CN101468827A - 光催化净水反应系统 - Google Patents
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Abstract
一种光催化净水反应系统,包括光催化反应槽、照明光源、多个光催化剂载体、光催化剂分离槽、无纺布薄膜过滤模块、进流泵及出流泵。照明光源设置于光催化反应槽之中。多个光催化剂载体设置于光催化反应槽之中,并且围绕照明光源。每一光催化剂载体承载有多个光催化剂微粒。光催化剂分离槽与光催化反应槽连通。无纺布薄膜过滤模块设置于光催化剂分离槽之中,用以过滤分离光催化剂微粒。进流泵连接于光催化反应槽,用以将水输送至光催化反应槽之中。出流泵连接于无纺布薄膜过滤模块,用以将水输送至光催化剂分离槽之外。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种光催化净水反应系统,特别是涉及一种可使净水处理效率进一步提高的光催化净水反应系统。
【背景技术】
光催化剂(例如,TiO2)具有环境净化的功能,能发挥除污、抗菌、脱臭等效果。举例来说,当TiO2在水中存在且以适当光线照射时,其表面可产生具有极强氧化力的氢氧自由基(OH),以将附着在TiO2表面的污染物(或有机物)分解成CO2和H2O等最终产物。
将光催化剂应用在污染防治上可说是一种能获得极高清洁度的水或空气的纯化技术。光催化剂应用于水处理时,其可以是一种有效且安全的氧化方法,并可取代臭氧、氯气等来进行水中去除污染物及杀菌的作用。换言之,当光催化剂应用于水处理时,其基本上亦可称为是一种以氢氧自由基为氧化剂的高级氧化技术(advanced oxidation technology,AOT)。举例来说,水回收再利用或高纯度水的处理皆可以通过光催化剂的应用而实现。
一般来说,当光催化剂实际应用于水处理时,光催化剂可以固定于载体材料(carrier material)上或以悬浮方式分散于水中。
就光催化剂固定于载体材料上的技术而言,其应用装置一般称为载体式光催化反应器(carrier photocatalytic reactor,CPR)。载体材料是以适当的材料制造成特定的形状,而光催化剂微粒可利用物理或化学方法固定在载体材料的表面上,以进行光催化反应。如上所述,由于光催化剂微粒是固定在载体材料的表面上,故光催化剂微粒与水分离的技术问题便可以简化。
另一方面,就光催化剂以悬浮方式分散于水中的技术而言,其应用装置一般称为悬浮式光催化反应器(slurry photocatalytic reactor,SPR)。如上所述,由于光催化剂微粒是分散于水中,故光催化剂微粒与水分离的技术问题会较为复杂。上述光催化剂微粒与水分离的技术一般是采用传统的沉降法(sedimentation)、浮选法(flotation)或薄膜过滤法(membrane filtration)等。就薄膜过滤法而言,薄膜可作为具有过滤效果的光催化剂阻隔体(barrier)。目前的薄膜形式可分为超过滤薄膜或微过滤薄膜。然而,由于超过滤薄膜及微过滤薄膜皆属于微孔性(micro-porous)薄膜,故实际应用上会具有成本高、操作压力高、操作维护复杂等缺点。更详细地来说,光催化剂微粒常会堵塞薄膜表面上的微孔,因而会使得薄膜的过滤通量降低,进而会使得薄膜的透膜压力升高。因此,为了提高薄膜的过滤通量,薄膜必须经常更换,如此就会使水处理成本增加。
此外,就现有将薄膜组合于光催化反应器的技术而言,其可大致分为薄膜设置于光催化反应器的外部或内部两种形式。就薄膜设置于光催化反应器的外部来说,由于薄膜不会直接被光源(紫外线)所照射,故其材料选择的空间比较大,因而使得商业化的可能性较高。然而,就薄膜设置于光催化反应器的内部来说,由于薄膜会直接被光源(紫外线)所照射,故其材料的光分解稳定性就很重要。此时,薄膜材料的选择范围会较小,因而常会导致处理成本的增加。
有鉴于此,本发明的目的是要提供一种光催化净水反应系统,其可以低成本及简易的方式达成净水处理功效。
【发明内容】
为了要解决上述的问题,本发明基本上采用如下所详述的特征。也就是说,本发明包括:光催化反应槽;至少一个照明光源,设置于该光催化反应槽之中;多个光催化剂载体,设置于该光催化反应槽之中,并且围绕该照明光源,其中,每一光催化剂载体承载有多个光催化剂微粒;光催化剂分离槽,连通于该光催化反应槽;无纺布(nonwoven)薄膜过滤模块,设置于该光催化剂分离槽之中,用以过滤分离该光催化剂微粒;进流泵,连接于该光催化反应槽,用以将水输送至该光催化反应槽之中,以及出流泵,连接于该无纺布薄膜过滤模块,用以将水输送至该光催化剂分离槽之外。
同时,根据本发明的光催化净水反应系统,还包括空气泵及第一空气分布器,其中,该空气泵连接于该第一空气分布器,以及该第一空气分布器设置于该光催化剂分离槽之中,并且位于该无纺布薄膜过滤模块之下。
另外,在本发明中,还包括第二空气分布器,其中,该第二空气分布器连接于该空气泵,并且设置于该光催化反应槽之中。
另外,在本发明中,该第二空气分布器位于该光催化剂载体之下。
另外,在本发明中,该照明光源所发出的光线的波长介于250nm与500nm之间。
另外,在本发明中,每一光催化剂载体的大小(size)介于1mm与30mm之间。
另外,在本发明中,每一光催化剂载体由无纺布所制成。
另外,在本发明中,每一光催化剂载体由压克力(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PC)、聚酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或聚四甲基戊烯(TPX)所制成。
另外,在本发明中,该无纺布薄膜过滤模块由多个无纺布薄膜组合而成,以及每一无纺布薄膜中的孔隙的大小介于0.03μm与30μm之间。
另外,在本发明中,每一无纺布薄膜由压克力(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PC)、聚酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或聚四甲基戊烯(TPX)所制成。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂,下文特举优选实施例并结合附图做详细说明。
【附图说明】
图1显示本发明的第一个实施例的光催化净水反应系统的侧视示意图;
图2显示本发明的第一个实施例的光催化净水反应系统的光催化反应槽及光催化剂分离槽的俯视示意图;
图3显示本发明的第二个实施例的光催化净水反应系统的侧视示意图;以及
图4显示本发明的第二个实施例的光催化净水反应系统的光催化反应槽及光催化剂分离槽的俯视示意图。
【主要附图标记说明】
100、200~光催化净水反应系统 160、250~进流泵
110、210~光催化反应槽 170、260~出流泵
111、211~第一槽区 180、280~空气泵
112、212~第二槽区 191、291~第一空气分布器
113、213~第三槽区 192、292~第二空气分布器
114、214~第四槽区 215~第五槽区
120、220~照明光源 270~回流泵
130~光催化剂载体 L~灯管
140、230~光催化剂分离槽 S~光催化剂悬浮溶液
150、240~无纺布薄膜过滤模块
【具体实施方式】
现结合附图说明本发明的优选实施例。
第一实施例
请参阅图1,本实施例的光催化净水反应系统100亦可称为载体式光催化净水反应系统,并且主要包括:光催化反应槽110、两个照明光源120、多个光催化剂载体130、光催化剂分离槽140、无纺布薄膜过滤模块150、进流泵160、出流泵170、空气泵180、第一空气分布器191及多个第二空气分布器192。
在本实施例中,光催化反应槽110可以被分割成第一槽区111、第二槽区112、第三槽区113及第四槽区114。第一槽区111、第二槽区112、第三槽区113及第四槽区114内可容纳有待净化处理的水、污水或废水等。
两个照明光源120设置于光催化反应槽110之中。更详细地来说,两照明光源120分别是设置于第一槽区111与第二槽区112之间以及第三槽区113与第四槽区114之间。此外,如图2所示,每一个照明光源120乃是由多个灯管L所构成。在本实施例中,两照明光源120或多个灯管L所发出的光线的波长乃介于250nm与500nm之间。
如图1及图2所示,多个光催化剂载体130设置于光催化反应槽110之中,并且多个光催化剂载体130围绕着两个照明光源120。更详细地来说,多个光催化剂载体130分别设置于光催化反应槽110的第一槽区111、第二槽区112、第三槽区113及第四槽区114之中,因而围绕着两个照明光源120。每一个光催化剂载体130皆承载有多个光催化剂微粒(未显示),而这些光催化剂微粒可以是大小介于0.005μm与10μm之间的TiO2。此外,每一个光催化剂载体130的大小介于1mm与30mm之间,并且其可以由压克力、聚苯乙烯、聚乙烯、聚酯、聚丙烯、聚乙烯或聚四甲基戊烯等无纺布材料所制成。如上所述,由于无纺布材料的纤维构成了多孔性的结构,故光催化剂微粒可以被固定于光催化剂载体130之中。也就是说,光催化剂微粒可以预先被固定于光催化剂载体130之中,如此即会使得光催化反应槽110中的悬浮光催化剂微粒的数量或浓度明显减少。
光催化剂分离槽140是连通于光催化反应槽110。更详细地来说,光催化剂分离槽140是连通于光催化反应槽110的第四槽区114。
无纺布薄膜过滤模块150设置于光催化剂分离槽140之中,并且无纺布薄膜过滤模块150可以由多个无纺布薄膜(未显示)组合而成。更详细地来说,每一个无纺布薄膜可以由压克力、聚苯乙烯、聚乙烯、聚酯、聚丙烯、聚乙烯或聚四甲基戊烯所制成,并且每一个无纺布薄膜中的孔隙的大小介于0.03μm与30μm之间。如上所述,由于无纺布材料具有多层纤维不规则交错的构造(也就是说,无纺布材料内纤维互相交错,形成不规则且互通的弯曲孔隙路径),故其可提供截留(interception)、碰撞(inertialimpaction)及布朗扩散(Brownian diffusion)等过滤机制。因此,无纺布材料不但能拦截比其孔隙还小很多的粒子,而且还能同时保持良好的流通性。
如图1所示,进流泵160是连接于光催化反应槽110,其乃是用来将待净化处理的水、污水或废水输送至光催化反应槽110之中。在本实施例中,进流泵160连接于光催化反应槽110的第一槽区111。
出流泵170连接于设置在光催化剂分离槽140中的无纺布薄膜过滤模块150,其乃是用来将已经净化处理的水输送至光催化剂分离槽140(或光催化净水反应系统100)之外。
空气泵180连接于第一空气分布器191及多个第二空气分布器192。
第一空气分布器191设置于光催化剂分离槽140之中,并且第一空气分布器191位于无纺布薄膜过滤模块150之下。
多个第二空气分布器192设置于光催化反应槽110之中,其可将空气(或氧气)提供至光催化反应槽110内的待净化处理的水、污水或废水中,以利于光催化反应的进行。更详细地来说,多个第二空气分布器192分别设置于光催化反应槽110的第一槽区111、第二槽区112、第三槽区113及第四槽区114之中,并且多个第二空气分布器192皆位于光催化剂载体130之下。
接下来说明以光催化净水反应系统100进行净水处理的运作方式。
首先,待净化处理的水、污水或废水通过进流泵160抽送至光催化反应槽110之中。值得注意的是,待净化处理的水、污水或废水会以纵向折流的方式依序流经第一槽区111、第二槽区112、第三槽区113及第四槽区114。在此,水中的污染物(或有机物)会附着于光催化剂载体130中的光催化剂微粒(TiO2)的表面上。当光催化剂微粒(TiO2)受到照明光源120所发出的光线照射时,光催化剂微粒(TiO2)的表面会产生具有极强氧化力的氢氧自由基,以将附着在其表面上的污染物(或有机物)分解成CO2和H2O等最终产物。
接着,经光催化反应所净化处理的水会经由光催化反应槽110的第四槽区114流至光催化剂分离槽140之中。此时,光催化剂分离槽140中的水通常会悬浮有少量的光催化剂微粒(TiO2)。因此,当出流泵170从无纺布薄膜过滤模块150抽出已净化处理的水时,通过无纺布薄膜过滤模块150(或无纺布薄膜)的拦截,光催化剂微粒(TiO2)即可从已净化处理的水中分离出来,而出流泵170所抽出的水即为不含有光催化剂微粒(TiO2)的澄清处理水。此外,特别是,位于无纺布薄膜过滤模块150下的第一空气分布器191会持续不断地将空气分布扩散于水中,因而形成众多由下往上冲激的气泡。这些由下往上冲激的气泡会在无纺布薄膜过滤模块150(或无纺布薄膜)的表面处形成垂直流向(cross flow)的剪切力(shear force),以将光催化剂微粒(TiO2)带离于无纺布薄膜过滤模块150(或无纺布薄膜)的表面。因此,光催化剂微粒(TiO2)不至于过量积滞于无纺布薄膜过滤模块150(或无纺布薄膜)的表面处,因而可使得整个无纺布薄膜过滤模块150在滤除光催化剂微粒(TiO2)的同时仍能保持稳定的滤液通量及透膜压力。
第二实施例
请参阅图3,本实施例的光催化净水反应系统200亦可称为悬浮式光催化净水反应系统,并且主要包括:光催化反应槽210、四个照明光源220、光催化剂分离槽230、无纺布薄膜过滤模块240、进流泵250、出流泵260、回流泵270、空气泵280、第一空气分布器291及多个第二空气分布器292。
在本实施例中,如图4所示,光催化反应槽210可以被分割成第一槽区211、第二槽区212、第三槽区213、第四槽区214及第五槽区215。第一槽区211、第二槽区212、第三槽区213、第四槽区214及第五槽区215内容纳有光催化剂悬浮溶液S。在此,光催化剂悬浮溶液S含有多个光催化剂微粒(未显示),而这些光催化剂微粒可以是大小介于0.005μm与10μm之间的TiO2。
四个照明光源220设置于光催化反应槽210之中,并且四个照明光源220被光催化剂悬浮溶液S所围绕。更详细地来说,四个照明光源220是以大致交错的方式分别设置于第一槽区211与第二槽区212之间、第二槽区212与第三槽区213之间、第三槽区213与第四槽区214之间以及第四槽区214与第五槽区215之间。此外,如图4所示,每一个照明光源220乃是由多个灯管L所构成。在本实施例中,照明光源220或灯管L所发出的光线的波长乃是介于250nm与500nm之间。
光催化剂分离槽230是连通于光催化反应槽210,并且光催化剂分离槽230内亦容纳有光催化剂悬浮溶液S。更详细地来说,光催化剂分离槽230是连通于光催化反应槽210的第五槽区215。
无纺布薄膜过滤模块240设置于光催化剂分离槽230之中,并且无纺布薄膜过滤模块240可以由多个无纺布薄膜(未显示)组合而成。更详细地来说,每一个无纺布薄膜可以由压克力、聚苯乙烯、聚乙烯、聚酯、聚丙烯、聚乙烯或聚四甲基戊烯所制成,并且每一个无纺布薄膜中的孔隙的大小介于0.03μm与30μm之间。如上所述,由于无纺布材料具有多层纤维不规则交错的构造(也就是说,无纺布材料内纤维互相交错,形成不规则且互通的弯曲孔隙路径),故其可提供截留(interception)、碰撞(inertial impaction)及布朗扩散(Brownian diffusion)等过滤机制。因此,无纺布材料不但能拦截比其孔隙还小很多的粒子,而且还能同时保持良好的流通性。
如图3所示,进流泵250连接于光催化反应槽210,其乃是用来将待净化处理的水、污水或废水输送至光催化反应槽210之中。在本实施例中,进流泵250是连接于光催化反应槽210的第一槽区211。
出流泵260连接于设置于光催化剂分离槽230中的无纺布薄膜过滤模块240,其乃是用来将已经净化处理的水输送至光催化剂分离槽230(或光催化净水反应系统200)之外。
回流泵270连接于光催化剂分离槽230与光催化反应槽210的第一槽区211之间,其乃是用来使光催化剂悬浮溶液S从光催化剂分离槽230回流至光催化反应槽210的第一槽区211之中。
空气泵280连接于第一空气分布器291及多个第二空气分布器292。
第一空气分布器291设置于光催化剂分离槽230之中,并且第一空气分布器291位于无纺布薄膜过滤模块240之下。
多个第二空气分布器292设置于光催化反应槽210中的光催化剂悬浮溶液S之中,其可将空气(或氧气)提供至光催化反应槽210内的光催化剂悬浮溶液S中,以利光催化剂微粒(TiO2)均匀悬浮于光催化剂悬浮溶液S之中,进而促进光催化反应的进行。更详细地来说,多个第二空气分布器292分别设置于光催化反应槽210的第一槽区211、第二槽区212、第三槽区213、第四槽区214及第五槽区215之中。
接下来说明以光催化净水反应系统200进行净水处理的运作方式。
首先,待净化处理的水、污水或废水通过进流泵250抽送至光催化反应槽210之中,并与光催化剂悬浮溶液S混合。值得注意的是,光催化剂悬浮溶液S会以横向折流的方式依序流经第一槽区211、第二槽区212、第三槽区213、第四槽区214及第五槽区215。在此,光催化剂悬浮溶液S中的污染物(或有机物)会附着在光催化剂微粒(TiO2)的表面上。当光催化剂微粒(TiO2)受到照明光源220所发出的光线照射时,光催化剂微粒(TiO2)的表面会被激发产生具有极强氧化力的氢氧自由基,以将附着在其表面上的污染物(或有机物)分解成CO2和H2O等最终产物。
接着,经光催化反应所净化处理的光催化剂悬浮溶液S会经由光催化反应槽210的第五槽区215流至光催化剂分离槽230之中。此时,光催化剂分离槽230中的光催化剂悬浮溶液S通常会悬浮有大量的光催化剂微粒(TiO2)。因此,当出流泵260从无纺布薄膜过滤模块240抽出已净化处理的水时,通过无纺布薄膜过滤模块240(或无纺布薄膜)的拦截,光催化剂微粒(TiO2)即可从光催化剂悬浮溶液S中分离出来,而出流泵260所抽出的水即为不含有光催化剂微粒(TiO2)的澄清处理水。同样地,位于无纺布薄膜过滤模块240下的第一空气分布器291会持续不断地将空气分布扩散于光催化剂悬浮溶液S中,因而形成众多由下往上冲激的气泡。这些由下往上冲激的气泡会在无纺布薄膜过滤模块240(或无纺布薄膜)的表面处形成垂直流向(cross flow)的剪切力(shear force),以将光催化剂微粒(TiO2)带离于无纺布薄膜过滤模块240(或无纺布薄膜)的表面。因此,光催化剂微粒(TiO2)不至于过量积滞于无纺布薄膜过滤模块240(或无纺布薄膜)的表面处,因而可使得整个无纺布薄膜过滤模块240在滤除光催化剂微粒(TiO2)的同时仍能保持稳定的滤液通量及透膜压力。
在另一方面,回流泵270可使光催化剂悬浮溶液S从光催化剂分离槽230回流至光催化反应槽210的第一槽区211之中,如此一来,光催化剂分离槽230中的光催化剂悬浮溶液S中的光催化剂微粒(TiO2)的浓度或数量便不至于过高,以及光催化反应槽210中的光催化剂悬浮溶液S中的光催化剂微粒(TiO2)的浓度或数量可以获得平衡,以利于光催化反应槽210中的光催化反应继续进行。
综上所述,本发明所披露的光催化净水反应系统可具有以下优点:
(1)由于无纺布薄膜过滤模块在滤除光催化剂微粒的同时仍能保持稳定的滤液通量及透膜压力,故光催化净水反应系统的净水处理效率可以提高。
(2)光催化剂微粒与水或光催化剂悬浮溶液的分离可以轻易达成,因而可获得品质良好的净化水。
(3)由于光催化净水反应系统的净水处理效率可以提高,故其可以在高水力负荷下运作。
(4)由于无纺布薄膜过滤模块(或无纺布薄膜)的价格低廉且可连续使用,故可降低光催化净水反应系统的整体运作成本。
虽然本发明已以优选实施例披露如上,然其并非用以限定本发明,任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,应可作任意的更改与润饰,因此本发明的保护范围应以所附权利要求限定的范围为准。
Claims (16)
1.一种光催化净水反应系统,包括:
光催化反应槽;
至少一个照明光源,设置于该光催化反应槽之中;
多个光催化剂载体,设置于该光催化反应槽之中,并且围绕该照明光源,其中,每一光催化剂载体承载有多个光催化剂微粒;
光催化剂分离槽,连通于该光催化反应槽;
无纺布薄膜过滤模块,设置于该光催化剂分离槽之中,用以过滤分离该光催化剂微粒;
进流泵,连接于该光催化反应槽,用以将水输送至该光催化反应槽之中,以及
出流泵,连接于该无纺布薄膜过滤模块,用以将水输送至该光催化剂分离槽之外。
2.如权利要求1所述的光催化净水反应系统,还包括空气泵及第一空气分布器,其中,该空气泵连接于该第一空气分布器,以及该第一空气分布器设置于该光催化剂分离槽之中,并且位于该无纺布薄膜过滤模块之下。
3.如权利要求2所述的光催化净水反应系统,还包括第二空气分布器,其中,该第二空气分布器连接于该空气泵,并且设置于该光催化反应槽之中。
4.如权利要求3所述的光催化净水反应系统,其中,该第二空气分布器位于该光催化剂载体之下。
5.如权利要求1所述的光催化净水反应系统,其中,该照明光源所发出的光线的波长介于250nm与500nm之间。
6.如权利要求1所述的光催化净水反应系统,其中,每一光催化剂载体的大小介于1mm与30mm之间。
7.如权利要求1所述的光催化净水反应系统,其中,每一光催化剂载体由无纺布所制成。
8.如权利要求1所述的光催化净水反应系统,其中,每一光催化剂载体由压克力、聚苯乙烯、聚乙烯、聚酯、聚丙烯、聚乙烯或聚四甲基戊烯所制成。
9.如权利要求1所述的光催化净水反应系统,其中,该无纺布薄膜过滤模块由多个无纺布薄膜组合而成,以及每一无纺布薄膜中的孔隙的大小介于0.03μm与30μm之间。
10.如权利要求9所述的光催化净水反应系统,其中,每一无纺布薄膜由压克力、聚苯乙烯、聚乙烯、聚酯、聚丙烯、聚乙烯或聚四甲基戊烯所制成。
11.一种光催化净水反应系统,包括:
光催化反应槽,其容纳有光催化剂悬浮溶液,其中,该光催化剂悬浮溶液含有多个光催化剂微粒;
至少一个照明光源,设置于该光催化反应槽之中,并且为该光催化剂悬浮溶液所围绕;
光催化剂分离槽,连通于该光催化反应槽,并且容纳有该光催化剂悬浮溶液;
无纺布薄膜过滤模块,设置于该光催化剂分离槽之中,用以过滤分离该光催化剂悬浮溶液中的该光催化剂微粒;
进流泵,连接于该光催化反应槽,用以将水输送至该光催化反应槽之中;
出流泵,连接于该无纺布薄膜过滤模块,用以将水输送至该光催化剂分离槽之外;以及
回流泵,连接于该光催化剂分离槽与该光催化反应槽之间,用以使该光催化剂悬浮溶液从该光催化剂分离槽回流至该光催化反应槽之中。
12.如权利要求11所述的光催化净水反应系统,还包括空气泵及第一空气分布器,其中,该空气泵连接于该第一空气分布器,以及该第一空气分布器设置于该光催化剂分离槽之中,并且位于该无纺布薄膜过滤模块之下。
13.如权利要求12所述的光催化净水反应系统,还包括第二空气分布器,其中,该第二空气分布器连接于该空气泵,并且设置于该光催化反应槽中的该光催化剂悬浮溶液之中。
14.如权利要求11所述的光催化净水反应系统,其中,该照明光源所发出的光线的波长介于250nm与500nm之间。
15.如权利要求11所述的光催化净水反应系统,其中,该无纺布薄膜过滤模块由多个无纺布薄膜组合而成,以及每一无纺布薄膜中的孔隙的大小介于0.03μm与30μm之间。
16.如权利要求15所述的光催化净水反应系统,其中,每一无纺布薄膜由压克力、聚苯乙烯、聚乙烯、聚酯、聚丙烯、聚乙烯或聚四甲基戊烯所制成。
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CNA2007101601513A CN101468827A (zh) | 2007-12-24 | 2007-12-24 | 光催化净水反应系统 |
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