JP2840084B2 - 無機物質の晶出方法、晶出装置及び塩化ナトリウムの結晶 - Google Patents

無機物質の晶出方法、晶出装置及び塩化ナトリウムの結晶

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、結晶化させるべき物質で過飽和された溶液
が通ることができる結晶床(bed of crystals)を用い
て、無機物質を結晶化(晶出)させる方法に関する。
無機物質を晶出させる「オスロ(Oslo)」形の晶出装
置(クリスタライザ)は良く知られている(例えば、
「British Chemical Engineering」、1971年8月、Vol.
16、No.8、第681〜685頁:「The Chemical Enginee
r」、1974年7月/8月、第443〜445頁;及び、英国特許
第GB−A−418,349号参照)。この公知の装置は、垂直
な円筒状容器と、該容器内で軸線方向に配置されており
かつ前記容器の底部の直ぐ近くに開口している垂直チュ
ーブとを有しており、この軸線方向のチューブと前記容
器の壁との間には垂直な環状チャンバが形成されてい
る。この装置を使用するとき、環状チャンバ内に結晶床
が配置され、該結晶床には、晶出させたい物質(例えば
塩化ナトリウム)で過飽和にされた水溶液が通されるよ
うになっている。この水溶液は、前記軸線方向のチュー
ブを介して晶出装置に導入され、このとき水溶液は、環
状チャンバの底部の近くで該環状チャンバに対し半径方
向に流入して、容器の壁に沿う上方への運動と軸線方向
のチューブに沿う下方への運動とからなる大きな回転運
動を、結晶床中の結晶に与えるようになっている。
この公知の装置においては、均一な球状の結晶粒子を
作ることを目的とし、晶出装置の寸法及び作動条件を適
当に選定することにより粒子の平均直径を制御できるよ
うになっている。しかしながら、実際には、この公知の
装置は、大きな球状粒子を得るのには適していない。そ
の主な原因は、粒子が結晶床内で摩砕されること及び粒
子が大きな回転運動を受けることにある。特に塩化ナト
リウムの場合には、2〜3mm以上の直径をもつ球状粒子
を作ることは不可能である。また、摩砕作用により微粉
が形成されるが、この微粉は結晶化母液により結晶床か
ら運び出されるため、母液が再生されて晶出装置に流入
する前に、母液から分離しておかなくてはならない。
従って本発明の目的は、球状で大きな直径をもつ粒子
を晶出できると共に微粉の形成を減少できる新規な方法
を提供することにより、上記欠点を解消することにあ
る。
従って本発明は、液体溶媒中に晶出させるべき物質で
過飽和にされた溶液の流れが通ることができる結晶床を
使用した無機物質の晶出方法において、前記結晶床の下
に配置されておりかつ過飽和溶液の濃度を飽和相当濃度
以上にしない温度に維持されたディストリビュータに、
過飽和溶液の流れを通すことにより、結晶の流動床を生
じさせることを特徴とする無機物質の晶出方法に関す
る。
本発明の上記方法においては、結晶床中の結晶が、過
飽和溶液の過飽和状態を緩和することにより無機材料を
晶出させる場合の種結晶として作用する。この種結晶
は、晶出すべき無機物質からなる全体として小さく均一
な結晶である。
過飽和溶液の過飽和の度合は、種々のパラメータ、特
に、無機物質の性質及び温度、及び固形物又は溶解不純
物の存在等に基づいて定められる。実際には、他の全て
の条件を同じとすると、過飽和の度合を最大限にするの
が好ましいが、この場合、過飽和の度合は、結晶床の上
流側で晶出装置の壁に偶発的な晶出を生じさせることが
なくかつ溶液中に一次及び二次播種(seeding)を生じ
させることがない程度に制限しなければならない。
過飽和溶液を得るのに使用する手段は限定的ではな
く、例えば、温度を変化させることにより又は晶出させ
るべき物質で予め飽和させた溶液を蒸発させることによ
り過飽和溶液を得ることができる。
溶液の溶媒についても限定的ではなく、一般には水が
好ましい。
過飽和溶液の温度もまた、限定的ではない。しかしな
がら実際には、結晶床における結晶の成長速度は、溶液
の温度が高くなるのに比例して大きくなることが分かっ
ており、溶液の温度は、晶出チャンバ内の圧力での沸点
以下の温度に保つべきである。例えば、本発明の方法を
塩化ナトリウムの晶出に適用する場合には、50〜100℃
の温度で0.3〜0.5g/kgの過飽和度合の塩化ナトリウムの
水溶液を用いるのがよい。過飽和の度合は、溶液の飽和
に相当するマス(mass)に対する無機物質の過剰マスを
表すものである。
本発明によれば、結晶床は、広く受け入れられた定義
(1960年、Givaudon,Massot et Bensimon社発行、“Pr
cis de gnie chimique(化学工学の要約)”、Vol.
1,Berger−Levrault,Nancy著、第353〜370頁参照)に従
う流動床である。結晶床を流動化するには、流動床リア
クタの通常の技術に従がい、過飽和溶液の流れが、結晶
床の下に配置されたディストリビュータに通される。デ
ィストリビュータは、流動床リアクタの基本的部材であ
る。ディストリビュータの機能は、溶液の流れを薄いジ
ェット(平行で垂直なジェットが好ましい)に分割する
こと、更に、溶液の流れに対し、結晶床の寸法及び結晶
床を形成する粒子及び溶液の性質の関数として制御され
る一定の圧力降下を生じさせることにある(Ind.Eng.Ch
em.Fundam.社発行、1980−19−,G.P.Agarwalその他著、
“Fluid mechanical description of fluidized beds.E
xperimental investigation of convective instabilit
ies in bounded beds“、第59〜66頁、及び、1963年、M
cGraw−Hill Book Company社発行、John H.Perry著、
“Chemical Engineers'Handbook"、第4版、第20.43〜2
0.46頁参照)。ディストリビュータは、例えば、均一な
間隔のオリフィス孔が穿けられた水平なプレート、グリ
ッド又は水平メッシュ、又は垂直ノズルの組立体で構成
することができる。
本発明によれば、ディストリビュータは、過飽和溶液
の濃度が飽和に相当する濃度(飽和相当濃度)に等しい
かそれ以下になるような一定の温度に維持される。すな
わち、本発明の方法においては、ディストリビュータの
温度と、該ディストリビュータの上流側の過飽和溶液の
温度とは異なっており、過飽和溶液が、同一の単一無機
物質と同一の単一溶媒とからなる場合、ディストリビュ
ータの温度は、前記過飽和溶液の濃度を飽和溶液の濃度
にほぼ等しいかそれ以下にする温度(この温度はディス
トリビュータの温度に安定している)に選定される。こ
のため、無機物質がディストリビュータ上に晶出するこ
とを回避できる。ディストリビュータ温度の選定は、晶
出させるべき無機物質、溶液の溶媒及び過飽和の度合に
基づいて厳格に行われる。従って、溶媒中への溶解度が
温度の上昇と共に増大する物質(例えば、塩化ナトリウ
ム又は塩化カリウム)の水溶液の場合には、ディストリ
ビュータの温度は、過飽和溶液の温度よりも高い温度に
しなければならない。これに対し、溶媒中への溶解度が
温度の上昇と共に低下する物質(例えば、炭酸ナトリウ
ムの一価の水和物)の水溶液の場合には、ディストリビ
ュータの温度を、過飽和溶液の温度よりも低くしなけれ
ばならない。また、ディストリビュータ温度の選定は、
ディストリビュータと接触する過飽和溶液が過大な温度
変化を受けないようにする必要性から調節される(過飽
和溶液に過大な温度変化があると、過飽和の度合が大幅
に低下するからである)。このため、ディストリビュー
タの温度は、該ディストリビュータ中での溶液の流れ
が、完全に過飽和状態が緩和されてしまうには不充分な
程度の温度変化を受けるように制御されなくてはならな
い。実際には、ディストリビュータの温度は、各々の特
定の場合において、特に、溶液の過飽和の度合と必要な
生産効率との関数として決定される。また、ディストリ
ビュータの温度の選定は、ディストリビュータの伝熱係
数、溶液の流量及び温度、及び溶液の比熱等の種々のフ
ァクタに基づいて選定される。各々の特定の場合におい
て、ディストリビュータの最適温度は、計算と経験とに
より困難なく決定することができる。
実質的に飽和された母液は、結晶床の下流側に収集さ
れる。この母液は、過飽和状態にすべく処理された後、
本発明の方法に再生使用される。この目的のため、本発
明の方法の特別な実施例においては、結晶床の下流側に
収集された母液を加熱し、結晶床において晶出された量
に等しい無機物質の補足量を母液に付加し、次いでこの
混合物を冷却して過飽和溶液を再構成するようになって
いる。本発明のこの実施例は、特に、溶液中への溶解度
が温度変化と同じ方向に変化する無機物質(すなわち、
温度の上昇(又は低下)と共に溶解度も増大(又は減
少)する無機物質)に適している。母液は、無機物質の
上記補足量を母液中に充分溶解できる温度に加熱されな
くてはならない。混合物の冷却は、混合物を熱交換器に
通して循環させるか、減圧して混合物の一部を蒸発させ
ることにより行うことができる。減圧により冷却する場
合には、溶媒の補足分を母液に付加して、減圧により蒸
発された量を補足する必要がある。
本発明の方法の第2の特別な実施例は、特に、溶媒中
への溶解度が温度変化とは逆の方向に変化する無機物質
(すなわち、温度の上昇(又は低下)とは逆に、溶解度
が減少(又は増大)する無機物質)に適しており、この
実施例では、結晶床の下流側に収集された母液が冷却さ
れ、晶出された量に等しい無機物質の補足量を母液に付
加し、次いでこれを加熱して過飽和溶液を再構成するよ
うになっている。
また、本発明は、本発明による無機物質の晶出方法を
実施する装置に関するものでもあり、本発明の装置は、
垂直な管状包囲体と、垂直なチューブとを有しており、
該チューブは、前記包囲体内において軸線方向に配置さ
れておりかつ前記包囲体の底部の近くに開口していて、
前記包囲体内に環状チャンバを形成しており、前記チュ
ーブは、その上端部が、晶出させるべき物質で過飽和に
された溶液を供給する装置に連結されており、前記環状
チャンバが、流動床リアクタのディストリビュータによ
り、過飽和溶液を導入する下方の入口チャンバと、流動
床リアクタを形成する上方の晶出チャンバとに区分され
ており、前記ディストリビュータにはサーモスタットが
設けられている。
本発明の上記装置において、サーモスタットの機能
は、使用する過飽和溶液の温度の関数として制御するこ
とにより、ディストリビュータを一定の温度に維持し、
該ディストリビュータと接触する無機物質が自然に晶出
してしまうことを防止することにある。従って、このサ
ーモスタットは、本発明の装置が、温度の上昇による溶
解度の増大機能をもつ無機物質の過飽和溶液の処理を行
う装置であるか、温度の上昇による溶解度の減少機能を
持つ無機物質の過飽和溶液の処理を行う装置であるかに
応じて、ディストリビュータを加熱(又は冷却)する手
段として構成することができる。
本発明の装置の好ましい実施例においては、ディスト
リビュータが、2枚の横向きプレートを結合しかつこれ
らの水平プレートを貫通している垂直又は傾斜ノズルに
より構成されており、前記プレートが、前記チューブと
前記管状包囲体の壁とを連結して、前記サーモスタット
を形成する熱媒液(例えば水又は蒸気)の供給源に連結
されたチャンバを形成している。
本発明の方法及び装置においては、流動床が2つの機
能を有している。第1の機能は、流動床が晶出環境を形
成することであり、第2の機能は、結晶を、同一の粒子
サイズからなる層として結晶床中に分布させ、粒子サイ
ズの分級を行うことである。
本発明の方法及び装置によれば、無機物質を、ほぼ球
状をなす均一な粒の形状に晶出させることができる。こ
れらの結晶は、全体として単一ビーズ(モノリシックビ
ーズ)の形態をなしており、このことは、結晶が、無機
物質からなる単一の非凝集ブロックであることを意味し
ている。本発明の方法及び装置は、3mm以上(例えば3
〜30mm)の直径をもつモノリシックな球状ビーズの形状
をなす塩化ナトリウムの結晶を製造するのに特に適して
いる。5〜10mmの範囲の直径をもつ塩化ナトリウムの結
晶は、欧州公開特許EP−A−162,490号(Solvay & Cie
社)に記載の技術を用いて、半透明でガラス質の外観を
呈する非均一な粒子の形状をなす塩の製造に優れた適用
を見出すことができる。
本発明の個々の特徴及び詳細は、添付図面を参照して
述べる以下の説明により明らかになるであろう。
第1図に示す装置は、本発明により改良された「オス
ロ」形の晶出装置(クリスタライザ)である。この晶出
装置は垂直な管状包囲体1を有しており、該包囲体1内
には、下部が拡がった垂直なチューブ4が軸線方向に配
置されている。これにより、チューブ4は、包囲体1内
において、円筒状の上部2と截頭円錐状の下部3とから
なる環状チャンバを形成し、截頭円錐状の下部3の底部
16は、軸心円錐体(axial central cone)の回りの環状
面(toric surface)からなる形状を有している。包囲
体1はカバー6により閉鎖されており、該カバー6をチ
ューブ4が貫通して減圧チャンバ7に開口している。環
状チャンバの上部2のヘッドスペースと減圧チャンバ7
との間には、導管9、10及び循環ポンプ11を介して再熱
器8が配置されている。
本発明によれば、環状チャンバの上部2は、結晶床14
を収容して流動床リアクタとして使用することを意図し
たものである。この目的のため、環状チャンバの上部2
は、流動床リアクタのディストリビュータ12により下部
3から分離されている。第1図に示す装置の場合、環状
の上部2は晶出チャンバを形成しており、環状の下部3
は、晶出させたい無機物質で過飽和にされた溶液の入口
チャンバとして機能する。
第1図に示す装置は、球状ビーズの形態をなす塩化ナ
トリウムを晶出させるのに特に適している。従ってこの
装置は、塩化ナトリウムの水溶液で、減圧チャンバ7内
のレベル13まで充填され、これにより、晶出チャンバ
(環状チャンバの上部)2は塩化ナトリウムの水溶液で
充満される。また、この晶出チャンバ2内には、ディス
トリビュータ12の上に塩化ナトリウムの結晶床14が入れ
られる。
本発明の装置を作動するとき、塩化ナトリウムの水溶
液が、ポンプ11により矢印Xで示す方向に循環される。
塩化ナトリウムで飽和された水溶液は、導管9を通って
晶出チャンバ2から排出された後、再熱器8に通され
る。従って水溶液は、その温度が上昇した後に減圧チャ
ンバ7内に流入する。これにより、水溶液は、減圧によ
りその一部が気化するため、冷却されると共に過飽和の
状態にされる。放出される水蒸気は、減圧チャンバ7の
上部オリフィス15から除去される。過飽和水溶液は、チ
ューブ4を垂直に下降して、環状底部16に沿ってチャン
バ(環状チャンバの下部)3に対し半径方向に流入し、
更にディストリビュータ12を通って結晶床14に流入し、
該結晶床14を本発明に従って流動化する。この流動床
(結晶床)14を水溶液が通過する間に、水溶液の過飽和
状態が徐々に緩和され、その結果、結晶床の結晶が成長
して、結晶粒のサイズに応じて水平な層に分布される。
大きな粒子サイズのフラクション(分級物)は結晶床の
底部に移行し、排出導管5から一定の時間間隔をおいて
除去される。チャンバ2のヘッドスペースに到達する結
晶母液は、塩化ナトリウムで飽和(又は僅かに過飽和)
された水溶液である。この水溶液は導管9を通して再熱
器8に送られて再生されるが、導管9においては、塩化
ナトリウムで飽和された水溶液の補足分が、パイプ18か
ら追加される。塩化ナトリウム水溶液の補足分は、結晶
床14において晶出された塩化ナトリウムの量及び減圧チ
ャンバ7内での蒸発により除去された水の量を補うこと
ができるように制御される。
上記のようにして装置が使用される間、ディストリビ
ュータ12が加熱され、水溶液と接触しているディストリ
ビュータ12の壁の温度が、ディストリビュータ12の上流
側にある下部チャンバ3内の過飽和水溶液の温度より高
くなるようにする。
ディストリビュータ12は、任意の適当な手段により加
熱することができる。
第2図には、ディストリビュータ12の最適実施例が示
してある。ディストリビュータ12は、多数の短い垂直ノ
ズル17と、2枚の水平プレート18とにより構成されてお
り、水平プレート18は、該プレート18を貫通している垂
直ノズル17により互いに連結されている。水平プレート
18は、軸線方向のチューブ4と上部チャンバ2の円筒状
周壁との間に挿入されて、低い環状チャバ19を形成して
おり、該チャンバ19をノズル17が通っている。2つのチ
ューブ20は、熱い移送流体(例えば蒸気)をチャンバ19
内で循環させるためのものである。
第1図及び第2図に示す装置において、底部16は、デ
ィストリビュータ12を加熱する場合の条件と同じ条件で
加熱される。この目的のため、底部16は、熱い流体(一
般には蒸気)を運ぶジャケットでカバーすることができ
る。
第1図の装置においては、晶出チャンバ2の周壁は円
筒状であり、従って、晶出チャンバ2はその全高さに亘
って均一な横断面形状を有している。
本発明の特別な実施例(図示せず)においては、晶出
チャンバ2は、結晶床14の自由面21(第1図)の上方の
部分において、下方から上方に向かってその横断面形状
が大きくなる形状を有している。この実施例において晶
出チャンバ2の上方部分の横断面形状を大きくする目的
は、結晶床14の上方の晶出チャンバ2内での水溶液の速
度を、チャンバ3内での水溶液の速度より小さくするこ
とにある。このようにすれば、ディストリビュータ12の
下にあるチャンバ3内での妨害的な流動床の形成を防止
できる。ディストリビュータ12と結晶床14の自由面21と
の間に形成される流動床セクション14においては、晶出
チャンバ2の横断面形状を均一にすることもできるし、
下から上に向かって徐々に減少させることもできる。
本発明の別の実施例(図示せず)においては、包囲体
1を出る水溶液に同伴される微細結晶を保留させるべく
設計された装置が、導管9に設けられている。この装置
は、例えば、沈澱チャンバ又はサイクロンで構成するこ
とができる。
次の具体的な例により本発明を説明する。
第1図及び第2図に関して説明した上記形式の装置の
晶出チャンバ2内に、0.5〜2mmの間の平均直径をもつ約
3,000kgの塩化ナトリウムの結晶床14が導入された。120
℃の蒸気の流れによりディストリビュータ12を加熱し、
入口チャンバ3には、塩化ナトリウムで過飽和された約
110℃の水溶液を、結晶床14を流動化するのに充分な上
向き速度で導入した。結晶床14の底部における水溶液の
過飽和の度合は、約0.4g/kgであった。結晶床を出ると
きに収集された母液は、再熱器8内で処理され、その温
度が約1℃だけ上昇された。この母液は減圧チャンバ7
内に運ばれ、該減圧チャンバ7内で減圧制御されて約11
0℃にされ、元の過飽和度合(0.4g/kg)に戻された。次
いで、この過飽和水溶液を、上記のようにして軸線方向
のチューブ4を通して入口チャンバ3に導入して再使用
した。
結晶は、企図した生産効率に比例する速度で結晶床14
の底部から連続的に排出された。同時に、塩化ナトリウ
ムで飽和された水溶液の補足分を、結晶床から取り出さ
れた塩化ナトリウム及び減圧により除去された水蒸気を
補うべく制御された量だけ、再熱器8に導入した。
第3図及び第4図の写真は、この試験の2つの連続段
階で得られた結晶を示すものである。これらの結晶は、
塩化ナトリウムのモノリシック粒子であり、その直径は
実質的に10〜15mm(第3図)及び18〜23mm(第4図)で
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明による晶出装置の特別の実施例を示す
縦断面図である。 第2図は、第1図の晶出装置の一部を詳細に示す拡大図
である。 第3図及び第4図は、本発明の方法により得られた塩化
ナトリウム粒子を1/1スケールで示す写真である。 1……包囲体、 2……チャンバの上部(晶出チャンバ)、 3……チャンバの下部(入口チャンバ)、 4……チューブ、5……排出導管、 6……カバー、7……減圧チャンバ、 8……再熱器、9、10……導管、 11……循環ポンプ、12……ディストリビュータ、 13……レベル、14……結晶床、 15……上部オリフィス、 16……入口チャンバの底部、 17……垂直ノズル、18……水平プレート、 19……チャンバ、20……チューブ、 21……自由面。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C01D 3/04 C01D 3/04 Z 3/14 3/14 A (56)参考文献 実開 昭63−122602(JP,U) 実開 昭62−132701(JP,U) 実開 昭58−26901(JP,U) 特公 昭44−8969(JP,B1) 特公 昭37−1877(JP,B1) 実公 昭40−32463(JP,Y1) 実公 昭40−5562(JP,Y1) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B01D 9/02

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】液体溶媒中に晶出させるべき物質で過飽和
    にされた溶液の流れが通ることができる結晶床を使用し
    た無機物質の晶出方法において、前記結晶床の下に配置
    されておりかつ過飽和溶液の濃度を飽和相当濃度以上に
    しない温度に維持されたディストリビュータに、過飽和
    溶液の流れを通すことにより、結晶の流動床を生じさせ
    ることを特徴とする無機物質の晶出方法。
  2. 【請求項2】前記過飽和溶液の溶媒中の無機物質の溶解
    度が温度上昇と共に増大する場合には、前記ディストリ
    ビュータの温度を前記過飽和溶液の温度以上に維持する
    ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】前記結晶床を出るときに収集された結晶化
    母液を加熱し、前記結晶床において晶出された量に等し
    い無機物質の補足量を前記結晶化母液に付加し、この混
    合物を冷却して過飽和溶液を再生することを特徴とする
    請求項1又は2に記載の方法。
  4. 【請求項4】前記混合物を冷却するのに、該混合物を減
    圧してその一部を蒸発させ、この蒸発量に等しい量の溶
    媒を前記母液に付加することを特徴とする請求項3に記
    載の方法。
  5. 【請求項5】塩化ナトリウムの結晶床と、塩化ナトリウ
    ムで飽和された水溶液とを使用することを特徴とする請
    求項4に記載の方法。
  6. 【請求項6】上記請求項1〜5のいずれか1項に記載の
    無機物質の晶出方法を実施するための無機物質の晶出装
    置であって、垂直な管状包囲体(1)と、垂直なチュー
    ブ(4)とを有しており、該チューブ(4)は、前記包
    囲体(1)内において軸線方向に配置されておりかつ前
    記包囲体(1)の底部(16)の近くに開口していて、前
    記包囲体(1)内に環状チャンバ(2、3)を形成して
    おり、前記チューブ(4)の上端部が、晶出させるべき
    物質で過飽和にされた溶液を供給する装置(7)に連結
    されている無機物質の晶出装置において、前記環状チャ
    ンバ(2、3)が、流動床リアクタのディストリビュー
    タ(12)により、過飽和溶液を導入する下方の入口チャ
    ンバ(3)と、流動床リアクタを形成する上方の晶出チ
    ャンバ(2)とに区分されており、前記ディストリビュ
    ータ(12)にはサーモスタットが設けられていることを
    特徴とする無機物質の晶出装置。
  7. 【請求項7】前記晶出チャンバ(2)の横断面形状が、
    前記流動床の自由面(21)の上方において、下から上に
    向かって大きくなっていることを特徴とする請求項6に
    記載の装置。
  8. 【請求項8】前記上方の晶出チャンバ(2)が、晶出化
    母液を再熱器(8)に導びく導管(9)を備えており、
    前記再熱器(8)が、過飽和溶液を供給する前記装置
    (7)を形成する減圧チャンバに連通していることを特
    徴とする請求項6又は7に記載の装置。
  9. 【請求項9】前記ディストリビュータ(12)が、2枚の
    水平プレートを結合しかつこれらの水平プレートを貫通
    している垂直ノズルにより構成されており、前記水平プ
    レートが、前記垂直なチューブ(4)と前記管状包囲体
    (1)の壁との間に挿入され、前記サーモスタットを形
    成する熱媒液の供給源に連結されたチャンバを形成して
    いることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記
    載の装置。
  10. 【請求項10】上記請求項5に記載の方法により製造さ
    れた3mm以上の直径のビーズ状の塩化ナトリウムの結
    晶。
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