JP2023551295A - 水の処理方法とシステム - Google Patents
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Abstract
水(例えば、廃水、都市用水、工業用水、鉱業用水、および被処理水)を処理する方法は、第1の処理タンクで被処理水を受けることと、DCドライブを使用して交流(AC)電源を直流(DC)に変換することと、DCドライブを使用して第1の処理タンク内に配置された第1の電極対に電力を供給することを含む。方法は、電極対の少なくとも一方の電極から被処理水中にイオンを導入することと、イオンで被処理水中の少なくとも1つの不純物の凝集を促進して処理水を生成することをさらに含む。
Description
本願は、2020年11月25日に出願された米国仮特許出願第63/118,465号の優先権および利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
電気凝析としても知られる電気凝集は、水性媒体に電位をかけてその媒体を精製するプロセスである。このプロセスは、犠牲電極を使用してイオンを水性媒体に導入する。イオンは、水性媒体中での凝集を促進し、不純物と汚染物質を除去する。
電気凝集は、電力供給が非効率であり、整流回路から電極への電力が変動するが、数十年にわたって使用されてきて、エネルギーの浪費、信頼性の低い機器、および危険な状態につながる。
いくつかの実施形態では、水(例えば、廃水、都市用水、工業用水、鉱業用水、および被処理水)を処理する方法は、第1の処理タンクで被処理水を受けることと、DCドライブを使用して交流(AC)電流を直流(DC)に変換することと、DCドライブを使用して第1の処理タンク内に配置された第1の電極対に電力を供給することとを含む。その方法は、一対の電極の少なくとも一方の電極から被処理水中にイオンを導入することと、イオンにより被処理水中の少なくとも1つの不純物の凝集を促進して処理水を生成することとをさらに含む。
いくつかの実施形態では、水を処理するためのシステムは、被処理水を保持するように構成された処理タンクと、処理タンク内に配置され、被処理水中に少なくとも部分的に浸漬されるように構成された一対の電極と、その一対の電極に接続された直流(DC)ドライブとを含む。DCドライブは、AC電源を変換し、DC電力をその一対の電極に供給するように構成されている。
この概要は、以下の詳細な説明でさらに説明される概念の選択を紹介するために提供される。この概要は、請求された主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図したものではなく、また、請求された主題の範囲を制限するための補助として使用されることも意図したものではない。
本開示の実施形態の追加の特徴および利点は、以下の説明に記載され、部分的にはその説明から明らかになるか、またはそのような実施形態の実施によって学習され得る。このような実施形態の特徴および利点は、添付の特許請求の範囲で特に指摘されている手段および組み合わせによって実現および取得することができる。これらおよび他の特徴は、以下の説明および添付の特許請求の範囲からより完全に明らかになるか、または以下に説明するような実施形態の実施によって学習され得る。
本開示の上記および他の特徴が得られる方法を説明するために、添付の図面に示される特定の実施形態を参照して、より具体的な説明がなされる。より良く理解するために、同様の要素は、添付図面を通して同様の参照番号で指定されている。図面の一部は概念の模式的または誇張表現である場合があるが、図面の少なくとも一部は一定の縮尺で描かれている場合がある。図面がいくつかの例示的な実施形態を示していることを理解して、添付の図面を使用して、さらなる具体性および詳細を伴って実施形態を記述および説明する。
本開示は、概して、水(例えば、廃水、都市用水、工業用水、鉱業用水、および被処理水)を処理するための装置、システム、および方法に関する。いくつかの実施形態では、電気凝集または電気凝析は、水を処理するために被処理水から不純物を除去する。電気凝集は、被処理水中の一対の電極間に電位を与え、被処理水にイオンを導入する。イオンは水中の不純物と相互作用して、不純物の結合を促進し、水中で凝集塊(「フロック」)を形成する。フロックは、被処理水から沈降して除去され、電気凝集後にはよりきれいな量の水が残る。
異なる電極材料によって生成されるイオンは、異なる不純物に影響を与える。いくつかの実施形態では、本開示による水処理システムは、被処理水を異なる電極からの複数の異なるイオンに曝露することを含む。いくつかの実施形態では、本開示による水処理システムは、一連の処理タンクに被処理水を通過させることを含み、各処理タンクは、被処理水中にイオンを生成するためにタンク内に配置された一対の電極(アノードおよびカソード)を有する。いくつかの実施形態では、被処理水を処理するためのシステムの少なくとも1つの処理タンクは、少なくとも1つの他の処理タンクとは異なる電極材料を含む。少なくとも1つの実施形態では、システムの各処理タンクは、他の処理タンクとは異なる電極材料を含む。
アノードによって生成されるイオンは、カソードに隣接する被処理水中の不純物の凝集を促進し、カソードの不動態化を引き起こし得る。いくつかの実施形態では、アノードの周囲のフロックは、カソードの周囲の流体および/またはイオンの流れを妨げ、水処理の有効性を低下させ得る。電極の極性は、フロックおよび/または酸化物がカソードの表面から移動することを促進するために、一定期間反転されてもよい。フロックはタンク内に沈殿し、不純物が濾過され、排出され、またはタンクからポンプで排出され、よりきれいな水が残る。いくつかの実施形態では、処理水は、その後、異なる電極を備えた第2のタンクにポンプで送られ、プロセスを繰り返し、より多くのまたは異なる不純物を除去する。
いくつかの実施形態では、電極に直流電力を供給する直流ドライブ(DCドライブ)によって電極に電力が供給される。従来のシステムは、整流回路を使用して水槽内の電極にDCを供給する。整流回路は交流(AC)電源をDC電源に変換するが、得られるDC電源は、入力AC電源に基づいた周期性で時間の経過とともに変化する。DCドライブにより、電極への電力がより安定し、応答が速く、より効率的になる。
イオンは、電気分解によって電極で生成される。水の組成および水中の不純物が変化するにつれ、(水を介した)電極間の電圧が変化し得るため、水の導電率に適応させるために印加電流を頻繁に変更する必要がある。電気分解により水中にイオンが生成され、凝集を促進する。いくつかの実施形態では、電極に印加される電流および/または電圧が高すぎると、水自体の分解により水素ガスが生成し得る。水素ガスの生成は、安全上の問題であり、また、電気凝集に必要なエネルギーを超えてエネルギーが浪費されていることを示している。
DCドライブは、整流回路によって生成されるDC電流の変動電圧を排除し、より安定したDC電流を供給する。DCドライブでは、可変変圧器を備えた変圧器を使用して、安定したDC電流を電極に供給する。いくつかの実施形態では、DCドライブは、整流回路を備えた従来のAC電源よりも約30~40%効率がよい。電極が電気分解に十分な電力を確実に受け取ることができるように、整流回路を備えた従来のAC電源は、電気凝集に必要な電力よりも高い電力で動作する。しかし、電極をオーバードライブすることは非効率であり、水素ガス発生のリスクが高まる可能性がある。DCドライブはより安定した電圧と電流を提供できるため、そして、DCドライブはより速く応答して電圧を調整できるため、エネルギーの無駄が減り、安全性が向上する。さらに、電極をオーバードライブすることは電極の劣化を早め、本開示によるDCドライブを備えた電気凝集システムは、整流回路を備えた従来のAC電源よりも電極を30%~40%長く動作させることができる。
整流回路を備えた従来のAC電源は、30%のリップル(例えば、電力の30%の変動)を有する。いくつかの実施形態では、DCドライブは、10%未満のリップルを有する。他の実施形態では、本開示によるDCドライブは、5%未満のリップルを有し、大幅に安定した電気信号を提供する。
図1は、被処理水102を含む処理タンク100の模式図である。被処理水102は、電極104で生成されるイオンによって除去可能な不純物を含む。いくつかの実施形態では、電極104は、DCドライブ106に接続され、DCドライブ106によって電力を供給される。DCドライブ106は、電極104に安定した電力を供給し、電極104への電圧および/または電流を迅速に調整できるようにする。
いくつかの実施形態では、DCドライブ106は、AC電源108に接続される。AC電源108はDCドライブ106に電力を供給し、DCドライブ106はAC信号を10%未満のリップルを有する安定したDC信号に変換する。電極104によって生成したイオンは、被処理水102中の不純物と反応し、被処理水102から沈降するフロック110を生成する。フロック110は、処理タンク100の底に沈降し、汚泥112を形成し、これは処理タンク100から定期的に排出または除去され得る。
図2は、フィードバック制御を備えた処理タンク200の別の実施形態を示す。いくつかの実施形態では、処理タンク200は、少なくとも1つのセンサー212を含む。センサー212は、論理コントローラー214と通信することができる。いくつかの実施形態では、論理コントローラー214は、DCドライブ206とデータ通信することができる。論理コントローラー214は、センサー212によって提供される測定値および/または情報に応じてDCドライブ206を動的に調整することができる
いくつかの実施形態では、センサー212は、処理タンク200内の被処理水202の温度を測定する温度センサーである。例えば、電極204は、電力を被処理水202内の熱として放散し、被処理水202の温度を上昇させることができる。いくつかの実施形態では、センサー212は、被処理水202中の総懸濁物質(TSS)を測定する。ロジックコントローラー214は、被処理水202中の測定されたTSSに基づいてDCドライブ206を調整することができる。いくつかの実施形態では、論理コントローラー214は、1秒未満でDCドライブ206の調整を可能にする。いくつかの実施形態では、論理コントローラー214は、0.5秒未満でDCドライブ206の調整を可能にする。いくつかの実施形態では、論理コントローラー214は、0.1秒未満でDCドライブ206の調整を可能にする。
本開示によれば、水処理タンクは、被処理水をタンク間でポンプ輸送して連続して数回処理できるように、直列に接続してもよい。図3は、その内部にポンプ318-1、318-2を備えた流体導管316-1、316-2によって接続された複数の処理タンク300-1、300-2、300-3を含む水処理システムを示す。各処理タンク300-1、300-2、300-3は、独立して電極304-1、304-2、304-3に電力を供給する専用のDCドライブ306-1、306-2、306-3を有してもよい。いくつかの実施形態では、各処理タンク300-1、300-2、300-3によって影響を受ける不純物が異なるように、電極304-1、304-2、304-3は異なる電極材料を含む。
図4を参照すると、いくつかの実施形態では、本開示に従って被処理水を処理する方法420は、第1の処理タンク(422)で被処理水を受けることと、DCドライブ(424)によってACをDCに変換することとを含む。少なくとも1つの例では、480VのAC電源がDCドライブによって100VのDCに変換され、電流はその水および選択された電極に基づいて設定される。DC電力は、第1の処理タンク内に配置された第1の電極対に供給され(426)、DC電力により電極が被処理水にイオンを導入する(428)。次いで、イオンは、被処理水中の少なくとも1つの不純物の凝集を促進して、不純物を沈殿させ、処理水を生成する(430)。
この方法は、被処理水に含まれる不純物を測定して被処理水の導電率を決定するために、被処理水を予備検査することをさらに含む。予備検査により、オペレーターは、電極電流値と電極電圧値を予め設定することができる。少なくとも1つの実施形態では、予め設定された電極電圧値は、100ボルト(V)未満である。少なくとも1つの実施形態では、予め設定された電極電流値は、約250アンペア(A)である。
異なる組成物で処理される異なる水は、その被処理水の不純物に合わせて調整された予め設定された電極電圧値および電流値を使用する。例えば、都市廃水について予め設定された電極電圧値および電流値は、約60~80Aおよび20~50Vである。石油およびガス廃水について予め設定された電極電圧値および電流値は、約200~250Aおよび70~100Vである。
いくつかの実施形態では、被処理水の予備検査により、少なくとも1つの除去される不純物の化学組成が同定される。この方法は、除去される不純物に基づいて電極材料を選択することをさらに含むことができる。電極材料としては、アルミニウム、マグネシウム、鉄、銅、他の導電性金属、またはそれらの組み合わせ(例えば、合金)が挙げられる。電極は、供給されるイオンと、その電極材料によってその同定された不純物とともに形成され得る金属水酸化物とに基づいて選択され得る。いくつかの実施形態では、アノードは、プレート電極である。いくつかの実施形態では、アノードは、ロッド電極である。いくつかの実施形態では、カソードは、プレート電極である。いくつかの実施形態では、カソードは、ロッド電極である。
いくつかの実施形態では、電極材料を選択することは、アノード材料を選択することを含む。いくつかの実施形態では、電極材料を選択することは、カソード材料を選択することを含む。いくつかの実施形態では、電極材料を選択することは、アノード材料およびカソード材料を選択することを含む。いくつかの実施形態では、タンク内に複数の電極対があり、電極材料を選択することは、2つの異なるアノード材料および/または2つの異なるカソード材料を選択することを含む。
方法は、いくつかの実施形態において、電気凝集中に被処理水中の総懸濁物質(TSS)を監視することを含む。TSS測定値は、被処理水の凝集速度、したがって水の処理速度を示し得る。システムは、TSS値を監視し、電極電流値を調整してTSSを目標値以上に維持してもよい。いくつかの実施形態では、電極電流値を増加させると、被処理水中で測定されるTSSが増加し得る。
電極内の抵抗が電力を散逸するため、電極電流を増加させると、電極内および被処理水内に熱が発生することがある。いくつかの実施形態では、アノードの劣化および/またはカソードの不動態化により、電気凝集プロセス中に電極の抵抗が変化する。方法は、被処理水および/または電極の温度を監視することと、測定温度を目標温度未満に保つために電極電流値を調整することとを含むことができる。いくつかの実施形態では、目標温度は、被処理水の沸点である。例えば、被処理水の沸点は、水の沸点であり得る。他の例では、被処理水中の不純物は、被処理水の沸点を変化させ、沸点を上げたりまたは下げたりすることがある。いくつかの実施形態では、目標温度は電極の融点である。目標温度は沸点のパーセンテージ、融点のパーセンテージ、または安全係数を確保するためのその他の臨界温度のパーセンテージとすることができる。例えば、電気凝集プロセスの目標温度は、水の凍結温度に対する被処理水の沸点の80%であってもよい。被処理水の沸点が105℃であるこのような例では、目標温度は84℃であってもよい。
いくつかの実施形態では、方法は、温度を監視しながらTSSを同時に監視することを含む。電流は、TSSを目標値より高く維持しながら(つまり、電流を増加して測定されたTSSと反応速度を増加させる)、測定温度を目標温度未満に維持する(つまり、電流を減少させて発生する熱を減らす)ように調整される。測定された温度が目標温度以上でありながら、TSSが目標値を下回っている場合、方法のいくつかの実施形態は、温度を所望の範囲に維持することよりも、電流を調整してTSS目標値を所望の範囲内に維持することを優先することを含む。
方法は、応答ウィンドウ内で電極に供給される電力を調整することを含むことができる。従来の整流回路では、応答時間に少なくとも数秒の遅れがある。いくつかの実施形態では、本開示によるDCドライブ駆動電気凝集システムは、1秒未満の応答ウィンドウで電力を調整することができる。いくつかの実施形態では、応答ウィンドウは、0.5秒未満である。いくつかの実施形態では、応答ウィンドウは、0.1秒未満である。いくつかの実施形態では、応答ウィンドウは、50ミリ秒未満である。DCドライブ駆動の電気凝集システムは応答時間が速いため、技術者の直接の監督なしでシステムを動作させることができ、信頼性、自動化および安全性が向上する。
少なくとも1つの実施形態では、方法は、電気凝集タンクから汚泥タンクに固体を排出して、被処理水から沈殿した固体を除去することを含む。いくつかの実施形態では、固体を排出することは、タンクの底部または底部近くのバルブを少なくとも10秒間開くことを含む。いくつかの実施形態では、固体を排出することは、タンクの底部または底部近くのバルブを少なくとも20秒間開くことを含む。いくつかの実施形態では、固体を排出することは、タンクの底部または底部近くのバルブを少なくとも30秒間開くことを含む。
いくつかの実施形態では、処理される水は、別の産業用途のためのプロセス水である。そのプロセス水は、固形物が除去されるため再利用できる。
他の実施形態では、被処理水は、他の目的に使用される前にさらに濾過または処理されてもよい。少なくとも1つの実施形態において、方法は、被処理水を電気凝集法で処理すること、処理水を濾過すること、および濾過された水を電気凝集法で2回処理することを含む。
他の実施形態では、被処理水は、他の目的に使用される前にさらに濾過または処理されてもよい。少なくとも1つの実施形態において、方法は、被処理水を電気凝集法で処理すること、処理水を濾過すること、および濾過された水を電気凝集法で2回処理することを含む。
測定されたTSSおよび/または測定された温度に従って行われる電流の調整に加えて、電流の極性は、電流および/または電圧の測定された変化に基づいて変更され得る。いくつかの実施形態では、電極上のアンペア数または電圧の上昇は、カソードの不動態化を示し得る。方法は、電極の極性を切り替えて、カソード上の水酸化物および/または酸化物の少なくとも一部の除去を試みることを含むことができる。
従来のシステムでは、極性の反転は危険を伴う可能性がある。従来の整流回路で極性を反転すると、オペレーターにとって危険な場合もある、および/または機器に損傷を与える、アークが発生する可能性がある。特に、従来の整流されたDC電流の過大な電気分解によって生成される水素ガスの存在下での電気アークは、火災を引き起こす可能性がある。本開示によるDCドライブは、極性反転におけるアーク発生を制限および/または防止し、カソードが不動態化した場合の安全性を向上させる。
いくつかの実施形態では、電極は、第1の期間にわたって第1の極性方向に電力が供給され、そしてその電極は、第1の期間より短い第2の期間にわたって第2の極性方向に電力が供給される。いくつかの例では、第2の期間は、第1の期間の5%未満である。他の例では、第2の期間は、第1の期間の1%未満である。さらに他の例では、第2の期間は、第1の期間の0.5%未満である。具体例では、電極は、45分~120分の第1の期間、第1の極性方向で電力が供給され、そしてその電極は、30秒未満の第2の期間、第2の極性方向で電力が供給される。
本開示の1つ以上の特定の実施形態が本明細書に記載される。これらの説明された実施形態は、ここで開示されている技術の例である。さらに、これらの実施形態の簡潔な説明を提供するために、実際の実施形態のすべての特徴が明細書に記載されているとは限らない。このような実際の実装の開発では、あらゆるエンジニアリングまたは設計プロジェクトと同様に、システム関連およびビジネス関連の制約への準拠など、開発者の特定の目標を達成するために、多数の実施形態固有の決定が行われることを理解されたい。これは、実施形態によって異なる場合がある。さらに、そのような開発努力は複雑で時間がかかるかもしれないが、それでも本開示の恩恵を受ける当業者にとっては日常的な設計、製造、製造の作業であることを理解されたい。
冠詞「a」、「an」、および「the」は、前述の説明に1つ以上の要素が存在することを意味することを意図している。「含む」、「含む」、および「有する」という用語は包括的であることを意図しており、列挙された要素以外の追加の要素が存在する可能性があることを意味する。さらに、本開示の「一実施形態」または「実施形態」への言及は、記載された特徴も組み込む追加の実施形態の存在を排除するものとして解釈されることを意図していないことを理解されたい。例えば、本明細書の一実施形態に関して説明した任意の要素は、本明細書に記載した他の実施形態の任意の要素と組み合わせることができる。本明細書に記載される数値、パーセンテージ、比、または他の値は、本開示の実施形態に包含される当業者によって理解されるように、その値、および記載された値の「約」または「ほぼ」である他の値も含むことが意図されている。したがって、記載された値は、所望の機能を実行するまたは所望の結果を達成するために、少なくとも記載された値に十分に近い値を包含するように十分に広く解釈されるべきである。記載された値には、少なくとも適切な製造または生産プロセスで予想される変動が含まれ、記載された値の5%以内、1%以内、0.1%以内、または0.01%以内の値が含まれる場合がある。
当業者であれば、本開示を考慮して、同等の構成が本開示の精神および範囲から逸脱するものではなく、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、開示された実施形態に対して様々な変更、置き換え、および変更を行うことができることを理解すべきである。機能的な「ミーンズプラスファンクション」条項を含む同等の構造は、同じ方法で動作する構造的同等物と、同じ機能を提供する同等の構造の両方を含む、列挙された機能を実行するものとして本明細書に記載される構造を網羅することを意図している。「手段」という言葉が関連する機能とともに現れるものを除き、いかなるクレームについてもミーンズプラスファンクションまたは他の機能的クレームを援用しないというのが出願人の明示的な意図である。特許請求の範囲の意味および範囲内にある実施形態に対する各追加、削除、および修正は、特許請求の範囲に包含されるものとする。
本明細書で使用される「およそ」、「約」、および「実質的に」という用語は、依然として所望の機能を実行する、または所望の結果を達成する、記載された量に近い量を表す。例えば、用語「およそ」、「約」、および「実質的に」は、記載された値の5%未満以内、1%未満以内、0.1%未満以内、および0.01%未満以内の量を指し得る。さらに、前述の説明における方向または基準フレームは、単に相対的な方向または移動にすぎないことを理解されたい。例えば、「上」と「下」、または「上」または「下」への言及は、関連する要素の相対的な位置または移動を単に説明するものにすぎない。
本開示は、その精神または特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具体化することができる。説明された実施形態は、例示的なものであり、限定的なものではないと考えられるべきである。したがって、本開示の範囲は、前述の説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の均等の意味および範囲内にある変更は、その範囲内に包含されるものとする。
Claims (21)
- 第1の処理タンクで被処理水を受けることと;
直流(DC)ドライブを使用して交流(AC)電源を直流(DC)に変換することと;
前記DCドライブを使用して前記第1の処理タンク内に配置された第1の電極対に電力を供給することと;
前記電極対の少なくとも1つの電極から、前記被処理水にイオンを導入することと;
前記イオンで前記被処理水中の少なくとも1つの不純物の凝集を促進して、処理水を生成すること、
を含む、水の処理方法。 - 前記被処理水を予備検査して、前記被処理水の前記少なくとも1つの不純物を同定することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの不純物に基づいて電極材料を選択することをさらに含む、請求項2に記載の方法。
- 前記被処理水を予備検査して、前記被処理水の導電率を同定することをさらに含む、いずれかの先行請求項に記載の方法。
- 前記被処理水の前記導電率に基づいて前記電力の電流を予め設定することをさらに含む、請求項4に記載の方法。
- 前記DCドライブからの前記電力が、100ボルト(V)未満の電極電圧値を有する、いずれかの先行請求項に記載の方法。
- 前記DCドライブからの前記電力が、150アンペア(A)より大きい電極電流値を有する、いずれかの先行請求項に記載の方法。
- 前記被処理水の温度を監視することと;
前記DCドライブからの前記電力を調整して前記温度を目標温度未満に維持することと、
をさらに含む、いずれかの先行請求項に記載の方法。 - 前記電力を調整することが、1秒未満の応答ウィンドウ内で実行される、請求項8に記載の方法。
- 総懸濁物質(TSS)を監視することと;
前記DCドライブからの前記電力を調整して前記TSSを閾値より高く維持することと、
をさらに含む、いずれかの先行請求項に記載の方法。 - 前記電力を調整することが、1秒未満の応答ウィンドウ内で実行される、請求項10に記載の方法。
- 前記システムの温度を目標温度未満に維持することよりも、総懸濁物質を前記閾値より高く維持することを優先することをさらに含む、請求項10に記載の方法。
- 前記処理水を、第2の電極対を含む第2の処理タンク内にポンプで送り込むことをさらに含む、いずれかの先行請求項に記載の方法。
- 前記第2の電極対が、前記第1の電極対とは異なる電極材料を含む、請求項13に記載の方法。
- 前記第1の処理タンクと前記第2の処理タンクとの間の前記処理水を濾過することをさらに含む、請求項13または14に記載の方法。
- 前記第1の電極対に供給される前記電力の極性を反転して、カソードの不動態化を減少させること、をさらに含む、いずれかの先行請求項に記載の方法。
- 前記極性を反転することが、電極電圧の測定された増加に応じて行われる、請求項16に記載の方法。
- 前記第1の処理タンクから固体を排出することをさらに含む、いずれかの先行請求項に記載の方法。
- 被処理水を保持するように構成された処理タンクと、
前記処理タンク内に配置され、かつ、被処理水中に少なくとも部分的に浸漬されるように構成された電極対と、
前記電極対に接続された直流(DC)ドライブと、
を含み、
前記DCドライブは、AC電源を変換して前記電極対にDC電力を供給するように構成されている、水処理システム。 - 前記DCドライブが、10%未満のリップルを有する、請求項19に記載のシステム。
- 本明細書に記載される任意のシステム、デバイス、または方法。
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