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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anlage zur Aktivierung von Tonen.
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Als Ersatzstoff für Zementklinker als Baustoff ist es bekannt, auf thermisch aktivierten Ton zurückzugreifen. Zwar erreichen thermisch aktivierte Tone nicht die Festigkeit von Beton, der auf Zementklinker basiert, jedoch sind die Eigenschaften von aktivierten Tonen als Baumetrial ausreichend für eine Vielzahl von Bauprojekten, bei denen es nicht auf eine besondere Leistungsfähigkeit des Baustoffes ankommt, wie es beispielsweise bei Spannbetonbrücken der Fall ist oder wie es bei extrem hohen Hochhäusern weit jenseits der 100 m-Grenze der Fall ist.
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Bauten aus Tonen sind schon seit der Antike bekannt. Hauser aus gebrannten Tonen und Lehm zeigen die typische rötliche Färbung, die bis in den Farbton von Terracotta-Fliesen reichen kann.
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Tonminerale, welche zur Aufbereitung als Baustoff geeignet sind, und die durch thermische Behandlung hydraulische Eigenschaften entwickeln, können in Ihren chemischen und mineralogischen Zusammensetzungen und auch in ihren physikalischen Eigenschaften stark variieren. Natürliche Vorkommen dieser Tonminerale enthalten zusätzlich zu den Tonmineralen in der Regel verschiedene Anteile in Bezug auf die hydraulischen Eigenschaften inerte Bestandteile wie zum Beispiel Quarz, Feldspat, Flint. Tonminerale rein natürlichen Ursprungs unterschiedlicher Provenienz unterscheiden sich in der Regel durch verschiedene Eigenschaften wie etwa Partikelgröße, Dichte und Feuchte. Neben diesen äußerlichen Eigenschaften unterscheiden sich Tonminerale verschiedener Provenienz durch enthaltene anorganische Verunreinigungen wie etwa Eisen, Titan und Mangan.
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Diese chemisch gebundenen metallischen Begleitstoffe bestimmen durch Veränderung ihres Oxidationszustands bei thermischer Behandlung der Tonminerale die Farbe des aktivierten Tons. Eisenverunreinigungen können als strukturelles Eisen (Teil der Kaolinitstruktur bzw. der Struktur zusätzlicher Minerale) und als freies Eisen in Form von Oxiden, Hydroxiden, Carbonaten und Sulfiden vorliegen. Der Titan- und Eisenoxidgehalt korreliert mit kolorimetrischen Parametern und der Farbsättigung von Rot. Mangan färbt sich bei Oxidation unter Ausbildung von Braunstein braun. Es ist bekannt, dass die Rotfärbung von Eisen(III)-verbindungen herrührt. Der Gehalt an Verunreinigungen wie Eisen und Titan in natürlich vorkommenden Tonmineralen führt bei der Kalzinierung unter oxidierenden Bedingungen und der anschließenden Abkühlung mit atmosphärischer Luft zu eben der unerwünschten Rotfärbung des durch Wärmebehandlung aktivierten Tonminerals.
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Ton ist ein natürlich vorkommendes Material, das hauptsächlich aus Tonmineralteilchen besteht, bei ausreichenden Wassergehalten generell plastisch verformbar ist und spröde wird, wenn es getrocknet oder gebrannt wird. Obwohl Ton in der Regel Schichtsilikate enthält, kann er andere Materialien enthalten, die ihm Plastizität verleihen und aushärten, wenn sie getrocknet oder gebrannt werden. Als assoziierte Phasen kann Ton Materialien enthalten, die ihm keine Plastizität verleihen, z. B. Quarz, Calcit, Dolomit, Feldspat sowie organische Stoffe.
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Anders als frühere Definitionen legt diese Definition der AIPEA (Association Internationale Pour L'Etudes Des Argiles) und der CMS (Clay Minerals Society) keine exakte Korngröße der Tonbestandteile fest, da verschiedene Disziplinen hier eigene Festlegungen getroffen haben. Als Tonpartikel gelten in den Geowissenschaften, entsprechend der Norm EN ISO 14688, Partikel < 2 µm (teilweise auch < 4 µm[2]) und in der Kolloidchemie < 1 µm.
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Im Rahmen dieser Anmeldung wird unter Tonen das natürlich vorkommende Material verstanden, das entweder hauptsächlich aus Tonmineralteilchen besteht, damit also mehr als 50% Tonmineralteilchen aufweist, aber auch solche aus Tonlagerstätten abbaubare Materialien, die weniger als 50% Tonmineralteilchen bis hin zu nur 10 % bis 20% Tonmineralteilchen aufweisen. Der Rest besteht aus Sand, Schluff, Quarz, Calcit, Dolomit, Feldspat und gegebenenfalls auch Kies. Die großen Materialanteile, die nicht Tonmineralteilchen darstellen, sind chemisch nahezu inert, abrasiv und sind thermisch nicht aktivierbar. Die zuletzt genannten Tone ähneln damit Lehm.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage und ein Verfahren zur thermischen Aktivierung von Tonen zur Verfügung zu stellen, bei welchem die unerwünschte Rotfärbung nicht eintritt.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine Anlage mit den Merkmalen nach Anspruch 1 nebst Unteransprüchen 2 bis 4 und durch ein Verfahren mit den Ansprüchen 6 bis 10.
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Nach dem erfundenen Verfahren ist vorgesehen ein Auftrennen eines Tonrohmaterials in eine Grobgutfraktion und in eine Feingutfraktion, anschließendes Vorwärmen der Feingutfraktion in einem Vorwärmer, und anschließendes Aktivieren der Feingutfraktion in einem Wirbelschicht- und/oder Flugstromreaktor. In dem Wirbelschicht- und/oder Flugstromreaktor findet eine thermische Behandlung der Feingutfraktion statt. Im Anschluss an die thermische Aktivierung wird die noch heiße Feingutfraktion mit der abgetrennten und kalten Grobgutfraktion vereint und die vereinten Tonfraktionen werden aus dem Reaktor ausgeschleust.
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Korrespondierend zu dem Verfahren wird eine Anlage vorgeschlagen aufweisend mindestens einen Wirbelschicht- und/oder Flugstromreaktor und mindestens einen Zyklonwärmetauscher, wobei der Zyklonwärmetauscher in Gasströmungsrichtung dem Wirbelschicht- und/oder Flugstromreaktor folgt, und wobei eine Aufgabevorrichtung für zu aktivierenden Ton am oberen Ende des Zyklonwärmetauschers angeordnet ist. Die Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Sichter mit einer Grobgutsaustragsöffnung des Sichters in Materialströmungsrichtung stromaufwärts mit einer Gasaufgabevorrichtung für den Wirbelschicht- und/oder Flugstromreaktor in Strömungsverbindung steht, und wobei der Sichter mit einer Feingutaustragsöffnung des Sichters in Materialströmungsrichtung stromaufwärts mit der Aufgabevorrichtung für zu aktivierenden Ton in Strömungsverbindung steht. Diese Anlage ermöglicht ein Behandeln des Tons entsprechend des zuvor genannten Verfahrens.
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Die Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, dass die Rotfärbung von Tonen bei Aktivierung durch Oxidation des im Tonmineral enthaltenen Eisens zu Eisen (III) in Verbindung mit weiteren chemisch gebundenen metallischen Bestandteilen ausschließlich in den feinkörnigen Bestandteilen natürlicher Tone entsteht. Die grobkörnigen Bestandteile der natürlichen Tone hingegen zeigen keine Neigung zur Rotfärbung. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die feinen Bestandteile des Tones durch thermische Behandlung aktiviert werden können. Wird dies unter chemisch stark reduktiven Bedingungen durchgeführt, so bildet sich im Ton kein Eisen (III), sondern Eisen (II), das in Tonmineralen chemisch gebunden eher grünlich bis farblos erscheint. Die unter chemisch reduzierenden Bedingungen aktivierte Tonfraktion wirkt daher in Verbindung mit sämtlichen Begleitstoffen grau bis anthrazitfarben. Die durch thermische Behandlung aktivierte Feinfraktion natürlicher Tone bleibt aber zunächst sehr empfindlich gegenüber Oxidation an atmosphärischer Luft. Um die Oxidation zu vermeiden, wird die feine, thermisch aktivierte Tonfraktion abgeschreckt von einer Temperatur von 600 °C bis 1000 °C am Ende eines Reaktors zur thermischen Aktivierung auf eine Temperatur von deutlich unter 600 °C. Dieses thermische Abschrecken darf aber nicht mit atmosphärischer Luft geschehen, denn sonst würde sich das unerwünschte Eisen(III) bilden. Das Abschrecken muss chemisch neutral geschehen. Hierzu eignet sich die im ersten Verfahrensschritt vom natürlichen Ton abgetrennte Grobfraktion. Diese Grobfraktion ist chemisch nahezu inert und kann eine größere Wärmemenge aufnehmen, ohne selbst zu oxidieren. Die Erfindung basiert also auf einer Auftrennung von Tonmineralen in eine Feingutfraktion, die thermisch aktiviert wird und in eine Grobfraktion, die als Inertstoff nicht erwärmt wird. Der überraschende Effekt ist dass das Auftrennen in eine Grobgutfraktion und in eine Feingutfraktion zu einer Ton-abgereicherten und inerten Grobgutfraktion führt und zu einer Ton-angereicherten Feingutfraktion. Nach der thermischen Aktivierung des noch warmen und oxidationsempfindlichen Feinguts, wird das aktivierte Feingut mit der zuvor abgetrennten Grobfraktion abgeschreckt, wobei die Grobgutfraktion deutlich kälter ist. Im abgeschreckten Zustand ist das chemisch gebundene Eisen(II) vor Oxidation geschützt. Das so behandelte Tonmineral zeigt eine graue bis anthrazitfarbene Tönung.
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Es ist vorteilhaft, wenn das aktivierte graue bis anthrazitfarbene Mineral aus dem Reaktor ausgeschleust wird. Hierzu kann vorgesehen sein, dass der Materialstromausgang des Zyklonwärmetauschers am unteren Ende mit einer Gasaufgabevorrichtung für den Flugstromreaktor in Strömungsverbindung steht, wobei sich an dieser Stelle der aktivierte Ton mit dem Grobgut aus der Grobgutsaustragsöffnung des Sichters vereint. Die Gasaufgabevorrichtung kann in Form eines Zyklons vorliegen, aus dem durch ein Tauchrohr das Trägergas entweicht und aus einem in der Regel nach unten weisendem Konus der in dem Trägergas suspendierte Feststoff als Staub austritt.
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Die Temperatur hat nicht nur beim Aktivieren, sondern auch nach dem Aktivieren einen Einfluss auf das aktivierte Produkt. In Versuchen hat sich herausgestellt, dass ein Vereinen der thermisch aktivierten Feingutfraktion in einem Temperaturfenster von 600 °C bis 1000°C mit der Grobgutfraktion des Rohmaterials zu einer Endtemperatur von 350 °C bis 600 °C führt. Bevorzugt eine Temperaturführung, die zu einer Endtemperatur von unter 500 °C führt. Die so abgeschreckte Feingutfraktion des aktivierten Tons zeigt sich bei diesen Temperaturen unempfindlich gegenüber Verfärbung durch Oxidation an atmosphärischer Luft mit natürlicher Luftfeuchtigkeit.
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Die Trennung des natürlichen Tons in eine Feingutfraktion und in eine Grobgutfraktion und die ausschließliche thermische Aktivierung der abgeschiedenen Feingutfraktion und anschließende Abschreckung mit der zuvor abgeschiedenen Grobgutfraktion hat gleich mehrere Vorteile. Zunächst lässt sich die aktivierte Feingutfraktion unter chemisch inerten Bedingungen abschrecken, was zur Stabilisierung des aktivierten Tonanteils gegenüber Rotverfärbung führt. Des Weiteren wird durch die anteilige thermische Aktivierung nur ein Bruchteil der Wärme benötigt, was Brennstoff und Ressourcen spart. Noch ein weiterer Vorteil ist die ebenfalls überraschende Erkenntnis, dass die thermisch aktivierbare Feingutfraktion deutlich weniger abrasiv ist als die Grobgutfraktion. Die Grobgutfraktion beinhaltet Quarz, Feldspat und Flint. Durch die Abtrennung der Grobgutfraktion wird die thermisch belastete Anlage weniger dem abrasiven Staub ausgesetzt, was die Lebensdauer und die Einsatzzeit der Anlage verlängert. Durch den Einsatz eines Windsichters, speziell eines V-Sichters, ist die Exposition bewegter Maschinenteile mit dem abrasiven Tonanteil auf ein Mindestmaß reduziert.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Skizze einer erfindungsgemäßen Anlage zur Aktivierung von Tonen
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In 1 ist eine Skizze einer erfindungsgemäßen Anlage zur Aktivierung von Tonen abgebildet. Feuchtes Rohmaterial durchläuft die Anlage in der Skizze von einem Aufgabebunker 10 links oben in der Skizze bis zum fertigen, aktivierten Produkt, welches die hier gezeigte Anlage über eine Fördervorrichtung 240 rechts unten in der Skizze verlässt. Frischluft tritt in die Anlage über einen Abscheidezyklon 230 in der Skizze rechts unten ein und verlässt die Anlage als Abluft in dieser Skizze über einen Verdichter 180 rechts oben in dieser Skizze.
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Das Rohmaterial wird von dem Aufgabebunker 10 über eine Fördervorrichtung 20 auf eine geregelte Fördervorrichtung 30 gegeben, wo es sich mit Rohmaterial vereint, das sich im Sichterumlauf befindet. Von der geregelten Fördervorrichtung 30 fällt das Rohmaterial in einen Sichter 40, hier ein Vertikalsichter, in dem das Rohmaterial über Treppenkaskaden rollt, dabei deagglomertiert und durch von in dieser Skizze von links in den Sichter 40 eintretendem Sichtgas von der Feingutfraktion befreit wird. An dieser Stelle trennen sich die Wege der Grobgutfraktion und der Feingutfraktion. Im Folgenden wird zunächst der Weg der Grobgutfraktion beschrieben. Das Grobgut des Sichters 40 fällt aus dem Sichter 40 auf eine geregelte Fördervorrichtung 50 und wird von dieser Fördervorrichtung 50 in dieser Skizze nach links gefördert. Auf der linken Seite der Fördervorrichtung 50 fällt das Grobgut in eine geregelte Materialweiche 60. Ein erster Teil des Grobguts wird durch die Materialweiche 60 zu einer weiteren Fördervorrichtung 70 zu einem Becherwerk 80 transportiert, welches das im Umlauf befindliche Sichtgut wieder auf die eingangs beschriebe Fördervorrichtung 30 abwirft, wo sich das im Umlauf befindliche Sichtgut mit dem Rohmaterial vereint. Ein zweiter Teil des Grobguts aus dem Sichter 40 wird über eine Fördervorrichtung 90 als Inertmaterial in dieser Skizze nach rechts transportiert, wo es sich mit dem aktivierten Feingut des Rohmaterials vereint. Auf dem Transportweg entlang der Fördervorrichtung 90 kann noch eine Aufbereitungsvorrichtung 92, beispielsweise in Form einer Siebvorrichtung 92 oder auch einer Mahlvorrichtung, angeordnet sein, die über das Becherwerk 91 erreichbar ist, um die gröberen Bestandteile der natürlichen Tone auszusieben und auch, um die relativen Mengenanteile des aktivierten Tons und des Inertmaterials im Endprodukt einzustellen. Des Weiteren kann eine optionale Wässerungsvorrichtung 93 vorhanden sein, welche das Grobgut vor der Vereinigung mit dem aktivierten Ton anfeuchtet, um die Wärmeaufnahmekapazität des Grobgutes zu erhöhen. An dieser Stelle hat das Grobgut durch die Temperatur des Sichtergases im Sichter 40 eine Temperatur von atmosphärischer Temperatur bis maximal unterhalb von 150°C. Der Weg des Feinguts aus dem Rohmaterial aus dem Sichter 40 führt in die Gasleitung 160, in die es vom Sichtgas getragen wird. In einem Staubabscheider 170 wird das Feingut vom Sichtgas abgetrennt. Das Sichtgas verlässt die Anlage nach rechts oben über den Verdichter 180 als Abluft, wie es eingangs bereits beschrieben wurde. Unterhalb des Staubabscheiders 170 befindet sich eine Fördervorrichtung 190, welche die Feingutfraktion in eine Aufgabevorrichtung 200 fördert. Von der Aufgabevorrichtung 200 fällt das Feingut in die oberste Gaszuleitung zum obersten Wärmetauscherzyklon 123 des hier gezeigten Wärmetauschers 120 mit drei Zyklonen.
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Es ist auch möglich, diese Anlage mit einer anderen Anzahl Zyklonen im Wärmetauscherstrang zu betreiben. Im Gas der Gaszuleitung zu Zyklon 123 suspendiert, erwärmt sich die Feingutfraktion im warmen Gas des Wärmetauschers 120. Im obersten Wärmetauscherzyklon 123 wird die Feingutfraktion in den Gaszulauf zum vorletzten Zyklon 122 geführt, wo sich die Erwärmung und anschließende Abtrennung wiederholt. Am Ausgang des vorletzten Zyklons 122 fällt die vorgewärmte Feingutfraktion in den unteren Bereich eines hier gezeigten Flugstromreaktors, der ähnlich aufgebaut ist wie ein Calcinator einer Anlage zur Herstellung von Zementklinker. An dieser Stelle kann aber auch ein Wirbelschichtreaktor stehen. Im aufsteigenden heißen Gas des Flugstromreaktors 110, das mit einer Brennstelle erwärmt werden kann, oder aber auch mit dem heißen Prozessgas eines anderen industriellen Prozesses geheizt werden kann, wird die Feingutfraktion des Tones thermisch zu einem hydraulischen Bindemittel aktiviert, das beim Anmischen mit Wasser abbindet. Nachdem das Heißgas im Flugstromreaktor 110 an den oberen Umkehrpunkt gelangt ist, brennt der Brennstoff aus dem Flugstromreaktor aus. Die freie Sauerstoffkonzentration sollte im Flugstromreaktor nicht über 4% steigen. Die Flamme des Brenners im Flugstromreaktor 110 wird also stark reduktiv betrieben, was durch unterstöchiometrische Sauerstoffversorgung bzw. überstöchiometrische Brennstoffversorgung stattfinden kann. Auf den absteigenden Ast des Flugstromreaktors 110 folgt der Wärmetauscher 120. Die im Heißgas suspendierte und thermisch aktivierte Feingutfraktion des Tons wird von dem untersten Zyklon 121 des Wärmetauschers 120 abgeschieden und weist an dieser Stelle eine Temperatur zwischen 600°C und 1000°C auf. Das Heißgas strömt im Wärmetauscher 120 dem frischen Feingut entgegen. Hingegen verlässt die frisch thermisch aktivierte Tonfraktion den Wärmetauscher über die Feststoffleitung des untersten Zyklons 121 und vereint sich dort mit dem inerten, kalten Grobgut des Tons, welches im Sichter 40 abgetrennt wurde.
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Der frisch aktivierte Ton mit einer Temperatur von 600°C bis 1000°C und wird bei der gemeinsamen Aufgabe mit der kalten Grobfraktion unter inniger Vermischung auf eine Temperatur von ca. 350°C bis maximal 600°C abgeschreckt und im Abscheidezyklon 100 aus der thermischen Linie der Anlage ausgeschieden. Um eine verstärkte Temperaturabsenkung herbeizuführen, kann der kalten Grobgutfraktion vor der Vereinigung mit der heißen, aktivierten Tonfraktion, Wasser zugesetzt werden. Die vereinten Tonfraktionen strömen in die Gaszuleitung des Abscheidezyklons 230 wo diese Fraktionen frischer atmosphärischer Luft entgegenströmen. Die auf ca. 80°C bis 120°C abgekühlte Fraktionen verlassen die Anlage über die Feststoffleitung des Abscheidezyklons 230 über die Fördervorrichtung 240 als fertiges Produkt. Die In die Anlage eintretende Frischluft hingegen strömt gefördert durch einen Verdichter 210 zu einer Gasleitung 220 und als Gaszuleitung zu dem Abscheidezyklon 100, wobei die Frischluft die im Gasraum abgeschreckten und vereinten Tonfraktionen aufnimmt. Die dort hingelangte Fischluft dient als Verbrennungsluft für einen Brenner im Flugstromreaktor 110 und als Trägerluft. Ein anderer Anteil der Frischluft strömt zu einer T-Kreuzung mit der Gasableitung 130, die das warme Wärmetauscherabgas aus dem Wärmetauscher 120 zu einem Heißgaserzeuger 140 leitet. Im Heißgaserzeuger 140 werden die vereinten Gasfraktionen erwärmt und nach dem Heißgaserzeuger 140 führt eine Gasleitung 150 das erwärmte Gas als Sicht- und Trocknungsgas zu dem Sichter 40, wo sich nun alle Gas- und Materialkreisläufe und/oder Ströme schließen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Aufgabebunker
- 20
- Fördervorrichtung
- 30
- Fördervorrichtung
- 40
- Sichter
- 50
- Fördervorrichtung
- 60
- Materialweiche
- 70
- Fördervorrichtung
- 80
- Becherwerk
- 90
- Fördervorrichtung
- 91
- Becherwerk
- 92
- Aufbereitungsvorrichtung
- 93
- Wässerungsvorrichtung
- 100
- Abscheidezyklon
- 110
- Flugstromreaktor
- 120
- Wärmetauscher
- 121
- zweitunterster Wärmetauscherzyklon
- 122
- unterster Wärmetauscherzyklon
- 123
- oberster Wärmetauscherzyklon
- 130
- Gasleitung
- 140
- Heißgaserzeuger
- 150
- Gasleitung
- 160
- Gasleitung
- 170
- Staubabscheider
- 180
- Verdichter
- 190
- Fördervorrichtung
- 200
- Aufgabevorrichtung
- 210
- Verdichter
- 220
- Gasleitung
- 230
- Abscheidezyklon
- 240
- Fördervorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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