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寧波純水設(shè)備解讀:改性生物炭在實際重金屬廢水中的應(yīng)用研究

2020/4/18 13:59:09      點擊:

上海水處理設(shè)備網(wǎng)www.ppyswfy.cn】近年來,將生物質(zhì)廢物通過熱解炭化轉(zhuǎn)化為生物炭、生物油和生物氣的技術(shù)受到廣泛關(guān)注。生物炭被發(fā)現(xiàn)具有固碳減排、促進(jìn)植物生長,固持土壤肥力,吸附重金屬等多重環(huán)境效益。

其中,由于重金屬對人體的高危害以及對環(huán)境質(zhì)量的破壞性,將生物炭用以凈化廢水中的重金屬,受到學(xué)者們廣泛關(guān)注。根據(jù)WebofScienc相關(guān)統(tǒng)計,2010—201910年,有超過7000篇關(guān)于生物炭固定重金屬(鉛、鎘、鋅、銅、鉻與砷)論文發(fā)表,且論文發(fā)表數(shù)量每年遞增(1

然而,關(guān)于生物炭的基本性質(zhì)及其對不同重金屬的固定機(jī)理缺乏系統(tǒng)總結(jié),而針對復(fù)合生物炭固定重金屬的設(shè)計原理也少有提及。基于此,本文對生物炭的基本結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及固定重金屬的機(jī)理做出概述,討論復(fù)合生物炭的設(shè)計及其對重金屬固定強(qiáng)化效果,并對生物炭用以凈化廢水重金屬的未來研究與挑戰(zhàn)進(jìn)行展望。

Part1生物質(zhì)轉(zhuǎn)化生物炭過程中結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化

生物炭是利用生物質(zhì)殘體在缺氧環(huán)境中經(jīng)過熱化學(xué)反應(yīng)形成的富碳產(chǎn)物,近年來因其潛在固碳能力、土壤改良功能、污染物修復(fù)功能等受到廣泛關(guān)注。生物炭通常于350750℃溫度內(nèi)熱解制備得到其具有如下理化特征:比表面積約10600m2/g大多為介孔結(jié)構(gòu),孔內(nèi)粗糙無序;外表形成攜帶負(fù)電荷的官能團(tuán)如羧基、酚/氫醌類物質(zhì)等;同時又富含礦物質(zhì),如KCaMgFeP等。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物炭過程中,形成的孔道結(jié)構(gòu)、外表官能團(tuán)以及礦物組分都會顯著影響生物炭對廢水中不同重金屬的固定能力。

1.1孔結(jié)構(gòu)的形成

生物炭的比外表積與孔道結(jié)構(gòu)受到熱解溫度的影響。一般而言,生物炭的比外表積隨著熱解溫度的上升而不斷上升,特別是當(dāng)熱解溫度超過500℃時,生物炭的比外表積出現(xiàn)顯著上升。較高熱解溫度時,生物質(zhì)原材料中的脂肪族外表官能團(tuán)被破壞,并在外表形成一定的類石墨結(jié)構(gòu),進(jìn)而導(dǎo)致了生物炭的比外表積增大。Keiluweit等的研究發(fā)現(xiàn),木質(zhì)類以及草類生物炭的比外表積隨著熱解溫度由1.61.8m2/g上升至139347m2/g生物炭的比外表積一般與其外表的孔體積成正比。除了熱解溫度,生物質(zhì)的原材料也會影響其比外表積與孔結(jié)構(gòu),糞便基生物炭的比外表積與孔數(shù)量一般小于木制類或是草類生物炭。

Zhao等研究了不同生物質(zhì)原料在500℃熱解制備得到生物炭的比表面積,結(jié)果顯示糞便生物炭的比外表積僅為21.947.4m2/g遠(yuǎn)低于木屑生物炭的比表面積(233m2/g造成這一現(xiàn)象的可能原因是糞便中較低的碳含量,這使得其在熱解過程難以形成孔結(jié)構(gòu),進(jìn)而導(dǎo)致較低的比表面積。此外,糞便生物炭中較高的礦物含量可能也會占據(jù)生物炭的孔結(jié)構(gòu),進(jìn)而導(dǎo)致比表面積的降低。生物炭的比外表積與孔結(jié)構(gòu)都會顯著影響生物炭對水體重金屬的吸附固定能力與吸附機(jī)制。

1.2外表官能團(tuán)的形成

生物炭具有豐富的外表含氧官能團(tuán),包括羧基、羥基、醚基等。生物炭外表官能團(tuán)主要通過生物質(zhì)原料熱解過程中,木質(zhì)素與纖維素等轉(zhuǎn)化而形成的熱解條件以及生物質(zhì)原材料顯著影響了生物炭外表官能團(tuán)的組成與含量。較低熱解溫度下(<600℃)生物炭外表官能團(tuán)主要以羥基、酚羥基以及羧基為主,但隨著熱解溫度的不時提升,生物炭外表官能團(tuán)不斷脫氧、脫水縮聚,形成羰基及醌基等官能團(tuán)。Zhang等的研究發(fā)現(xiàn),隨著熱解溫度的上升,生物炭表面的酚羥基轉(zhuǎn)化為醌基等官能團(tuán)。

Xu等通過研究花生殼生物炭外表官能團(tuán)隨熱解溫度的變化也證明了這一結(jié)論,較低熱解溫度時,生物炭外表主要為羥基等官能團(tuán),而隨著熱解溫度的不時上升,生物炭外表脂肪族官能團(tuán)含量降低,并形成更多的芳香性共軛官能團(tuán)。生物炭的原材料也會顯著地影響其外表官能團(tuán)組成。一般而言,糞便基生物炭外表官能團(tuán)含量顯著低于植物基生物炭。Xu等研究了350℃熱解制備得到木屑生物炭以及牛糞生物炭外表官能團(tuán)含量,結(jié)果顯示,木屑生物炭外表含有更為豐富的羧基等含氧官能團(tuán),而牛糞生物炭外表僅含有一定量的羥基以及羰基官能團(tuán)。生物炭外表官能團(tuán)可以為生物炭固定重金屬提供了活性位點,通過絡(luò)合的方式結(jié)合固定水體重金屬。此外,近年來的研究發(fā)現(xiàn),生物炭的官能團(tuán)可能起到電子供體的作用,進(jìn)而可以通過還原穩(wěn)定化的方式固定變價重金屬鉻。

1.3礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化

生物炭中的礦物質(zhì)主要來源于其原材料中的內(nèi)源礦物組分,與生物質(zhì)原材料的種類高度相關(guān)。污泥基生物炭的礦物含量一般高于30%有時可以達(dá)到90%而糞便基生物炭也含有20%80%礦物含量。與糞便基以及污泥基生物炭相比,植物基生物炭一般具有較低的礦物含量(<20%

KCaNaMgSi以及P為生物炭中主要的礦物組成。植物基生物炭中的礦物組分主要以鉀以及硅元素為主,一般以SiO2或是KCl等鉀鹽的形式存在而糞便基以及污泥基生物炭中礦物組成更為復(fù)雜,可能含有豐富的CaMgP可能以Ca5PO43OHCaCO3以及KMgPO46H2O等形式存在污泥基生物炭中有時可能含有較為豐富的FeP以及Ca以無定形態(tài)或是礦物態(tài)存在于污泥生物炭內(nèi)。生物炭的熱解溫度也對礦物的組成含量具有影響,隨著熱解溫度的提升,生物炭有機(jī)組分不斷降低,礦物組分相對含量不時提升,且存在著礦物晶型的轉(zhuǎn)化。

Xiao等指出,隨著熱解溫度的上升,生物炭中的礦物組分逐漸由無定形、熱力學(xué)不穩(wěn)定的礦物組分向熱力學(xué)穩(wěn)定,高結(jié)晶度的礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化。以鐵元素為例,低溫?zé)峤庵苽涞玫轿勰嗌锾恐,鐵主要以無定形鐵以及氫氧化鐵為主,而隨著熱解溫度的上升,其會逐漸轉(zhuǎn)化為高穩(wěn)定性的氧化鐵或是磁鐵礦。生物炭中豐富的礦物組成對重金屬的去除往往起到重要的作用。如糞便基生物炭中富含的P可以通過沉淀的方式將水溶態(tài)重金屬轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的沉淀態(tài),進(jìn)而起到去除的作用。

Part2生物炭去除不同重金屬的效果及機(jī)制

生物炭去除水中重金屬往往存在多種耦合的去除機(jī)理,包括共沉淀、官能團(tuán)絡(luò)合、靜電吸附以及離子交換等(2生物炭的內(nèi)源含氧陰離子可以通過沉淀作用固定重金屬,此外,生物炭表面的負(fù)電荷以及官能團(tuán)可以通過靜電吸附以及絡(luò)合作用吸附固定重金屬。生物炭的內(nèi)源陽離子如Ca2+Na+也可以與重金屬發(fā)生離子交換,進(jìn)而固定重金屬。生物炭具有相當(dāng)?shù)倪原活性,也可以通過電子傳送過程還原固定一些氧化態(tài)的重金屬如鉻。人們對去除效果與機(jī)理已有了一定的研究,有了較為深入的認(rèn)識(1

2.1生物炭對鉛(Pb去除

生物炭對廢水中的重金屬Pb具有很好的去除效果,其對Pb2+吸附固定效果最高可以達(dá)到約150mg/g生物炭對Pb固定主要通過共沉淀、離子交換以及官能團(tuán)絡(luò)合吸附去除。糞便基生物炭對Pb去除效果一般優(yōu)于植物基生物炭。生物炭中普遍含有一定量的碳酸鹽,而糞便基或是污泥基生物炭中具有極為豐富的磷酸鹽,這些生物炭內(nèi)源的含氧酸鹽可以通過與Pb共沉淀進(jìn)而起到去除污水中Pb作用。Cao等研究發(fā)現(xiàn),牛糞生物炭中豐富的磷元素可以與Pb形成堿式碳酸鉛或是β-磷酸鉛等形式的沉淀物。Zhang等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),除了磷酸鹽,生物炭內(nèi)源碳酸鹽以及硫酸鹽也可以與Pb形成碳酸鉛或是硫酸鉛等沉淀物,達(dá)到廢水中Pb2+去除。除了通過共沉淀,離子交換以及官能團(tuán)絡(luò)合也是生物炭,特別是植物基生物炭,去除Pb主要固定機(jī)制。Lu等的研究顯示,污泥生物炭可以有效地通過離子交換與絡(luò)合效應(yīng)吸附固定溶液中的寧波純水設(shè)備Pb2+38.2%42.3%Pb2+通過官能團(tuán)絡(luò)合固定而57.7%61.8%Pb2+通過與Ca2+或是Mg2+發(fā)生離子交換而固定?偠灾,生物炭可以通過沉淀、離子交換以及官能團(tuán)絡(luò)合固定重金屬鉛。

2.2生物炭對鎘(Cd去除

生物炭主要通過共沉淀以及官能團(tuán)絡(luò)合完成對Cd去除,其去除機(jī)理與Pb去除機(jī)理相類似。但生物炭對Cd固定效果往往低于PbDing等研究了不同溫度制備得到鳳眼蓮生物炭對PbCd去除效果,發(fā)現(xiàn)生物炭對Cd固定效果遠(yuǎn)弱于Pb不同原材料的生物炭對Cd固定效果以及主要固定機(jī)制存在明顯不同,Xu等研究了牛糞生物炭與木屑生物炭對Cd去除效果與機(jī)制,結(jié)果顯示牛糞生物炭對Cd去除效果優(yōu)于木屑類生物,且兩者的主要去除機(jī)質(zhì)存在明顯的不同。糞便基生物炭富含礦物元素,進(jìn)而通過釋放與和Cd形成磷酸鎘以及碳酸鎘沉淀,完成對Cd固定。而木屑類生物炭表面的羥基以及羧基官能團(tuán)可能通過絡(luò)合作用絡(luò)合固定Cd進(jìn)而完成對Cd去除。生物炭對Cd固定也受到pH顯著影響。較低的pH下,生物炭無法有效地固定Cd而當(dāng)pH值大于5時,生物炭對Cd固定效率顯著提升?傊恋砉潭ㄒ约肮倌軋F(tuán)絡(luò)合是生物炭對于鎘的主要固定機(jī)制。

2.3生物炭對鋅(Zn去除

與生物炭內(nèi)源含氧酸鹽的共沉淀是生物炭與Zn主要固定方式之一。此外,官能團(tuán)絡(luò)合可能是生物炭固定Zn重要固定機(jī)制。Silios-Llama等發(fā)現(xiàn),生物炭表面的羥基與羧基官能團(tuán)是主要的絡(luò)合官能團(tuán),兩者的含量決定了生物炭對重金屬Zn固定效果。Alam等通過紅外光譜以及EXA FS進(jìn)一步證實了這一結(jié)論,Zn與生物炭表面的羧基與羥基形成Zn-O鍵等結(jié)合結(jié)構(gòu)。此外他也發(fā)現(xiàn),生物炭中的Si可能也對Zn固定起到一定的作用,Zn可能與Si結(jié)合,以Zn2SiO4形式固定于生物炭表面。生物炭對廢水Zn固定也受到水體pH影響,較高的pH有利于Zn固定。綜上所述,生物炭通過內(nèi)源含氧酸鹽的共沉淀以及官能團(tuán)絡(luò)合的綜合作用去除重金屬鋅。

2.4生物炭對銅(Cu去除

生物炭通過多種固定機(jī)制耦合去除廢水中的CuWei等發(fā)現(xiàn),生物炭內(nèi)源的以及可能通過共沉淀的方式固定Cu此外,官能團(tuán)絡(luò)合以及離子交換也對Cu固定起到重要的作用。Park等發(fā)現(xiàn),外表吸附以及離子交換是生物炭去除水中Cu固定機(jī)理,而離子交換可能是主要的固定方式。近年來的研究發(fā)現(xiàn),生物炭可能對吸附固定在外表的CuII存在還原作用。生物炭可能作為電子供體提供電子,將吸附在生物炭表面的CuII還原為CuI生物炭表面的羥基可能在這一過程中起到電子供體的作用。生物炭對Cu固定效果受到制備溫度以及反應(yīng)pH影響。Li等發(fā)現(xiàn),較弱的酸性(pH=6以及較高的熱解制備溫度(600700℃)有利于米草以及水葫蘆制備的生物炭對Cu去除效果?傊,沉淀、官能團(tuán)絡(luò)合、離子交換以及還原作用可能都參與了生物炭對重金屬銅的固定去除。

2.5生物炭對鉻(Cr去除

Cr可能同時以CrIIICrVI存在于環(huán)境中。CrVI相較于CrIII具有更高的毒性,并且往往是污水中的主要存在形態(tài)。CrVI以含氧酸鹽的陰離子形態(tài)存在相較于陽離子重金屬,陰離子型CrVI較難與外表負(fù)電荷的生物炭發(fā)生靜電吸附。

Dong等研究發(fā)現(xiàn),較低pH下,生物炭可能可以通過官能團(tuán)絡(luò)合固定溶液中的鉻,導(dǎo)致溶液中的CrVI濃度降低,但是這一固定過程可能是還原過程后發(fā)生的Xu等的研究發(fā)現(xiàn),生物炭在固定CrVI后,外表固定的CrCrIII為主,這標(biāo)明生物炭可能先將CrVI還原為CrIII后,再通過官能團(tuán)或是靜電吸附固定生成的陽離子CrIII生物炭的熱解溫度顯著影響了其還原固定CrVI效果。

Xu等研究了不同熱解溫度花生殼生物炭對CrVI還原穩(wěn)定化效果,結(jié)果顯示,隨著熱解溫度的上升,生物炭對CrVI還原能力先下降后上升,而其對總Cr吸附能力不時上升。這主要歸結(jié)于生物炭隨著熱解溫度外表還原性官能團(tuán)的變化以及不時上升的比表面積。除了單獨作為還原劑以及吸附資料去除CrVI生物炭也可以起到催化劑,催化弱還原劑還原CrVI隨后通過自身的吸附能力進(jìn)一步固定還原發(fā)生的CrIIIXu等的研究標(biāo)明,有機(jī)酸可能可以起到弱電子供體的作用在生物炭的介導(dǎo)下參與還原穩(wěn)定CrVI通過生物炭協(xié)同廢水中的還原性有機(jī)質(zhì)還原穩(wěn)定CrVI可能是具有應(yīng)用前景的污水CrVI修復(fù)手段。綜上所述,生物炭還原CrVI后再通過官能團(tuán)固定還原發(fā)生的CrIII主要的對鉻固定機(jī)制。

2.6生物炭對砷(As去除

絕大多數(shù)植物基生物炭對As固定作用較弱,無法有效地去除廢水中的As去除效率一般小于10mg/g生物炭可能可以通過自身的氧化還原能力改變?nèi)芤褐?span>AsV與AsIII賦存形態(tài),但AsVAsIII都為含氧陰離子型金屬,故較難與負(fù)電荷生物炭發(fā)生吸附。僅有局部研究發(fā)現(xiàn)植物基生物炭,如高溫制備的紫蘇葉生物炭,可以起到對水體As固定作用。污泥基生物炭對廢水中As去除效果優(yōu)于植物基生物炭。污泥在熱解過程中形成的無定形鐵可以通過吸附作用固定As相較于陽離子型重金屬以及易被還原固定的CrVI生物炭自身較難固定溶液中的As通過富含內(nèi)源鐵的污泥生物炭或是通過人為改性生物炭可能是理想的去除溶液As方法。

Part3復(fù)合生物炭的設(shè)計及其對固定重金屬的強(qiáng)化效果

生物炭已經(jīng)被證明對于不同重金屬都具有一定的去除效果。為了進(jìn)一步強(qiáng)化生物炭對重金屬,特別是陰離子型重金屬砷與鉻的去除效果,學(xué)者們通過負(fù)載金屬與生物炭表面,制備得到具有對重金屬高去除能力的復(fù)合生物炭。這種負(fù)載特定的金屬制備復(fù)合生物炭,用以提升固定重金屬能力的設(shè)計在近年來受到學(xué)者們廣泛關(guān)注(2

3.1鐵復(fù)合生物炭強(qiáng)化對As固定作用

通過負(fù)載鐵的過程改性生物炭增強(qiáng)其對As固定作用受到學(xué)者們廣泛關(guān)注。通過鐵改性的過程,可以顯著地增強(qiáng)生物炭的外表電荷,提升生物炭的比外表積以及改變生物炭外表官能團(tuán),鐵復(fù)合生物炭往往具有較強(qiáng)的磁性,進(jìn)而可以通過磁性從廢水中回收固定As后的生物炭。

常用的復(fù)合方法包括溶液浸漬法、共沉淀法以及共熱解法。鐵復(fù)合后的生物炭可以通過靜電吸附、Fe-O-A 成鍵以及外表絡(luò)合等方式固定重金屬AsVWang等通過600℃共熱解松木木屑以及赤鐵礦制備得到γ-Fe2O3負(fù)載的木屑生物炭,發(fā)現(xiàn)其對于水體AsV具有極強(qiáng)的去除作用,生物炭上負(fù)載的γ-Fe2O3顆粒起到吸附位點的作用。

Zhang等通過FeCl3溶液浸漬法同樣制備得到γ-Fe2O3顆粒負(fù)載的生物炭,其可以有效地去除溶液AsV并可以通過磁鐵快速地與溶液分離。除了直接的吸附固定作用,零價鐵復(fù)合的生物炭可能對于AsV具有一定的還原作用。Bakshi等將含鐵礦石與柳枝在900℃共熱解制備得到零價鐵復(fù)合的生物炭,發(fā)現(xiàn)零價鐵在吸附過程中可以將AsV還原為AsIII并進(jìn)一步將其固定在生成的α-/γ-FeOOH上,此外,AsIII可能還會與FeIII形成Fe/A sOOH復(fù)合礦物。

3.2還原性鐵復(fù)合生物炭強(qiáng)化對CrVI還原固定作用

通過負(fù)載還原性鐵,如零價鐵或是氧化亞鐵,用以還原CrVI一種有效的提升生物炭對CrVI還原穩(wěn)定化能力的方法。還原、吸附以及共沉淀是復(fù)合生物炭對CrVI主要固定機(jī)制。復(fù)合生物炭中的還原性鐵可以直接與CrVI發(fā)生氧化還原反應(yīng),還原得到CrIII可以被吸附在生物炭表面或是與Fe形成鐵鉻復(fù)合礦物(Cr2FeO4復(fù)合生物炭中的還原性鐵含量往往決定了其對CrVI固定作用。

Yi等研究了不同生物質(zhì)通過浸漬法制備得到還原性鐵復(fù)合生物炭對CrVI還原固定作用。結(jié)果顯示,生物質(zhì)原料的纖維素含量以及灰分含量決定了制備得到生物炭中的FeII含量,而FeII含量決定了復(fù)合生物炭對CrVI還原固定效果。除了直接與CrVI發(fā)生氧化還原反應(yīng)外,復(fù)合生物炭中的鐵還可能起到催化劑的作用,協(xié)助傳送生物炭上的電子還原CrVI加快生物炭對CrVI還原能力[79-80]

3.3納米顆粒復(fù)合生物炭強(qiáng)化對Pb/Cd/Cu吸附固定作用

納米金屬氧化物顆粒復(fù)合生物炭往往具有較高的比外表積以及反應(yīng)活性,制備納米金屬顆粒復(fù)合生物炭可以通過浸漬后熱解法、熱解后負(fù)載法以及直接熱解富含金屬元素的生物炭三種方法制備得到負(fù)載納米顆粒后的生物炭往往具有較強(qiáng)的吸附能力。寧波純水設(shè)備

Wang等研究發(fā)現(xiàn),負(fù)載納米γ-Fe2O3-SiO2后的樹葉生物炭對水溶液中PbII固定能力大大提升,其最大吸附量由37.40mg/L提升至146.84mg/LZhou等制備了Mn-Fe二元氧化物納米顆粒負(fù)載的生物炭,發(fā)現(xiàn)其對Cu最大吸附量由21.7mg/L提升至64.9mg/L而將其對Cd最大吸附量由28.0mg/L提升至101mg/L負(fù)載納米顆粒提升了生物炭對兩種重金屬的固定效果。納米顆粒提升生物炭對重金屬PbCdCu固定能力有以下3個方面的原因:

1納米金屬氧化物顆?梢源蟠筇嵘龔(fù)合資料的比表面積[84]從而增加生物炭對重金屬的吸附能力;

2納米顆粒的負(fù)載提升了生物炭外表官能團(tuán)的含量,進(jìn)而提升生物炭絡(luò)合固定重金屬的能力;

3納米金屬顆粒可以直接與重金屬成鍵,形成如Fe-O-Cd等結(jié)構(gòu),進(jìn)而完成固定。

Part4總結(jié)與展望

生物質(zhì)熱解轉(zhuǎn)化為生物炭用以去除廢水中的重金屬,可以同時起到廢棄物資源化利用以及重金屬廢水處置的雙重環(huán)境效益。生物炭具有豐富的孔道結(jié)構(gòu)、外表官能團(tuán)以及內(nèi)源礦物組分,可以通過離子交換、外表吸附、官能團(tuán)絡(luò)合、沉淀固定以及還原等方式固定水體重金屬。通過設(shè)計制備復(fù)合生物炭可以有效地提升生物炭對重金屬的固定能力,常用的復(fù)合生物炭設(shè)計包括鐵復(fù)合生物炭固定重金屬砷,還原性鐵復(fù)合生物炭固定重金屬鉻以及納米顆粒復(fù)合生物炭固定重金屬鉛、銅、鎘等。通過設(shè)計復(fù)合生物炭提升其對重金屬的固定效果已成為近年來的研究熱點。

盡管如此,生物炭去除廢水重金屬在實際應(yīng)用過程中仍面對一定的挑戰(zhàn)和問題。

第一,生物炭的原料以及制備條件會顯著地影響生物炭的性質(zhì)以及去除污水重金屬的效果。如何制備標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一、性質(zhì)相對穩(wěn)定的生物炭或是改性生物炭仍需進(jìn)一步的研究。

第二,生物炭的制備工藝仍需進(jìn)一步的研究,目前為止,生物炭的制備往往通過管式爐小批量的生產(chǎn)。大批量生產(chǎn)制備生物炭或是改性生物炭的設(shè)備工藝仍需進(jìn)一步的開發(fā)。

最后,生物炭或是改性生物炭在實際重金屬廢水中的應(yīng)用研究仍然較少,更多的實際廢水處置以及生物炭與現(xiàn)有重金屬廢水處置工藝的耦合處置方式有待進(jìn)一步的探索。

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