ES2215814T3 - Reactor electroquimico. - Google Patents

Abstract

Juego de componentes modulares para la fabricación de un reactor electroquímico (1) del tipo denominado de filtro prensa con un cuerpo sustancialmente tubular (1a), cerrado en los extremos opuestos mediante placas frontales (2, 3) y en el que se define una secuencia de células electrolíticas (4a, 4b) en comunicación fluida con tuberías (7 a 10) extendidas en dicho cuerpo (1a), en una dirección paralela a su eje (AA), para la recogida y distribución de fluidos de proceso, caracterizado dicho juego de componentes porque comprende: - una pluralidad de elementos planos electroquímicamente funcionales (13, 13a) seleccionados de elementos bipolares y elementos de separación, - una pluralidad de marcos (11), todos idénticos entre sí, realizados con un material eléctricamente aislante y estructurado para incluir y soportar dentro de ellos, de modo conocido por sí mismo, elementos planos electroquímicamente funcionales preseleccionados (13, 13a), - estando dotados cada uno de dichos marcos (11) de una pluralidad igual de orificios pasantes (14, 14a; 15, 15a; 21, 22; 26, 27) paralelos al eje del marco respectivo (11) e igualmente dispuestos angularmente entre marcos consecutivos, estando cada orificio pasante (14, 14a; 15, 15a; 21, 22; 26, 27) en comunicación fluida con el interior de dicho marco (11) a través de al menos un canal (16 a 19) extendido en el marco respectivo (11) en una dirección sustancialmente radial, - una pluralidad de piezas intercaladas de manguito cilíndricas (25), obtenidas con un material eléctricamente aislante, capaz de acoplarse coaxialmente en cada uno de dichos orificios pasantes (14, 14a; 15, 15a; 21, 22; 26, 27) en una disposición presurizada estanca a los fluidos, para cerrar herméticamente dicho, al menos un, canal de comunicación fluida (16 a 19) entre dicho orificio y el interior del marco respectivo (11).

Description

Reactor electroquímico.

Campo de la invención

La presente invención se refiere, en su aspecto más general, a un reactor electroquímico del tipo que tiene una configuración de filtro prensa que comprende, en forma de paquete, una pluralidad de células electrolíticas yuxtapuestas en cierre presurizado estanco a los fluidos y en comunicación fluida con una o más tuberías "principales" para suministrar los fluidos de funcionamiento respectivos y para retirar los productos de la reacción electroquímica.

En la configuración de filtro prensa mencionada, las células electrolíticas están definidas entre y mutuamente separadas mediante "componentes bipolares". Cada componente bipolar comprende básicamente un marco anular, preferiblemente pero no exclusivamente circular, fabricado de material eléctrico no conductor, y un elemento bipolar, generalmente en forma de una placa plana de material conductor eléctrico, enmarcado y soportado mediante dicho marco anular.

Dicho elemento bipolar, o electrodo bipolar, es un conductor denominado del primer tipo, generalmente obtenido de un metal muy conductor o de grafito, en el que tiene lugar la conducción mediante los electrones libres.

Dentro de cada una de las células electrolíticas, en una posición localizada entre los dos componentes bipolares que bordean a dicha célula, se proporciona generalmente un "componente de separación". El componente de separación comprende básicamente un marco anular fabricado de material aislante eléctrico y un elemento de separación, por ejemplo una membrana microporosa o un diafragma poroso, lógicamente aislante eléctrico, enmarcado y soportado mediante dicho marco anular.

Un elemento de separación de este tipo se vuelve conductor eléctrico sólo en presencia de un electrolito o de agua, que llena sus poros; en este estado se considera que es un conductor denominado del segundo tipo, en el que la conducción tiene lugar mediante los iones.

Dicho componente de separación subdivide la célula electrolítica respectiva en dos compartimentos de electrodo contiguos, es decir, anódico y catódico.

En la descripción siguiente y en las reivindicaciones posteriores, se hará referencia a los componentes bipolares y de separación mencionados como componentes funcionales.

Por consiguiente, en su forma básica un reactor electroquímico, al que se refiere la presente invención, está compuesto de una doble pluralidad de componentes funcionales, es decir, bipolar y separadores. Los componentes están yuxtapuestos en una configuración de filtro prensa, donde la totalidad de los marcos anulares respectivos, agrupados mutuamente entre sí en disposición de paquete y en cierre presurizado estanco a los fluidos, constituye el cuerpo tubular de dicho reactor.

En un aspecto más concreto, esta invención se refiere a un componente funcional, bipolar o separador, para la fabricación y el funcionamiento de reactores electroquímicos del tipo mencionado.

Dependiendo del proceso electroquímico que se desee llevar a cabo, cada compartimento de electrodo de las células electrolíticas, que constituyen el reactor electroquímico diseñado, está en comunicación fluida, a través de uno o más canales formados en los marcos anulares de los componentes funcionales de cada célula, con los colectores para la recogida y distribución de gases y líquidos, fuera del reactor.

Técnica anterior

En la patente US 4.758.322, incluida aquí como referencia, se describe un reactor electroquímico con una configuración de filtro prensa del tipo considerada anteriormente, en el que las tuberías principales para la recogida y distribución de fluidos están formadas en el propio cuerpo del reactor y se extienden paralelas a su eje.

Para un fin de este tipo, los marcos anulares de los componentes bipolares y de separación de cada célula electrolítica están cruzados, en una dirección paralela al eje del reactor, por un número igual de orificios pasantes idénticos (en concreto, tres o cuatro orificios), proporcionados en la misma posición mutuamente angular.

Cuando los componentes funcionales (bipolar y separadores), asociados en la configuración de filtro prensa deseada, están fijados entre sí en forma de paquete, los orificios pasantes que se corresponden entre sí en los diferentes marcos anulares respectivos de dichos componentes, están alineados axialmente para constituir las mencionadas tuberías principales de recogida y distribución de fluidos.

En cada célula electrolítica, las tuberías principales están en comunicación fluida con un compartimento de electrodo preseleccionado de la célula, mediante canales compuestos por surcos formados tangencialmente en el grosor de los marcos de los componentes funcionales que bordean a dicho compartimento. Los surcos de un marco están situados de manera diferente y orientados de manera diferente con respecto a los de los marcos contiguos.

Así, en el estado de la técnica, las dos pluralidades de componentes funcionales (bipolar y separadores) se diferencian también por su diferente estructuración de los marcos angulares, además de la diferente naturaleza de los elementos funcionales soportados por dichos marcos.

Aunque se reconoce que son ventajosos desde muchos puntos de vista, los reactores electroquímicos de la técnica anterior, estructurados del modo mencionado, presentan algunos inconvenientes que, hasta ahora, no han sido superados.

En concreto, un inconveniente funcional reside en el hecho de que el uso de una doble pluralidad de componentes, bipolares y separadores, cada uno con su propio marco anular y con su propia disposición respectiva de orificios pasantes y surcos tangenciales, limita la realización de reactores electroquímicos a aquellos en la que cada célula sin excepción está compuesta de dos compartimentos de electrodo, cada uno dotado de una entrada y una salida para los fluidos.

Los procedimientos típicos llevados a cabo en reactores electroquímicos con una configuración de este tipo son la producción de carbonato de sodio (sosa) - cloro, la electrolisis de agua y ácido clorhídrico, baterías redox y células de combustible aire/hidrógeno sin refrigeración interna.

Otro inconveniente estructural y logístico es que, para cada uno de los procedimientos electroquímicos del tipo mencionado anteriormente (entre los muchos procedimientos ahora en uso), es necesario usar (y tenerlos así almacenados) una cantidad elevada de componentes bipolares y de separación fabricados a medida para ese uso. Y esto es en concreto relevante para los marcos anulares de estos componentes.

Resumen de la invención

El problema subyacente a la presente invención es el de dotar a un reactor electroquímico de una configuración de filtro prensa como la considerada anteriormente fabricada a partir de componentes funcionales que tengan características estructurales y funcionales que superen los inconvenientes mencionados con referencia a la técnica anterior. Esto es, características que hagan posible usarlos para la fabricación de un reactor electroquímico independientemente del número (dos, tres o más) de compartimentos de electrodo previstos para las células electrolíticas de este y, simultáneamente, con una simplificación sustancial tanto en la estructura como en el funcionamiento con respecto a lo que ha sido posible hasta ahora con la técnica anterior.

Este problema se resuelve según la presente invención mediante un juego de componentes modulares para la fabricación de un reactor electroquímico del tipo denominado de filtro prensa con un cuerpo sustancialmente tubular cerrado en los extremos opuestos mediante placas frontales y en el que se define una secuencia de células electroquímicas en comunicación fluida con tuberías que se extienden en dicho cuerpo, en una dirección paralela a su eje, para la recogida y distribución de fluidos de proceso, caracterizado porque dicho juego de componentes comprende:

-

una pluralidad de elementos planos electroquímicamente funcionales seleccionados de elementos bipolares y elementos de separación,

-

una pluralidad de marcos, todos idénticos entre sí, producidos con un material aislante eléctrico y estructurados para encerrar y soportar dentro de ellos, de un modo conocido per se, respectivos elementos planos electroquímicamente funcionales preseleccionados,

-

estando dotado cada uno de dichos marcos de una pluralidad igual de orificios pasantes paralelos al eje del marco respectivo e igualmente dispuestos angularmente entre marcos consecutivos, estando cada orificio pasante en comunicación fluida con el interior de dicho marco a través de al menos un canal extendido en el marco respectivo en una dirección sustancialmente radial,

-

una pluralidad de piezas intercaladas de manguito, obtenidas con un material aislante eléctrico, capaz de acoplarse coaxialmente en cada uno de dichos orificios pasantes en una disposición presurizada estanca a los fluidos, para cerrar herméticamente dicho, al menos uno, canal de comunicación fluida entre dicho orificio y el interior del marco respectivo.

El uso de marcos idénticos resuelve el problema general, mientras que la tarea de establecer el proceso electroquímico se deja a las piezas intercaladas de manguito cilíndricas que, acopladas apropiadamente en los orificios pasantes preseleccionados de los marcos anulares, llevan a cabo la función de manguitos directores de flujo.

Cada reactor electroquímico está compuesto básicamente de una secuencia de compartimentos de electrodo cuyas paredes están compuestas a su vez de elementos electroquímicamente funcionales de diversa naturaleza: placas metálicas, membranas poliméricas porosas, membranas iónicamente activas, diafragmas porosos, placas de grafito, etc.

Cada elemento funcional está soportado y mantenido en posición mediante un marco anular; hay tantos compartimentos de reactor como marcos anulares.

Cada marco está dotado de una boca de entrada y una boca de salida para fluido gaseoso-líquido, o una mezcla gaseosa-líquida.

La tubería principal a la que fluyen estos fluidos depende de las piezas intercaladas de manguito.

Las características y las ventajas de la invención quedarán más claras a partir de la siguiente descripción de algunas formas de realización indicativas y no limitativas de un juego para reactores electroquímicos según la invención, hecha con referencia a los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos

Figura 1 muestra esquemáticamente un reactor electroquímico de filtro prensa, con células electrolíticas con dos compartimentos de electrodo;

Figura 2 muestra una ampliación de un detalle de la Figura 1;

Figura 3 muestra una ampliación de un componente del juego según la invención, que es útil para la fabricación de un reactor electroquímico de filtro prensa;

Figuras 4, 5 y 6 muestran secciones hechas a lo largo de las líneas IV-IV, V-V, VI-VI de la Figura 3, respectivamente;

Figuras 7 a 10 muestran otras ampliaciones del componente de la Figura 3;

Figura 11 muestra un segundo componente del juego de la presente invención asociado al componente de la Figura 7;

Figuras 12 y 13 representan secciones hechas a lo largo de las líneas XII-XII y XIII-XIII en la Figura 11;

Figuras 14 a 22 muestran esquemáticamente algunos ejemplos de aplicación del juego de componentes según la invención;

Figuras 23 a 26 muestran otras formas de realización del componente de la Figura 3.

Descripción detallada de una forma de realización preferida

Con referencia a la Figura 1, un reactor electroquímico con una configuración denominada de filtro prensa se indica con el número de referencia 1. Dicho reactor 1 tiene un cuerpo tubular 1a, preferiblemente pero no exclusivamente cilíndrico, cerrado en extremos opuestos mediante placas frontales conductoras eléctricas o aislantes eléctricas 2, 3, que no obstante están atravesadas por conductores eléctricos unidos a las partes conductoras internas del reactor.

En el cuerpo 1a, cuyo eje longitudinal se indica con AA, se define una secuencia de células electrolíticas 4, que - en este ejemplo específico - son del tipo con dos compartimentos de electrodo 4a, 4b, debido a la presencia en cada uno de éstos de un componente funcional de separación 5.

Las células electrolíticas 4 están contenidas y separadas mutuamente mediante componentes funcionales bipolares 6 o bien mediante cubiertas frontales o placas frontales como 2 y 3.

El reactor electrolítico 1 del ejemplo de la Figura 1 tiene un cuerpo 1a básicamente formado por una secuencia de componentes bipolares 6 y componentes de separación 5, que alternan en una disposición de paquete (o filtro prensa).

Las células electrolíticas 4 están en comunicación fluida del modo descrito a continuación en la presente memoria descriptiva con las tuberías principales 7, 8, 9, 10 (en la Figura 1 solo se pueden ver las tuberías 7, 9). Las tuberías 7, 8, 9, 10 se extienden a lo largo del cuerpo 1a del reactor 1, en paralelo con su eje AA, y se usan para la distribución y recogida de los fluidos implicados en un proceso electrolítico llevado a cabo dentro del reactor 1.

Con referencia a la Figura 2, los componentes de separación y bipolares 5, 6 comprenden un marco anular 11, 12 (circular, en el ejemplo de la Figura 2), fabricado de un material aislante eléctrico, y un elemento funcional de separación 13 y un elemento funcional bipolar 13a, respectivamente, enmarcados y soportados dentro de los marcos respectivos 11, 12.

El elemento de separación 13 está compuesto, por ejemplo, de una membrana microporosa, que es per se aislante eléctrica, mientras que el elemento bipolar 13 está fabricado de una placa de grafito u otro material conductor eléctrico apropiado.

Según la presente invención (Figuras 3, 4, 5) todos los marcos 11, tanto de los componentes de separación 5 como de los componentes bipolares 6, son idénticos y están dotados de un número igual (cuatro, en el caso ilustrado) de orificios pasantes 14, 14a, 15, 15a, de ejes paralelos al eje del marco anular respectivo 11. Además, en todos los marcos consecutivos 11, dichos orificios 14, 15 tienen una disposición angular igual.

Cuando una pluralidad preseleccionada de marcos 11 está fijada en una disposición de paquete para constituir el cuerpo 1a de un reactor electroquímico 1, los orificios pasantes 14, 14a, 15, 15a, que se corresponden entre sí en dichos marcos, constituyen las tuberías principales (7 a 10), citadas anteriormente, para la distribución a y la recogida desde cada compartimento de electrodo 4a, 4b del propio reactor, respectivamente.

Con este fin, y todavía según la presente invención, todos los orificios pasantes 14, 14a, 15, 15a de cada marco 11 están en comunicación fluida con el interior del marco respectivo. En el ejemplo de las Figuras 3 a 6, dicha comunicación se obtiene mediante canales que consisten en surcos radiales 16, 17 y circunferenciales 18, 19, formados sobre la parte delantera de dicho marco 11 y abiertos tanto a dichos orificios como al interior del propio marco.

Un surco circular 20 está dispuesto de forma perimetral en cada marco 11 y en un solo lado de este para recibir una apropiada junta estanca a los fluidos, como, por ejemplo, una junta tórica, entre dos marcos consecutivos en la disposición de filtro prensa del reactor correspondiente 1.

En las Figuras 7, 8 se muestran otras formas de realización de los marcos anulares mencionados 11, con diferentes disposiciones de orificios pasantes 14, 14a, 15, 15a.

Según la forma de realización de la Figura 9, los marcos 11 tienen forma básicamente cuadrilateral, en lugar de circular.

En la forma de realización de la Figura 10, cada marco 11 está dotado de seis orificios pasantes, de los cuales los de distribución de fluido se indican con 21, mientras que los de recogida de fluido se indican con 22. Cada orificio 21, 22 está en comunicación fluida con el interior del marco anular respectivo 11, a través de al menos un canal 23, 24, formado en el propio marco. Los marcos en esta forma de realización permiten un aumento (de cuatro a seis) de las tuberías de fluido principales que pueden participar en el procedimiento electroquímico, así como en la fabricación de células electrolíticas con tres compartimentos de electrodo.

Con referencia a las Figuras 11 a 13, el juego de la presente invención comprende un segundo componente fundamental, compuesto por una pieza intercalada de manguito cilíndrica 25, al que en la siguiente descripción se hará referencia simplemente como manguito.

Dicho manguito 25 está dotado de un canal de fluido radial 26 que, en la forma de realización mostrada en las Figuras 11 a 13, está compuesto de una hendidura formada en cada extremo de éste. La hendidura 26 tiene dimensiones iguales a las de los surcos 18, 19 ó 23, 34, citados anteriormente.

Los manguitos 25 están pensados para acoplarse, en una disposición presurizada estanca a los fluidos, en los orificios pasantes 14, 14a, 15, 15a (ó 21, 22) de los marcos anulares 11, con el fin de parar o asegurar su conexión hidráulica con el interior del marco respectivo. Por consiguiente, a través de los manguitos 25 es posible conectar los compartimentos únicos de células electrolíticas de un reactor, con tuberías de distribución y recogida de fluido principales preseleccionadas.

En concreto, los manguitos 25 se introducen en los orificios pasantes 14, 14a, 15, 15a, como se muestra en las Figuras 12, 13. En la Figura 12, los manguitos 25 de los orificios 14a, 15 están situados de modo que las hendiduras respectivas 26 se abren a los surcos 18, 19, mientras que (Figura 13) los introducidos en los orificios 14, 15a están situados de modo que cortan la comunicación entre dichos orificios y las ranuras y, así, entre dichos orificios y el interior del marco respectivo 11. El resultado es que el fluido que fluye dentro del orificio 14a, o más bien en el manguito 25 ajustado en dicho orificio, se dirige dentro del marco 11, mientras que no sale fluido del orificio 14, o más bien del manguito ajustado en este. A la inversa, el fluido que fluye dentro del marco 11 llega al orificio 15, mientras que es bloqueado hacia el orificio 15a.

Un reactor electrolítico con otra disposición de componente bipolar y de separación (células electrolíticas de dos compartimentos de electrodo) y con la disposición de los manguitos 25 en los orificios de los marcos 11 de dichos componentes, como se describe anteriormente, es característico, por ejemplo, de la producción de cloro y sosa cáustica mediante electrolisis de cloruro sódico, o bien de la producción de energía en baterías redox de vanadio.

Las Figuras 14 a 16 muestran el caso concreto de células electrolíticas de dos compartimentos, es decir, compartimentos anódico y catódico, a las que se suministra un único electrolito, como en el procedimiento de electrolisis de agua, mientras que los productos de la electrolisis (hidrógeno y oxígeno) se recogen separadamente.

La configuración de filtro prensa del reactor electroquímico respectivo se logra usando marcos anulares 11 que tienen orificios pasantes 26, 27, 27a. Los orificios 26 pensados para constituir la tubería de distribución principal están acoplados mediante manguitos 28 que tienen una longitud igual al espesor del marco respectivo. Los orificios 27, 27a, pensados para constituir las tuberías de recogida de gas principales, se acoplan mediante manguitos respectivos 29 que tienen una longitud que es el doble del espesor del marco 11.

Las Figuras 17 a 19 muestran el caso de células electrolíticas con tres compartimentos de electrodo para llevar a cabo un proceso como, por ejemplo, electrodiálisis de una sal, en el que circulan tres líquidos diferentes. La configuración de filtro prensa del reactor electroquímico se logra usando marcos anulares 30, dotados de seis orificios pasantes. En concreto, los marcos 30 que soportan elementos bipolares 31 bordean cada célula sin excepción de dicho reactor, mientras que los marcos 30 que soportan elementos de separación respectivos 31a (membranas iónicas) definen los compartimentos preseleccionados en cada célula).

La solución salina que se ha de someter a electrodiálisis se suministra a los compartimentos entre las membranas 31a, a través de las cuales migran los iones en solución que forman un anolito y un catolito, respectivamente, que se recogen separadamente. En este caso, la distribución y recogida de los líquidos del procedimiento se logra mediante el uso de manguitos 32, que tienen una longitud igual a tres veces el espesor de los marcos anulares respectivos 30.

Las Figuras 20 a 22 muestran un sistema de tres compartimentos (por ejemplo, para células de combustible), que alterna células de dos compartimentos (dos marcos 11 con elementos bipolares respectivos 31 y un marco 11 con elemento de separación 31a), en el que tiene lugar un procedimiento electrolítico y un compartimento único 33, contenido entre dos elementos bipolares, donde se hace fluir un medio de intercambio térmico para retirar calor de o proporcionar calor para dicho sistema. Un colector, indicado mediante 34, dispuesto en el compartimento único 33, puede proporcionar la continuidad eléctrica a través de este.

La invención diseñada de este modo puede sufrir variaciones y modificaciones dentro de las capacidades de un experto en la técnica. Por ejemplo, con referencia a las Figuras 23 a 26, los manguitos pueden estar externamente dotados de uno o más medios de cierre convencionales 35, por ejemplo, juntas tóricas, alojadas en surcos anulares 36 apropiados. O bien, todavía se pueden dotar dichos manguitos de uno o más canales de fluido 37, constituidos mediante orificios radiales, en lugar de hendiduras del tipo descrito previamente. Por otro lado, estos manguitos se pueden dotar de apéndices tubulares 38, extendidos dentro del manguito y que apunten hacia canales de fluido respectivos 37.

Claims (4)

1. Juego de componentes modulares para la fabricación de un reactor electroquímico (1) del tipo denominado de filtro prensa con un cuerpo sustancialmente tubular (1a), cerrado en los extremos opuestos mediante placas frontales (2, 3) y en el que se define una secuencia de células electrolíticas (4a, 4b) en comunicación fluida con tuberías (7 a 10) extendidas en dicho cuerpo (1a), en una dirección paralela a su eje (AA), para la recogida y distribución de fluidos de proceso, caracterizado dicho juego de componentes porque comprende:

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una pluralidad de elementos planos electroquímicamente funcionales (13, 13a) seleccionados de elementos bipolares y elementos de separación,

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una pluralidad de marcos (11), todos idénticos entre sí, realizados con un material eléctricamente aislante y estructurado para incluir y soportar dentro de ellos, de modo conocido por sí mismo, elementos planos electroquímicamente funcionales preseleccionados (13, 13a),

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estando dotados cada uno de dichos marcos (11) de una pluralidad igual de orificios pasantes (14, 14a; 15, 15a; 21, 22; 26, 27) paralelos al eje del marco respectivo (11) e igualmente dispuestos angularmente entre marcos consecutivos, estando cada orificio pasante (14, 14a; 15, 15a; 21, 22; 26, 27) en comunicación fluida con el interior de dicho marco (11) a través de al menos un canal (16 a 19) extendido en el marco respectivo (11) en una dirección sustancialmente radial,

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una pluralidad de piezas intercaladas de manguito cilíndricas (25), obtenidas con un material eléctricamente aislante, capaz de acoplarse coaxialmente en cada uno de dichos orificios pasantes (14, 14a; 15, 15a; 21, 22; 26, 27) en una disposición presurizada estanca a los fluidos, para cerrar herméticamente dicho, al menos un, canal de comunicación fluida (16 a 19) entre dicho orificio y el interior del marco respectivo (11).

2. Juego de componentes según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho, al menos un, canal (16, 19) está compuesto por un surco formado en la parte delantera de dicho marco (11), abierto en extremos opuestos de dichos orificios pasantes y el interior de dicho marco.

3. Juego de componentes según la reivindicación 1, caracterizado porque dichas piezas intercaladas de manguito (25) tienen una longitud igual a un múltiplo del grosor de dichos marcos (11) y son atravesadas por al menos un canal de fluido (26, 37), adecuado para poner los orificios pasantes en comunicación con el interior de los marcos respectivos (11).

4. Juego de componentes según la reivindicación 3, caracterizado porque dicho canal de fluido de dichos manguitos (25) está compuesto por una hendidura (26) formada radialmente en un extremo de los propios manguitos y con las mismas dimensiones que dichos surcos (16, 19) formados en la parte delantera de dichos marcos (11).