CN106170332B - 在进料间隔件内具有限定流动阻力段的螺旋卷绕膜组件 - Google Patents

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Abstract

本文描述了一种调适用于超滤的螺旋卷绕膜组件，该螺旋卷绕膜组件包括至少一个膜包封和围绕中心渗透物管卷绕形成入口卷表面和出口卷表面以及外周边的进料间隔片，其中进料间隔片包括：i)沿着渗透物收集管从入口卷表面朝向出口卷表面延伸的进料入口段，ii)沿着外周边从出口卷表面朝向入口卷表面延伸的进料出口段，以及iii)位于进料入口段和进料出口段之间的中心进料段；并且其中进料入口段在平行于渗透物收集管的方向上具有中值流动阻力，其小于25％的在垂直于渗透物收集管的方向上中心进料段的中值流动阻力。

Description

在进料间隔件内具有限定流动阻力段的螺旋卷绕膜组件
技术领域
本发明一般涉及用于水过滤的螺旋卷绕膜组件。
背景技术
螺旋卷绕膜组件用于多种反渗透和纳米过滤应用；参见例如：US 5458774、US6881336、US 8337698US 20040182774、US 2003/205520、US 2013/146532、US 2014/042080以及US 2014/18134。螺旋卷绕组件以“横向流”模式运行，其中横穿膜表面的进给水具有穿过膜的部分作为“渗透液”。进料溶液通过膜的百分比称为“回收”或“回收率”。根据进料的组合物，以高回收率的运行可导致结垢为盐并且在进料中其它溶解的固体变得浓缩高于其溶解度极限。在住宅RO系统中使用的螺旋卷绕组件通常经设计，回收率在20％至35％之间。以更高回收率(例如高于35％)的运行通常导致结垢为非软化的住宅水源，所述非软化的住宅水源可含有相当大量的钙离子和碳酸氢根离子。
发明内容
本发明为经设计以减缓结垢的螺旋卷绕组件。在一个优选的实施例中，组件(2)包括至少一个膜包封(4)和围绕中心渗透管(8)卷绕形成入口卷表面(30)和出口卷表面(32)以及外周边(38)的进料间隔片(6)。进料间隔片(6)包括：
i)沿着渗透物收集管(8)从入口卷表面(30)朝向出口卷表面(32)延伸的进料入口段(50)，
ii)沿着外周边(38)从出口卷表面(32)朝向入口卷表面(30)延伸的进料出口段(52)，以及
iii)位于进料入口段(50)和进料出口段(52)之间的中心进料段(54)。
进料间隔片(6)的进料入口段(50)在平行于渗透物收集管(8)的方向上具有中值流动阻力，其小于25％的在垂直于渗透物收集管(8)的方向上中心进料段(54)的中值流动阻力。
附图说明
图1为螺旋卷绕膜组件的透视部分剖视图。
图2为部分组装的螺旋卷绕膜组件的透视图。
图3为单独示出螺旋卷绕膜组件的相对卷表面的实施例的透视部分剖视图。
具体实施方式
反渗透(RO)和纳米过滤(NF)为基于膜的分离方法，其中在半渗透膜的一侧对进料溶液施加压力。所施加的压力导致“溶剂”(例如水)穿过膜(即形成“渗透物”)，而“溶质”(例如盐)不能穿过膜并且在剩余进料中浓缩(即形成“浓缩物”溶液)。一旦浓缩超出其溶解度极限，残留的盐(例如CaCO3)开始在膜上形成结垢。此类结垢对于住宅RO系统在高回收率下的长期运行而言尤其成问题。
本发明包括适合用于以高回收率运行的反渗透(RO)和纳米过滤(NF)系统中的螺旋卷绕组件。此类组件包括一个或多个RO或NF膜包封和围绕渗透物收集管卷绕的进料间隔片。用以形成包封的RO膜相对不可渗透几乎全部溶解盐，并且通常阻挡超过约95％的具有单价离子的盐，例如氯化钠。RO膜还通常阻挡超过约95％的无机分子以及分子量大于约100道尔顿的有机分子。NF膜比RO膜更可渗透并且通常阻挡小于约95％的具有单价离子的盐，同时阻挡大于约50％(并且常常大于90％)的具有二价离子的盐，这取决于二价离子的种类。NF膜还通常阻挡在纳米范围内的粒子以及分子量大于约200到500道尔顿的有机分子。出于此说明书的目的，术语“超滤”涵盖RO和NF两者。
代表性螺旋卷绕膜组件一般示出在图1中的2处。组件(2)通过围绕渗透物收集管(8)同心地卷绕一个或多个膜包封(4)和(一或多个)进料间隔片(“进料间隔件”)(6)而形成。每个膜包封(4)优选地包含膜片的两个基本上矩形区段(10，10')。膜片的每个区段(10，10')具有膜或前侧(34)以及支撑或背侧(36)。膜包封(4)是通过上覆膜片(10，10')且对准其边缘而形成。在一个优选的实施例中，膜片的区段(10，10')包围渗透物间隔片(12)。此夹层型结构沿着三个边缘(16，18，20)例如通过密封剂(14)而固定在一起以形成包封(4)，同时第四边缘，即“近端边缘”(22)紧靠渗透物收集管(8)以使得包封(4)的内部部分(以及任选的渗透物间隔件(12))与沿着渗透物收集管(8)的长度延伸的多个开口(24)流体连通。对于膜片的每个区段(10，10')的活性膜区域(25)对应于在运行期间液体可穿过其进入包封(4)中的膜区域；(相比于由粘合剂、胶带等隔离的非活性膜区域(25')使得液体经膜且进入渗透物包封的内部中的流动被阻止)。组件(2)可包括单个包封或多个膜包封(4)，每个包封由进料间隔片(6)分隔开。在所说明的实施例中，膜包封(4)通过接合邻近定位的膜片叶包的背侧(36)表面而形成。膜叶包包含自身折叠以界定两个膜“叶”的基本上矩形膜片(10)，其中每个叶的前侧面(34)彼此面对，且所述折叠与膜包封(4)的近端边缘(22)轴向对准，即与渗透收集管(8)平行。示出进料间隔片(6)位于折叠的膜片(10)的面对的前侧面(34)之间。进料间隔片(6)有助于进料流体流经组件(2)。虽然未示出，但组合件中也可包括额外的中间层。膜叶包和其制造的代表性实例进一步描述在Haynes等人的US 7875177中。
在组件制造期间，渗透物间隔片(12)可围绕渗透物收集管(8)的圆周附接，其中膜叶包交错于其间。邻近定位的膜叶(10，10')的背侧面(36)围绕其周边的部分(16，18，20)密封以封闭渗透物间隔片(12)从而形成膜包封(4)。用于将渗透物间隔片附接到渗透物收集管的合适的技术描述在Solie的US 5538642中。(一或多个)膜包封(4)和(一或多个)进料间隔件(6)围绕渗透物收集管(8)同心地卷绕或“辊压”以形成两个相对的卷表面(入口卷表面(30)和出口卷表面(32))和外周边(38)。所得螺旋束通过胶带或其它方式保持在适当位置。然后可修整组件的卷表面(30，32)并且如在Larson等人的US 7951295中所描述，密封剂可任选地施加在卷表面(30，32)和渗透物收集管(8)之间的接合点处。如在McCollam的US8142588中所描述，不可渗透层如胶带可围绕卷绕组件的圆周卷绕。在替代实施例中，多孔胶带或玻璃纤维涂层可施加到组件的周边。
图1中所示的箭头示出了进料和渗透物通过组件(2)的一般流动方向(26，28)。更具体来说，进料流体从入口卷表面(30)进入组件(2)并且从出口卷表面(32)离开组件。渗透物流体在如由箭头(28)指示的一般垂直于渗透物收集管(8)的方向上沿着渗透物间隔片(12)流动。
为了更好地示出由虚线箭头(48)示出的进料流动路径，组件(2)以包括从渗透物收集管(8)延伸的膜包封(4)和进料间隔片(6)的展开状态示出。进料间隔片(6)优选地包含包括多根交叉长丝的聚合物纤维网或织网材料的片材，与以商品名VEXARTM可购自ConwedPlastics或如Johnson的US 6881336中所描述的那些相似。更具体来说，进料间隔片(6)包括：
i)沿着渗透物收集管(8)从入口卷表面(30)朝向出口卷表面(32)延伸的进料入口段(50)，
ii)沿着外周边(38)(即邻近膜包封(20)的远端边缘)从出口卷表面(32)朝向入口卷表面(30)延伸的进料出口段(52)，以及
iii)位于进料入口段(50)和进料出口段(52)之间的中心进料段(54)。
在一个优选的实施例中，进料间隔片(6)的进料入口段(50)和中心进料段(54)各自具有不同的中值流动阻力；其中术语“流动阻力”是指在25℃下在1cm/秒的水流速度下每单位距离的压力降。更具体来说，进料入口段(50)在平行于渗透物收集管(8)的方向上具有中值流动阻力，其小于25％的在垂直于渗透物收集管(8)的方向上的中心进料段(54)的中值流动阻力。在另一优选的实施例中，进料间隔片(6)的进料出口段(52)也具有小于25％的在垂直于渗透物收集管(8)的方向上中心进料段(54)的中值流动阻力的中值流动阻力。以此方式，进料入口段(50)和出口段(52)有效地充当低阻力流动分配器，用于进料流体流到中心进料段(54)并从中心进料段(54)流动。优选地，当在25℃下以15cm/sec的平均流速测量时，在中心进料段(54)中垂直于渗透物收集管(8)的中值流动阻力大于11.2kPa/m(0.5psi/ft)，更优选大于22.6kPa/m(1psi/ft)或甚至大于45.2kPa/m(2psi/ft)。当在25℃下以15cm/sec的流速测量时，在进料入口段(50)和/或进料出口段(52)中平行于渗透物收集管(8)的中值流动阻力优选小于22.6kPa/m(1.0psi/ft)，更优选小于11.2kPa/m(0.5psi/ft)或甚至小于5.7kPa/m(0.25psi/ft)。
进料间隔片(6)可呈单片形式，其中不同区(进料入口段(50)、进料出口段(52)和中心进料段(54))具有不同的流动阻力，或者可包含可任选地固定在一起以有助于组件装配的单独区。例如，进料间隔片(6)可用具有不同厚度、自由体积、长丝根数、长丝之间的角度和丝束细化的区制得。进料间隔件相对于流动方向(48)的取向还可以用于在规定方向上改变流动阻力。例如，相同的间隔件材料可以在如进料入口段(50)和进料出口段(52)中用于中心进料段(54)内，但是可通过定向单独的长丝(例如在90°处)以在平行于渗透物收集管(8)(即轴X)的方向上改变其流动阻力的方式使其“不同”。优选地，中心进料段(54)含有经定向以在垂直于渗透物管(8)的方向上提供较低流动阻力的织网。优选地，进料入口段(50)和/或进料出口段(52)含有经定向以在平行于渗透物收集管(8)的方向上提供较低流动阻力的织网。
在另一实施例中，平行于渗透物收集管(8)的进料流动阻力可通过改良在整个进料间隔片(6)的一个或多个区中的进料间隔片(6)的部件来降低。例如，可以切出织网在进料入口段(50)和/或进料出口段(52)中的区域。优选地，将移去的区在渗透物收集管(8)的方向上延长并且定向。可替代地，流动通道可以压印于织网中以使在渗透物管(8)方向上更容易流动。在另一替代实施例中，整个间隔片(6)可包括第一间隔片型，并且可以添加较低阻力层以在进料间隔片(6)的进料入口段(50)和进料出口段(52)中的一者或两者中重叠第一间隔片型，从而降低在给出区内的流动阻力。更一般来说，组件(2)可包括位于中心进料段(52)内的第一间隔片型并且进料间隔片(6)的进料入口段(50)或进料出口段(52)可包括第一间隔片型和具有第二间隔片型的重叠第二间隔件型，所述第二间隔片型优选具有比第一间隔片型更小的在平行于渗透物收集管(8)的方向上的中值流动阻力。更优选地，第二间隔片型为经定向具有比在垂直于渗透物收集管(8)的方向上更小的在平行于渗透物收集管(8)的方向上的流动阻力的织网。第二间隔件型可附着于第一间隔片型以辅助组件辊压。进料间隔片(6)的进料入口段(50)和进料出口段(52)示出在图2中，如通过虚线(56，58)与中心进料段(54)分隔开。虽然在图2中未按比例示出，但是进料入口段(50)和进料出口段(52)各自优选包含小于20％(并且更优选小于15％或甚至小于10％)的进料间隔片(6)的总面积，其中中心进料段(54)包含大部分(例如60％、75％、90％等)的总面积。在所示出的优选实施例中，进料入口段(50)和出口段(52)一般为矩形并且分别沿着渗透物收集管(8)和外周边(38)定位。在另一优选的实施例中，进料间隔片(6)的进料出口段(52)的大部分(超过50％的面积)与膜片(10)的非活性膜区域(25')平面接触，优选在活性膜区域(25)和组件外周边(38)之间的位置处。在又一另外的优选实施例中，进料出口段(52)仅在其活性膜区域(25)远端的点处接触膜片(10)的非活性膜区域(25')。
在一个优选的实施例中，流入组件中的进料受限于围绕渗透物收集管(8)同心地定位且与外周边(38)隔开的区域。类似地，流出组件(2)的进料优选地受限于与出口卷表面(32)的外周边(38)邻近的区域。用于限制流入组件和流出组件的方式不受特定限制并且包括在卷表面(30，32)上使用密封剂(62)或胶带(未示出)。在图3中所示的替代实施例中，任选的帽构件(33，35)可以附接到组件(2)的相应的入口卷表面(30)和出口卷表面(32)。在帽构件上的定位装置(37)可将帽构件与渗透物管(8)或外周边(38)对齐。入口帽构件(33)可将进入入口卷表面(30)中的流动限制于接近渗透物管(8)的进料入口区(60)。出口帽构件(35)可将通过出口卷表面(32)的流动限制于接近外周边(38)的区域。优选地，至少50％并且更优选至少75％的穿过中心进料段(54)的进料液体也穿过进料出口区(64)。
图3中所示的实施例还示出了若干个其它任选的特征。不可渗透层(69)(例如胶带)被示出围绕周边表面(38)缠绕。盐水密封条(65)定位于此不可渗透层(69)并且经定向以当对进料入口区(60)施加高压时提供最佳的密封。在组件的相对端，对应于进料出口区(64)，O形环被示出为附接到渗透物收集管(8)，即接近出口卷表面(32)的密封构件(67)。虽然未示出，但是渗透物收集管(8)可进一步包括接近入口卷表面(30)的密封端。
在运行中，进料流动到位于入口卷表面(30)上与渗透物收集管(8)相邻的进料入口区(60)中，沿着渗透物收集管(8)在进料入口段(50)内轴向流动，并且然后朝向外周边(38)径向通过中心进料段(54)流到进料出口段(52)，其中进料随后轴向流动以在位于与外周边(38)相邻的出口卷表面(32)上的进料出口区(64)处离开组件(2)。因此，根据本发明的优选实施例，进料流当进入组件并且穿过进料入口段(50)时遇到相对低的流动阻力。此低阻值的区域使得进料在径向上重新定向，同时防止接近渗透物收集管(8)的“死”区域，在“死”区域处进料流度可以其它方式变慢。此外，进料出口段(52)使得进料流在接近组件周边(38)的活性膜(25)两端维持高且均一的速度，其中结垢浓度为最高的。由于组件的外周边(38)(即膜包封(4)的远侧末端(20))为其中渗透物背压为最大的位置，流量在此位置处降低。其结果是，不大可能发生结垢，这使得螺旋卷绕膜组件能够以比常规设计更高的回收率运行。此外，目标组件适用于大规模生产并且可利用常规的基础架构、压力器皿等。
用于构造螺旋卷绕组件的各种部件的材料为本领域中众所周知的。用于密封膜包封的合适的密封剂包括氨基甲酸酯、环氧树脂、硅酮、丙烯酸酯、热熔粘合剂和UV可固化粘合剂。虽然较不常用，但也可以使用如施加热、压力、超声波焊接和胶带等其它密封方式。渗透物收集管通常由塑性材料制成，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚氯乙烯、聚砜、聚(亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等。经编织聚酯材料常用做渗透物间隔件。额外的渗透物间隔件描述在US 8388848中。
膜片不受特定限制并且可以使用各种材料，例如醋酸纤维素材料、聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚磺酰胺、聚偏二氟乙烯等。优选的膜为三层复合材料，所述三层复合材料包含1)非编织背衬纤维网(例如可购自阿波纸业公司(Awa Paper Company)的非编织织物如聚酯纤维织物)的背衬层(背侧面)，2)包含典型厚度为约25μm至125μm的多孔载体的中间层以及3)包含厚度通常小于约1微米(例如0.01微米到1微米，但更通常约0.01μm到0.1μm)的薄膜聚酰胺层的顶部区别层(前侧面)。背衬层不受特定限制，但优选地包含包括可经定向的纤维的非编织织物或纤维网。替代地，可使用例如帆布等编织织物。代表性实例描述在US 4,214,994；US 4,795,559；US 5,435,957；US 5,919,026；US 6,156,680；US 2008/0295951和US 7,048,855中。多孔支撑通常为聚合物材料，其孔径具有足够大小以准许渗透物的基本上不受限制的通过，但并不足够大以便干扰形成于其上的薄膜聚酰胺层的桥接。例如，载体的孔径优选介于约0.001μm到0.5μm范围内。多孔载体的非限制性实例包括由聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚丙烯腈、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚乙烯、聚丙烯和各种卤代聚合物如聚偏二氟乙烯制备的那些。区别层优选在微孔聚合物层的表面上通过多官能胺单体和多官能酰基卤单体之间的界面聚缩合反应形成。由于其相对较薄，聚酰胺层通常根据其在多孔载体上的涂层覆盖度或负载量来描述，例如每平方米多孔载体的表面积约2mg到5000mg聚酰胺并且更优选约50mg/m2到500mg/m2。
用于反渗透的原典型膜为由间苯二胺和均苯三甲酰氯的反应制备的FilmTec'公司的FT-30TM型膜。这种和其它界面聚缩合反应描述于若干来源(例如US 4277344和US6878278)中。聚酰胺膜层可以通过在多孔载体的至少一个表面上使多官能胺单体与多官能酰基卤单体(其中每个术语旨在涉及使用单一物质或多个物质)界面聚合而制备。如本文所用，术语“聚酰胺”是指其中酰胺键(-C(O)NH-)沿着分子链存在的聚合物。多官能胺和多官能酰基卤单体最常借助于涂布步骤由溶液施加到多孔支撑体，其中所述多官能胺单体通常由水基或极性溶液涂布并且所述多官能酰基卤由有机基或非极性溶液涂布。
本发明中使用的压力器皿不受特定限制，但优选地包括能够承受与运行条件相关的压力的实心结构。器皿结构优选地包括腔室，其内周边对应于将容纳于其中的螺旋卷绕组件的外周边。压力器皿还可包括一旦用一个或多个组件加载时密封腔室的一个或多个帽或端板。器皿进一步包括位于腔室端的一端处的进料入口、优选位于腔室的相对端处的浓缩物出口以及至少一个渗透物出口。压力器皿的取向不受特定限制，例如可使用水平和垂直取向两者。
适用的压力器皿、组件布置和加载的实例描述在US 6074595、US 6165303、US6299772和US 2008/0308504中。用于大系统的压力器皿的制造商包括明尼苏达州明尼阿波利斯市的滨特尔公司(Pentair)、加利福尼亚州维斯塔市的贝卡尔特公司(Bekaert)以及以色列贝尔谢巴市的贝尔复合材料公司(Bel Composite)。腔室的长度优选对应于以待依次(轴向)加载的组件(例如1到8个组件)的组合长度，参见Mickols的US 2007/0272628。本发明的组件尤其用作在一系列组件中的最后组件，以使得其看到最高的进给水浓度。在一个优选的情况下，待处理的水由上游组件供应并且进入进料入口区(50)。小于50％的待处理的水被转换为渗透物。大部分待处理的水垂直于渗透物管流动通过中心进料段(54)和进料出口段(52)。留在接近外周边(38)的组件的浓缩进给水离开器皿。一个优选的实施例包含在器皿内的其它组件，并且大部分其它组件具有常规的设计，其中进料流主要被主要定向平行于渗透物管。
本发明尤其适合于经设计用于住宅使用的组件，例如膜面积小于2m2并且更优选小于1m2的那些组件。此类组件的优选长度为小于0.5m。代表性超滤组件包括FilmTec的1812配置(例如TW30-1812)，其直径为标称1.8英寸(4.6cm)且长度为标称12英寸(30cm)。此组件可以配备有如本文中所描述的进料间隔片。优选地，本发明组件将是器皿内的唯一组件。含有本发明组件的器皿将仅包括用于进料、浓缩物和渗透物流的连接件中的每一个连接件。
已经描述了本发明的多个实施例并且在一些情况下已将某些实施例、选择、范围、成分或其它特征表征为“优选的”。“优选的”特征的此类指代决不应解释为本发明的必需或重要方面。表达的范围具体来说包括端点。

Claims (7)

1.一种螺旋卷绕膜组件(2)，其包含至少一个膜包封(4)和围绕中心渗透物管(8)卷绕形成入口卷表面(30)和出口卷表面(32)以及外周边(38)的进料间隔片(6)，
其中所述进料间隔片(6)包含：
i)沿着所述渗透物收集管(8)从所述入口卷表面(30)朝向所述出口卷表面(32)延伸的进料入口段(50)，
ii)沿着所述外周边(38)从所述出口卷表面(32)朝向所述入口卷表面(30)延伸的进料出口段(52)，以及
iii)位于所述进料入口段(50)和所述进料出口段(52)之间的中心进料段(54)；
其中所述进料间隔片(6)的所述进料入口段(50)涵盖小于20％的所述进料间隔片(6)的总面积的面积；并且
其中所述进料间隔片(6)的所述进料入口段(50)在平行于所述渗透物收集管(8)的方向上具有中值流动阻力，其小于25％的在垂直于所述渗透物收集管(8)的方向上所述中心进料段(54)的所述中值流动阻力；并且
其中所述进料间隔片(6)包含第一间隔片型，并且所述进料间隔片(6)的所述进料入口段(50)或所述进料出口段(52)中的至少一个进一步包含重叠第二间隔件型；其中所述第二间隔片型在平行于所述渗透物收集管(8)方向上具有比第一间隔片型更小的中值流动阻力；并且
其中所述组件(2)进一步包含位于所述入口卷表面(30)上与所述渗透物收集管(8)相邻的进料入口区(60)、位于所述出口卷表面(32)上与所述外周边(38)相邻的进料出口段域(64)以及从所述进料入口区(60)延伸到所述进料出口区(64)的进料流动路径(48)。
2.根据权利要求1所述的组件(2)，其进一步包含出口帽构件(35)，所述出口帽构件将通过所述出口卷表面(32)的流动限制于接近所述外周边(38)的区域以使得至少75％的穿过所述中心进料段(54)的进料液体也穿过所述进料出口区(64)。
3.根据权利要求1所述的组件(2)，其中所述进料间隔片(6)的所述进料出口段(52)在平行于所述渗透物收集管(8)的方向上具有中值流动阻力，其小于25％的在垂直于所述渗透物收集管(8)的方向上所述中心进料段(54)的所述中值流动阻力。
4.根据权利要求1所述的组件(2)，其中所述进料间隔片(6)的所述进料入口段(50)和进料出口段(52)中的至少一个包含织网，所述织网经定向提供与在垂直于所述渗透物收集管(8)的方向上的流动相比，更低的在平行于所述渗透物收集管(8)的方向上流动阻力。
5.根据权利要求1所述的组件(2)，其中：
所述膜包封(4)包含膜片(10)，所述膜片(10)包含液体可流经其的活性膜区域(25)和由其阻滞液体流动的非活性膜区域(25')，
所述进料间隔片(6)的所述进料出口段(52)与所述膜片(10)平面接触，并且
其中所述进料出口段(52)和所述膜片(10)之间的大部分平面接触在所述非活性膜区域(25')中。
6.根据权利要求1所述的组件(2)，其中所述第二间隔片型为织网，所述织网经定向具有在平行于所述渗透物收集管(8)的方向上比在垂直于所述渗透物收集管(8)的方向上更小的流动阻力。
7.根据权利要求1所述的组件(2)，其中所述渗透物收集管(8)包含接近所述入口卷表面(30)的密封端并且密封构件(67)附接到接近所述出口卷表面(32)的所述渗透物收集管(8)。
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