま
しくはMgCl2を均一に付着させるのに、減圧含浸手
法が利用される。炭素へのハロゲン化マグネシウム、好
ましくはMgCl2の達成できる付着量は5〜35wt
%の範囲であり、最適な付着量は10〜20wt%の範
囲である。吸着剤を製造する詳しい手順は、次のように
要約される。
を空気中において120℃で12時間以上予備乾燥す
る。 2)予備乾燥した炭素を含浸装置の減圧室に入れる。 3)減圧室を真空にして0.133Pa(10-3tor
r)未満の圧力レベルに到達させる。 4)所定量のMgCl2粉末を10リットルの蒸留水に
溶解させてMgCl2溶液を作る。期待した含浸率を得
るためのMgCl2の量は、次式、すなわちMgCl2の
質量(lb)=炭素の質量(lb)×含浸率÷0.26
(1−含浸率)、を使って決定される。MgCl2溶液
の容量は、含浸の間炭素を溶液中に入れておくのに十分
であることが必要である。 5)10リットルのMgCl2溶液を減圧処理した炭素
に含浸させる。 6)含浸した炭素を、炭素粒子がもはやそれ以上かたま
りにならなくなるまで空気中において室温で乾燥させ
る。 7)温度を徐々に120℃まで上昇させ、そして120
℃で12時間乾燥させる。 8)270℃と400℃の間の温度で加熱して吸着剤を
活性化させる。
を説明することにする。
HClから湿分を除去するため活性炭にMgCl2を付
着させた。この含浸処理では次の手順を使用した。20
00gのMgCl2を10リットルの蒸留水に溶解さ
せ、含浸装置の溶液タンクに貯蔵した。6ポンド(2.
7kg)の予備乾燥したPSC炭素を含浸装置の減圧室
に入れ、そして減圧した。減圧室の圧力が安定すると、
真空管路の圧力レベルは1.33×10-6(10-8to
rr)に達した。次に、真空管路を閉じそしてMgCl
2溶液のタンクを減圧室につなぐ弁を開いて、MgCl2
溶液を減圧処理したPSC炭素に室温で含浸させた。含
浸処理した炭素を空気中において室温で約7日間乾燥さ
せ、次いでオーブンに移して空気中において120℃で
約12時間残留水分を更に除去した。このように処理し
た吸着剤は約16wt%のMgCl2を含有する。
成した。炭素へほぼ同じ含浸率のMgCl2を含浸させ
るためには、初期の湿潤手法で製造した吸着剤の純水の
蒸気で測定した水の吸着容量は不十分で且つ不ぞろいで
あるが、しかし減圧含浸手法を使用することにより、ゲ
ッター物質の吸着容量は、とりわけ非常に低い水の圧力
範囲で、有意に高くなる。これは図1でもって説明され
る。本発明の減圧含浸は、初期の湿潤手法で合成された
物質の二つの別々の試料以上に、水分圧の全てのレベル
について優れていた。従って、この新しい手法は伝統的
に使用されている初期の湿潤手法よりも優れていること
が証明される。
る従来技術の他の二つの物質と比べるため、次の組成の
三つの物質の水吸着等温線を純水の蒸気でもって測定し
た。それらの物質とは、1)炭素に16wt%のMgC
l2、2)Ultra Pure社より入手したシリカ
ゲル、そして3)本発明の吸着剤のために用いたのと同
じ手法で処理した、炭素に16wt%のFeCl2、で
あった。図2に示したように、本発明の吸着剤は他の二
つの物質よりも水の吸着容量が有意に大きい。
等の気体のハロゲン化水素を乾燥させるための装置でも
って実施することができる。ハロゲン化水素からの水の
除去は、精製しようとするガスの流れを精製装置に詰め
られた新しい吸着剤と接触させることにより行われる。
精製装置の本体は、様々な形状で製作することができ
る。好ましい形状は円筒状の形状である。精製装置に
は、主要本体の二つの相対する端部にガスの入り口及び
出口があるべきであり、また吸着剤の充填口が精製装置
の側部にあるべきである。ガスの入り口及び出口は、好
ましくは、精製装置の上流及び下流のガス管路につなが
るため、小口径のガス配管継手として知られるスウェー
ジロック社のVCR(商標)の標準的な接合部を備えて
いる。充填口も標準的なVCR接合部であることが好ま
しい。ガスの流れにより微量の吸着剤が持ち去られそし
て上流及び下流の配管を汚染するのを防ぐために、精製
用容器内部の入り口端部と出口端部の近くに細孔の大き
さが20μmの二つのフィルターディスク(又はフリッ
ト)を溶接する。精製装置の材料は316Lステンレス
鋼又はハステロイ(商標)でよい。ガスと接触する、精
製装置本体の内表面は、表面粗さを0.635μm(2
5マイクロインチ)未満にするよう好ましくは電気仕上
げ(electo−finished)される。
ができる。精製装置の上流及び下流の両方のガス管路を
湿分濃度が10ppb未満の不活性ガスでパージする。
次に、精製装置の入り口VCRを接続する。入り口の接
続後、出口を接続する。装備した精製装置を入り口から
出口へ不活性ガスで10分間パージする。次いで、精製
装置を精製しようとするハロゲン化水素で20回循環パ
ージする。循環パージの終わりに、精製装置に精製しよ
うとするガスを2時間流す。こうして、精製装置は精製
した製品を供給する用意ができる。
の新しい精製及び配給方法を使って「製作現場」へ大量
のHClを供給する典型的なエレクトロニクス製造産業
において使用することができる。ハロゲン化水素には、
先に述べたように、HF,HCl、HBr及びHIが含
まれる。気体HClの精製及び配給の実例を考えること
ができる。この方法は、HClを入れたチューブトレー
ラー又は現場の貯蔵器、チューブトレーラーの出口マニ
ホールドを大型のHCl精製装置に接続するための手
段、チューブトレーラー又は貯蔵器の近くに好ましく据
えつけられた大型の精製装置、大型の精製装置の出口を
「製作現場」の社内HCl配給/分配系へつなぐための
手段、及び半導体製造工具類に近づきやすい使用個所で
の精製装置に適用可能である。大型の精製装置も使用個
所での精製装置も、本発明の吸着剤を充填して、高純度
のHClから水を除去してその無水条件を保証すること
ができ、また水が存在することを許容されたならばHC
lによる腐食による機器の劣化という費用のかかる結果
になるのを回避することができる。
提示した比較データの組み合わせから、活性炭にハロゲ
ン化マグネシウム、好ましくはMgCl2を含浸するの
に減圧含浸を使用する本発明が、厳しく且つ有害な条件
下での性能上の有意且つ思いもよらぬ利点を示す一方、
エレクトロニクス製造産業の過酷な要求条件により必要
とされる極めて高い純度で、無水の、例えばHClのよ
うな、ハロゲン化水素を製造するための最も安定な吸着
剤物質になっていることが、明らかに証明される。
よる保護を望むものは特許請求の範囲に記載の精神と範
囲内の全ての改変を包含するものである。
る炭素上への選ばれた塩化マグネシウムの付着手法につ
いて水の容量を水の分圧に対しプロットした図である。
及びシリカゲルを含めた吸着剤組成物について水の容量
を水の圧力に対しプロットした図である。
態様を模式的に説明する図である。
Claims (19)
- 【請求項1】 1〜500容量ppmの水を含有してい
るハロゲン化水素流をハロゲン化マグネシウムを5〜3
5wt%含む吸着剤を通過させることにより、HCl、
HF、HBr、HI及びそれらの混合物からなる群より
選ばれる気体のハロゲン化水素から水を除去する方法で
あって、当該ハロゲン化マグネシウムにおけるハロゲン
は当該気体のハロゲン化水素のハロゲンであり、このハ
ロゲン化マグネシウムは、 活性炭基材を減圧条件にさらす工程、 この減圧条件下で当該活性炭基材に5〜35wt%のハ
ロゲン化マグネシウムを付着させて吸着剤を作る工程、 活性炭に担持された当該ハロゲン化マグネシウムを乾燥
させる工程、及び270℃(518°F)〜400℃
(752°F)の温度に加熱して当該吸着剤を活性化さ
せる工程、を含む工程により調製された活性炭基材上に
担持されている、気体ハロゲン化水素から水を除去する
方法。 - 【請求項2】 前記ハロゲン化水素がHClである、請
求項1記載の方法。 - 【請求項3】 前記ハロゲン化マグネシウムがMgCl
2である、請求項1又は2記載の方法。 - 【請求項4】 前記ハロゲン化マグネシウムを付着させ
る前に前記活性炭基材を乾燥させる工程を含む、請求項
1から3までのいずれか一つに記載の方法。 - 【請求項5】 10〜20wt%のMgCl2が前記活
性炭上に存在する、請求項3記載の方法。 - 【請求項6】 前記減圧が少なくとも0.133Pa
(10-3torr)である、請求項1から5までのいず
れか一つに記載の方法。 - 【請求項7】 前記基材の表面積が300〜2500m
2/gである、請求項1から6までのいずれか一つに記
載の方法。 - 【請求項8】 前記吸着剤と接触後の前記ハロゲン化水
素に含まれる水が0.1容量ppm以下である、請求項
1から7までのいずれか一つに記載の方法。 - 【請求項9】 活性炭基材上のMgCl2を含み、この
MgCl2が当該活性炭基材を減圧条件下で準備しそし
てこの活性炭基材をMgCl2の溶液と接触させること
により当該活性炭基材に含浸されている、気体のHCl
から湿分を除去するための吸着剤。 - 【請求項10】 前記活性炭基材に5〜35wt%のM
gCl2が付着されている、請求項9記載の吸着剤。 - 【請求項11】 前記活性炭基材に10〜20wt%の
MgCl2が付着されている、請求項9記載の吸着剤。 - 【請求項12】 前記減圧が少なくとも0.133Pa
(10-3torr)である、請求項9から11までのい
ずれか一つに記載の吸着剤。 - 【請求項13】 前記基材の表面積が300〜2500
m2/gである、請求項9から12までのいずれか一つ
に記載の吸着剤。 - 【請求項14】 吸着可能な成分を含有している気体混
合物から当該吸着可能な成分を除去するための吸着剤の
調製方法であって、 多孔質基材を減圧条件にさらす工程、 この減圧条件下で当該多孔質基材に金属塩を付着させて
当該吸着剤を作る工程、 当該多孔質基材に担持された当該金属塩を乾燥させる工
程、及び270℃(518°F)〜400℃(752°
F)の温度に加熱して当該吸着剤を活性化させる工程、
を含む吸着剤調製方法。 - 【請求項15】 前記多孔質基材としての活性炭上に前
記金属塩としてのハロゲン化マグネシウムを10〜20
wt%付着させることを含む、請求項14記載の方法。 - 【請求項16】 前記基材の表面積が300〜2500
m2/gである、請求項14又は15記載の方法。 - 【請求項17】 前記活性化を少なくとも0.133P
a(10-3torr)の減圧下で行う、請求項14から
16までのいずれか一つに記載の方法。 - 【請求項18】 前記活性炭基材を前記ハロゲン化マグ
ネシウムを付着させる前に加熱により乾燥させる、請求
項15記載の方法。 - 【請求項19】 バルクコンテナからの、1〜500容
量ppmの水を含有しているハロゲン化水素流を、精製
装置内のハロゲン化マグネシウムを5〜35wt%含む
吸着剤を通過させ、そしてこの精製装置から乾燥したハ
ロゲン化水素を1以上の使用者分配系へ供給することに
より、バルクコンテナで使用者へ供給される、HCl、
HF、HBr、HI及びそれらの混合物からなる群より
選ばれる気体のハロゲン化水素から水を除去する方法で
あって、当該ハロゲン化マグネシウムにおけるハロゲン
は当該気体のハロゲン化水素のハロゲンであり、このハ
ロゲン化マグネシウムは、 活性炭基材を減圧条件にさらす工程、 この減圧条件下で当該活性炭基材に5〜35wt%のハ
ロゲン化マグネシウムを付着させて吸着剤を作る工程、 活性炭に担持された当該ハロゲン化マグネシウムを乾燥
させる工程、及び270℃(518°F)〜400℃
(752°F)の温度に加熱して当該吸着剤を活性化さ
せる工程、を含む工程により調製された活性炭基材上に
担持されている、気体ハロゲン化水素から水を除去する
方法。
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