JP4658053B2 - Method and apparatus for producing metal by molten salt electrolysis - Google Patents
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Description
【技術分野】
【0001】
本発明は、金属塩化物からの金属の回収に関し、特に、金属塩化物を含む溶融塩の電解による金属の製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、単体の金属チタンは、四塩化チタンを溶融マグネシウムで還元してスポンジチタンを得るクロール法により製造されており、種々の改良の積み重ねにより製造コストの削減が図られてきた。しかしながら、クロール法は、一連の操作を非連続的に繰り返すバッチプロセスであるため、効率化にも限界があった。
【0003】
上記のような状況に対し、溶融塩中にて酸化チタンを金属カルシウムで還元して直接金属チタンを製造するという方法(例えば特許文献1、2参照)や、カルシウム等の活性金属または活性金属合金を含む還元剤を製造し、この還元剤から放出される電子によってチタン化合物を還元して金属チタンを得るEMR法(例えば、特許文献3参照)が提案されている。これらの方法では、電解反応で副生した酸化カルシウムを塩化カルシウムに溶解させた後、溶融塩電解することにより金属カルシウムを回収・再利用している。しかしながら、電解反応で生成した金属カルシウムは液体状態のため塩化カルシウムに対する溶解度が高く容易に溶解してしまい、固体状態の金属カルシウムを単味で回収する技術についての開示はない。
【0004】
また、金属カルシウムよりも低い融点を持つ複合溶融塩を用い、従来よりも低温で溶融塩電解を行うことによって固体状態で金属カルシウムを陰極に析出させる技術が開示されている(例えば、特許文献4参照)。しかしながら、この方法では、複合溶融塩を特別に準備することが必要であり、また、コストについても配慮する必要がある。
【0005】
このように、従来の方法では、金属カルシウム等の活性金属を単体で回収することが困難であったり、可能であってもコストが高いという問題を有していた。
【先行技術文献】
【0006】
【特許文献】
【特許文献1】
WO99/064638号
【特許文献2】
特開2003−129268号公報
【特許文献3】
特開2003−306725号公報
【特許文献4】
US3226311号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、例えば金属チタンの酸化物あるいは塩化物を還元するために用いる金属を固体状態で回収することができるのはもちろんのこと、安価な方法で実施することができる溶融塩電解による金属の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0008】
すなわち、本発明の溶融塩電解による金属の製造方法は、陽極および陰極を備えた電解槽に金属塩化物を満たし、この金属塩化物を加熱溶融して電解浴とし、この電解浴を電解して、金属を固体状態で陰極に析出させる溶融塩電解による金属の製造方法において、溶融塩電解に用いる電解浴の温度を金属の融点以上に保持し、かつ陰極の温度を金属の融点以下に保持することを特徴としている。
【0009】
本発明によれば、溶融塩に対する溶解度が低い固体状態で金属を陰極に析出させ、回収することができる。また、金属の回収を低コストで実施することができる。
【0010】
また、本発明は、陽極および陰極を備えた電解槽に金属塩化物を満たし、この金属塩化物を加熱溶融して電解浴とし、この電解浴を電解して、金属を固体状態で陰極に析出させる溶融塩電解による金属の製造装置であって、電解浴を隔壁によって電解室および溶解室に分割し、陽極を電解室に配置し、陰極を電解室と溶解室を循環して公転移動可能なように配置し、電解室において陰極に析出付着した金属を溶解室において離脱・回収することを特徴としている。
【0011】
本発明によれば、陰極が電解室を通過する際には金属塩化物の電解が進行して陰極に金属が析出し、陰極が溶解室を通過する際には析出した金属を回収することができ、しかも、陰極は公転移動して電解室と溶解室を定期的に行き来するので、金属の析出および回収を自動的に効率良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の実施形態における金属カルシウムの製造方法を示す模式図である。
【図2】(a)は本発明の他の実施形態における金属カルシウムの製造方法を示す模式図であり、(b)は(a)を方向Aから見た場合の陰極における掻取器の模式図である。
【図3】(a)は本発明の他の実施形態における金属カルシウムの製造方法を示す模式図であり、(b)は(a)を方向Aから見た模式図であり、(c)は(a)を方向Bから見た模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本発明の実施形態について図面を用いて以下に説明する。図1〜3は、本発明を実施するための装置構成例を表している。以下、電解浴が塩化カルシウム、生成金属が金属カルシウムである場合を例にとり説明する。
【0014】
図1において、符号1は電解槽であり、その内部には塩化カルシウムからなる電解浴2が満たされており、図示しない加熱手段によって塩化カルシウムの融点以上に加熱され、溶融状態に保たれている。符号3は陽極、符号4は陰極であり、電解浴2に浸漬されている。
【0015】
陽極3と陰極4を図示しない直流電源に接続して電解浴の電解を開始すると、電解浴2中の塩化物イオンが陽極3に引きつけられて電子を放出し、塩素ガスとなって系外に放出される。カルシウムイオンは陰極4に引きつけられて電子を受け取り、金属カルシウム5となって陰極4の表面に析出する。
【0016】
電解浴2の温度は、金属カルシウム5の融点(845℃)以上または以下のいずれの温度範囲においても本発明を効率よく実施することができる。特に、電解浴2の温度が金属カルシウム5の融点以下である場合は、陰極4の表面に金属カルシウム5を固体状態で析出させることができる。一方、電解浴2の温度が金属カルシウム5の融点以上であっても、陰極4に冷却構造を内蔵させることによって、陰極4の周囲に固体の金属カルシウム5を析出させることができる。
【0017】
いずれの温度で電解した場合でも、電解反応で生成した金属カルシウム5は固体状態で析出するため、生成した固体の金属カルシウム5と接する塩化カルシウムへの溶解度は、殆ど無視できる程度に少ない。したがって、高い効率で金属カルシウムを回収することが可能である。
【0018】
所定量の金属カルシウム5を陰極4に析出させた後、陰極4を電解浴2から取り出し、金属カルシウム5の融点(845℃)よりも高温に保持された溶融塩6を保持した回収槽7に浸漬させる。陰極4に析出した金属カルシウム5は、回収槽7に保持された溶融塩6に一部溶解され、残りは陰極4から溶融して浮上し、回収槽7の液面近傍に濃縮されるので、これを分離回収する。この際、溶融塩6は、高温になるほど金属カルシウム5の蒸発ロスを助長するので、900℃以内に留めておくことが実用的である。
【0019】
このようにカルシウムを溶融・浮上させて液体状態で回収することもできるが、溶融塩6が凝固しない範囲で金属カルシウムの融点以下に冷却しても良い。このような冷却操作を行うことで、浮上した金属カルシウム5は固体状態となり、効率よく回収することができる。塩化カルシウムの融点は780℃付近、金属カルシウムの融点は845℃付近にあるので、回収槽7の温度を800℃付近まで低下させることにより、溶融塩6中に溶解した金属カルシウム5を固体状態で回収することができる。
【0020】
析出した金属カルシウム5を脱離・回収した陰極4は、回収槽7から電解槽1に戻して再度溶融塩電解に供することができる。以上一連の操作を繰り返すことにより、金属カルシウムを効率よく回収することができる。このようにして回収槽7に生成した金属カルシウム5は、例えば、溶融塩を用いた四塩化チタンのカルシウム還元に利用することができる。
【0021】
また、回収槽7において金属カルシウムを回収せず、溶融塩6中の金属カルシウムの濃度を高めた状態にしておき、これを溶融塩ごと四塩化チタンの還元反応に利用することも可能である。
【0022】
電解槽1の陽極3で発生した塩素ガス8は、別途回収してチタン鉱石の塩素化反応に再利用することができる。あるいは、その他の用途に利用しても良い。
【0023】
陽極3の材料としては、導電性を有し、かつ電解浴に溶解せず、また塩素ガスと反応しないものであることが好ましい。このような材質としてはカーボンが好ましい。
【0024】
陰極4は、導電性を有する材質で構成すれば良く、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼、あるいは、銅、アルミニウム等任意の素材で構成することができる。陰極4は、その内部に冷却媒体が流通できる構造にしておけば好ましい。このような構造をとることで、陰極4への金属カルシウムの析出を促進することができる。
【0025】
回収槽7内の溶融塩6としては任意のものが使用可能であるが、塩化カルシウムを用いるのが好ましい。塩化カルシウムは、塩化チタンと金属カルシウムの溶融塩電解工程においても副生するので、溶融塩6を塩化カルシウムとしておけば、濃化された金属カルシウムを塩化チタンの溶融塩電解工程に用いる際に、塩化カルシウムを取り除く必要がなくなる。また、塩化チタンの溶融塩電解工程後は、この工程の副生物である塩化カルシウムと共に電解槽1にリサイクルして用いることができるからである。
【0026】
電解浴2を構成する塩化カルシウムに塩化カリウムを添加することで電解浴の融点を下げることができる。塩化カルシウムに添加する塩化カリウムは、20重量%〜80重量%の範囲とすることが好ましい。このような範囲に塩化カリウムを添加することで電解浴2の温度を金属カルシウムの融点よりも150℃〜250℃低下させても電解浴をフリーズさせる心配なく安定した運転を行うことができる。
【0027】
電解浴2の温度は、図示しない電解浴中に浸漬させた冷却機能付きの加熱バーナーを用いることで、目的の温度範囲に制御することができる。その他の手段により電解浴2の温度を制御してもよい。
【0028】
図2は、本発明の他の態様を表している。図2(a)の電解槽1には、塩化カルシウムからなる電解浴2が満たされており、図示しない加熱手段によって塩化カルシウムの融点以上に加熱され、溶融状態に保たれている。また、電解浴2には陽極3と円筒形の陰極4が浸漬配置されている。この陰極4は自転可能なように構成されており、陰極4の円筒側面の一端には掻取器9が隣接配置されている。図2(b)は、陰極4および掻取器9を方向Aから見た模式図である。図に示すように、陰極4が自転することによって、陰極表面に析出した金属カルシウム5を掻取器9によって効率良く掻取ることができる。
【0029】
陰極4から掻取られた固体の金属カルシウム5は、塩化カルシウムよりも密度が小さいので、電解浴2の浴面に浮上する。電解浴2の浴面に浮上した金属カルシウム5は、適宜、電解浴2から回収される。電解浴2から回収された固体の金属カルシウムは、溶融塩電解による酸化チタンの還元剤として利用することができる。
【0030】
この際、掻取器9の周囲に網状の籠を設けておいても良い。電解浴から適時、籠を引き上げることにより析出した固体状の金属を効率よく回収することができる。
【0031】
また、電解浴2の浴面近傍には隔壁10を配置しておくことが好ましい。陰極4に析出した金属カルシウムは、掻き取られた後、浮上して浴面に拡散し、陽極3近傍に到達し、陽極3で生じた塩素ガスと逆反応を起こす傾向にあるが、隔壁10を設けることによって、浮上した金属カルシウム5の拡散を防ぎ、逆反応を効果的に抑制することができる。
【0032】
掻取器9の近傍にヒーターを浸漬配置し、掻取器9の近傍にある電解浴の温度を限定的に金属カルシウムの融点以上に保持しても良い。このようにすることで、陰極4から掻取られた金属カルシウムを溶融状態で回収することができる。溶融状態にある金属カルシウムは、一部が塩化カルシウムに溶解し、電解浴2中を浮上する。このため、金属カルシウムが濃縮された塩化カルシウムが隔壁10を介して電解浴2の浴面に浮遊する状態になる。浮遊状態にある金属カルシウムが濃化された塩化カルシウムを抜き出して、例えば、四塩化チタンの還元反応に利用することができる。
【0033】
図3(a)〜(c)は、本発明の他の態様を表している。図3(b)は、図3(a)を方向Aから見た模式図であり、図3(c)は、図3(a)を方向Bから見た模式図である。図3の電解槽1には、塩化カルシウムからなる電解浴2が満たされており、図示しない加熱手段によって塩化カルシウムの融点以上に加熱され、溶融状態に保たれている。また、電解浴2には陽極3と陰極4が浸漬配置されている。電解槽1は、電解浴2の浴面近傍に設けられた隔壁10によって、陽極3を浸漬した電解室1aと、溶解室1bに分割されている。ただし、隔壁10によって分割されているのは電解浴2上部の浴面近傍のみであり、電解浴2下部においては一体となっている。図3(c)に示すように、電解室1aと溶解室1bを循環して公転移動可能なように複数の陰極4が配置されている。これら陰極4は、隔壁10の一部に設けられた切断部を通過することで、電解室と溶解室を循環して公転移動させることが可能となる。
【0034】
陰極4には、加熱機能および冷却機能が備えられている。すなわち、陰極4内部には、ヒーターおよび冷却媒体を流通可能な流路が設けられており、陰極4の温度を金属カルシウム5の融点以下から融点以上に任意に制御することができるようになっている。
【0035】
以上のような装置構成において、陰極4が電解室側にあるときは、陰極4の温度を金属カルシウムの融点以下に保持し、陰極4表面に金属カルシウムを固体状態で析出させる。一方、陰極4が公転して溶解室側に到達したときには、陰極4の温度を金属カルシウムの融点以上に保持し、析出した金属カルシウムを溶融状態とする。陰極4から溶融離脱した金属カルシウム5は、一部は塩化カルシウムに溶解して電解浴中を浮上し、金属カルシウム濃化層を形成する。電解浴2の溶解室側浴面に形成された金属カルシウム濃化層は適宜抜き出されて、例えば、溶融塩電解による酸化チタンの還元剤として利用することができる。
【0036】
このように、電解浴2の内部を公転する陰極4の位置に応じて、陰極4の温度を金属カルシウムの融点以下と融点以上に制御することにより、効率よく金属カルシウムを回収することができる。
【実施例】
【0037】
[実施例1]
図1に示した電解槽および回収槽を併用して、塩化カルシウムの溶融塩電解を行った。塩化カルシウムで構成した電解浴の温度を800±5℃に制御して、陰極に金属カルシウムを析出させた。その結果、陽極および陰極に対する通電量から計算される理論重量の85%に相当する金属カルシウムを回収することができた。
【0038】
[実施例2]
図2に示した装置を用いて、塩化カルシウムを電解浴に用い、これを溶融電解して陰極に連続的に金属カルシウムを析出させて、これを掻取器によって掻き取り、固体状態の金属カルシウムを回収した。単位時間当たりの金属カルシウムの生産量は、実施例1に比べて約2倍に高まった。
【0039】
[実施例3]
図3に示した装置を用いて、塩化カルシウムを電解浴に用い、これを溶融電解して陰極に連続的に金属カルシウムを析出させて、一部電解浴を含む溶融状態の金属カルシウムとして回収した。単位時間当たりの金属カルシウムの生産量は、実施例2に比べて約2倍に高まった。
【産業上の利用可能性】
【0040】
本発明によれば、塩化カルシウムの電解により効率よく金属カルシウムを製造することができる。
【符号の説明】
【0041】
1 電解槽
1a 電解室
1b 溶解室
2 電解浴
3 陽極
4 陰極
5 金属(カルシウム)
6 溶融塩
7 回収槽
8 塩素ガス
9 掻取器
10 隔壁【Technical field】
[0001]
The present invention relates to the recovery of metals from metal chlorides, and more particularly to a method and apparatus for producing metals by electrolysis of molten salts containing metal chlorides.
[Background]
[0002]
Conventionally, single metal titanium has been produced by a crawl method in which titanium tetrachloride is reduced with molten magnesium to obtain sponge titanium, and production costs have been reduced by accumulating various improvements. However, since the crawl method is a batch process that repeats a series of operations discontinuously, there is a limit to the efficiency.
[0003]
For the above situation, a method of directly producing titanium metal by reducing titanium oxide with metallic calcium in a molten salt (for example, see Patent Documents 1 and 2), an active metal such as calcium or an active metal alloy There has been proposed an EMR method (see, for example, Patent Document 3) in which a reducing agent containing is produced and a titanium compound is reduced by electrons emitted from the reducing agent to obtain metallic titanium. In these methods, calcium oxide by-produced by the electrolytic reaction is dissolved in calcium chloride, and then metal calcium is recovered and reused by performing molten salt electrolysis. However, since the calcium metal produced by the electrolytic reaction is in a liquid state, it has a high solubility in calcium chloride and easily dissolves, and there is no disclosure of a technique for recovering the solid state calcium metal in a simple manner.
[0004]
In addition, a technique for depositing metallic calcium on a cathode in a solid state by performing molten salt electrolysis at a lower temperature than conventional using a molten salt having a melting point lower than that of metallic calcium is disclosed (for example, Patent Document 4). reference). However, in this method, it is necessary to specially prepare the composite molten salt, and it is necessary to consider the cost.
[0005]
As described above, the conventional method has a problem that it is difficult to recover the active metal such as metallic calcium alone or the cost is high even if it is possible.
[Prior art documents]
[0006]
[Patent Literature]
[Patent Document 1]
WO99 / 064638 [Patent Document 2]
JP 2003-129268 A [Patent Document 3]
JP 2003-306725 A [Patent Document 4]
US3226311 Summary of the Invention
[Problems to be solved by the invention]
[0007]
The present invention has been made in view of the above situation. For example, the metal used for reducing the oxide or chloride of metal titanium can be recovered in a solid state, and it is an inexpensive method. It aims at providing the manufacturing method of the metal by molten salt electrolysis which can be implemented.
[Means for Solving the Problems]
[0008]
That is, in the method for producing a metal by molten salt electrolysis according to the present invention, an electrolytic bath equipped with an anode and a cathode is filled with a metal chloride, and the metal chloride is heated and melted to form an electrolytic bath. In a method for producing a metal by molten salt electrolysis in which a metal is deposited on the cathode in a solid state, the temperature of the electrolytic bath used for molten salt electrolysis is maintained at or above the melting point of the metal, and the temperature of the cathode is maintained below the melting point of the metal. It is characterized by that.
[0009]
According to the present invention, the metal can be deposited on the cathode in a solid state with low solubility in the molten salt and recovered. In addition, metal recovery can be performed at low cost.
[0010]
In addition, the present invention fills an electrolytic cell equipped with an anode and a cathode with metal chloride, heats and melts the metal chloride to form an electrolytic bath, electrolyzes the electrolytic bath, and deposits the metal in a solid state on the cathode. An apparatus for producing metal by molten salt electrolysis, in which an electrolytic bath is divided into an electrolytic chamber and a melting chamber by partition walls, an anode is disposed in the electrolytic chamber, and a cathode is circulated through the electrolytic chamber and the melting chamber. The metal deposited and adhered to the cathode in the electrolysis chamber is separated and collected in the melting chamber.
[0011]
According to the present invention, when the cathode passes through the electrolytic chamber, electrolysis of the metal chloride proceeds to deposit the metal on the cathode, and when the cathode passes through the melting chamber, the deposited metal can be recovered. In addition, since the cathode revolves and periodically moves back and forth between the electrolysis chamber and the melting chamber, the metal can be deposited and recovered automatically and efficiently.
[Brief description of the drawings]
[0012]
FIG. 1 is a schematic view showing a method for producing metallic calcium in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 (a) is a schematic view showing a method for producing calcium metal in another embodiment of the present invention, and FIG. 2 (b) is a schematic view of a scraper at the cathode when (a) is viewed from the direction A. FIG.
FIG. 3 (a) is a schematic view showing a method for producing metallic calcium in another embodiment of the present invention, (b) is a schematic view of (a) seen from direction A, and (c) is a schematic view. It is the schematic diagram which looked at (a) from direction B.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0013]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 3 show an example of an apparatus configuration for carrying out the present invention. Hereinafter, a case where the electrolytic bath is calcium chloride and the generated metal is calcium metal will be described as an example.
[0014]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an electrolytic cell, which is filled with an
[0015]
When the
[0016]
The temperature of the
[0017]
Even when electrolysis is performed at any temperature, the
[0018]
After depositing a predetermined amount of
[0019]
In this way, calcium can be melted and floated and recovered in a liquid state, but may be cooled below the melting point of metallic calcium within a range where the
[0020]
The
[0021]
It is also possible to recover the metal calcium concentration in the
[0022]
The chlorine gas 8 generated at the
[0023]
The material of the
[0024]
The
[0025]
Although arbitrary things can be used as the
[0026]
The melting point of the electrolytic bath can be lowered by adding potassium chloride to calcium chloride constituting the
[0027]
The temperature of the
[0028]
FIG. 2 represents another aspect of the present invention. The electrolytic bath 1 of FIG. 2A is filled with an
[0029]
The solid
[0030]
At this time, a net-like ridge may be provided around the scraper 9. The precipitated solid metal can be efficiently recovered by pulling up the soot from the electrolytic bath at an appropriate time.
[0031]
Moreover, it is preferable to arrange the
[0032]
A heater may be immersed in the vicinity of the scraper 9 so that the temperature of the electrolytic bath in the vicinity of the scraper 9 is limitedly maintained above the melting point of metallic calcium. By doing in this way, the metallic calcium scraped off from the
[0033]
3A to 3C show another aspect of the present invention. 3B is a schematic view of FIG. 3A viewed from the direction A, and FIG. 3C is a schematic view of FIG. 3A viewed from the direction B. The electrolytic bath 1 of FIG. 3 is filled with an
[0034]
The
[0035]
In the apparatus configuration as described above, when the
[0036]
Thus, by controlling the temperature of the
【Example】
[0037]
[Example 1]
Using the electrolytic cell and the recovery cell shown in FIG. 1 together, molten salt electrolysis of calcium chloride was performed. The temperature of the electrolytic bath composed of calcium chloride was controlled to 800 ± 5 ° C. to deposit metallic calcium on the cathode. As a result, it was possible to recover metallic calcium corresponding to 85% of the theoretical weight calculated from the amount of current applied to the anode and the cathode.
[0038]
[Example 2]
Using the apparatus shown in FIG. 2, calcium chloride is used in an electrolytic bath, and this is melt-electrolyzed to deposit metallic calcium continuously on the cathode, which is scraped off by a scraper to obtain solid-state metallic calcium. Was recovered. The production amount of metallic calcium per unit time increased about twice as compared with Example 1.
[0039]
[Example 3]
Using the apparatus shown in FIG. 3, calcium chloride was used as an electrolytic bath, and this was melt-electrolyzed to continuously deposit metallic calcium on the cathode, and recovered as molten metallic calcium partially including the electrolytic bath. . The production amount of metallic calcium per unit time increased about twice as compared with Example 2.
[Industrial applicability]
[0040]
According to the present invention, calcium metal can be efficiently produced by electrolysis of calcium chloride.
[Explanation of symbols]
[0041]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
6 Molten salt 7 Recovery tank 8 Chlorine gas 9
Claims (6)
上記電解浴を隔壁によって電解室および溶解室に分割し、陽極を上記電解室に配置し、陰極を上記電解室と上記溶解室を循環して公転移動可能なように配置し、上記陰極が電解室を通過する際は上記陰極の温度を上記金属の融点以下に保持し、上記陰極が溶解室を通過する際は上記陰極の温度を上記金属の融点以上に保持することを特徴とする溶融塩電解による金属の製造方法。 An electrolytic cell equipped with an anode and a cathode is filled with metal chloride, and the metal chloride is heated and melted to form an electrolytic bath. The electrolytic bath is electrolyzed, and metal is deposited on the cathode in a solid state by molten salt electrolysis. A method for producing metal,
The electrolytic bath is divided into an electrolytic chamber and a melting chamber by partition walls, an anode is disposed in the electrolytic chamber, a cathode is disposed so as to be capable of revolving through the electrolytic chamber and the melting chamber, and the cathode is electrolyzed. when passing through the chamber maintains the temperature of the cathode below the melting point of the metal, the molten salt when the cathode passes through the melting chamber, characterized in that the holding temperature of the cathode above the melting point of the metal A method for producing metal by electrolysis.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004192905 | 2004-06-30 | ||
JP2004192905 | 2004-06-30 | ||
PCT/JP2005/011747 WO2006003864A1 (en) | 2004-06-30 | 2005-06-27 | Method and apparatus for producing metal by electrolysis of molten salt |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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