DE2556210B2 - Einrichtung zur Wasserentsalzung durch Umgekehrte Osmose - Google Patents

Einrichtung zur Wasserentsalzung durch Umgekehrte Osmose

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    • B01D61/02Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Wasserentsalzung durch Umgekehrte Osmose und basiert auf einem ältenjn Vorschlag der Anmelderin (DT-OS 24 46 157). Nach diesem älteren Vorschlag besteht die Einrichtung zur Wasserentsalzung aus einem Stapel von an ihren Rändern zwischen Modulplatten dichtend eingespannten, doppelseitig mit Membranen belegten, porösen Scheiben, deren jeweiliger Randbereich als Produktwasserauslaß dient und die gegenüber beidseitig an den Modulplatten vorgesehenen flachen Ausnehmungen druckgleiche und strömungsgeometrisch gleiche Rohwasserkammern begrenzen, welche über die Kanäle zwischen dem Rohwassereinlaß und dem Abwasser- oder Soleauslaß in Reihe geschaltet sind. Eine solche Einrichtung hat sich im Grunde bewährt, doch hat sie den Nachteil, daß sie wegen des in langen Modulplattenstapeln vorhandenen langen Strömungsweges und der im Strömungsweg vorhandenen Umleitungen einen relativ großen Durchflußwiderstand und damit einen relativ großen Druckabfall aufweist. Nachteilig ist bei der älteren Einrichtung auch, daß der Plattenstapel zwei verschiedene, schwer zu fertigende Modulplatten verwendet, die jeweils paarweise zusammengesetzt werden müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den vorerwähnten Nachteil zu beseitigen und eine besonders preisgünstige, einfach zu fertigende Konstruktion vorzuschlagen, die ausschließlich aus gleichartigen Modulplatten besteht, wesentlich raumsparender aufgebaut ist und mit geringeren Druckverlust und höherem Wirkungsgrad arbeitet.
Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Modulplatten bezogen auf eine diametrale Querebene aus zwei einander gleichen, um 180° gegeneinander verdrehten Hälften bestehen und alternierend jeweils um 180° gegeneinander gedreht mit zwischenliegenden Membranscheiben gestapelt sind, daß am Rande des Plattenstapels achsparallel und diametral gegenüberliegend den gesamten Stapel durchsetzende Verbindungskanäle angeordnet sind und daß die Membranscheiben mit einem Teil ihres Randes abwechselnd an gegenüberliegenden Seiten des Platten-
stapeis herausgeführt sind und die Verbindungskanäle in Verbindungsabschnitte unterteilen.
Vorzugsweise sind die Modulplatten in ihrem mittleren Bereich als Trennwände ausgebildet, welche zwischen zwei benachbarten Membranscheiben zwei voneinander getrennte, zufluß- und abflußseitig in Verbindung stehende Rohwasserkamn;ern bilden. Bei dieser Ausbildung werden die Rohwasserkammern paarweise durchflossen, so daß sich die Zahl der Umleitungen bezogen auf die Zahl der überströmten Membranen gegenüber dem älteren Vorschlag auf die Hälfte vermindert und der Strömungswiderstand erheblich herabgesetzt wird.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wasserentsalzungseinrichtung beispielsweise veranschaulicht ist.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Wasserentsalzungsvorrichtung,
Fig.2 den Ausschnitt II der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,
Fig.3 einen axialen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Modulplatte,
F i g. 4 eine bezüglich der F i g. 3 von rechts gesehene Seitenansicht,
Fig.5 eine bezüglich der Fig.3 von links gesehene Seitenansicht und
F i g. 6 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie VI-VI der F i g. 4.
Die erfindungsgemäße Entsalzungsvorrichtung besteht aus einer Vielzahl von Modulplatten 1 und zwischen ihnen angeordneten Membranscheiben 20. Die Modulplatten und Membranscheiben sind in einer nachfolgend noch näher erläuterten Weise zu einem Stapel vereinigt und zwischen zwei Druckplatten 41 und 42 eingespannt. Vier über den Umfang des Stapels verteilte Zuganker 43 dienen zur Abstützung und Zusammenspannung des Plattenstapels. Eine zwischen den Zugankern 43 angeordnete Gewindespindel 44 ermöglicht eine einfache Zusammenpressung des Stapels von Modulplatten 1 und Membranscheiben 20.
Die einzelnen Membranscheiben 20 bestehen aus einer porösen Kunststoffscheibe 21, die vorzugsweise aus gesintertem Polyaethylen hergestellt ist, und beidseitig aufgelegten Membranen 22 und 23. Falls erwünscht, können zwischen den Membranen 22 und 23 und der porösen Membranscheibe 21 Zwischenlagen aus Filterpapier vorgesehen sein.
Wie die Fig. 1 und 2 erkennen lassen, sind alle Modulplatten 1 untereinander gleich, sie sind jedoch alternierend um 180° gedreht in den Plattenstapel eingesetzt. Die zwischengelegten Membranscheiben 20 sind ebenfalls alternierend jeweils um 180° gedreht in den Plattenstapel eingesetzt, so daß die Membranscheiben 20 abwechselnd an zwei gegenüberliegenden Seiten des Plattenstapels vorragen.
Der Plattenstapel wird an zwei diametral gegenüberliegenden Randbereichen von je einem Verbindungskanal 11 durchquert. Dieser Verbindungskanal 11 ist durch die nach außen vorragenden Modulplatten in Verbindungskanalabschnitte 11' unterteilt, welche jeweils aus zwei korrespondierenden Durchbrechungen der Modulplatten 1 gebildet werden. Der Mittelteil einer jeden Modulplatte 1 ist eine Trennwand 12, deren Oberfläche mit den jeweils benachbarten Membranen eine großflächige Rohwasserkammer bildet.
Zur Abdichtung des Plattenstapels dienen an sich bekannte Dichtungsringe. Wie F i g. 2 zeigt, liegt jeweils ein Dichtungsring 31 zwischen den beiden Rändern von zwei benachbarten Modulplatten. Zur Abdichtung der Modulplatten gegenüber den Membranscheiben dienen Dichtungsringe 33, 34, welche zusammen mit den
in Dichtungsringen 31 dafür sorgen, daß das den Plattenstapel durchströmende Rohwasser die Entsalzungsvorrichtung nicht verlassen und sich mit dem an den Außenseiten des Plattenstapels abfließenden entsalzten Produktwasser vermischen kann. Die an sich
i> identischen Dichtringe 33 und 34 weisen eine der versetzten Anordnung der Membranscheiben 20 entsprechende Einbaulage auf.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird wie folgt durchflossen. Das zu entsalzende Rohwasser tritt über einen Zuflußstutzen 45, der in der Druckplatte 41 vorgesehen ist, in die Entsalzungsvorrichtung ein. Die Stirnfläche des Zuflußstutzens 45 ist ebenfalls mit einem Dichtungsring gegenüber der ersten Modulplatte abgedichtet. Das in die Entsalzungsvorrichtung eingelei-
tete Rohwasser durchfließt den Plattenstapel auf einem durch die Umlenkungen gegebenen zickzackförmigen Weg. Nachdem es über den Stutzen 45 in den Verbindungskanalabschnitt 11' eingetreten ist, strömt es an der vorherliegenden Membranscheibe nach unten,
in um letztlich einen unteren Verbindungskanalabschnitt iV zu erreichen. Anschließend nimmt das Rohwasser wieder einen entgegengesetzten Verlauf und strömt, aufgeteilt durch die Trennwand 12, an den beiden dieser Trennwand zugewandten Membranen 22, 23 benach-
r> barter Membranscheiben 20 nach oben zum nächsten Verbindungskanalabjchnitt 11'. Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, daß die Ausdrücke oben und unten sich lediglich auf die Zeichnung beziehen, denn — wie nachfolgend noch ausgeführt werden wird — ist es
■in möglich, die Entsalzungsvorrichtung so anzuordnen, daß die nach außen vorragenden Ränder der Membranscheiben in der gleichen Horizontalebene liegen. Wie erwähnt, ist bei diesem zickzackförmigen StrömungE-weg des Rohwassers zu beachten, daß mit Ausnahme
•r> des Bereiches der ersten und letzten Modulplatte 1 der Rohwasserfluß sich jeweils auf zwei Pfade aufteilt Wie die F i g. 1 und 2 erkennen lassen, befinden sich zwischen den Trennwänden 12 der Modulplatten und den Modulplattenteilen, welche die innen liegenden Mem-
■>ii branränder umfassen, Bohrungen 13 und 14. Das Rohwasser wird sich somit jedesmal nach dem Durchströmen eines Verbindungskanalabschnittes 11' auf zwei parallele Wege verteilen, so daß jeweils die beiden der Trennwand 12 benachbarten Oberflächen
ύ, der Membranscheiben 20 gleichzeitig beaufschlagt werden. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Verminderung des Strömungswiderstandes durch die verminderte Zahl der im Plattenstapel erforderlichen Umleitungen. Jede Membranscheibe wird somit an ihren
«ι gegenüberliegenden Seiten gegensinnig überströmt. Nach dem Verlassen der letzten Rohwasserkammer tritt das Rohwasser in erhöhter Salzkonzentration am Sole- oder Abflußstutzen 46 aus, der ähnlich wie der Zufluistutzen 45 in der Druckplatte 42 verankert und in
ι ' gleicher Weise abgedichtet ist. Wegen des symmetrischen Aufbaus des Plattenstapels kann der Durchlauf auch in entgegengesetzter Richtung erfolgen. Beim Durchlauf des Rohwassers durch die Entsalzunesvor-
richtung tritt durch die Membranflächen entsalztes Wasser in die poröse Platte 21 der einzelnen Membranscheiben 20 ein, das an den aus dem Plattenstapel herausgeführten Rändern der Membranscheiben 20 abfließt und dort als entsalztes Produktwasser gesammelt werden kann.
Die erfindungsgemäßen Modulplatten lassen sich im Spritzgußverfahren herstellen. Diese Herstellung ist besonders dadurch verbilligt, daß nur eine einzige Plattenart Verwendung findet und somit nur ein Spritzgußwerkzeug benötigt wird. Für die den Druckplatten 41 und 42 benachbarten End-Modulplatten werden keine Sonderanfertigungen benötigt, denn es ist lediglich erforderlich, die der Druckplatte 41 benachbarte normale Modulplatte geringfügig zu bearbeiten, um sie als Endplatte einsetzen zu können. Da die neuen Modulplatten wesentlich dünner sind, ist auch der Materialwert und damit der Kostenaufwand erheblich reduziert. Von besonderer Bedeutung ist auch, daß der spezifische Raumbedarf für die Entsalzungsvorrichtung verringert worden ist. Bei einem angenommenen Einbauquerschnitt von 30 χ 30 cm (einschließlich der Zuganker 43 und der das Produktwasser aufnehmenden, den Plattenstapel umgebenden Wanne) ergibt sich ein spezifischer Raumbedarf der Entsalzungsvorrichtung von nur 0,03 m3 je Quadratmeter beaufschlagter Membranfläche. Bei einer Baulänge von 160 cm weist die Entsalzungsvorrichtung eine installierte Membranfläche von 5 m2 auf. Dadurch, daß — wie vorstehend erläutert — der Rohwasserstrom auf zwei Pfade aufgeteilt wird, vermindern sich die den Durchflußwiderstand erheblich mitbestimmenden Umlenkungen auf die Hälfte.
Nachfolgend soll anhand der Fig.3 bis 6 der spezielle, erfindungsgemäß bevorzugte Aufbau einer Modulplatte näher erläutert werden. Wie der Schnitt der F i g. 3 erkennen läßt, sind die beiden Hälften einer Modulplatte bezüglich einer Quermittelebene einander gleich; sie sind lediglich in der diametralen Querebene um 180° gedreht. Aus Fertigungsgründen und auch im Hinblick auf einen vereinfachten Zusammenbau haben die Modulplatten 1 einen polygonalen Querschnitt (siehe Fig.4 und 5). Der Mittelteil einer jeden Modulplatte 1 bildet die schon erwähnte Trennwand 12, die an ihren gegenüberliegenden Seiten dachförmig ausgebildet ist. In der Mitte der Modulplatte 1 ist beidseitig ein kleines kreisförmiges Widerlager 51 ausgebildet, welches bei zusammengespanntem Plattenstapel an jeweils einer Membranscheibe 20 zur Anlage kommt. Bis zu dem in Fig.4 mit 52 bezeichneten Kanten ist der Mittelteil der Modulplatte 1 plan ausgebildet. Beidseitig der Kanten 52 fällt die Trennwandfläche nach außen hin geringfügig ab bis zu den an den Rändern der Trennwand vorgesehenen Bohrungen 13 und 14. Diese Bohrungen 13 haben wie die F i g. 4 und 5 zeigen, einen rechteckigen Querschnitt, da er im Spritzgußverfahren wegen der in der Form vorgesehenen rechteckigen Vorsprünge wesentlich leichter herzustellen ist. Entsprechendes gilt auch für die Bohrungen 14 an der gegenüberliegenden Seite der Modulplatte 1. Ein Vergleich der F i g. 4 und 5 zeigt, daß die beiden Seiten einer Modulplatte einander gleich, aber jeweils um 180" gedreht sind. Über die Bohrungen 13 und 14 setzt sich die Modulplatte 1 bis zu den Vcrbindungskanalabschnittcn ii' fort. In dieser Fortsetzung befinden sich die Dichtungen 31 und 33, 34, die an der benachbarten Modulplattc 1 bzw. an der benachbarten Membranscheibe 20 zur Anlage kommen. Der äußere Randbereich der Modulplatte 1 jenseits der Bohrungen 13 ist aus Gründen einer Verminderung des Strömungswiderstandes gegen den Verbindungskanalabschnitt 11' abgeschrägt, wie die Fig. 3 in ihrem oberen Bereich erkennen läßt. Der außerhalb des Verbindungskanalabschnittes 11' liegende Teil der Modulplatte 1 enthält die Randdichtungen 33, 34 in entsprechenden Umfangsrinnen 53. Zu erwähnen ist noch, daß zur Vergrößerung der Durchflußquerschnitte mehrere Bohrungen 13 und 14 nebeneinander angeordnet sind. Die Bohrungen 14 liegen in Rinnen 56.
Aufgrund der um 180° geklappten Symmetrie der beiden Modulplattenhälften ist der Randteil zwischen der Trennwand 12 und dem Verbindungskanalabschnitt II' jenseits der Bohrungen 14 auf der linken Seite abgeschrägt, während an der gegenüberliegenden rechten Seite eine plane Anlagefläche für die benachbarte Modulplatte 1 vorgesehen ist (siehe F i g. 3). Durch den Dichtring 31, der den Verbindungskanalabschnitt XY umfaßt, werden die benachbarten Modulplatten 1 im Bereich dieser Anlagefläche abgedichtet. Zwischen den vier rechteckigen Bohrungen 14 befinden sich kleine kreisförmige Widerlager 54, die noch zusätzlich die Membranscheibe 20 abstützen können. In der F i g. 4 ist mit einer strichpunktierten Linie der Rand einer Membranscheibe 20 eingezeichnet, die ebenfalls einen polygonalen Querschnitt hat. Wie diese Fig.4 zeigt endet die untere Kante der Membranscheibe 20 kurz vor dem Durchbruch im äußeren Teil der Modulplatte 1 so daß der Verbindungskanalabschnitt W nicht versperrt ist. Im oberen Bereich dagegen erstreckt sich gemäß F i g. 4 die Membranscheibe 20 mit Abstand über die Bohrungen 13 hinweg und kommt bündig über dem Querschnitt des oberen Verbindungskanalabschnittes 11' zur Anlage und tritt dann letztlich (in Fig.4 oben] zwischen den Modulplatten 1 aus. Die Fig. 5 läßl erkennen, daß die bezüglich der F i g. 3 linke Oberfläche der Modulplatte entgegengesetzt ausgebildet ist. Hier sind lediglich die oberen und unteren Begrenzungen der Membranscheibe 20 mit einer strichpunktierten Linie angedeutet. In dieser F i g. 5 sind auch die Zuganker 43 und die am Stapelende vorgesehene Druckplatte 42 angedeutet. Diese Zuganker 43 ruhen im zusammengebauten Zustand in Ausnehmungen 55, die an vier Längsseiten der Modulplatten vorgesehen sind und kommen dort unmittelbar an den Rändern der Membranscheibe 20 zur Anlage. Hierdurch wird der Zusammenbau von Modulplatten und Membranscheiben ganz wesentlich erleichtert, da sich eine zwangsläufige Ausrichtung ergibt.
An gegenüberliegenden Seiten der Modulplatten können gegebenenfalls auch Vorsprünge 58 und entsprechend geformte Ausnehmungen 57 vorgesehen sein, so daß die Modulplatten formschlüssig aufeinander ausgerichtet gehalten werden.
Nachfolgend soll der Rohwasserstrom durch den Modulplattenstapel anhand der F i g. 3 bis 6 beschrieben werden. Geht man davon aus, daß der Rohwasserstrom bezüglich der Fig.3 links oben in den Verbindungskanalabschnitt 1Γ eintritt, fließt das Rohwasser an der rechten und linken Seite der Trennwand 12 nach unten durch die dort vorgesehenen Rohwasserkammern, die einerseits von den Außenflächen der Trennwand 12 und andererseits von den rechts und links davon angeordneten Membranscheiben 20 begrenzt sind. Dadurch, daß die Rohwasserkammern ihre Höhe zur Mitte hin vermindern und später wieder vergrößern, ergibt sich eine gute Verteilung des Rohwassers über die gesamte
Membranfläche. Dieser Rohwasserfluß teilt sich an den Bohrungen 13, so daß die eine Hälfte entlang der rechts liegenden Membran strömt und die durch die Bohrungen 13 hindurchgeströmte Rohwassermenge die links der Trennwand 12 liegende Membranoberfläche beaufschlagt. Bezüglich einer Trennwand 12 sind also die beiden Strömungspfade gleichgerichtet, wohingegen die die Membranscheibenoberflächen beaufschlagenden Ströme bei jeder einzelnen Membranscheibe gegensinnig verlaufen. Am unteren Ende der Trennwand 12 vereinigen sich die beiden Rohwasserpfade erneut und gelangen in den unteren Verbindungskanalabschnitt 11',
um über diesen Verbindungskanalabschnitt das nachfolgende Rohwasserkammerpaar zu erreichen. Diese nachfolgende Durchströmung des nächsten Paares von Rohwasserkammern erfolgt verständlicherweise in umgekehrter Richtung. Das durch die Membran hindurchgetretene entsalzte Produktwasser nimmt seinen Weg durch die poröse Platte 21 der Membranscheibe 20. Wie die in F i g. 4 eingezeichnete Randbegrenzung der Membranscheibe 20 erkennen läßt, kann das Produktwasser über einen sehr großen Umfang austreten und dann in einer den Modulstapel umgebenden Wanne als Produktwasser gesammelt werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:
1. Finrichtung zur Wasserentsalzung durch Umgekehrte Osmose mit einem Stapel von an ihren Rändern zwischen Modulplatten dichtend einge- r, spannten, doppelseitig mit Membranen belegten prösen Scheiben, deren jeweiliger Randbereich als Produktwasserauslaß dient und die gegenüber beidseitig an den Modulplatten vorgesehenen flachen Ausnehmungen druckgleiche und stm- in mungsgeometrisch gleiche Rohwasserkammern begrenzen, welche über Kanäle zwischen dem Rohwassereinlaß und dem Abwasser- oder Soleauslaß in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulplatten (1) bezogen auf r> eine diametrale Querebene aus zwei einander gleichen, um 180° gegeneinander verdrehten Hälften bestehen und alternierend jeweils um 180° gegeneinander gedreht mit zwischenliegenden Membranscheiben (20) gestapelt sind, daß am Rande ju des Plattenstapels achsparallel und diametral gegenüberliegend den gesamten Plattenstapel durchsetzende Verbindungskanäle (11) angeordnet sind und daß die Membranscheiben (20) mit einem Teil ihres Randes abwechselnd an gegenüberliegenden Seiten r> des Plattenstapels herausgeführt sind und dort die Verbindungskanäle (11) in Verbindungskanalabschnitte (1 V) unterteilen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modululatten (1) in ihrem mittleren κι Bereich als Trennwände (12) ausgebildet sind und zwischen zwei benachbarten Membranscheiben (20) zwei voneinander getrennte, zufluß- und abflußseitig in Verbindung stehende Rohwasserkammern bilden.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch r> gekennzeichnet, daß die im Inneren des Plattenstapels liegenden Ränder der Membranscheiben (20) von an benachbarten Modulplatten (1) angeordneten Dichtungen (33, 34) aufgenommen werden, welche die Stirnfläche der Mernbranscheiben (20) -*·» gegen einen Rohwassereintritt schützen.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Membranscheiben-Randdichtungen (33, 34) und den Trennwänden (12) der Modulplatten (1) für den Zu- und Abfluß der v> Rohwasserkammern Bohrungen (13,14) angeordnet sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (14) der Modulplatten (1) gruppenweise in vertieften Rinnen (56) der Plattenseitenflächen angeordnet sind (F i g. 6).
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Rinne (56) zwischen den Einzelbohrungen (14) kleinflächige Widerlager (54) für die Membranen (22,23) und Dichtungen (33, v> 34) vorgesehen sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (13, 14) mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch wi gekennzeichnet, daß der Plattenstapel so angeordnet ist, daß die an gegenüberliegenden Seiten herausgeführten Randteile der Membranscheiben (20) in der gleichen Horizontalebene liegen.
9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch '-> gekennzeichnet, daß die Modulplatten (1) eine im wesentlichen polygonale Form haben und daß die den Stapel zusammenspannenden Zuganker (43) im Bereich der Polygonseiten angeordnet sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Zuganker (43) Ausnehmungen (55) in den Modulplatten (1) vorgesehen sind, damit sich die Membranscheiben (20) unmittelbar an den Zugankern (43) abstützen können.
11. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulplatten (1) einteilig aus spritzgußfähigem Kunststoff bestehen.
12. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die den Rohwasserkammerboden bildenden Flächen der Modulplattentrennwände (12) einen dachförmigen Querschnitt haben, dessen Firstteil (52-52) quer und mittig zwischen den Rohwasserein- und -auslassen liegt.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte der Firstteile (52-52) der die Rohwasserkammerböden bildenden Flächen der Modulplattentrennwände (12) kleinflächige, an den Membranscheiben (20) zur Anlage kommende Widerlager (51) ausgebildet sind.
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