楊欣欣,徐源來,馬 晨,郭 格,周 芳,池汝安
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纖維狀材料對模擬高放廢液中鈀的吸附行為
楊欣欣1, 2,徐源來1, 2,馬 晨1, 2,郭 格1, 2,周 芳1, 2,池汝安1, 2
(1. 綠色化工過程教育部重點實驗室(武漢工程大學(xué)),武漢 430074;2. 武漢工程大學(xué) 化工與制藥學(xué)院,武漢 430074)
為從高放廢液中分離富集鈀Pd(II),考察纖維狀吸附材料Smopex??102 FG對Pd(II)的靜態(tài)吸附行為,研究HNO3濃度、接觸時間、初始金屬離子濃度、溫度對Pd(II)吸附行為的影響,并考察吸附過程的動力學(xué)和熱力學(xué)。結(jié)果表明:在研究條件下,Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附分配系數(shù)d隨HNO3濃度的減小而逐漸增加,在HNO3濃度為0.001 mol/dm3時,分配系數(shù)d為142.0 cm3/g。Smopex??102 FG吸附Pd(II)的動力學(xué)過程迅速,20 min即達到平衡狀態(tài),且平衡吸附率()皆在70%以上,吸附動力學(xué)符合擬一階和擬二階動力學(xué)模型,理論平衡吸附量與實驗值(e=19.82 mg/g)基本吻合。Weber?Morris粒內(nèi)擴散模型表明,Pd(II)在纖維狀吸附材料Smopex??102 FG的表面和顆粒內(nèi)的擴散共同控制吸附速率。與此同時,隨著初始金屬離子濃度的增大,Smopex??102 FG對Pd(II)的平衡吸附量呈線性增加,而其對Pd(II)的吸附率卻隨之減小,吸附過程遵循Freundlich等溫吸附模型,為優(yōu)惠吸附。從熱力學(xué)實驗結(jié)果可知,該吸附是自發(fā)吸熱過程,溫度升高有利于吸附過程的進行。靜態(tài)吸附實驗表明,纖維狀吸附材料Smopex??102 FG對鈀離子表現(xiàn)出良好的吸附性能,是一種適用于處理高放廢液中Pd(II)的吸附材料。
鈀;纖維狀吸附材料;高放廢液;靜態(tài)吸附;動力學(xué);熱力學(xué)
乏燃料循環(huán)流程產(chǎn)生的高放廢液中含有約15%(質(zhì)量分數(shù))的鉑族金屬(Platinum group metals,PGMs)[1],如何從高放廢液中有效分離鉑族金屬一直是國際核科學(xué)與技術(shù)前沿領(lǐng)域的熱點和難點問題?;跍p少放射性廢物總量、充分利用稀有貴金屬資源并解決乏燃料后處理流程中Pd離子沉淀堵塞管道[2]等技術(shù)難題,急需從高放廢液中分離鉑族金屬。
另外Pd、Rh、Ru等鉑族裂片元素中大多數(shù)為半衰期很短的核素[3],經(jīng)過一定的衰減就可應(yīng)用于一般工業(yè)。鉑族金屬的自然儲量很有限[4?5],在我國屬于急缺礦產(chǎn),我國鉑族金屬的自然儲量僅是世界的0.3%[6]。鉑族金屬由于其獨特的物理、化學(xué)性質(zhì)使得其在現(xiàn)代工業(yè)和國防建設(shè)中占據(jù)舉足輕重的地位。隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,各個行業(yè)對鉑族金屬的需求量與日俱增[7]。目前,針對鉑族金屬分離的主要方法有沉淀[8]、電解[9]、溶劑萃取[10?14]、離子交換[15?16]、分子識別技術(shù)[17]、萃取色層[18?19]等方法。萃取色層法因產(chǎn)生的二次廢物極少,故在放射性廢物處理領(lǐng)域有極大優(yōu)勢,與溶劑萃取法相比,萃取色層法具備操作簡單、設(shè)備緊湊以及有機溶劑使用量少等諸多優(yōu)點。本文作者針對高放廢液中鉑族金屬含量較高的Pd離子,運用萃取色層法,通過靜態(tài)批次實驗,考察Pd(II)在纖維狀吸附材料Smopex??102 FG上的吸附行為,確定從模擬高放廢液中分離Pd(II)的最佳工藝,并計算出吸附過程的動力學(xué)和熱力學(xué)等參數(shù)。
實驗所用的主要儀器設(shè)備有:原子吸收分光光度計(SOLAAR.M6,美國熱電);紫外可見分光光度計(UV?2450,日本島津儀器有限公司);恒溫搖床(MMS?1,東京理化器械株式會社);電子分析天平(EL204,梅特勒?托利多儀器(上海)有限公司);循環(huán)—水式多用真空泵(SHZD(III),河南省予華儀器有限公司)。
實驗所用的試劑有:纖維狀吸附材料Smopex??102 FG(購買于日本和光純藥工業(yè)株式會社),使用前無預(yù)處理;硝酸鈀(購于阿拉丁,分子式:PdN2·O6·2H2O,18.09%);鈀標準溶液;鹽酸、硝酸等試劑均為分析純;實驗所用水為超純水。
采用批次實驗法,考察硝酸濃度、接觸時間、初始金屬離子濃度、溫度對靜態(tài)吸附過程的影響規(guī)律,并計算吸附過程中的動力學(xué)、吸附等溫線、熱力學(xué)等基本參數(shù)。所有的靜態(tài)吸附實驗均在恒溫搖床上進行。將0.1 g纖維狀吸附材料Smopex??102 FG與5 cm3含有不同Pd(II)濃度或酸度的硝酸溶液混合于10 cm3玻璃瓶中(固液比恒定為1 g:50 cm3),在恒溫搖床上振蕩規(guī)定時間,真空抽濾,將固體相和液體水相分離開。以原子吸收分光光度計、紫外可見分光光度計分析水相中Pd(II)濃度。Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附分配系數(shù)d(cm3/g)、吸附率(%)和吸附量(mmol/g)的計算公式如下:
式中:0、f和e分別為吸附前、吸附后以及達到吸附平衡時液相中Pd(II)的濃度,mg/dm3;為吸附材料的質(zhì)量,g;為用于吸附實驗的含Pd(II)溶液的體積,cm3;為Pd的相對分子質(zhì)量,106.4 g/mol。
圖1(a)和(b)所示分別為不同放大倍數(shù)下纖維狀吸附材料Smopex??102 FG的SEM像,圖1(c)所示為Smopex??102 FG的官能團結(jié)構(gòu)式(丙烯酸)。從SEM像中可以清晰地觀察到Smopex??102 FG的形貌呈規(guī)則緊密的棱柱狀,長度大約為400 um,且形態(tài)均勻。Smopex??102 FG是接枝聚合的聚烯烴類纖維官能團修飾的吸附材料,與一般的玻璃粉狀的吸附劑相比較,它在實際應(yīng)用中不需要特殊的攪拌器,也不會在攪拌過程中影響過濾。因為此吸附材料是纖維狀的,所以它的活性官能團均向外伸展,這一優(yōu)良特性促使其能有效的捕捉水相中的目標金屬離子。
圖1 纖維狀吸附材料Smopex??102 FG的SEM像和硅團結(jié)構(gòu)式
HNO3濃度范圍為0.001~5 mol/dm3,Pd(II)的初始濃度為5 mmol/dm3,溫度為25 ℃,振蕩時間為24 h,纖維狀吸附材料Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附分配系數(shù)d隨HNO3濃度的變化如圖2所示,在HNO3濃度為0.001 mol/dm3時,Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附分配系數(shù)d為142.0 cm3/g。但隨著HNO3濃度的增大,d值呈減小趨勢。引起這一現(xiàn)象的原因,從吸附材料方面來看[20]:當(dāng)HNO3濃度值較高時,溶液中必然存在大量的H+,這就使Smopex??102 FG上的羧基質(zhì)子化生成—COOH,從而減弱了Smopex??102 FG與Pd(II)的螯合能力,同時溶液中過多的H+也可能與Pd(II)發(fā)生競爭吸附,占據(jù)吸附材料上更多地活性位點,當(dāng)HNO3濃度減小時,羧基更易電離生成—COO?而帶負電荷,有利于Pd(II)的吸附;從吸附質(zhì)Pd(II)方面來看[21],金屬離子隨HNO3濃度的不斷增大,水化程度降低,離子半徑減小,表面電勢也發(fā)生變化,導(dǎo)致Pd(II)與—COOH或—COO?的結(jié)合能力也發(fā)生相應(yīng)的變化。以上這些方面的因素分析可能是造成Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附能力在高硝酸濃度下降低的原因。從圖2可以看出當(dāng)HNO3濃度增大到2 mol/dm3時,Smopex??102 FG對Pd(II)幾乎無吸附作用,故高的HNO3濃度不利于吸附過程的進行,但當(dāng)HNO3濃度過小時,考慮到Pd(II)易沉淀,因此以下實驗均采用在0.01 mol/dm3HNO3介質(zhì)中進行。
圖2 HNO3濃度對纖維狀吸附材料Smopex??102 FG吸附Pd(II)的影響
2.3.1 接觸時間對吸附的影響
接觸時間為24 h,溫度為25 ℃,Pd(II)的初始濃度為5 mmol/dm3,以Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附率對時間做圖,以確定Smopex??102 FG對Pd(II)的最佳吸附平衡時間,如圖3所示,在1~10 min 內(nèi)Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附率隨時間增加而不斷增大,這可能是由于在吸附的初始階段,Smopex??102 FG的表面存在大量的活性基團,溶液中的Pd(II)能夠迅速與吸附材料表面的活性位點結(jié)合而被吸附,而在10 min之后,吸附率出現(xiàn)了略微下降的趨勢,這可能是由于溶液中H+和Pd(II)之間存在競爭吸附的緣故,當(dāng)吸附時間到達20 min時,Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附基本趨于平衡,平衡吸附率皆在70%以上,且將吸附時間延長至24 h對吸附率也沒有明顯影響,這可能是隨著吸附時間的延長,Smopex??102 FG吸附的Pd(II)越來越多,導(dǎo)致其表面的活性位點幾乎都被占據(jù),后期的吸附主要是Pd(II)由吸附材料Smopex??102 FG的外表面向內(nèi)部擴散的過程,阻力不斷增大,吸附速率隨之降低,吸附逐漸趨于平衡狀態(tài)。
圖3 時間對纖維狀吸附材料Smopex??102 FG吸附Pd(II)的影響
2.3.2 吸附動力學(xué)模型
動力學(xué)研究不但可以預(yù)測吸附劑和吸附質(zhì)之間的動態(tài)相互作用、吸附質(zhì)的遷移規(guī)律,而且從獲得的動力學(xué)數(shù)據(jù)中可以對吸附機理有一個更深刻的理解。分別采用擬一階動力學(xué)模型[22](見式(4))和擬二階動力學(xué)模型[23?25](見式(5))以及Weber and Morris粒內(nèi)擴散模型[26?28](見式(6))對Smopex??102 FG吸附Pd(II)的動力學(xué)過程進行模擬。如圖4(a)、(b)和(c)所示,具體數(shù)據(jù)見表1。
式中:為吸附時間,min;e、t分別為吸附達到平衡時以及時刻Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附量,mg/g;f為擬一階吸附速率常數(shù),min?1;s為擬二階吸附速率常數(shù),g/(mg·min);id為粒內(nèi)擴散速率常數(shù),mg/(g·min0.5);是與邊界層、厚度相關(guān)的常數(shù),mg/g。
從以上吸附動力學(xué)模型的模擬結(jié)果可以看出,擬一階吸附動力學(xué)模型和擬二階吸附動力學(xué)模型都具有較高的線性相關(guān)性,但與擬一階吸附動力學(xué)擬合結(jié)果相比,擬二階動力學(xué)方程的線性相關(guān)性更好,其線性相關(guān)系數(shù)2=0.9999,而且通過擬二階吸附動力學(xué)方程計算出的理論平衡吸附量e=19.74 mg/g與實驗值e=19.82 mg/g更為接近,說明擬二階吸附模型能更真實的描述纖維狀吸附材料Smopex??102 FG吸附Pd(II)的動力學(xué)行為,則Smopex??102 FG的吸附能力與其表面上的活性位點數(shù)量成正比,此吸附為化學(xué)吸附反應(yīng)過程。
圖4 擬一階、擬二階吸附動力學(xué)擬合曲線以及Weber and Morris粒內(nèi)擴散模型
表1 動力學(xué)模型擬合參數(shù)
擬二階動力學(xué)方程不能確定吸附機理,而粒內(nèi)擴散模型可以用來描述Pd(II)的吸附過程,如圖4(c)所示,圖形由兩條斜率不同的直線組成,顯然兩條直線分別代表了吸附的兩個過程,第一階段的直線表明Pd(II)擴散到吸附材料Smopex??102 FG的表面,即為Pd(II)的表面擴散過程,第二階段的直線表示Pd(II)在吸附材料Smopex??102 FG內(nèi)部空隙擴散,即Pd(II)的顆粒內(nèi)擴散過程。第一階段直線的斜率(id1=2.288 mg/(g·min0.5))遠遠大于第二階段直線斜率(id2=0.0069 mg/(g·min0.5)),表明Pd(II)的表面擴散過程進行的很迅速,而第二階段的直線基本接近水平,說明此吸附在短時間內(nèi)就達到平衡,且延長時間對吸附量幾乎無影響,這與先前得出的結(jié)論是一致的。現(xiàn)假設(shè)控制此吸附過程的唯一步驟是顆粒內(nèi)擴散,那么第二階段的擬合直線必會通過坐標原點,而從圖4(c)中可以看出,直線顯然沒有通過原點,說明顆粒內(nèi)擴散過程并不是控制Smopex??102 FG吸附Pd(II)的唯一步驟,而是由表面擴散和顆粒內(nèi)擴散共同控制的。
2.4.1 初始金屬離子濃度對吸附的影響
接觸時間為24 h,溫度為25 ℃,Pd(II)初始濃度范圍為2.5~45 mmol/dm3,纖維狀吸附材料Smopex??102 FG對不同初始濃度的Pd(II)溶液進行吸附實驗,Smopex??102 FG在不同初始濃度下對Pd(II)的平衡吸附量以及對Pd(II)的吸附率如圖5所示。從圖5中可以看出,隨著溶液中初始Pd(II)濃度的不斷增大,Smopex??102 FG對Pd(II)的平衡吸附量呈線性增加趨勢,且即使當(dāng)溶液中初始鈀離子濃度達45 mmol/dm3時,Smopex??102 FG對鈀離子的吸附依然沒有達到飽和狀態(tài),由此可見纖維狀吸附材料Smopex??102 FG對鈀離子的飽和吸附量較高;另一方面,吸附材料對Pd(II)的吸附率隨溶液中初始Pd(II)濃度的不斷增大而降低,由此可見,當(dāng)溶液中Pd(II)濃度較小時,Smopex??102 FG可較好地吸附Pd(II)。
圖5 初始金屬離子濃度對纖維狀吸附材料Smopex??102 FG吸附Pd(II)的影響
2.4.2 Pd(II)的Freundlich、Langmuir等溫吸附模型
采用Langmuir等溫吸附模型(見式(7))和Freundlich等溫吸附模型[29](見式(8))對等溫吸附過程進行擬合,如圖6(a)和(b)所示,具體結(jié)果見表2。
式中:e、max分別為吸附達到平衡時Smopex??102FG對Pd(II)的吸附量以及Smopex??102 FG對Pd(II)的理論最大吸附量,mmol/g;e為吸附平衡時液相中Pd(II)的濃度,mmol/dm3;L為Langmuir常數(shù),dm3/mmol;F為Freundlich常數(shù),mmol/g;1/為與吸附能力強弱相關(guān)的Freundlich指數(shù)常數(shù)。
Langmuir等溫吸附模型是一個假設(shè)吸附發(fā)生在均一的表面上,且被吸附的分子之間無相互作用的理想吸附模型;而Freundlich模型是一種主要用于非均質(zhì)表面吸附的典型多分子層吸附模型。從圖6和表2可以看出,F(xiàn)reundlich模型對等溫吸附實驗數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果遠優(yōu)于Langmuir等溫吸附模型,其線性相關(guān)系數(shù)2=0.9990。Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附遵循Freundlich等溫吸附模型。1/是與吸附強度相關(guān)的參數(shù),當(dāng)1/小于1時,有利于吸附過程的進行;同時值也常用來判斷吸附的優(yōu)惠性,當(dāng)大于1時,則為優(yōu)惠吸附。顯然,Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附為優(yōu)惠吸附。
圖6 Langmuir和Freundlich等溫吸附模型
表2 纖維狀吸附材料Smopex??102 FG對Pd(II)的等溫吸附方程模擬參數(shù)
接觸時間為24 h,Pd(II)初始濃度為5 mmol/dm3,為確定溫度對吸附過程的影響,分別在288、293、298、303、308、313、318和323 K溫度下進行靜態(tài)吸附實驗。運用范特霍夫方程[30](見式(9))對此熱力學(xué)過程進行擬合,以lnd對?1作圖如圖7所示。
式中:Kd為吸附達平衡狀態(tài)時的分配系數(shù),cm3/g;?SΘ為吸附過程的熵變,J/(mol·K);?HΘ為吸附過程的焓變,kJ/mol;R為氣體常數(shù),R=8.314 J/(mol·K),T為熱力學(xué)溫度,K。
從圖7中可以看出,隨著溫度的升高,纖維狀吸附材料Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附分配系數(shù)增加,所以此吸附過程是吸熱的。為了對吸附過程的熱力學(xué)性質(zhì)有一個更直觀的了解,需計算出幾個與熱力學(xué)相關(guān)的參數(shù):?Θ、?Θ以及?Θ。?Θ和?Θ是根據(jù)圖7擬合直線的斜率和截距分別求出的;?Θ是判斷一個反應(yīng)是否自發(fā)進行最基本的判據(jù),若?Θ小于0,說明在給定的溫度下,該反應(yīng)是自發(fā)進行的,?Θ由式(10)[31]計算得到:
式中:?Θ為吸附過程的吉布斯自由能變,kJ/mol。吸附過程的熱力學(xué)參數(shù)總結(jié)于表3中,從表3中可以看出,?Θ小于0,說明纖維狀吸附材料Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附過程是自發(fā)進行的,?Θ=2.057 kJ/mol,焓變?yōu)檎狄馕吨宋绞且粋€吸熱過程,升高溫度有利于吸附進行,但從圖7中可以看出,直線斜率較小,說明溫度變化對吸附分配系數(shù)影響不大,故在常溫下Smopex??102 FG也可較好的吸附Pd(II),?Θ=47.23 J/(mol·K),表明吸附過程的熵變是增大的。
表3 吸附熱力學(xué)參數(shù)
1) 纖維狀吸附材料Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附性能隨HNO3濃度的減小而逐漸增加,在HNO3濃度為0.001 mol/dm3時,Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附分配系數(shù)d為142.0 cm3/g,此吸附為一個快速吸附過程,20 min即可達到吸附平衡,平衡吸附率皆在70%以上,且延長吸附時間對平衡吸附率沒有明顯影響;隨著Pd(II)初始濃度的增大,纖維狀吸附材料Smopex??102 FG對Pd(II)的平衡吸附量不斷增加,但其對Pd(II)的吸附率卻隨之降低,因此Smopex??102 FG更適用于對低濃度Pd(II)的吸附;溫度升高,Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附能力增加。
2) 動力學(xué)研究表明:纖維狀吸附材料Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附行為符合擬一階和擬二階動力學(xué)模型,分別通過擬一階、擬二階動力學(xué)方程計算出的理論平衡吸附量為20.33 mg/g、19.74 mg/g與實驗值19.82 mg/g非常接近;但擬二階動力學(xué)模型擬合的線性相關(guān)性更高(2=0.9999),且理論平衡吸附量與實驗值也更加吻合。因此,使用擬二階動力學(xué)模型來描述Smopex??102 FG吸附Pd(II)的動力學(xué)行為更為合適。Smopex??102 FG的吸附能力與其表面上的活性位點數(shù)量成正比,此吸附為化學(xué)吸附反應(yīng)過程;Weber?Morris粒內(nèi)擴散模型表明:粒內(nèi)擴散速率常數(shù)id1遠遠大于id2,說明Pd(II)的表面擴散過程進行得很快,更充分地說明此吸附的動力學(xué)過程迅速這一事實;粒內(nèi)擴散模型的擬合直線不通過坐標原點,說明顆粒內(nèi)擴散不是控制纖維狀吸附材料Smopex??102 FG吸附Pd(II)的唯一步驟,而是由表面擴散和粒內(nèi)擴散聯(lián)合控制的。
3) 由等溫吸附模型的擬合結(jié)果可知,Smopex??102 FG對Pd(II)的吸附符合Freundlich等溫吸附模型,線性相關(guān)系數(shù)2=0.9990,且大于1,說明此吸附為優(yōu)惠吸附。熱力學(xué)數(shù)據(jù)?Θ小于0,?Θ大于0,說明反應(yīng)過程是吸熱自發(fā)進行的,升高溫度有利于吸附過程的進行,但溫度對吸附分配系數(shù)影響不大,故在常溫下Smopex??102 FG就可實現(xiàn)對Pd(II)的高效吸附。
4) 本研究為從高放廢液中分離出鈀離子的工業(yè)化生產(chǎn)提供了一種可供選擇的新思路和技術(shù)指導(dǎo)。
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Adsorption behavior of Pd onto fibrous adsorbent from simulated high level liquid waste
YANG Xin-xin1, 2, XU Yuan-lai1, 2, MA Chen1, 2, GUO Ge1, 2, ZHOU Fang1, 2, CHI Ru-an1, 2
(1. Key Laboratory of Green Chemical Process (Wuhan Institute of Technology), Ministry of Education, Wuhan 430074, China; 2. School of Chemical Engineering & Pharmacy, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China)
Adsorption behavior of Pd(II) on fibrous Smopex??102 FG adsorbent was investigated in order to separate and enrich Pd(II) from simulated high level liquid waste. Effects of HNO3concentration, contact time, initial metal ions concentration and temperature on adsorption of Pd(II) using Smopex??102 FG were investigated in HNO3solution, as well as the adsorption characteristics from both kinetics and thermodynamics. The results show that distribution coefficient (d) of Pd(II) increases with the decrease of HNO3concentration anddis 142.0 cm3/g in 0.001 mol/dm3HNO3solution. Pd(II) is absorbed with a rapid kinetics, and reached equilibrium state within 20 min, uptake ratio of Pd(II) is more than 70%. Adsorption behavior is fitted well with the kinetics model of pseudo-first-order and pseudo-second-order, controlled by the combination of film diffusion and intraparticle diffusion. Value of theoretical equilibrium adsorption capacity is similar to measured (e=19.82 mg/g). At the same time, the equilibrium adsorption amount increases but uptake ratio decreases with the increase of initial metal ion concentration. This adsorption process can be described well by Freundlich isothermal model which is a favorable adsorption. From adsorption thermodynamic parameters, it is a spontaneous endothermic process and high temperature is better for adsorption. Fibrous Smopex??102 FG adsorbent will be a promising adsorbent using in partitioning of palladium from high level liquid waste.
palladium; fibrous adsorbent; high level liquid waste; static adsorption; kinetics; thermodynamics
Project(51404172) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2013CFB317) supported by the Natural Science Foundation of Hubei Province, China
2017-06-23;
2018-01-06
XU Yuan-lai; Tel: +86-027-87194980; E-mail: xuyuanlai@163.com
10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.07.19
1004-0609(2018)-07-1453-09
TQ028.3;TL241.1
A
國家自然科學(xué)基金資助項目(51404172);湖北省自然科學(xué)基金資助項目(2013CFB317)
2017-06-23;
2018-01-06
徐源來,特聘教授,博士;電話:027-87194980;E-mail:xuyuanlai@163.com
(編輯 何學(xué)鋒)