JP6728857B2 - 逆浸透膜装置およびその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は逆浸透膜装置（ＲＯ装置）およびその運転方法に係り、特に、脱塩及び／又は有機物除去を行うクリスマスツリー型多段ＲＯ装置およびその運転方法に関する。

ＲＯ装置は用水の造水プロセス、食品・医薬用水の製造プロセス、排水回収プロセスなど幅広い分野で使用されている。中でも近年、用排水のコスト低減、環境負荷低減の目的から、排水回収プロセスにおいて、ＲＯ装置を使用するケースが急激に増加している。

ＲＯ装置として、水回収率を高める目的から、例えば、図３に示すようなクリスマスツリーと呼ばれる配置としたものがある。即ち、図３において、逆浸透膜エレメント（ＲＯエレメント）を１本又は複数本（通常１本〜１０本程度）内蔵したＲＯベッセル１Ａ，１Ｂ，１Ｃが３機並列配置されてなる第１バンク（ベッセル群をバンクと称す。）１と、ＲＯベッセル２Ａ，２Ｂが２機並列配置されてなる第２バンク２とでクリスマスツリー型の多段ＲＯ装置が構成されている。

被処理水、即ち、ＲＯ装置の供給水（ＲＯ給水、以下単に「給水」と称す。）は保安フィルタ３を経てまず第１バンク１に流入し、透過水と濃縮水とに分離される。続いて第１バンク１の濃縮水は第２バンク２に流入し、ここでも透過水と濃縮水とに分離される。第１バンク１の透過水と第２バンク２の透過水は合流し、系外へ排出される。一方、第２バンク２の濃縮水は系外に放流されるか排水処理設備等に移送される。通常、ＲＯ装置におけるクリスマスツリー構造は、要求される水回収率にもよるが、２又は３バンクで構成されることが多い。

ＲＯ装置により水回収を行う場合、水回収率を上げるために、得られた濃縮水をＲＯ装置の給水側に戻すことは公知であるが、その場合において、濃縮水を保安フィルタを通して戻すことは行われていない。

特許文献１には、多価金属含有水中の多価金属イオンを酸化槽で酸化した後、酸化により生成した多価金属の酸化物をフィルタを備える固形分除去装置で除去し、その後逆浸透膜処理する装置において、逆浸透膜装置の濃縮水を酸化槽に戻すことが記載されている。
この装置では、酸化槽に戻された濃縮水はフィルタを経て逆浸透膜装置に供給されることとなるが、この特許文献１の装置は、多価金属イオンの除去を目的とした排水処理であり、フィルタは酸化により生成した多価金属の酸化物を除去するものであって、濃縮水の濁質除去のためのものではない。

特許文献２には、クリスマスツリー型多段ＲＯ装置において、運転停止中の膜モジュールを清浄に保持するために、運転中の膜モジュールの濃縮水を、停止中の膜モジュールの一次側に流通させることが記載されているが、この方法は、水回収率を上げるために後段のバンクの濃縮水を前段のバンクに戻すものではなく、また、特許文献２には、保安フィルタを通して濃縮水を流通させるとの記載もない。

特許文献３には、第１の逆浸透膜装置の濃縮水を第２逆浸透膜装置で膜分離処理し、透過水を第１の逆浸透膜装置の給水として戻すことが記載されているが、保安フィルタを通すものとは異なる。特許文献３のように濃縮水を膜分離処理して透過水を戻す方法では水回収率を十分に高くすることはできない上に、濃縮水処理のための逆浸透膜装置およびその運転管理も必要となるため、設備コストが高くなり、また、操作も煩雑となる。

特開平１１−１９２４８２号公報 特開平８−１５５２７３号公報 特開２０１０−２０１３１３号公報

前述の通り、従来において、ＲＯ装置の濃縮水をＲＯ装置の給水として前段に戻す場合、保安フィルタを通すことは行われていない。

また、図３に示すようなクリスマスツリー型多段ＲＯ装置による水回収では、前段のバンクの濃縮水を後段のバンクで膜分離処理することで、十分に高い水回収率を得ているため、最後段のバンクの濃縮水を前段のバンクに戻して更に水回収を図ることは行われていない。

クリスマスツリー型多段ＲＯ装置において、水回収率を更に高めるために、最後段のバンクの濃縮水を第１段目のバンクの給水として戻す場合、最後段のバンクの濃縮水は、既に多段でＲＯ膜分離処理されて高濃縮されたものであるため、次のような問題が起こる。
即ち、クリスマスツリー型多段ＲＯ装置には、例えば、前段の前処理における凝集不良や前処理膜の劣化、破断等で濁質が流入する場合がある。この場合、最後段のバンクの濃縮水には濁質が高濃縮されることとなる。また、被処理水の塩類濃度が高い場合には、この濃縮水の塩類濃度は相当に高いものとなり、濃縮水中でスケールが析出する場合がある。
このため、最後段のバンクの濃縮水を第１段目のバンクの給水として戻すと、
・濁質、ＳＳ、析出したスケール等が要因の膜閉塞により、フラックスの低下、モジュール差圧の上昇を引き起こす。
・流路閉塞、偏流を起こし、膜面積を有効に利用できなくなる。
といった問題が起こる。

本発明はこの問題を解決するものである。
即ち、本発明は、クリスマスツリー型多段ＲＯ装置において、濃縮水の循環処理で水回収率を更に高めた上で、給水の濁質、ＳＳ、スケール等を低減し、流路閉塞、フラックス低下、モジュール差圧上昇を低減すると共に、装置内の偏流を防止して、装置内膜面への負荷を均等化することで装置の安定運転、膜面積の有効利用を図る逆浸透膜装置およびその運転方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、最後段のバンクの濃縮水を除濁フィルタに通水し、除濁フィルタで濃縮水内の濁質やスケールを除去した後第１段目のバンクの給水として戻すことにより、上記の課題を解決することができることを見出した。
即ち、本発明は以下を要旨とする。

［１］ 逆浸透膜エレメントを収納した逆浸透膜ベッセルで構成されるバンクを複数段有する逆浸透膜装置において、最後段のバンクの濃縮水を、１段目のバンクの前段へ戻す濃縮水戻し配管を備え、該濃縮水戻し配管に除濁フィルタが設けられていることを特徴とする逆浸透膜装置。

［２］ ［１］において、前記１段目のバンクの前段に第１の除濁フィルタが設けられており、前記濃縮水戻し配管は、該第１除濁フィルタと１段目のバンクとの間の給水配管に接続されていることを特徴とする逆浸透膜装置。

［３］ ［１］又は［２］において、各バンクの前段に除濁フィルタが設けられていることを特徴とする逆浸透膜装置。

［４］ ［１］ないし［３］のいずれかにおいて、後段のバンクに、前段のバンクの濃縮水が給水として導入されることを特徴とする逆浸透膜装置。

［５］ ［１］ないし［４］のいずれかにおいて、前記除濁フィルタが保安フィルタであることを特徴とする逆浸透膜装置。

［６］ 逆浸透膜エレメントを収納した逆浸透膜ベッセルで構成されるバンクを複数段有する逆浸透膜装置の運転方法において、最後段のバンクの濃縮水を、除濁フィルタを介して１段目のバンクの前段へ戻すことを特徴とする逆浸透膜装置の運転方法。

［７］ ［６］において、前記１段目のバンクの前段に第１の除濁フィルタを設け、前記最後段のバンクの濃縮水を該第１の除濁フィルタと１段目のバンクとの間の給水配管に戻すことを特徴とする逆浸透膜装置の運転方法。

［８］ ［６］又は［７］において、各バンクの前段に除濁フィルタを設けることを特徴とする逆浸透膜装置の運転方法。

［９］ ［６］ないし［８］のいずれかにおいて、前段のバンクの濃縮水を後段のバンクの給水とすることを特徴とする逆浸透膜装置の運転方法。

［１０］ ［６］ないし［９］のいずれかにおいて、前記除濁フィルタが保安フィルタであることを特徴とする逆浸透膜装置の運転方法。

本発明によれば、クリスマスツリー型多段ＲＯ装置において、最後段のバンクの濃縮水を除濁フィルタに通し、除濁フィルタで濃縮水内の濁質やスケールを除去した後、第１段目のバンクの給水として戻すことにより、濃縮水の循環処理で水回収率を更に高めた上で、給水の濁質、ＳＳ、スケール等を低減し、流路閉塞、フラックス低下、モジュール差圧上昇を低減すると共に、装置内の偏流を防止して、装置内膜面への負荷を均等化することで装置の安定運転、膜面積の有効利用を図ることができる。

本発明のＲＯ装置の実施の形態の一例を示す系統図である。 本発明のＲＯ装置の実施の形態の他の例を示す系統図である。 従来のクリスマスツリー型多段ＲＯ装置を示す系統図である。 実施例１，２及び比較例１の処理水量の経時変化を示すグラフである。 実施例１，２及び比較例１のモジュール差圧の経時変化を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明のＲＯ装置およびその運転方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態においては、除濁フィルタとして保安フィルタを設置した例を示す。
図１，２は本発明のＲＯ装置の実施の形態を示す系統図である。

図１に示すＲＯ装置は、３個のＲＯベッセル１Ａ，１Ｂ，１Ｃが並列配置されて前段の第１バンク（ベッセル群）１が構成され、２個のＲＯベッセル２Ａ，２Ｂが並列配置されて後段の第２バンク２が構成されている２段のクリスマスツリー型ＲＯ装置である。

各ＲＯベッセル１Ａ〜１Ｃ、２Ａ，２Ｂには、各々、ＲＯエレメントが内蔵されている。また、各バンク１，２には、給水配管１１，１４と、透過水配管１２，１５と、濃縮水配管１３，１６とが設けられており、給水配管１１には保安フィルタ（第１の除濁フィルタ）３が設けられている。

なお、ＲＯエレメントは、ＲＯ膜により被処理水を透過水と濃縮水とに分離するための最小ユニット（即ち、膜１本）を指し、このＲＯエレメントの１本又は複数本（通常は１〜１０本程度）を圧力容器（ベッセル）に収納したものがＲＯベッセルである。

第１バンク１においては、給水配管１１から分岐した給水分岐管１１ａ，１１ｂ，１１ｃが各ＲＯベッセル１Ａ，１Ｂ，１Ｃに接続され、被処理水が各ＲＯベッセル１Ａ〜１Ｃに並列的に供給される。また、各ベッセル１Ａ〜１ＣでＲＯ膜を透過した透過水は各々透過水分岐管１２ａ，１２ｂ，１２ｃから透過水配管１２に集められ、後段の第２バンク２の透過水と共に透過水排出管１７を経て系外へ排出される。他方、各ベッセル１Ａ〜１Ｃの濃縮水は各々濃縮水分岐管１３ａ，１３ｂ，１３ｃから濃縮水配管１３に集められ、次段の第２バンク２の給水として給水配管１４及び給水分岐管１４ａ，１４ｂを経てＲＯベッセル２Ａ，２Ｂに並列的に供給される。

第２バンク２のＲＯベッセル２Ａ，２Ｂにおいても、ＲＯ膜を透過した透過水が各々透過水分岐管１５ａ，１５ｂから透過水配管１５に集められ、透過水排出管１７を経て、第１バンク１のＲＯベッセル１Ａ〜１Ｃからの透過水と共に系外へ排出される。一方、濃縮水は、各々濃縮水分岐管１６ａ，１６ｂから濃縮水配管１６に集められ、一部は配管１８より系外へ排出され、残部は濃縮水戻し配管１９より第１バンク１への給水配管１１の第１のフィルタ３の出口側に戻される。この濃縮水戻し配管１９には濃縮水用保安フィルタ４が濃縮水用除濁フィルタとして設けられており、濃縮水は、濃縮水用保安フィルタ４で濁質、ＳＳやスケール成分が除去された後、第１バンク１の給水側に戻される。

このように、最後段のバンクである第１バンクの濃縮水の一部、例えば２０〜６０％程度を第１段目の第１バンク１の給水側に戻すことで、水回収率を更に高めることができる。また、その際、濃縮水を濃縮水用保安フィルタ４に通した後給水することで、濃縮水中に濃縮された濁質、ＳＳ、スケール成分による流路閉塞や偏流、およびそれに起因するフラックスの低下、モジュール差圧の上昇等を防止して装置の安定運転、膜面積の有効利用を図ることが可能となる。

上記実施の形態では、除濁フィルタ、即ち、第１の除濁フィルタ、濃縮水用除濁フィルタとして保安フィルタを用いているが、これに限られず、精密濾過膜や限外濾過膜、各種濾過器などのいずれも用いることができる。除濁フィルタとして保安フィルタを用いる場合には、プリーツ、ワインド（デプス）、オートストレーナなど公知のものをいずれも用いることができる。除濁フィルタとして、精密濾過膜や限外濾過膜を用いる場合には、中空糸型、チューブラー型など公知のものをいずれも用いることができる。材質については、着圧に耐えうるものであればよく、特に制限はない。図２で用いる第２の除濁フィルタについても同様である。なお、逆浸透膜の上流側に前処理膜を設置する場合には、第１バンク前に設置する除濁フィルタとして保安フィルタを用いることが好ましい。

第１の除濁フィルタである第１の保安フィルタ３は、前段の処理での処理不良により流入してきた濁質を除去することを目的としている。そのため、第１の除濁フィルタとしては、孔径１〜５０μｍ程度、特に５〜２０μｍ程度の保安フィルタを用いることが好適である。また、濃縮水戻し配管１９に設けた濃縮水用除濁フィルタである濃縮水用保安フィルタ４、及び図２に示す第２の除濁フィルタである保安フィルタ５は、濃縮により析出してきたスケールを除去することを目的としている。そのため、孔径１〜５０μｍ程度、特に１０〜５０μｍ程度の保安フィルタを用いることが好適である。ただし、各箇所に設置するフィルタは同一のものを用いてもよい。除濁フィルタのいずれについても、逆洗機能を有してなくてもよいが、逆洗機能を有するものが好ましい。

図２に示すＲＯ装置は、第２バンク２の給水配管１４にも保安フィルタ（第２の除濁フィルタ）５を設けた点が図１に示すＲＯ装置と異なり、その他は同様の構成とされ、同様にＲＯ膜分離処理が行われる。図２において、図１に示す部材と同一機能を奏する部材には同一符号を付してある。

本発明のＲＯ装置は、濃縮水戻し配管に除濁フィルタを設けたことを特徴とするが、図１に示すように、第１バンクの給水配管にも除濁フィルタ、即ち第１の除濁フィルタを設けることが、安定運転を継続する上で好ましく、特に、図２に示すように、各バンク毎の給水配管に除濁フィルタを設けることが好ましい。

なお、第１バンクの給水配管に第１の除濁フィルタを設けた場合、この第１の除濁フィルタの前段に最後段のバンクの濃縮水を戻すことで、濃縮水と被処理水との合流水を第１の除濁フィルタで濾過することができるため、濃縮水用除濁フィルタは不要となると考えられるが、この場合には、通常、凝集処理等で前処理され、比較的水質が良好なものとされた被処理水に対して、濁質やスケール成分が高度に濃縮された濃縮水が流入されることとなり、第１の除濁フィルタの負荷が大きくなる。このため、ＲＯ装置の運転を停止して第１の除濁フィルタの保守管理を頻繁に行う必要が生じ、ＲＯ装置全体の運転に影響を及ぼすこととなり、好ましくない。

これに対して、本発明のように、濃縮水用除濁フィルタを濃縮水戻し配管に設け、除濁フィルタを通した濃縮水を第１の除濁フィルタの下流側に戻すことにより、第１の除濁フィルタは、濃縮水の影響を受けず保守管理を頻繁に行う必要はなくなる。一方で、濃縮水戻し配管に設けた除濁フィルタは、高濃縮された濃縮水により汚染され易いが、濃縮水の返送のみを停止し、ＲＯ装置本体の運転は継続したまま濃縮水用除濁フィルタの保守管理を行えばよく、ＲＯ装置の運転自体に影響を及ぼすことはない。

本発明は、有機物質、濁質、イオン類などの無機物質を含有した排水を膜分離処理して水回収するＲＯ装置に有効であり、特に濁質と無機物質が混在する高塩類濃度水を処理するＲＯ装置として極めて好適である。例えば、本発明のＲＯ装置で処理する被処理水としては、有機物質をＴＯＣとして１ｍｇ／Ｌ以上例えば１〜１００ｍｇ／Ｌ、濁質を濁度としては５ＮＴＵ以上例えば１０〜３０ＮＴＵ、電気伝導率１００ｍＳ／ｍ以上例えば３００〜８００ｍＳ／ｍのいずれか１以上の水質項目を満たす水を、単位膜面積（ｍ^２）当り０．１〜１０ｍ^３程度の透水量で、かつ水回収率で５０％以上例えば６０〜７５％で処理するＲＯ装置として好適である。

図１，２においては、第１バンクに３個のＲＯベッセルが並列配置され、第２バンクに２個のＲＯベッセルが設けられたクリスマスツリー型ＲＯ装置を示したが、本発明が適用されるＲＯ装置は何ら図１，２の構成のものに限定されない。バンク数やベッセル数には特に制限はないが、バンクの段数は通常２段又は３段である。ただし、４段以上の多段構成であっても良いことは言うまでもない。また、各段のバンクのＲＯベッセル数は、処理水量とＲＯベッセルの処理能力に応じて適宜設定されるが、一般的には上流側ほど多く、下流側ほど少なくなる。通常、２段の場合は第１バンクのベッセル数：第２バンクのベッセル数＝２：１或いは３：２の割合でベッセル数が設定され、３段の場合は、第１バンクのベッセル数：第２バンクのベッセル数：第３バンクのベッセル数＝４：２：１或いは６：４：１の割合でベッセル数が設定されることが多い。最後段のベッセル数は１個である場合もある。

いずれの場合も、前述の如く、各ＲＯベッセルには、ＲＯエレメントが内蔵されており、１ベッセルにＲＯエレメントが１本又は複数本内蔵されている。

また、各バンク（ベッセル群）には、給水配管と、透過水配管と、濃縮水配管とが設けられている。そして、各バンクにおいて、給水配管から分岐した給水分岐管が各ＲＯベッセルに接続され、被処理水が各ベッセルに並列的に供給される。また、各ベッセルで膜を透過した透過水は透過水配管に集められ、排出される。他方、各ベッセルの濃縮水は濃縮水配管に集められ、次段のバンクの給水として、次段の給水配管に送られる。次段においても同様に水が流れ、ＲＯ処理される。

なお、図示は省略するが、ＲＯ装置は、各ベッセルの逆洗排水を排出するための分岐配管を有することが好ましい。オリフィスの有無は問わない。

本発明のＲＯ装置に設けられるＲＯ膜としては、通常のＲＯ膜、ルーズＲＯ膜、ＮＦ膜等、脱塩可能な分離膜であれば良く、特に制限はない。

ＲＯ膜の形状としてはスパイラル型、中空糸型等各種のものが挙げられ、また、その材質としても特に制限はなく、ポリアミド、酢酸セルロース、ポリビニルアルコール等が挙げられる。

ＲＯ装置から系外へ排出される濃縮水は放流又は後段の排水処理装置に送給される。透過水は更に後段の処理装置に送給されるか、用水として再利用される。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

以下の実施例及び比較例において、ＲＯ膜としては、日東電工製ＲＯ膜ＥＳ−２０−Ｄ８（新膜の純水透過流束は操作圧力０．７５ＭＰａで１．０ｍ／ｄａｙ、モジュール差圧は１ベッセル６エレメント、濃縮水量３．６ｍ^３／ｈで０．１２ＭＰａ／ベッセル）を用いた。ＲＯ装置は、２バンク構成で、第１バンクは１６ベッセル、第２バンクは９ベッセルとし、染色工場排水の生物処理水を原水として純水を製造する工程におけるＲＯ装置として用い、給水圧：０．７５ＭＰａ一定、第２バンクの濃縮水の５０％を第１バンクの給水側に返送、の条件で実験を行った。原水の水質は表１に示す通りである。

また、除濁フィルタとしては、保安フィルタであるＦＩＬＴＲＡ ＦＩＮＥ社製「ＰＣＢ１０−４０Ｐ−８Ｅ」（孔径１０μｍ）を用いた。

［実施例１］
図１に示す通り、第１バンク１への給水配管１１と濃縮水戻し配管１９にそれぞれ保安フィルタ３，４を設けて処理を行った。
戻し濃縮水合流後の第１バンクの給水の水質は表１に示す通りであった。
このときの処理水量（ＲＯ装置全体の透過水量）及びモジュール差圧（第１バンク給水と第１バンク濃縮水の差圧）の経時変化をそれぞれ図４，５に示す。

表１中、ＳＤＩはＲＯ膜給水の清澄度を示す指標であり、細孔径０．４５μｍ、直径４７ｍｍの精密濾過膜を用いて測定される数値である。
ＳＤＩは、２１０ｋＰａの操作圧で、まず最初の５００ｍＬが透過する時間ｔ_１（秒）を測定し、次に加圧を開始してから１５分後よりさらに５００ｍＬが透過される時間ｔ_２（秒）を測定し、次式で計算される値である。
ＳＤＩ＝［（１−ｔ_１／ｔ_２）×１００］／１５
ＳＤＩは、自動ＳＤＩ測定装置（全自動フィルタ濾過時間測定器）を用いて測定した。

［実施例２］
図２に示す通り、第１バンク１への給水配管１１および第２バンク２への給水配管１４と濃縮水戻し配管１９としてそれぞれ保安フィルタ３，４，５を設けて処理を行った。
戻し濃縮水合流後の第１バンクの給水の水質は表１に示す通りであった。
このときの処理水量及びモジュール差圧の経時変化をそれぞれ図４，５に示す。

［比較例１］
実施例１において、濃縮水戻し配管１９に保安フィルタを設けなかったこと以外は同様にして処理を行った。
戻し濃縮水合流後の第１バンクの給水の水質は表１に示す通りであった。
このときの処理水量及びモジュール差圧の経時変化をそれぞれ図４，５に示す。

実施例１，２および比較例１の結果から、濃縮水戻し配管に保安フィルタを設けることにより、処理水量の低下を防止すると共に、モジュール差圧の上昇を抑制して、高い水回収率で安定した処理を継続できることが分かる。
特に、実施例２のように各バンクの前段に保安フィルタを設けることにより、処理水量の低下、モジュール差圧の上昇はより効果的に防止される。

１ 第１バンク（第１ＲＯベッセル群）
２ 第２バンク（第２ＲＯベッセル群）
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，２Ａ，２Ｂ ＲＯベッセル
３ 第１の保安フィルタ
４ 濃縮水用保安フィルタ
５ 第２の保安フィルタ

Claims (4)

1. 排水の生物処理水を膜分離処理する逆浸透膜装置であって、逆浸透膜エレメントを収納した逆浸透膜ベッセルで構成されるバンクを複数段有し、後段のバンクに、前段のバンクの濃縮水が給水として導入される逆浸透膜装置において、
   最後段のバンクの濃縮水を、１段目のバンクの前段へ戻す濃縮水戻し配管を備え、
   該濃縮水戻し配管に、精密濾過膜、限外濾過膜、濾過器又は保安フィルタである除濁フィルタが設けられており、
   各々のバンクの給水配管にそれぞれ、精密濾過膜、限外濾過膜、濾過器又は保安フィルタである除濁フィルタが設けられており、
   前記濃縮水戻し配管は、前記１段目のバンクの給水配管に設けられた第１の前記除濁フィルタと該１段目のバンクとの間の給水配管に接続されていることを特徴とする逆浸透膜装置。
2. 請求項１において、前記除濁フィルタが保安フィルタであることを特徴とする逆浸透膜装置。
3. 排水の生物処理水を膜分離処理する逆浸透膜装置であって、逆浸透膜エレメントを収納した逆浸透膜ベッセルで構成されるバンクを複数段有し、前段のバンクの濃縮水を後段のバンクの給水とする逆浸透膜装置の運転方法において、
   各々のバンクの給水配管にそれぞれ、精密濾過膜、限外濾過膜、濾過器又は保安フィルタである除濁フィルタを設け、
   最後段のバンクの濃縮水を、精密濾過膜、限外濾過膜、濾過器又は保安フィルタである除濁フィルタを介して、１段目のバンクの給水配管に設けた第１の前記除濁フィルタと、該１段目のバンクとの間の給水配管に戻すことを特徴とする逆浸透膜装置の運転方法。
4. 請求項３において、前記除濁フィルタが保安フィルタであることを特徴とする逆浸透膜装置の運転方法。

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