JP2013128874A - 海水淡水化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】逆浸透膜の濾過性能を維持するとともに、濃縮海水が持つ流体圧力エネルギを有効に回収する海水淡水化装置を提供する。
【解決手段】供給された海水を淡水と濃縮海水とに分離する逆浸透膜（４）と、駆動モータ（１）により駆動され、海水を加圧して逆浸透膜に供給する水圧ポンプ（２）と、逆浸透膜（４）から分離された濃縮海水が供給され、供給された濃縮海水によって回転駆動して水圧ポンプ（２）を駆動する水圧モータ（３）と、逆浸透膜（４）に供給される海水の温度を検出する温度検出器（２０）と、温度検出器（２０）によって検出された海水の温度に基づいて、水圧ポンプ（２）により逆浸透膜に供給される海水の流量を制御する制御部（６）と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、海水から塩分を除去した淡水を取り出す海水淡水化装置に関するものである。

従来、海水から淡水を取り出す海水淡水化装置には、水圧ポンプによって加圧された海水を、海水から塩分を除去する逆浸透膜（以下、ＲＯ膜と呼ぶ）に送ることによって、淡水を取り出すことができるものがある。

特許文献１から４には、ＲＯ膜によって濾過されずに排出される濃縮海水の圧力によって回転駆動することにより、濃縮海水の動力エネルギ（流体圧力エネルギ）を回収する動力回収水圧モータを備え、この動力回収水圧モータによって水圧ポンプを補助的に駆動する動力回収装置が開示されている。

また、特許文献３には、ＲＯ膜に供給する供給水の圧力と、該供給水の流量と、ＲＯ膜を透過した後の透過水の流量とを所定の淡水の回収率に基づいて自動制御すると共に、濃縮海水を動力回収タービンに供給して、動力を回収することが開示されている。

特開２００９−１０３１０９号公報 国際公開 ＷＯ ８５／０１２２１ 特開平９−２９９９４４号公報 特開２００１−４６８４２号公報

前述のように、従来の動力回収装置は、ＲＯ膜に供給する海水の圧力、流量等を調整して、濾過された淡水を取出しつつ、排出される濃縮海水の流体圧力エネルギを回収している。

ところで、ＲＯ膜から取出される淡水の水量は、ＲＯ膜に供給される海水の温度に依存する。具体的には、海水における塩類の溶解度や粘性係数等の物理特性は温度によって変化するため、ＲＯ膜の濾過により淡水が取出される効率は、海水温度が高いほど高くなり、海水温度が低いほど低くなる。そのため、海水の温度に基づいて海水の圧力を適切に調整することが求められる。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、海水温度が変化しても圧力を適切に制御してＲＯ膜による淡水回収効率を高めるとともに、濃縮海水が持つ流体圧力エネルギを有効に回収する海水淡水化装置を提供することを目的とする。

本発明は、供給された海水を淡水と濃縮海水とに分離する逆浸透膜と、駆動モータにより駆動され、海水を加圧して逆浸透膜に供給する水圧ポンプと、逆浸透膜から分離された濃縮海水が供給され、供給された濃縮海水によって回転駆動して水圧ポンプを駆動する水圧モータと、逆浸透膜に供給される海水の温度を検出する温度検出器と、温度検出器によって検出された海水の温度に基づいて、水圧ポンプにより逆浸透膜に供給される海水の流量を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明は、制御部が、温度検出器によって検出された海水の温度に基づいて、水圧ポンプにより逆浸透膜に供給される海水の流量を制御する。これにより、検出された温度に基づいて、水圧ポンプを駆動する水圧モータの回転駆動を制御することができる。このような構成によって、温度検出器によって検出された海水の温度に基づいて水圧モータの回転駆動を制御することができるので、海水の温度の変動に関わらず、安定した流量の淡水を取出することができる。

本発明の第１の実施形態を示す海水淡水化装置の構成を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態の海水温度と淡水流量との関係を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態を示す海水淡水化装置の構成を示す説明図である。 本発明の第３の実施形態を示す海水淡水化装置の構成を示す説明図である。 本発明の第４の実施形態を示す海水淡水化装置の構成を示す説明図である。

以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態の海水淡水化装置１００の構成を示す説明図である。

海水淡水化装置１００は、海から図示しない取水装置よって取り込んだ海水（原水）を、逆浸透膜であるＲＯ膜（Reverse Osmosis）４によって塩分を除去して、透過水取出通路１５から淡水として取出する装置である。

海水淡水化装置１００は、供給された海水を淡水と濃縮海水とに分離するＲＯ膜４と、主駆動モータ１により駆動され海水を加圧してＲＯ膜４の上流側室２１に供給する水圧ポンプ２と、ＲＯ膜の上流側室２１から分離された濃縮海水が供給され、供給された濃縮海水の圧力によって回転駆動し、主駆動モータ１の駆動と共に水圧ポンプ２を回転駆動する動力回収水圧モータ３と、開度によって動力回収水圧モータ３に供給する濃縮海水の流量を制御するサーボバルブ７と、海水の温度を検出する温度検出器２０と、ＲＯ膜の上流側室２１と下流側室２２との差圧を検出する圧力検出器５と、温度検出器２０と圧力検出器５との検出値に基づいてサーボバルブ７の開度を制御するサーボアンプ６と、を備える。

この海水淡水化装置１００は、後述するように、サーボアンプ６が、温度検出器２０によって検出された海水の温度に基づいて、水圧ポンプ２によりＲＯ膜４に供給される海水の流量を制御する。これにより、検出された温度に基づいて、水圧ポンプ２を駆動する動力回収水圧モータ３の回転駆動を制御することができる。このような構成によって、温度検出器２０によって検出された海水の温度に基づいて動力回収水圧モータ３の回転駆動を制御することができるので、海水の温度の変動に関わらず、安定した流量の淡水を取出することができるものである。以下にその詳細を説明する。

水圧ポンプ２は、流体である海水を閉じ込めるポンプ室を有する容積型ポンプによって構成され、回転軸２ａが回転するのに伴ってこのポンプ室の容積を拡縮することによって海水を加圧して吐出する。

水圧ポンプ２は、主として主駆動モータ１によって駆動され、動力回収水圧モータ３によって補助的に駆動される。水圧ポンプ２の回転軸２ａは、主駆動モータ１と動力回収水圧モータ３との回転軸にそれぞれ連結されて、水圧ポンプ２、主駆動モータ１及び動力回収水圧モータ３とが同軸で回転するように構成されている。なお、水圧ポンプ２と主駆動モータ１又は動力回収水圧モータ３とが減速機構を介して連動する構成としてもよい。

主駆動モータ１は、例えば電動モータによって構成され、水圧ポンプ２を回転駆動する。主駆動モータ１は通常は定回転で運転されており、水圧ポンプ２の吐出流量及び吐出圧力は、通常は一定に保たれる。なお、主駆動モータ１は、電動モータに限らず、水圧モータや油圧モータ等の他の原動機を用いてもよい。また、動力回収水圧モータ３は、後述するようにＲＯ膜４から排出される濃縮海水によって回転作動し、水圧ポンプ２を補助的に駆動する。

海等の水源から図示しない取水装置よって取り込まれた海水は、取水通路１０から水圧ポンプ２の吸込側に供給される。水圧ポンプ２は海水を加圧して高圧海水として吐出する。水圧ポンプ２から吐出された高圧海水は、海水供給通路１１を通過してＲＯ膜４の上流側室２１に供給される。

ＲＯ膜４は、水は通過するが、塩類（塩分）などの他の不純物は通過できない性質を持つ濾過膜である。ＲＯ膜４は、塩類の濃度が高い液体（例えば海水）と淡水とをＲＯ膜４で仕切って静止状態とすると浸透圧の差によって淡水から海水へと水分子が移動する。一方で、この浸透圧よりも高い圧力を海水に付加した場合は、水分子が海水から淡水へと移動する。このときの高い圧力を逆浸透圧力と呼ぶ。このように海水側に逆浸透圧力を付加することによって、海水から塩類を濾過して、淡水を生成することができる。

ＲＯ膜４によって濾過された透過水（淡水）は、ＲＯ膜４の下流側室２２から透過水取出通路１５を通過して取出される。

一方、ＲＯ膜４によって濾過されない濃縮海水は、ＲＯ膜４の上流側室２１から濃縮海水取出通路１２、サーボバルブ７を介して排出通路１３又は排出通路１４を通って排出される。

濃縮海水取出通路１２と排出通路１３及び排出通路１４との間には、サーボバルブ７が介装される。排出通路１３には、動力回収水圧モータ３が介装される。

動力回収水圧モータ３は、ＲＯ膜４の上流側室２１から排出される濃縮海水が持つ流体圧力によって回転駆動される。動力回収水圧モータ３の回転軸は、水圧ポンプ２の回転軸２ａと連結しており、動力回収水圧モータ３が回転することによって水圧ポンプ２を補助的に駆動する。すなわち、ＲＯ膜４から排出される濃縮海水によって動力回収水圧モータ３が回転することにより動力を回収し、この回収した動力を水圧ポンプ２の動力とすることができる。

動力回収水圧モータ３は、濃縮海水（流体）を閉じ込めるモータ室を有する容積型モータによって構成され、濃縮海水の圧力によってモータ室の容積が拡縮することによってその回転軸が回転する。

サーボバルブ７は、ＲＯ膜４の上流側室２１から濃縮海水取出通路１２を介して排出される濃縮海水を、排出通路１３の動力回収水圧モータ３及び排出通路１４に供給する流量を調整する。サーボバルブ７は、サーボアンプ（コントローラ）６によって動作が制御されて、濃縮海水取出通路１２を排出通路１４に連通して、濃縮海水取出通路１２から導かれる濃縮海水の一部を排出通路１４に逃がすことで、動力回収水圧モータ３に供給される濃縮海水の流量を調節する。

また、海水淡水化装置１００は、海水供給通路１１又はＲＯ膜４の上流側室２１の圧力と、透過水取出通路１５又はＲＯ膜４の下流側室２２の圧力との差圧力を検出し、その検出信号をＲＯ膜４の逆浸透圧力の検出値としてサーボアンプ６に出力する圧力検出器５と、海水供給通路１１に接続されて、海水供給通路１１からＲＯ膜４に供給される海水の温度を検出して、その検出信号をサーボアンプ６に出力する温度検出器２０とを備える。なお、圧力検出器５は、海水供給通路１１又はＲＯ膜４の上流側室２１の圧力のみを検出し、その検出信号をＲＯ膜４の逆浸透圧力の検出値としてサーボアンプ６に出力してもよい。

次に、このように構成された本実施形態の海水淡水化装置１００の動作を説明する。

海水淡水化装置１００は、ＲＯ膜４の逆浸透圧力（ＲＯ膜４の前後に生じさせる差圧力）を適正値に保ち、淡水の取出量を目標の流量に保つため、サーボアンプ６が、圧力検出器５及び温度検出器２０が検出した値に基づいてＲＯ膜４の逆浸透圧力を目標値に近づけるようにサーボバルブ７の流量をフィードバック制御する。

ＲＯ膜４は、濾過を行うことによる不純物の目詰まり等によって、または海水の温度によって、逆浸透圧力が変化する。サーボアンプ６は、この変化に応じてＲＯ膜４に所定の逆浸透圧力を加えるように、サーボバルブ７の流量を制御する。このように、サーボアンプ６が、圧力検出器５及び温度検出器２０が検出した値に基づいてＲＯ膜４の逆浸透圧力を目標値に近づけるようにサーボバルブ７の流量をフィードバック制御することにより、逆浸透圧力フィードバック制御手段が構成される。

サーボアンプ６は、圧力検出器５の検出値による逆浸透圧力及び温度検出器２０の検出値による海水温度に基づいて、サーボバルブ７の開度を制御する。

より具体的には、サーボアンプ６は、ＲＯ膜４の特性等に基づいた浸透圧力の目標値が予め記憶されている。ＲＯ膜４の逆浸透圧力がこの目標値より低い場合は、サーボアンプ６は、サーボバルブ７の開度を制御して、排出通路１４を通して逃がされる濃縮海水の流量を減らすことによって、ＲＯ膜４の逆浸透圧力を高める。

一方、ＲＯ膜４の逆浸透圧力が目標値より高い場合、サーボアンプ６は、サーボバルブ７の開度を制御して、排出通路１４を通して逃がされる濃縮海水の流量を増やすことによって、ＲＯ膜４の逆浸透圧力を低くする。

このように、サーボアンプ６は、圧力検出器５の検出値に基づいてサーボバルブ７を介して動力回収水圧モータ３の出力を増減して、動力回収水圧モータ３の動力回収率が最適となるようにＲＯ膜４の逆浸透圧力を目標値に近づけるフィードバック制御を行う。

なお、このとき、サーボアンプ６は、温度検出器２０からの検出値に基づいて、サーボバルブ７の開度を補正する。

図２は、本実施形態において、ＲＯ膜４における海水の温度と淡水化の効率との関係を示す説明図である。

ＲＯ膜４の逆浸透圧力を一定とした場合に、ＲＯ膜４により濾過されて取出される淡水の流量は、図２に示すように温度により変化する。具体的には、塩類の溶解度や海水の粘性係数等の物理特性が温度によって変化するため、ＲＯ膜４の濾過により淡水が取出される効率は、海水温度が高いほど高くなり、海水温度が低いほど低くなる。従って、温度によって濃縮海水の流量も変化する。

これに対して、サーボアンプ６は、海水温度が高い場合は、浸透圧力の目標値を海水温度に応じて減少させる補正を行い、海水温度が低い場合は、浸透圧力の目標値を海水温度に応じて増加させる補正を行う。この補正によって、動力回収水圧モータ３の回転駆動によって水圧ポンプ２を補助的に駆動する動力の回収効率（動力回収率）が、最適となるように調節される。

このような制御によって、ＲＯ膜４の経年劣化や目詰まりによってＲＯ膜４の圧力損失が変化したり、海水温度が変化して海水の物理特性が変化したりして、ＲＯ膜４により取出される淡水の流量が変化する状況であっても、ＲＯ膜４によって濾過される淡水の取出量を適切な量に保つことができる。さらに、動力回収水圧モータ３を介して逃がされる濃縮海水の流量を変化させることによって、動力回収水圧モータ３の動力回収率がその時々で最適となるように調節される。

以上のように本実施形態では、容積型の水圧ポンプ２と容積型の動力回収水圧モータ３が連動し、逆浸透圧力の検出値及び海水温度の検出値に応じて動力回収水圧モータ３の作動をフィードバック制御することによって、ＲＯ膜４の逆浸透圧力を的確に調節してＲＯ膜４の濾過性能を維持すると共に、動力回収水圧モータ３によって濃縮海水が持つ流体圧力エネルギを有効に回収することを両立することができる。

特に、海水温度によって逆浸透圧力を補正するように制御するので、海水温度により海水の物理特性が変化しても、同様に、ＲＯ膜４の濾過性能を維持すると共に、動力回収水圧モータ３によって濃縮海水が持つ流体圧力エネルギを有効に回収することを両立することができる。

また、ＲＯ膜４の逆浸透圧力を調節するフィードバック制御量を取得し、これを理想的なＲＯ膜４の特性と比較することによって、ＲＯ膜４の濾過性能を判定して、ＲＯ膜４の劣化状況を把握することが可能となるので、ＲＯ膜４の交換時期を的確に割り出すことができる。

次に、本発明の別の実施形態について説明する。

図３は、本発明の第２の実施形態の海水淡水化装置１０２の構成を示す説明図である。

図３に示す第２の実施形態では、濃縮海水取出通路１２において、サーボバルブ７と動力回収水圧モータ３との間に、流体の圧力を増大させる増圧器８を介装した。増圧器８は、濃縮海水取出通路１２から動力回収水圧モータ３に供給される濃縮海水の圧力を高めるように構成されている。

このように、増圧機８によって動力回収水圧モータ３に供給される濃縮海水の圧力を高めることにより、動力回収水圧モータ３の駆動力を増加させて、主駆動モータ１の負荷を軽減することができる。

図４は、本発明の第３の実施形態の海水淡水化装置１０３の構成を示す説明図である。

図４に示す第３の実施形態では、第１の実施形態の水圧ポンプ２に変えて、その容量（ポンプ押しのけ容積）を変えられる可変容量型とした水圧ポンプ３１を備えた。

そして、この水圧ポンプ３１の容量を調節するサーボアクチュエータ１７と、このサーボアクチュエータ１７の作動を制御するサーボアンプ２４とを備えた。

サーボアンプ２４は、圧力検出器５の検出値及び温度検出器２０の検出値に基づいてサーボアクチュエータ１７を介して水圧ポンプ３１の吐出容量を変えることによって動力回収水圧モータ３の動力回収率が最適となるようにＲＯ膜４の逆浸透圧力を目標値に近づけるフィードバック制御を行う。

ＲＯ膜４の逆浸透圧力が目標値より低い場合、サーボアンプ２４は、サーボアクチュエータ１７を介して水圧ポンプ３１の吐出容量を増やすことにより水圧ポンプ３１の吐出圧を高める。

一方、ＲＯ膜４の逆浸透圧力が目標値より高い場合、サーボアンプ２４は、サーボアクチュエータ１７を介して水圧ポンプ３１の吐出容量を減らすことにより水圧ポンプ３１の吐出圧を低くする。

こうしてサーボアンプ２４は、圧力検出器５の検出値に基づいてサーボアクチュエータ１７を介して水圧ポンプ３１の吐出容量を増減する。

また、サーボアンプ２４は、温度検出器２０の検出値に基づいて、海水温度が高い場合は、浸透圧力の目標値を海水温度に応じて減少させる補正を行い、海水温度が低い場合は、浸透圧力の目標値を海水温度に応じて増加させる補正を行う。サーボアンプ２４は、この補正に基づいて、サーボアクチュエータ１７を介して水圧ポンプ３１の吐出容量を増減して、水圧ポンプ３１の吐出圧を調節してＲＯ膜４の逆浸透圧力を目標値に近づけるフィードバック制御を行う。

このような構成により、供給される海水の塩分濃度や海水の温度が変化しても、ＲＯ膜４の逆浸透圧力が適正値に保たれ、ＲＯ膜４の濾過性能を維持することと、動力回収水圧モータ３によって濃縮海水が持つ流体圧力エネルギを有効に回収することを両立できる。特に、第３の実施形態では、可変容量型の水圧ポンプ３１の吐出容量を可変させてＲＯ膜４の逆浸透圧力を調整するので、サーボバルブ７の開度により濃縮海水の一部を排出通路１４から排出して流量を制御する第１及び第２の実施形態と比較して、エネルギの回収効率を高くできる。

図５は、本発明の第４の実施形態の海水淡水化装置１０４の構成を示す説明図である。

図５に示す第４の実施形態では、図４に示した第３の実施形態に加え、さらに、動力回収水圧モータ３に供給される濃縮海水の流量を調節するため、第１の実施形態における動力回収水圧モータ３に変えて、その容量（モータ押しのけ容積）を変えられる可変容量型の動力回収水圧モータ３２を備えた。

そして、動力回収水圧モータ３２の容量を調節するサーボアクチュエータ１６と、このサーボアクチュエータ１６の作動を制御するサーボアンプ２５と、濃縮海水取出通路１２を通過する濃縮海水の流量を検出する流量検出器１９とを備えた。

前述の第３の実施形態と同様に、サーボアンプ２４は、圧力検出器５の検出値及び温度検出器２０の検出値に基づいてサーボアクチュエータ１７を介して水圧ポンプ３１の吐出容量を増減する。

そしてさらに、第４の実施形態では、サーボアンプ２５が、流量検出器１９の検出値に基づいてサーボアクチュエータ１６を介して動力回収水圧モータ３２の容量をフィードバック制御する。これにより、ＲＯ膜４の上流側室２１から濃縮海水取出通路１２、動力回収水圧モータ３２、排出通路１３を通って排出される濃縮海水の流量が適正値に保たれ、ＲＯ膜４の濾過性能を保つことができる。

このような構成より、供給される海水の塩分濃度や温度が変化しても、ＲＯ膜４の逆浸透圧力が適正値に保たれ、ＲＯ膜４の濾過性能を維持することと、動力回収水圧モータ３によって濃縮海水が持つ流体圧力エネルギを有効に回収することを両立できる。特に、第４の実施形態では、可変容量型の水圧ポンプ３１の吐出容量と可変容量型の動力回収水圧モータ３２の容量とを共に可変させてＲＯ膜４の浸透圧力を調整するので、サーボバルブ７の開度により濃縮海水の一部を排出通路１４から排出して流量を制御する第１及び第２の実施形態と比較してエネルギの回収効率を高くできる。また、海水の供給流量と濃縮海水の排出流量とを調節することで、ＲＯ膜４の浸透圧力をきめ細かく調節することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

１ 主駆動モータ
２ 水圧ポンプ
３ 動力回収水圧モータ
４ ＲＯ膜（逆浸透膜）
５ 圧力検出器
６ サーボアンプ（コントローラ）
８ 増圧器
１０ 取水通路
１１ 海水供給通路
１２ 濃縮海水取出通路
１３ 排出通路
１５ 透過水取出通路
１６ サーボアクチュエータ（第１のサーボアクチュエータ）
１７ サーボアクチュエータ（第２のサーボアクチュエータ）
１９ 流量検出器
２０ 水温検出器
２４ サーボアンプ（第１のコントローラ）
２５ サーボアンプ（第２のコントローラ）

Claims (7)

1. 供給された海水を淡水と濃縮海水とに分離する逆浸透膜と、
   駆動モータにより駆動され、前記海水を加圧して前記逆浸透膜に供給する水圧ポンプと、
   前記逆浸透膜から分離された濃縮海水が供給され、供給された前記濃縮海水によって回転駆動して前記水圧ポンプを駆動する水圧モータと、
   前記逆浸透膜に供給される前記海水の温度を検出する温度検出器と、
   前記温度検出器によって検出された前記海水の温度に基づいて、前記水圧ポンプにより前記逆浸透膜に供給される前記海水の流量を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする海水淡水化装置。
2. 前記制御部は、前記温度検出器によって検出された前記海水の温度が低いほど、前記水圧ポンプにより前記逆浸透膜に供給される前記海水の流量を増加させることを特徴とする請求項１に記載の海水淡水化装置。
3. 前記制御部は、
   前記水圧モータに供給される濃縮海水の流量を調節するサーボバルブと、
   前記温度検出器によって検出された前記海水の温度に基づいて前記サーボバルブを制御して、前記水圧モータの回転駆動を調整するコントローラと、
   を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の海水淡水化装置。
4. 前記逆浸透膜から分離される濃縮海水の流体圧力を増圧して、増圧された前記濃縮海水を前記水圧モータに供給する増圧器をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の海水淡水化装置。
5. 前記水圧ポンプは吐出容量が可変である可変容量型水圧ポンプであり、
   前記制御部は、
   前記可変容量型水圧ポンプの吐出容量を調節する第１のサーボアクチュエータと、
   前記温度検出器によって検出された前記海水の温度に基づいて前記第１のサーボアクチュエータを制御して、前記可変容量型水圧ポンプにより前記逆浸透膜に供給される前記海水の流量を制御する第１のコントローラと、
   を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の海水淡水化装置。
6. 前記水圧モータは押しのけ容量が可変である可変容量型水圧モータであり、
   前記制御部は、
   前記逆浸透膜によって分離された前記濃縮海水の流量を検出する流量検出器と、
   前記可変容量型モータの押しのけ容量を調節する第２のサーボアクチュエータと、
   前記流量検出器によって検出された前記濃縮海水の流量に基づいて前記第２のサーボアクチュエータを制御して、前記可変容量型水圧モータの回転駆動を制御する第２のコントローラと、
   を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の海水淡水化装置。
7. 前記逆浸透膜の逆浸透圧力を検出する圧力検出器をさらに備え、
   前記制御部は、前記圧力検出器によって検出された前記逆浸透膜の逆浸透圧力と、前記温度検出器によって検出された前記海水の温度とに基づいて、前記水圧ポンプにより前記逆浸透膜に供給される前記海水の流量を制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の海水淡水化装置。

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