ITMI20130305A1 - SYSTEM FOR SEPARATING THE HYDROGEN FROM OXYGEN CONTAINED IN WATER - Google Patents
SYSTEM FOR SEPARATING THE HYDROGEN FROM OXYGEN CONTAINED IN WATERInfo
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Description
"SISTEMA PER SEPARARE L'IDROGENO DALL'OSSIGENO CONTENUTI IN ACQUA" "SYSTEM TO SEPARATE HYDROGEN FROM OXYGEN CONTAINED IN WATER"
D E S C R I Z I O N E DESCRIPTION
Il presente trovato ha come oggetto un sistema per separare l'idrogeno dall'ossigeno contenuto nella molecola dell'acqua, studiato per ottenere tale separazione a bordo di autoveicoli che utilizzano per la loro propulsione motori endotermici, onde ottenere H2 in quantità sufficiente per potere alimentare tali motori. The present invention relates to a system for separating the hydrogen from the oxygen contained in the water molecule, designed to obtain this separation on board of motor vehicles which use endothermic engines for their propulsion, in order to obtain H2 in sufficient quantity to be able to feed. such engines.
L'attuale sistema energetico à ̈ un sistema composto nel quale i combustibili, prevalentemente di origine fossile, quali petrolio, gas metano e carbone, nonché l'elettricità , costituiscono gli altri fattori principali. The current energy system is a composite system in which fuels, mainly of fossil origin, such as oil, methane gas and coal, as well as electricity, are the other main factors.
Poiché i combustibili fossili, per loro stessa natura, vanno più o meno rapidamente verso una diminuzione continua delle loro riserve, la società umana à ̈ spinta verso la ricerca di nuove fonti, quali quelle alternative naturali, l'energia nucleare di fissione e quella di fusione termonucleare. Since fossil fuels, by their very nature, go more or less rapidly towards a continuous decrease in their reserves, human society is pushed towards the search for new sources, such as natural alternatives, nuclear fission energy and of thermonuclear fusion.
Tutte queste fonti producono prevalentemente energia estratta sotto forma termica. All these sources mainly produce energy extracted in thermal form.
Ad esse si à ̈ aggiunto recentemente un nuovo combustibile, l'idrogeno, il quale, non trovandosi in natura in forma libera, pur essendo uno degli elementi più diffusi sul nostro pianeta, per le sue caratteristiche si presenta come un combustibile sintetico con grande possibilità di impiego per le seguenti ragioni: A new fuel has recently been added to them, hydrogen, which, not being in nature in free form, despite being one of the most widespread elements on our planet, due to its characteristics is presented as a synthetic fuel with great possibility of use for the following reasons:
- si può ottenere dall'acqua in grandi quantità ; - it can be obtained from water in large quantities;
- la sua combustione à ̈ pulita perché essa lo riconverte in acqua; - its combustion is clean because it converts it back into water;
- l'inquinamento ambientale prodotto da tale combustione si limita alla produzione di piccole quantità di ossidi di azoto e tali quantità possono essere ulteriormente ridotte con opportuni accorgimenti (per esempio impedendo che venga raggiunta la temperatura di formazione di tali composti); - the environmental pollution produced by this combustion is limited to the production of small quantities of nitrogen oxides and these quantities can be further reduced with appropriate measures (for example by preventing the formation temperature of these compounds from being reached);
- possiede un ciclo naturale rapidissimo poiché l'acqua prodotta, contrariamente all'anidride carbonica generata dalla combustione del carbonio, viene immediatamente reintegrata nell'ambiente, come l'ossigeno separato dall'acqua e non produce accumuli nocivi all'equilibrio della biosfera. - it has a very rapid natural cycle since the water produced, unlike the carbon dioxide generated by the combustion of carbon, is immediately reintegrated into the environment, like oxygen separated from water and does not produce harmful accumulations to the equilibrium of the biosphere.
L'unico inconveniente che attualmente non ha trovato una soddisfacente soluzione à ̈ quello del suo stoccaggio, soprattutto in grandi quantità , poiché sotto forma di gas l'idrogeno presenta grandi volumi e forti perdite negli eventuali gasometri, mentre sotto forma liquida necessita di contenitori che resistano a pressioni molto elevate e che vengano mantenuti a temperature estremamente basse. The only drawback that currently has not found a satisfactory solution is that of its storage, especially in large quantities, since in the form of gas hydrogen presents large volumes and heavy losses in any gasometers, while in liquid form it requires containers. that withstand very high pressures and are kept at extremely low temperatures.
Si aggiunga a queste difficili condizioni di immagazzinamento, il pericolo presentato dalla sua grande infiammabilità e della possibilità del verificarsi di esplosioni rovinose, specie se provocate da incidenti su veicoli esposti ai pericoli della circolazione. Add to these difficult storage conditions, the danger presented by its great flammability and the possibility of the occurrence of disastrous explosions, especially if caused by accidents on vehicles exposed to traffic hazards.
Per quanto il mercato dell'idrogeno sia già molto sviluppato, per i consumi che se ne fanno sia nell'industria chimica di base, sia nell'industria missilistica sia in quella aeronautica, la produzione di idrogeno à ̈ ancora oggetto di molti studi. Although the hydrogen market is already very developed, due to the consumption of it both in the basic chemical industry, both in the missile industry and in the aeronautical one, the production of hydrogen is still the subject of many studies.
I metodi di produzione teoricamente possibili sono i seguenti: The theoretically possible production methods are as follows:
- decomposizione termica diretta, - direct thermal decomposition,
- decomposizione elettrolitica, - electrolytic decomposition,
- decomposizione termochimica, - thermochemical decomposition,
- decomposizione fotolitica, - photolytic decomposition,
- decomposizione radiolitica. - radiolytic decomposition.
Non tutti questi metodi sono di fatto applicati industrialmente e la grandissima maggioranza della produzione avviene con i due primi processi della lista suddetta. Not all of these methods are in fact applied industrially and the vast majority of production takes place with the first two processes of the aforementioned list.
In particolare, la decomposizione termica diretta si attua ad alta temperatura (2500 - 5000 °C) che viene raggiunta mediante combustione di carbone in appositi forni. In particular, direct thermal decomposition takes place at a high temperature (2500 - 5000 ° C) which is achieved by burning coal in special ovens.
Più pratico e più adoperato, malgrado utilizzi considerevoli quantità di energia elettrica, à ̈ il metodo elettrolitico per scindere l'acqua nei suoi due componenti, idrogeno ed ossigeno. More practical and more used, despite using considerable quantities of electricity, is the electrolytic method to split water into its two components, hydrogen and oxygen.
Esso contende il passo ai vari processi di "steamreforming" di idrocarburi, poiché à ̈ basato su un'esperienza di molti anni e su una ben nota tecnologia. It contends with the various hydrocarbon "steamreforming" processes, as it is based on many years of experience and well-known technology.
Il rendimento delle celle del consumo iniziale di 4,6 kW/h Nm<3>di idrogeno prodotto à ̈ oggi in sensibile miglioramento. The efficiency of the cells of the initial consumption of 4.6 kW / h Nm <3> of hydrogen produced is now significantly improving.
Tale rendimento à ̈ definito come il rapporto tra il potere calorifico superiore dell'idrogeno prodotto e l'energia elettrica adoperata per la sua produzione ed, all'inizio, era intorno al valore del 60-65 %. This efficiency is defined as the ratio between the higher calorific value of the hydrogen produced and the electricity used for its production and, at the beginning, it was around the value of 60-65%.
Oggi tali dati hanno soltanto valore storico e debbono ritenersi del tutto superati. Today these data have only historical value and must be considered completely outdated.
Esiste tuttavia un altro metodo per separare i due elementi che costituiscono la molecola dell'acqua. However, there is another way to separate the two elements that make up the water molecule.
Alcuni metalli, quali il sodio, bario, calcio e lo stronzio hanno la proprietà di scomporre l'acqua spontaneamente nei suoi componenti, liberando idrogeno. Some metals, such as sodium, barium, calcium and strontium, have the property of spontaneously breaking down water into its components, releasing hydrogen.
Mentre il sodio ed il bario forniscono una reazione di carattere violento, il calcio e lo stronzio possono essere impiegati per ottenere idrogeno in forma di gas a bassa pressione, utilizzabile come combustibile per alimentare motori a combustione interna, mediante adatti iniettori. While sodium and barium provide a violent reaction, calcium and strontium can be used to obtain hydrogen in the form of a low-pressure gas, which can be used as a fuel to power internal combustion engines, by means of suitable injectors.
Mentre lo stronzio à ̈ un metallo piuttosto raro, il calcio à ̈ invece uno dei metalli più diffusi sul pianeta. While strontium is a rather rare metal, calcium is one of the most widespread metals on the planet.
Metodi di stoccaggio attualmente impiegati: Storage methods currently used:
Attualmente l'idrogeno viene accumulato nelle seguenti tre forme: gas compresso, gas liquefatto o idruro metallico. Currently hydrogen is stored in the following three forms: compressed gas, liquefied gas or metal hydride.
Sotto forma di gas compresso si possono realizzare serbatoi di limitata capacità unitaria. In the form of compressed gas it is possible to create tanks of limited unit capacity.
Tali serbatoi debbono resistere a pressioni molto elevate e sono quindi di grande peso e di notevole ingombro. Such tanks must withstand very high pressures and are therefore of great weight and considerable bulk.
Per serbatoi di maggiore capacità si à ̈ pensato all'uso di speciali gasometri e per capacità ancora maggiori all'uso di cavità naturali. For larger capacity tanks the use of special gasometers was thought of and for even greater capacity the use of natural cavities.
La tecnologia dell'idrogeno liquido à ̈ stata ampiamente sperimentata e sviluppata specialmente a servizio dei programmi spaziali ed à ̈ valida fino a 5000 m<3>, certamente superabili nel futuro. Liquid hydrogen technology has been extensively tested and developed especially for space programs and is valid up to 5000 m <3>, which will certainly be surpassed in the future.
Le perdite di tali serbatoi sono dell'ordine di grandezza di 0,05 ÷ 0,10% al giorno. The losses of these tanks are of the order of magnitude of 0.05 ÷ 0.10% per day.
Quanto agli idruri metallici, essi possono contenere, come à ̈ noto, più idrogeno per unità di volume dell'idrogeno liquido. As for metal hydrides, they can contain, as is known, more hydrogen per unit volume than liquid hydrogen.
Tale sistema à ̈ esotermico, in quanto sviluppa calore quando assorbe l'idrogeno, quindi basta fornirgli calore per riottenere l'idrogeno immagazzinato. This system is exothermic, as it develops heat when it absorbs the hydrogen, so it is enough to supply it with heat to regain the stored hydrogen.
In ogni temperatura l'idruro à ̈ in equilibrio con una definita pressione dell'idrogeno, che rimane in esso (pressione di decomposizione). At any temperature the hydride is in equilibrium with a defined pressure of the hydrogen, which remains in it (decomposition pressure).
Occorre quindi un sistema che fornisca quantità di calore ben determinate per usufruire della quantità di idrogeno da utilizzare. We therefore need a system that supplies well-defined quantities of heat to take advantage of the quantity of hydrogen to be used.
Le utilizzazioni attuali o previste dell'idrogeno comprendono: Current or planned uses of hydrogen include:
- la produzione dell' ammoniaca; - the production of ammonia;
- l'hydrocracking di derivati del petrolio; - hydrocracking of petroleum derivatives;
- gli usi spaziali ed aeronautici; - space and aeronautical uses;
- l'accumulo per la generazione di energia elettrica da immettere in rete per assorbire i picchi di consumo; - storage for the generation of electricity to be fed into the grid to absorb consumption peaks;
- gli impieghi industriali; - industrial uses;
- l'uso quale combustibile scarsamente inquinante dei trasporti terrestri. - use as a low-polluting fuel for land transport.
Orbene, la maggioranza dell'idrogeno prodotto, circa il 90% del totale prodotto, serve a soddisfare i bisogni delle prime due voci della lista precedente, mentre l'ultima voce concerne l'utilizzazione dell'idrogeno per la propulsione dei veicoli terrestri. Now, the majority of the hydrogen produced, about 90% of the total produced, serves to satisfy the needs of the first two items of the previous list, while the last item concerns the use of hydrogen for the propulsion of land vehicles.
Tutti sappiamo quali siano gli effetti dell'inquinamento che il consumo di combustibili contenenti carbonio ci obbliga a sopportare ma, d'altra parte, Ã ̈ altrettanto vero che equipaggiare di bombole ad alta pressione un mezzo mobile e mandarlo in giro per le strade di una metropoli comporta dei rischi elevati e diminuisce fortemente il carico pagante del veicolo in questione. We all know what are the effects of the pollution that the consumption of carbon-containing fuels forces us to endure but, on the other hand, it is equally true that equipping a mobile vehicle with high-pressure cylinders and sending it around the streets of a metropolis involves high risks and greatly reduces the payload of the vehicle in question.
Pertanto, Ã ̈ chiaro che l'unico mezzo, tra quelli fin qui elencati, che eviterebbe questi rischi, sarebbe costituito dall'impiego degli idruri metallici per immagazzinare l'idrogeno necessario per assicurare un minimo di autonomia del mezzo stesso. Therefore, it is clear that the only means, among those listed so far, which would avoid these risks, would be the use of metal hydrides to store the hydrogen necessary to ensure a minimum autonomy of the vehicle itself.
Tuttavia non sembra che il suddetto sistema abbia ancora raggiunto le condizioni necessarie per un suo impiego pratico che ne permetta la diffusione. However, it does not seem that the aforementioned system has yet reached the necessary conditions for its practical use which would allow its diffusion.
Pertanto, in tutti i processi attualmente adoperati per bruciare idrogeno nei motori endotermici si preferisce disporre di idrogeno già allo stato gassoso anche se, come si à ̈ già detto, tale procedimento può comportare gravi inconvenienti. Therefore, in all the processes currently used to burn hydrogen in internal combustion engines, it is preferred to have hydrogen already in the gaseous state even if, as already said, this procedure can cause serious drawbacks.
Compito del presente trovato à ̈ quello di realizzare un metodo in grado di effettuare la separazione dell'idrogeno dall'ossigeno dell'acqua, mediante una semplice reazione chimica come quella che si verifica ogni volta che un metallo alcalino, tra quelli prima citati, entra in contatto con l'acqua. The aim of the present invention is to provide a method capable of carrying out the separation of hydrogen from the oxygen of the water, by means of a simple chemical reaction such as that which occurs whenever an alkaline metal, among those mentioned above, enters in contact with water.
In tale caso, infatti, tale operazione si può compiere in una semplice apparecchiatura poco ingombrante e trasportabile a bordo del veicolo stesso. In this case, in fact, this operation can be carried out in a simple device that is not bulky and can be transported on board the vehicle itself.
In particolare, si à ̈ presa in considerazione la seguente reazione: In particular, the following reaction was considered:
Ca H2O = Ca(OH)2+ H2 Ca H2O = Ca (OH) 2+ H2
tra calcio metallico ed acqua, da fare avvenire in adatto contenitore a bassa pressione in piccole quantità , sufficienti ad assicurare la produzione del gas necessario a mantenere in funzione il motore a combustione interna che assicura la propulsione del veicolo. between metal calcium and water, to be made in a suitable low pressure container in small quantities, sufficient to ensure the production of the gas necessary to keep the internal combustion engine running which ensures the propulsion of the vehicle.
Tale reazione, nel caso del calcio, non avviene in modo violento ed il suo sottoprodotto consiste in idrossido di calcio, il quale non à ̈ particolarmente aggressivo chimicamente e può essere, senza danno fisico alle persone, periodicamente asportato dal recipiente, dove à ̈ avvenuta la reazione, ed avviato ad altra utilizzazione, oppure eliminato come rifiuto non tossico. This reaction, in the case of calcium, does not take place violently and its by-product consists of calcium hydroxide, which is not particularly aggressive chemically and can be periodically removed from the container where it occurred without physical harm to people. the reaction, and sent to another use, or eliminated as non-toxic waste.
L'apparecchiatura nella quale si verifica tale reazione ha un peso ed un ingombro assai limitato e l'acqua deionizzata, necessaria alla reazione, può essere aggiunta a mano a mano che si consuma. The apparatus in which this reaction takes place has a very limited weight and dimensions and the deionized water, necessary for the reaction, can be added as it is consumed.
Tale apparecchiatura deve essere a tenuta stagna in tutto il suo insieme, poiché il suo corretto funzionamento à ̈ affidato alle variazioni di pressione dell'H2 che in essa viene generato e comprende tre parti principali, una delle quali à ̈ adibita a contenere la carica di calcio metallico, sotto forma di sferette, la seconda parte à ̈ adibita a deposito dell'idrato di calcio, Ca(OH)2 sottoprodotto della reazione, e la terza à ̈ costituita da una piccola bombola metallica, definita nel seguito più propriamente reattore. This equipment must be watertight in its entirety, since its correct operation is entrusted to the pressure variations of the H2 that is generated in it and includes three main parts, one of which is used to contain the charge of metallic calcium, in the form of spheres, the second part is used to deposit the calcium hydrate, Ca (OH) 2 by-product of the reaction, and the third is made up of a small metal cylinder, more properly defined below as a reactor .
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'oggetto del presente trovato risulteranno maggiormente evidenziati attraverso un esame della descrizione di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, del trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo nei disegni allegati, in cui: Further characteristics and advantages of the object of the present invention will become more evident through an examination of the description of a preferred but not exclusive embodiment of the invention, illustrated by way of non-limiting example in the attached drawings, in which:
la figura 1 Ã ̈ una vista schematica in alzato, parzialmente sezionata, del reattore dell'apparecchiatura oggetto della presente invenzione. Figure 1 is a schematic elevation view, partially sectioned, of the reactor of the apparatus object of the present invention.
Con particolare riferimento ai simboli numerici della suddetta figura, il reattore, indicato globalmente nella figura 1 , riceve le sferette di calcio metallico dalla sua parte superiore 20 e tali sferette si accumulano in piccola quantità all'interno dell'apparecchiatura in un cestello forellato 2, situato nella sua parte inferiore. With particular reference to the numerical symbols of the aforesaid figure, the reactor, globally indicated in figure 1, receives the metal calcium spheres from its upper part 20 and these spheres accumulate in small quantities inside the apparatus in a perforated basket 2, located in its lower part.
In tale cestello 2 giunge anche l'acqua deionizzata, la quale viene immessa attraverso il tubo 5 ed il rubinetto 6 nella cavità 7, da dove attraverso il tubicino 8 e la valvola modulatrice 12 giunge infine nella cavità 9. Deionized water also arrives in this basket 2, which is introduced through the tube 5 and the tap 6 into the cavity 7, from where through the tube 8 and the modulating valve 12 it finally reaches the cavity 9.
E' fondamentale mettere in rilievo la funzione della valvola modulatrice 12. It is essential to highlight the function of the modulating valve 12.
Tutto il processo descritto si basa infatti sulla regolarità e gradualità della reazione fra calcio metallico ed acqua durante la quale si sviluppa lΉ2 adoperato come combustibile nel motore del veicolo. The whole process described is in fact based on the regularity and graduality of the reaction between metallic calcium and water during which the Î ‰ 2 used as fuel in the vehicle engine develops.
Per assicurare tali caratteristiche nella generazione dell'H2 Ã ̈ necessario garantire un afflusso lento ed uniforme, per quanto possibile dell'acqua sulle sferette di calcio presenti nel cestello forellato 2. To ensure these characteristics in the generation of H2, it is necessary to ensure a slow and uniform flow, as far as possible, of the water onto the calcium spheres present in the perforated basket 2.
In esso, mentre l' Η2 in forma gassosa va a riempire la cavità 10, il Ca (OH)2 si deposita nella sottostante cavità 9, prov vista di un sifone 1 in comunicazione con il sottostante recipiente 18 da dove, ogni volta che sotto la spinta della pressione ; dell'H2 il sifone si innesca, tale sottoprodotto della reazione passa nel recipiente 18 stesso per essere poi definitivamente rimosso dal veicolo come rifiuto non tossico. In it, while the Î-2 in gaseous form fills the cavity 10, the Ca (OH) 2 is deposited in the underlying cavity 9, provided with a siphon 1 in communication with the underlying vessel 18 from where, every time that under the pressure of pressure; of the H2 the siphon is primed, this by-product of the reaction passes into the vessel 18 itself to be then definitively removed from the vehicle as a non-toxic waste.
Man mano che la reazione chimica fra Calcio e H2O procede, la pressione interna del reattore aumenta a causa dello sviluppo di H2 gassoso fino al raggiungimento di un valore massimo , prestabilito. As the chemical reaction between Calcium and H2O proceeds, the internal pressure of the reactor increases due to the development of gaseous H2 until a predetermined maximum value is reached.
Quando tale valore viene raggiunto la valvola 12 chiude il passaggio dall'acqua verso la cavità 9 interrompendo così la generazione di H2 e l'aumento di pressione corrispondente. When this value is reached, the valve 12 closes the passage from the water to the cavity 9 thus interrupting the generation of H2 and the corresponding pressure increase.
L'eventuale eccesso di H2 dovuto all'inerzia del sistema di controllo viene scaricato nell'atmosfera attraverso la valvola di sicurezza 17. Any excess H2 due to the inertia of the control system is discharged into the atmosphere through the safety valve 17.
Da questo momento in poi, la pressione, all'interno del reattore, se il motore del veicolo à ̈ in moto, continuerà a diminuire per effetto del prelievo di H2 effettuato attraverso il tubo 17 e la membrana 15 permeabile selettivamente all' H2 , per alimentare gli iniettori che introducono tale combustibile, miscelato con l'aria necessaria, nei "cilindri" del motore a combustione interna del veicolo. From this moment on, the pressure inside the reactor, if the vehicle engine is running, will continue to decrease as a result of the withdrawal of H2 carried out through the tube 17 and the membrane 15 which is selectively permeable to H2, for feeding the injectors which introduce this fuel, mixed with the necessary air, into the "cylinders" of the internal combustion engine of the vehicle.
Si denominano convenzionalmente "cilindri" le cavità attive del motore a combustione interna, qualsiasi forma geometrica esse assumano nella loro realtà costruttiva. The active cavities of the internal combustion engine are conventionally called "cylinders", whatever geometric shape they assume in their construction reality.
Ad un certo momento, per effetto di tale diminuzione di pressione all'interno del reattore, la valvola 1 2 si riaprirà gradualmente ed il ciclo descritto potrà ripetersi finché si esauriranno i reagenti trasportati a bordo del veicolo dei quali occorrerà assicurare la sostituzione. At a certain moment, due to the effect of this pressure decrease inside the reactor, the valve 1 2 will gradually reopen and the described cycle can be repeated until the reagents transported on board the vehicle are exhausted and it will be necessary to ensure their replacement.
Le eventuali impurità generate, soprattutto sotto forma di ammoniaca, possono essere scaricate unitamente all'idrossido di Ca. Any impurities generated, especially in the form of ammonia, can be discharged together with the Ca hydroxide.
Nel caso si rivelasse necessario l'ammoniaca associata alla reazione principale potrebbe essere allontanata mediante lavaggio con acqua dell'H2 prodotto mediante apposita apparecchiatura addizionale non descritta nella presente relazione, perché scelta fra quelle convenzionali già esistenti, inserita fra il condotto 14 e gli iniettori nei cilindri, essendo ben nota l'elevatissima solubilità dell'ammoniaca nell'acqua. Should it prove necessary, the ammonia associated with the main reaction could be removed by washing the H2 produced with water by means of a special additional equipment not described in this report, because it was chosen from among the conventional ones already existing, inserted between the duct 14 and the injectors. in cylinders, the very high solubility of ammonia in water being well known.
Il diametro delle sferette di Ca può costituire un mezzo indiretto per controllare, mediante il loro rapporto volume/superficie, la velocità della reazione di sviluppo dell'H2 prodotto. The diameter of the Ca spheres can constitute an indirect means of controlling, by means of their volume / surface ratio, the speed of the development reaction of the produced H2.
Si à ̈ constatato, in pratica, che il trovato raggiunge il compito e gli scopi prefissati. In practice, it has been found that the invention achieves the intended aim and objects.
La presente apparecchiatura per le sue peculiari caratteristiche realizzative à ̈ in grado di assicurare le più ampie garanzie di affidabilità e di sicurezza nell'uso. Due to its peculiar manufacturing characteristics, this equipment is able to ensure the widest guarantees of reliability and safety in use.
I materiali impiegati, nonché le dimensioni, potranno varia re naturalmente a seconda delle esigenze. The materials used, as well as the dimensions, may naturally vary according to requirements.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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