WO2014054815A1 - 多硫化物製造用電解槽による連続電解方法及びそれを実施する電解装置 - Google Patents

多硫化物製造用電解槽による連続電解方法及びそれを実施する電解装置 Download PDF

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一博 黒須
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    • C02F2201/4611Fluid flow

Definitions

  • the present invention relates to a continuous electrolysis method using an electrolyzer for producing polysulfides and an electrolyzer for carrying out the method, and more specifically, a white liquor electrolyzer for producing polysulfide, that is, a white liquor electrolyzer and its peripheral equipment without maintenance. It relates to a method of operating continuously.
  • Patent Document 1 Patent Document 2
  • sulfur polysulfide is also referred to as polysulfide sulfide (PS-S), and refers to, for example, sulfur having a valence of 0 in sodium polysulfide Na 2 S X , that is, sulfur corresponding to (x ⁇ 1) atoms.
  • PS-S polysulfide sulfide
  • the present specification is a general term for sulfur corresponding to sulfur having an oxidation number of ⁇ 2 in polysulfide ions (sulfur for one atom per Sx 2 ⁇ or Na 2 S X ) and sulfide ions (S 2 ⁇ ). In the book, it is expressed as Na 2 S state sulfur.
  • the unit of capacity is represented by l.
  • Patent Document 3 discloses an electrolytic production method for polysulfide cooking liquor.
  • a polysulfide production method is characterized in that a solution containing ions is introduced and polysulfide ions are obtained by electrolytic oxidation.
  • Patent Document 4 describes that a diaphragm of a diaphragm electrolytic water conditioning apparatus is made of a material that can be energized as a positive electrode (+ electrode), and at least one of the electrolytic water conditioning electrodes is used.
  • a method is described in which an electrode is used as an electrode, and an electrolytic cleaning voltage is applied to the diaphragm between the negative electrode and the positive electrode to elute impurities such as calcium adhering to the diaphragm into water, thereby cleaning the diaphragm.
  • Patent Document 5 discloses an anode chamber in which a porous anode is disposed, a cathode chamber, a diaphragm that partitions the anode chamber and the cathode chamber, a solution containing sulfide ions is introduced into the anode chamber, and caustic soda is introduced into the cathode chamber.
  • the anode chamber is made of an aqueous solution containing at least one of an inorganic acid, a chelating agent, and a scale cleaning agent.
  • An electrolytic cell performance recovery method characterized by cleaning is disclosed.
  • the present invention relates to an electrolytic system that electrolyzes white liquor used in the cooking step in the kraft pulp method, which is one of pulp production methods, to oxidize sodium sulfide in the white liquor and to electrolyze polysulfide.
  • An electrolysis method for preventing the electrolytic cell voltage from increasing with time without stopping electrolysis (2) an electrolytic method for reducing the maintenance frequency and preventing the electrolytic cell voltage from increasing with time, and (3) those of (1) to (2)
  • An object of the present invention is to provide an electrolysis apparatus for carrying out an electrolysis method.
  • Maintenance refers to a polysulfide production electrolysis system (white liquor electrolysis tank), a polysulfide production electrolysis system including peripheral devices and piping systems, and the entire system when operating this system. This means that maintenance work and repair work are performed so that the performance can be maintained. Taking FIG. 2 as an example, the electrolytic cell, peripheral equipment and piping shown in FIG. 2 have the expected performance against deterioration over time, aging and accumulation of deposits. This refers to maintenance work and repair work that can be performed.
  • the electrolysis system for polysulfide production including the polysulfide production electrolytic cell, peripheral equipment and piping system
  • acid cleaning as an example, (1) the inside of the electrolytic cell, peripheral equipment and piping system Acid cleaning, (2) Preparation of cleaning liquid as preparation for acid cleaning, (3) Stopping system, cleaning liquid preparation and liquid replacement, acid cleaning liquid drainage after acid cleaning, electrolyzer and piping system
  • the present invention relates to a polysulfide production system in which a white liquor used for cooking in the kraft pulp method is subjected to an electrolysis treatment to produce polysulfide in the white liquor.
  • the kraft pulp method is widely used as a method for manufacturing pulp, which is a raw material of paper, from wood chips.
  • a strong alkaline solution called white liquor containing sodium hydroxide, sodium sulfide and calcium carbonate is brought into contact with wood chips at a high temperature in a digester and the lignin component is dissolved in the white liquor from the wood chips.
  • the process of separating and washing to obtain cellulose and hemicellulose, which are the main components of pulp, is the main process. This process is called a cooking process.
  • an air oxidation method, an electrolysis method and the like are known.
  • the electrolytic method stably produces high-concentration polysulfide, has high current efficiency for polysulfide production, has little generation of unnecessary by-products in kraft pulp method such as thiosulfuric acid,
  • Advantageous to other polysulfide production methods such as high purity of by-products useful for kraft pulp and paper manufacturing plants such as sodium and hydrogen, and long life of components used in electrolytic cells .
  • Wood chips are natural products. In addition to cellulose and hemicellulose, which are raw materials for paper, or lignin that is dissolved in the cooking process, metal salts such as calcium salts, and anion components such as sulfates and phosphates, etc. It contains abundant mineral components, and not only lignin but also a large amount of these mineral components are eluted in the cooking process.
  • the inside of the digester is generally operated under high temperature and high pressure conditions of 120 to 170 ° C. and 1 MPa.
  • the white liquor supplied to the digester not only absorbs lignin dissolved under high-temperature and high-pressure conditions inside the digester, but also dissolves a large amount of mineral components contained in the wood chips.
  • the white liquor in which lignin is dissolved is called black liquor after separating the pulp, and is sent to the recovery process to be recovered as white liquor raw material and reused as white liquor. At this time, the mineral component brought into the black liquor is again contained in the white liquor in the same manner as the white liquor raw material.
  • Mineral components such as calcium salts and phosphates dissolved in the white liquor are concentrated solutions almost saturated in the white liquor.
  • Polysulfide production systems such as white liquor production systems and electrolyzers vary depending on changes in temperature and pressure in the system. It easily attaches as a scale to any part of the wetted part inside.
  • the scale is mainly composed of sparingly soluble salts such as calcium phosphate, calcium carbonate, and calcium sulfate.
  • sparingly soluble salts such as calcium phosphate, calcium carbonate, and calcium sulfate.
  • the scale adheres to every part of the wetted part.
  • the scale adheres to the supply or drainage system such as piping inside the electrolytic cell, it will cause a decrease in the flow rate of the treated water. Furthermore, when a plurality of electrolytic cells are arranged in parallel, the flow rate of each electrolytic cell is not constant, and the electrolysis conditions cannot be uniformly managed, so that the current efficiency of polysulfide generation is reduced as an electrolytic device. .
  • the area where the scale adheres cannot contact the white liquor that is the electrolytic solution and does not have the ability to permeate ions.
  • the voltage drop at the diaphragm also increases, causing a rise in cell voltage.
  • the power intensity for polysulfide production also increases, the power consumption of the electrolyzer also increases, and the pulp production cost increases.
  • both a porous membrane and an ion exchange membrane can be used, but the phenomenon that occurs when the scale adheres is the same as described above.
  • the increase in cell voltage due to such a phenomenon can be attributed to an increase in electrode potential due to a decrease in the actual electrolysis area in the case of the anode, and an increase in resistance due to a decrease in the actual electrolysis area in the case of the diaphragm. Since both have the characteristic that the voltage increases as the current density increases, the effect of scale adhesion on the cell voltage increases with each increase in current density, and when increasing the current density to increase production of polysulfide Especially affects.
  • the present invention (1) uses a two-chamber electrolytic cell having a diaphragm partitioning an anode chamber and a cathode chamber, supplying white liquor containing sulfide ions to the anode chamber and used in a pulp manufacturing process,
  • the anode chamber contains at least one of a scale cleaner and a scale inhibitor in an operating state of a two-chamber electrolytic cell that supplies a direct current and generates polysulfide in the anode chamber by electrolysis. It is an electrolysis method for preventing an increase in electrolytic cell voltage with time without stopping electrolysis, characterized by supplying a white liquor containing sulfide ions to be used.
  • the present invention (2) uses a two-chamber electrolytic cell having a diaphragm that partitions the anode chamber and the cathode chamber, supplies white liquor containing sulfide ions used in the pulp manufacturing process to the anode chamber, Is an electrolysis method of a two-chamber electrolytic cell that supplies a direct current and generates polysulfide in the anode chamber by electrolysis. After the electrolysis is stopped, the anode chamber and the anolyte supply line are washed with an inorganic acid aqueous solution or a scale cleaner.
  • Maintenance frequency characterized in that electrolysis is performed and then white liquor containing sulfide ions used in the pulp manufacturing process is supplied to the anode chamber during electrolysis, including at least one of a scale cleaner and a scale inhibitor.
  • This is an electrolysis method in which the electrolytic cell voltage is prevented from increasing with time.
  • the present invention (3) is characterized in that, in the electrolysis method of the present invention (1) to (2) for preventing the electrolytic cell voltage from increasing with time, the scale cleaning agent contained in the white liquor contains a chelating agent.
  • This is an electrolysis method that prevents the electrolytic cell voltage from increasing with time without stopping electrolysis.
  • the present invention (4) is characterized in that, in the electrolysis method of the present invention (1) to (2) for preventing the electrolytic cell voltage from increasing with time, the scale inhibitor contained in the white liquor contains a maleic acid polymer.
  • the electrolytic method prevents the electrolytic cell voltage from increasing with time without stopping the electrolysis.
  • the present invention (5) uses a two-chamber electrolytic cell having a diaphragm partitioning the anode chamber and the cathode chamber, supplying white liquor containing sulfide ions to the anode chamber and used in the pulp manufacturing process, and supplying the electrolytic cell to the electrolytic cell.
  • the anode chamber contains at least one of a scale cleaner and a scale inhibitor in an operating state of a two-chamber electrolytic cell that supplies a direct current and generates polysulfide in the anode chamber by electrolysis.
  • An electrolysis apparatus for carrying out an electrolysis method for preventing an increase in electrolytic cell voltage with time without stopping electrolysis, wherein white liquor containing sulfide ions to be used is supplied.
  • the present invention (5) corresponds to an electrolysis apparatus for carrying out the electrolysis method for preventing the electrolytic cell voltage from increasing with time without stopping the electrolysis of the present invention (1).
  • the present invention (6) uses a two-chamber electrolytic cell having a diaphragm partitioning the anode chamber and the cathode chamber, and supplies the anode chamber with white liquor containing sulfide ions used in the pulp manufacturing process.
  • Maintenance is performed by performing electrolysis, and then supplying white liquor containing sulfide ions used in a pulp manufacturing process, including at least one of a scale cleaner and a scale inhibitor, to the anode chamber during electrolysis
  • It is an electrolysis apparatus for carrying out the electrolysis method which reduces the frequency and prevents the electrolytic cell voltage from increasing with time.
  • the present invention (6) corresponds to an electrolysis apparatus for carrying out the electrolysis method for reducing the maintenance frequency of the present invention (2) and preventing the electrolytic cell voltage from increasing with time.
  • the present invention (7) is included in the white liquor during electrolysis in an electrolysis apparatus for carrying out the electrolysis method for reducing the maintenance frequency of the present invention (5) to (6) and preventing the electrolytic cell voltage from increasing with time.
  • An electrolysis apparatus for carrying out an electrolysis method for reducing the frequency of maintenance and preventing the electrolytic cell voltage from increasing with time characterized in that the scale cleaning agent contains a chelating agent.
  • the present invention (8) is included in the white liquor during electrolysis in an electrolysis apparatus for carrying out the electrolysis method for reducing the maintenance frequency of the present invention (5) to (6) and preventing the electrolytic cell voltage from increasing with time.
  • the electrolytic cell in order to reduce the frequency of acid cleaning without stopping the electrolytic cell in operation, scale generation is prevented by adding a scale inhibitor, and scale is added by adding a scale cleaner.
  • the electrolytic cell By performing the cleaning effectively, the electrolytic cell can be operated stably for a long period of time.
  • FIG. 1 is a diagram showing a recovery flow of cooking chemicals in the KP method.
  • the black liquor discharged from the cooking process includes lignin, minerals from wood chips, white liquor after reaction, and the like.
  • the dissolved component in the black liquor has a concentration of more than 10% at the time of discharging from the cooking process.
  • the heat generated by the combustion is supplied to various processes in the pulp mill in the form of steam or the like, and the combustion ash is dissolved in a weak liquid generated by causticization to become a green liquor.
  • the green liquor contains sodium sulfide and sodium carbonate as main components and white liquor raw materials, but the minerals contained in the black liquor are also brought into the green liquor.
  • the green liquor is mixed with quick lime by causticization, so that sodium carbonate in the green liquor reacts with calcium hydroxide generated from quick lime and water to become sodium hydroxide and calcium carbonate, and further calcium carbonate is sludge.
  • This white liquor contains sodium sulfide, sodium hydroxide and calcium carbonate as the main components, but some of the minerals brought in from the green liquor are separated by sludge and some are still contained in the white liquor. Supplied to the digester. These mineral components and calcium carbonate are the cause of scale generation.
  • FIG. 2 is a diagram showing a white liquor electrolyzer to which the present invention is applied and the flow around it.
  • FIG. 3 is a figure which shows the white liquor electrolytic cell before this invention application, and its periphery flow.
  • FIG. 4 is a figure which shows the position and usage mode of a white liquor electrolytic cell.
  • White liquor tank that receives white liquor from the middle of the piping supplied from the causticization process to the cooking process, white liquor electrolyzer that electrolyzes white liquor to produce polysulfide, white liquor tank to white liquor electrolyzer anode chamber white Circulation line and circulation pump that supplies the liquid and circulates between the white liquor tank and the white liquor electrolytic cell, PS liquid feed pump that feeds white liquor containing polysulfide from the white liquor tank to the cooking process, white liquor electrolytic cell cathode Caustic tank that stores sodium hydroxide (caustic soda) generated electrolytically in the room, circulation line and circulation pump between white liquor electrolysis tank and caustic tank, and caustic soda that sends electrolyzed sodium hydroxide aqueous solution to various processes in pulp mills It consists of a liquid feed pump, an additive liquid tank for adding a scale inhibitor or scale inhibitor to the white liquor, and an injection pump.
  • the addition method and addition position of the scale inhibitor and the scale inhibitor shown in FIG. 2 are examples, and the method is
  • Examples of ⁇ scale cleaner> and ⁇ scale inhibitor> used in the present invention include the following scale cleaners and scale inhibitors.
  • the scale cleaning agent used in the present invention may be an aqueous solution capable of removing calcium scale, and preferably has a low corrosiveness in a white liquor wetted part such as an anode, an anode chamber, a pipe or a pump.
  • a white liquor wetted part such as an anode, an anode chamber, a pipe or a pump.
  • an aqueous hydrochloric acid solution can be used, but it is not preferable because the anode dissolves simultaneously with the scale cleaning effect as described above.
  • a preferable scale cleaning agent contains a chelating agent as a dissolving component, and as the chelating agent, ethylenediaminetetraacetate, hydroxyethylethylenediaminetriacetate, or the like can be used. Specific examples include Depocrin 505G (manufactured by Kurita Kogyo Co., Ltd.), but are not particularly limited. Since the white liquor is an alkaline aqueous solution, it is desirable that the white liquor can obtain a cleaning effect, and is not particularly limited as long as it is used for scale cleaning.
  • the scale inhibitor used in the present invention may be an aqueous solution having a calcium scale precipitation inhibiting effect, and preferably has a low corrosive property in the white liquor wetted part such as the anode, the anode chamber, the piping, and the pump.
  • aqueous solution that changes its quality when the anode is dissolved or the surface is coated with by-products, the surface area of the anode itself, or the effective electrolytic area of the anode surface decreases, and the cell voltage increases and by-products. Operational problems such as generation occur and the anode replacement frequency increases, which is not appropriate.
  • a preferable scale inhibitor includes a maleic acid polymer as a dissolved component, and specific examples thereof include Depocri 830 (manufactured by Kurita Kogyo Co., Ltd.), but are not particularly limited. Since the white liquor is an alkaline aqueous solution, it is desirable that the white liquor can obtain a scale preventing effect even in the alkali.
  • the amount of the scale cleaner and scale inhibitor added to the white liquor is preferably 1 to 100 mg / l, and more preferably 1 to 50 mg / l.
  • FIG. 5 This electrolytic cell is the electrolytic cell disclosed in Patent Document 5.
  • 1 is an electrolytic cell, and shows a longitudinal section thereof.
  • 2 is an anode
  • 3 is an anode chamber
  • 4 is a cathode
  • 5 is a cathode chamber
  • 6 is a diaphragm.
  • an anolyte supply pipe 7 having a valve V1 and an anolyte discharge pipe 8 having a valve V2 are arranged.
  • a catholyte supply pipe 9 having a valve V3 and a catholyte discharge pipe 10 having a valve V4 are arranged in the cathode chamber 5.
  • 11 is a cleaning liquid tank
  • 12 is a cleaning liquid pump
  • 13 is a cleaning liquid supply pipe
  • 14 is a cleaning liquid discharge pipe.
  • the electrolytic cell 1 has a rectangular cross section and is symmetrical about the anode 2.
  • Reference numeral 15 denotes a pipe for replenishing the used cleaning liquid in the cleaning liquid tank 11 and discharging the used cleaning liquid, and an on-off valve V7 is arranged.
  • Example 1 A scale inhibitor (Kurita Kogyo: Depoclin 830) was added to the white liquor electrolytic cell during continuous electrolysis from the location shown in FIG. 2 without stopping electrolysis so that the white liquor was 3.2 mg / l. Continued. The electrolytic current density was 5.7 kA / m 2 , the white liquor temperature was 90 ° C., and the sodium sulfide concentration in the white liquor was 30 to 35 g / l. When the scale inhibitor was added for 2 days a week, the average cell voltage increase rate for 30 days was 2.4 mV / day. Moreover, the difference in the polysulfide production
  • Example 2 A scale inhibitor (Kurita Kogyo: Depoclin 830) was added to the white liquor electrolytic cell during continuous electrolysis from the location shown in FIG. 2 without stopping electrolysis so that the white liquor was 3.2 mg / l. Continued. The electrolytic current density was 5.7 kA / m 2 , the white liquor temperature was 90 ° C., and the sodium sulfide concentration in the white liquor was 30 to 35 g / l. The addition frequency of the scale inhibitor was repeated for 2 days per week.
  • Kurita Kogyo: Depoclin 830 Depoclin 830
  • Example 3 The white liquor electrolysis tank during continuous electrolysis was stopped, and the anolyte in the white liquor tank was replaced with a 10% sodium hydroxide solution containing 20-50 g / l of a scale cleaner (Kurita Industrial Depoclin 505G). After circulating in the anolyte system for 24 hours, the white liquor was again injected into the white liquor tank, and electrolysis was started in the same manner as in Example 1. A scale inhibitor (Kurita Kogyo: Depocri 830) was also added in the same manner as in Example 1 so that the white solution was 3.2 mg / l from the resumption of electrolysis, and continuous electrolysis was continued.
  • a scale cleaner Kelta Industrial Depoclin 505G
  • the electrolytic current density was 5.7 kA / m 2
  • the white liquor temperature was 90 ° C.
  • the sodium sulfide concentration in the white liquor was 30 to 35 g / l.
  • the addition frequency of the scale inhibitor was repeated for 2 days per week.
  • the average cell voltage increase rate for 30 days at this time was 1.3 mV / day.
  • the elution rate of the anode accompanying the cleaning was 0.05% or less.

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Abstract

【課題】パルプ製造方法の一つであるクラフトパルプ法における蒸解工程に用いる白液を電気分解処理して白液中の硫化ソーダを酸化し、ポリサルファイドを電解生成させる電解系統において、系統内に経時的に付着するスケールの影響を防止し安定して連続稼働する電解方法及びそのための装置を提供する。 【解決手段】アノード室とカソード室を区画する隔膜を有する2室式電解槽を用い、アノード室に硫化物イオンを含みパルプ製造工程にて用いられる白液を供給し、電解槽には直流電流を供給し電気分解によりアノード室にポリサルファイドを生成する2室式電解槽の稼動状態において、アノード室にスケール洗浄剤、スケール防止剤のうちの少なくとも一つを含む、パルプ製造工程にて用いられる硫化物イオンを含む白液を供給することを特徴とする電解を停止することなく電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法及びそのための電解装置。

Description

多硫化物製造用電解槽による連続電解方法及びそれを実施する電解装置
 本発明は、多硫化物製造用電解槽による連続電解方法及びそれを実施する電解装置に関し、より詳しくは、ポリサルファイド生成を目的とした白液電解装置すなわち白液電解槽とその周辺機器をメンテナンスなく連続で稼働させる方法に関する。
 木材資源を有効利用するためには、すなわち木材資源の有効利用として、化学パルプの高収率化は重要な課題である。この化学パルプの主流をなすクラフトパルプの高収率化技術の一つとして多硫化物蒸解プロセスがある。多硫化物蒸解プロセスにおける蒸解薬液は、硫化ナトリウムを含むアルカリ性水溶液、いわゆる白液を、下記反応式(1)のように、活性炭等の触媒の存在下に空気等の分子状酸素により酸化することにより製造される(特許文献1、特許文献2)。
 この方法により硫化物イオンベースで転化率60%、選択率60%程度で多硫化硫黄濃度が5g/l程度の多硫化物蒸解液を得ることができる。しかし、この方法では転化率を上げた場合に、下記反応式(2)、(3)で示されるような副反応により蒸解には全く寄与しないチオ硫酸イオンが多く副生するため、高濃度の多硫化硫黄を含む蒸解液を高選択率で製造することは困難であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
 ここで多硫化硫黄とは、ポリサルファイドサルファ(PS−S)とも称し、例えば、多硫化ナトリウムNaにおける価数0の硫黄、すなわち原子(x−1)個分の硫黄をいう。また、多硫化物イオン中の酸化数−2の硫黄に相当する硫黄(Sx2−またはNaにつき1原子分の硫黄)及び硫化物イオン(S2−)を総称したものを本明細書中ではNaS態硫黄と表す。なお、本明細書では容量の単位リットルをlで表す。
 一方、特許文献3には多硫化物蒸解液の電解製造方法について開示されている。この方法は、少なくとも表面がニッケルまたはニッケルを50wt%(wt%=質量%。以下同じ)以上含有するニッケル合金からなる物理的に連続な三次元の網目構造を有し、かつアノード室の単位体積当りのアノードの表面積が500~20000m/mである多孔性アノードを配するアノード室、カソードを配するカソード室、アノード室とカソード室を区画する隔膜を有する電解槽のアノード室に硫化物イオンを含有する溶液を導入し、電解酸化により多硫化物イオンを得ることを特徴とする多硫化物の製造方法である。
 不純物が沈着した隔膜の洗浄方法として、特許文献4には、有隔膜電解整水装置の隔膜を、陽電極(+極)として通電可能な材質で構成するとともに、電解整水電極の少なくとも一方を−電極とし、この−極と前記+極の隔膜に電解洗浄電圧を印加することで、隔膜に付着したカルシウム等の不純物を水中に溶出し、隔膜の洗浄をする方法が記載されている。
 特許文献5には、多孔性アノードを配するアノード室と、カソード室と、アノード室とカソード室を区画する隔膜を有し、アノード室に硫化物イオンを含む溶液を導入し、カソード室に苛性ソーダを含む水溶液を導入して、電解酸化で多硫化硫黄を含む多硫化物を製造するための電解槽において、該アノード室を無機酸、キレート剤、スケール洗浄剤の少なくとも一つを含有する水溶液で洗浄することを特徴とする電解槽の性能回復方法が開示されている。
特開昭61−259754号公報 特開昭53−092981号公報 特開平11−343106号公報 特開平07−008954号公報 特開2009−242897号公報
 本発明は、パルプ製造方法の一つであるクラフトパルプ法における蒸解工程に用いる白液を電気分解処理して白液中の硫化ソーダを酸化し、ポリサルファイドを電解生成させる電解系統において、(1)電解を停止することなく電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法、(2)メンテナンス頻度を減らし電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法、及び(3)それら(1)~(2)の電解方法を実施するための電解装置を提供することを課題とするものである。
 本明細書で言う“メンテナンス”とは、多硫化物製造用電解槽(白液電解槽)、周辺機器及び配管系統を含む多硫化物製造用電解システムについて、これを稼動させるに際してシステム全体について、その性能を保つことができるように行う保守作業や修理作業を行うことを意味する。これを図2を例に言えば、図2に示されている電解槽、周辺機器及び配管について、その経時的劣化、老朽化や付着物の蓄積に対して、これらが期待されている性能を保つことができるように行う保守作業や修理作業を指している。
 多硫化物製造用電解槽、周辺機器及び配管系統を含む多硫化物製造用電解システムについて、酸洗浄を例に、より具体的に言えば、(1)電解槽や周辺機器や配管系統の内部の酸洗浄、(2)酸洗浄を行うための準備としての洗浄液調製、(3)システムの停止や洗浄液調製や液交換などの作業、酸洗浄後の酸洗浄液排水や電解槽及び配管系統の内部に残留した酸洗浄液のリンスや電解液の再供給や再稼動などの作業が含まれる。配管系統を構成するポンプや配管などの構成部品(周辺機器)の点検や交換も含まれる。
 本発明は、クラフトパルプ法において蒸解に用いる白液に対して、電気分解処理を施し白液中にポリサルファイドを生成させるポリサルファイド生成系に関する。
 紙製造において、紙の原料であるパルプを木材チップから製造する方法としてクラフトパルプ法が広く用いられている。クラフトパルプ法では、蒸解釜中にて水酸化ナトリウム、硫化ナトリウム、炭酸カルシウムを含む白液と呼ばれる強アルカリ溶液と木材チップとを高温で接触させ、木材チップからリグニン成分を白液に溶解させて分離洗浄し、パルプの主構成成分であるセルロース及びヘミセルロースを得る工程を主工程としている。本工程を蒸解工程と称している。
 ところで、近年、クラフトパルプ法において、紙の原料となるセルロースやヘミセルロースの収率向上のために白液にポリサルファイドを添加する蒸解方法が知られるようになった。ポリサルファイドは白液中の硫化ナトリウムを酸化することで生成することができる物質である。ポリサルファイドを含む白液を用いてパルプ蒸解を行うことにより、セルロースやヘミセルロースの末端基が酸化されて溶解しづらくなる。これにより、これまでリグニンと一緒に溶解洗浄されてきたパルプ成分がパルプとして回収されるようになるため、パルプ収率が増加するとされている。
 白液からポリサルファイドを生成する方法としては、空気酸化法、電解法などが知られている。このうち電解法は、高濃度のポリサルファイドが安定して生成されること、ポリサルファイド生成の電流効率が高いこと、チオ硫酸等のクラフトパルプ法にて不要な副生成物の生成が少ないこと、水酸化ナトリウムや水素などクラフトパルプ法や紙製造プラントに有用な副生成物が高純度で得られること、電解槽に用いる部材の寿命が長いこと、などにより、他のポリサルファイド生成方法に対して有利である。
 木材チップは天然物であり、紙の原料となるセルロースやヘミセルロース、あるいは蒸解工程で溶解されるリグニン以外にも、カルシウム塩などの金属塩や、硫酸塩やリン酸塩などの陰イオン成分などのミネラル成分が豊富に含まれており、蒸解工程においてはリグニンだけでなくこれらミネラル成分が多量に溶出する。
 白液生成などクラフトパルプ法を行う工程に用いられる水が河川水や地下水の場合、これらの水には硬度成分と言われるカルシウム塩やマグネシウム塩が数十mg/l程度含まれており、これら硬度成分も白液中に含まれるミネラル成分となる。
 蒸解釜では木材チップからリグニンを溶出させるために、白液を木材チップに十分に浸透させて反応を進めること及び溶解した成分を蒸解釜の中で析出させないでセルロース及びヘミセルロースから分離することが必要であり、蒸解釜内部は一般的に120~170℃、~1MPaの高温高圧条件にて操業される。蒸解釜に供給される白液は蒸解釜内部の高温高圧条件下において溶解したリグニンを吸収するだけでなく、木材チップに含まれるミネラル成分も多量に溶解することとなる。
 リグニンを溶解した白液はパルプを分離した後、黒液と呼ばれ、回収工程に送られて白液の原料として回収され、白液として再利用される。この時、黒液に持ち込まれたミネラル成分は白液原料と同様に白液に再度含まれる。
 白液に溶解したカルシウム塩やリン酸塩などのミネラル成分は、白液中にほぼ飽和した濃厚溶液であり、系統内の温度や圧力の変化によって白液製造系や電解槽などのポリサルファイド生成系の内部の接液部分のあらゆる箇所にスケールとして容易に付着する。主としてスケールはリン酸カルシウムや炭酸カルシウム、硫酸カルシウムといった難溶性の塩で構成され、配管系統に付着した場合は配管断面積を減少させるため、処理水の流量低下を引き起こし、また、それら難溶性の塩は熱伝導率が低いことから熱交換効率低下を引き起こす。
 白液の電解処理によりポリサルファイドを製造する電解槽においてもスケールは接液部分のあらゆる箇所に付着する。
 また、スケールが電解槽内部の配管などの給液や排液の系統に付着した場合は、処理水の流量低下を引き起こす。更には、複数の電解槽が並列に配置されている場合は、電解槽毎の流量が一定にならず電解条件が均一に管理できなくなるため、電解装置としてはポリサルファイド生成の電流効率の低下を引き起こす。
 スケールが電解槽内部の陽極表面に付着した場合、ほとんどのスケールは非導電性で、電解を行う触媒作用を有しないため、陽極のスケール付着部分は電解反応に寄与しない。従ってスケール付着により実効電解面積が減少し、定電流電解の場合はそれにともなって陽極電位が上昇し、結果として槽電圧が上昇する。陽極電位の上昇は、副反応である酸素発生反応を増加させポリサルファイド生成反応を防止すること、発生した酸素とポリサルファイドとの化学反応により収率向上に寄与しないチオ硫酸を生成することから、電解槽でのポリサルファイド製造速度が低下する。また、槽電圧が上昇すると、ポリサルファイド製造のための電力原単位も増加することになり、電解装置の電力使用量も増加し、パルプ製造費用が増加することとなる。
 スケールが電解槽内部の隔膜表面に付着した場合は、スケールが付着した箇所は電解液である白液に接触できずイオン透過能力を持たなくなるため、通電時には隔膜に対する実電流密度が増加し、それにともなって隔膜での電圧降下も大きくなり、槽電圧上昇を引き起こす。槽電圧が上昇することはポリサルファイド製造のための電力原単位も増加することになり、電解装置の電力使用量も増加し、パルプ製造費用が増加することとなる。
 隔膜としては多孔質な膜及びイオン交換膜のいずれも使用できるが、スケールが付着した際に発生する現象は上記と同様である。
 そこで、白液を電解するプラントにおいては、接液部分のスケール付着を防止する必要がある。従来、定期的な解体清掃や酸による洗浄によって付着したスケールを溶解洗浄することが行われている。しかし、このような方法では、白液電解系統やパルプ製造プラントの操業を長期間停止させて実施することになり、パルプ製造の生産効率を低下させる。さらに、酸洗浄はスケールだけでなく陽極などの電解槽構成部品を溶解により劣化させ、部品交換頻度を増加させるため、頻繁に行うことは好ましくない。
 このため、操業中の電解槽を停止させることなく、また酸洗浄頻度を少なくするために、スケール防止剤を添加することでスケール生成を防止し、スケール洗浄剤を添加することでスケール洗浄を効果的に実施することにより、長期間安定に電解槽を稼働させる技術が要請される。
 そのような現象による槽電圧上昇は、陽極の場合は実電解面積減少による電極電位上昇、隔膜の場合は実電解面積減少による抵抗増大がそれぞれ原因といえる。両者とも電流密度増加に従って電圧が上昇する特徴を有しているため、電流密度を増加させるごとにスケール付着の槽電圧に与える影響は大きくなり、電流密度を大きくしてポリサルファイドを増産する際には特に影響を与える。
 本発明(1)は、アノード室とカソード室を区画する隔膜を有する2室式電解槽を用い、アノード室に硫化物イオンを含みパルプ製造工程にて用いられる白液を供給し、電解槽には直流電流を供給し電気分解によりアノード室にポリサルファイドを生成する2室式電解槽の稼動状態において、アノード室にスケール洗浄剤、スケール防止剤のうちの少なくとも一つを含む、パルプ製造工程にて用いられる硫化物イオンを含む白液を供給することを特徴とする電解を停止することなく電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法である。
 本発明(2)は、アノード室とカソード室を区画する隔膜を有する2室式電解槽を用い、アノード室にパルプ製造工程にて用いられる硫化物イオンを含む白液を供給し、電解槽には直流電流を供給し電気分解によりアノード室にポリサルファイドを生成する2室式電解槽の電解方法であって、電解停止時に陽極室及び陽極液供給ラインを無機酸水溶液またはスケール洗浄剤で洗浄した後電解を行い、その後電解中にはアノード室にスケール洗浄剤、スケール防止剤の少なくとも一つを含む、パルプ製造工程にて用いられる硫化物イオンを含む白液を供給することを特徴とするメンテナンス頻度を減らし電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法である。
 本発明(3)は、本発明(1)~(2)の電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法において、前記白液に含まれるスケール洗浄剤がキレート剤を含むものであることを特徴とする電解を停止することなく電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法である。
 本発明(4)は、本発明(1)~(2)の電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法において、前記白液に含まれるスケール防止剤がマレイン酸系ポリマーを含むものであることを特徴とする電解を停止することなく電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法である。
 本発明(5)は、アノード室とカソード室を区画する隔膜を有する2室式電解槽を用い、アノード室に硫化物イオンを含みパルプ製造工程にて用いられる白液を供給し、電解槽には直流電流を供給し電気分解によりアノード室にポリサルファイドを生成する2室式電解槽の稼動状態において、アノード室にスケール洗浄剤、スケール防止剤のうちの少なくとも一つを含む、パルプ製造工程にて用いられる硫化物イオンを含む白液を供給するようにしてなることを特徴とする、電解を停止することなく電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法を実施するための電解装置である。
 本発明(5)は、本発明(1)の電解を停止することなく電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法を実施するための電解装置に相当している。
 本発明(6)は、アノード室とカソード室を区画する隔膜を有する2室式電解槽を用い、アノード室にパルプ製造工程にて用いられる硫化物イオンを含む白液を供給し、電解槽には直流電流を供給し電気分解によりアノード室にポリサルファイドを生成する2室式電解槽の電解方法であって、電解停止時に陽極室及び陽極液供給ラインを無機酸水溶液またはスケール洗浄剤で洗浄した後電解を行い、その後電解中にはアノード室にスケール洗浄剤、スケール防止剤の少なくとも一つを含む、パルプ製造工程にて用いられる硫化物イオンを含む白液を供給することを特徴とする、メンテナンス頻度を減らし電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法を実施するための電解装置である。
 本発明(6)は、本発明(2)のメンテナンス頻度を減らし電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法を実施するための電解装置に相当している。
 本発明(7)は、本発明(5)~(6)のメンテナンス頻度を減らし電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法を実施するための電解装置において、前記電解中の白液に含まれるスケール洗浄剤がキレート剤を含むものであることを特徴とするメンテナンス頻度を減らし電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法を実施するための電解装置である。
 本発明(8)は、本発明(5)~(6)のメンテナンス頻度を減らし電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法を実施するための電解装置において、前記電解中の白液に含まれるスケール防止剤がマレイン酸系ポリマーを含むものであることを特徴とする電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法を実施するための電解装置である。
 本発明によれば、操業中の電解槽を停止させることなく、また酸洗浄頻度を少なくするために、スケール防止剤を添加することでスケール生成を防止し、スケール洗浄剤を添加することでスケール洗浄を効果的に実施することにより、長期間安定に電解槽を稼働させることができる。
 以下、本発明を実施するための形態、態様につき順次説明する。図1は、KP法における蒸解薬液の回収フローを示す図である。
 図1の蒸解においては、蒸解釜に木材チップと白液が供給され、高温高圧下において白液が木材チップに浸透して反応し、木材チップからリグニンが溶解し、パルプが固形分として分離される。蒸解工程から排出される黒液にはリグニンや木材チップからのミネラル分、反応後の白液などが含まれる。
 黒液については、蒸解工程から排出時には当該黒液中の溶解成分は十数%の濃度であるが、黒液エバポレーターにより70%を超える濃度まで濃縮した後、回収ボイラーにて燃焼する。燃焼により発生した熱はパルプ工場の色々な工程へスチーム等の形態で供給され、燃焼灰は苛性化で発生する弱液にて溶解され緑液となる。緑液は主成分及び白液原料として硫化ソーダと炭酸ナトリウムを含むが、黒液が含有していたミネラル分も緑液に持ち込まれる。
 緑液は、苛性化にて生石灰と混合されることで、緑液中の炭酸ナトリウムは、生石灰と水から生成した水酸化カルシウムと反応して水酸化ナトリウムと炭酸カルシウムとなり、更に炭酸カルシウムはスラッジとして分離して白液が得られる。この白液は主成分として硫化ソーダ、水酸化ナトリウム、炭酸カルシウムを含んでいるが、緑液から持ち込まれたミネラル分は一部はスラッジにて分離され、一部は白液に含まれたまま蒸解釜へ供給される。これらミネラル成分及び炭酸カルシウムがスケール発生の原因である。
 図2は本発明を適用した白液電解槽及びその周辺のフローを示す図である。これに対して、図3は本発明適用前の白液電解槽及びその周辺のフローを示す図である。また、図4は白液電解槽の位置、使用態様を示す図である。
 苛性化工程から蒸解工程へ供給される配管途中から白液の供給を受ける白液タンク、白液を電解してポリサルファイドを生成する白液電解槽、白液タンクから白液電解槽陽極室へ白液を供給し、白液タンクと白液電解槽間で循環をおこなう循環ラインと循環ポンプ、白液タンクから蒸解工程へポリサルファイドを含む白液を送液するPS送液ポンプ、白液電解槽陰極室で電解生成した水酸化ナトリウム(苛性ソーダ)を貯める苛性タンク、白液電解槽と苛性タンク間の循環ラインと循環ポンプ、電解生成した水酸化ナトリウム水溶液をパルプ工場の色々な工程へ送液する苛性ソーダ送液ポンプ、白液にスケール防止剤やスケール防止剤を添加する添加液タンクと注入ポンプから構成されている。
 なお、図2に示したスケール防止剤やスケール防止剤の添加方法及び添加位置は一例であり、この図2に示した方法に限定されるものではない。
 本発明において使用する〈スケール洗浄剤〉、〈スケール防止剤〉としては下記スケール洗浄剤、スケール防止剤を挙げることができる。
〈スケール洗浄剤〉
 本発明において使用するスケール洗浄剤としては、カルシウムスケールを除去できる水溶液であればよく、アノードやアノード室および配管やポンプ等の白液接液部分の腐食性が低いものが望ましい。アノードが溶解や表面を副生成物に被覆されることで変質するような水溶液を用いた場合は、アノードの表面積そのもの、またはアノード表面の電解有効面積が減少し、槽電圧の上昇や副生成物発生といった操業上の問題が発生し、アノード交換頻度が増加するため適当でない。スケール洗浄剤としては、塩酸水溶液も使用出来るが前述したようにスケール洗浄効果と同時にアノードが溶解してしまうため好ましくない。スケール洗浄剤として好ましいものはキレート剤を溶解成分として含むものであり、キレート剤としてはエチレンジアミン四酢酸塩やヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸塩などが使用出来る。具体的にはデポクリン505G〔栗田工業(株)製〕などがあるが特に限定されるものではない。白液はアルカリ水溶液であるため、アルカリにおいても洗浄効果が得られるものが望ましく、スケール洗浄に用いられるものであれば特に限定されない。
〈スケール防止剤〉
 本発明において使用するスケール防止剤としては、カルシウムスケール析出抑制効果を持つ水溶液であればよく、アノードやアノード室および配管やポンプ等の白液接液部分の腐食性が低いものが望ましい。アノードが溶解や表面を副生成物に被覆されることで変質するような水溶液を用いた場合は、アノードの表面積そのもの、またはアノード表面の電解有効面積が減少し、槽電圧が上昇や副生成物発生といった操業上の問題が発生し、アノード交換頻度が増加するため適当でない。スケール防止剤として好ましいものはマレイン酸ポリマーを溶解成分として含むものであり、具体的にはデポクリン830〔栗田工業(株)製〕などがあるが特に限定されるものではない。白液はアルカリ水溶液であるため、アルカリにおいてもスケール防止効果が得られるものが望ましい。
 スケール洗浄剤、スケール防止剤の白液への添加量としては、対白液1~100mg/lが好ましく、1~50mg/lがさらに好ましい。
〈電解槽〉
 実施例及び比較例で使用した電解槽、アノード室洗浄装置について、その概略を、配管等を含めて図5に示している。この電解槽は特許文献5に開示された電解槽である。図5中、1は電解槽で、その縦断面を示している。2はアノード、3はアノード室、4はカソード、5はカソード室、6は隔膜である。アノード室3には弁V1を備えるアノード液供給管7と弁V2を備えるアノード液排出管8が配置されている。カソード室5には弁V3を備えるカソード液供給管9と弁V4を備えるカソード液排出管10が配置されている。11は洗浄液タンク、12は洗浄液ポンプ、13は洗浄液供給管、14は洗浄液排出管である。電解槽1の横断面は矩形状で、アノード2を中心に左右対称になっている。
 それら管にはそれぞれ開閉弁V1~V6が配置され、これらの弁操作により電解酸化、停止、ポリサルファイド液の排出、除去、洗浄液の供給、循環、洗浄、排出除去、電解酸化の再開の各操作を行うようになっている。なお、15は洗浄液タンク11の洗浄液補充用兼使用済み洗浄液排出用の管であり、開閉弁V7が配置されている。
[実施例1]
 連続電解中である白液電解槽に電解を停止することなく図2に示す箇所からスケール防止剤(栗田工業:デポクリン830)を対白液3.2mg/lとなるように添加し、連続電解を継続した。電解電流密度は5.7kA/m、白液温度は90℃、白液中の硫化ソーダ濃度は30~35g/lとした。スケール防止剤の添加頻度としては1週間に2日間添加を繰り返したところ30日間の平均槽電圧上昇速度は2.4mV/dayとなった。また、ポリサルファイド生成電流効率はスケール防止剤添加有無で差は認められなかった。
[実施例2]
 連続電解中である白液電解槽に電解を停止することなく図2に示す箇所からスケール防止剤(栗田工業:デポクリン830)を対白液3.2mg/lとなるように添加し、連続電解を継続した。電解電流密度は5.7kA/m、白液温度は90℃、白液中の硫化ソーダ濃度は30~35g/lとした。スケール防止剤の添加頻度としては1週間に2日間添加を繰り返した。また連続電解途中で電解を止めることなくスケール洗浄剤(栗田工業:デポクリン505G)を白液タンク内で20g/lとなるように週1回添加したところ30日間の平均槽電圧上昇速度は1.8mV/dayとなった。また、ポリサルファイド生成電流効率はスケール防止剤添加有無で差は認められなかった。
[実施例3]
 連続電解中である白液電解槽を停止して、白液タンク中の陽極液をスケール洗浄剤(栗田工業デポクリン505G)を20~50g/l含ませた10%水酸化ナトリウム溶液に交換し、24時間陽極液系統内を循環させた後、再度白液タンクに白液を注入し、実施例1と同様に電解を開始した。スケール防止剤(栗田工業:デポクリン830)も実施例1と同様に電解再開時から対白液3.2mg/lとなるように添加し、連続電解を継続した。電解電流密度は5.7kA/m、白液温度は90℃、白液中の硫化ソーダ濃度は30~35g/lとした。スケール防止剤の添加頻度としては1週間に2日間添加を繰り返した。このときの30日間の平均槽電圧上昇速度は1.3mV/dayであった。また、洗浄に伴う陽極の溶出率は0.05%以下であった。
[比較例1]
 連続電解中である白液電解槽を停止して、白液タンク中の陽極液を0.7%塩酸、陰極液タンク中の陰極液を純水に交換し、45分間循環させた後、再度白液タンクに白液、陰極液タンクに10%水酸化ナトリウム溶液を注入し、実施例1と同様に電解を開始した。このときの30日間平均槽電圧上昇速度は9.3mV/dayであった。また、洗浄に伴う陽極の溶出率は1.5%であった。
KP法における蒸解薬液の回収フローを示す図である。 白液電解槽及びその周辺のフローを示す図である。 本発明適用前の白液電解槽及びその周辺のフローを示す図である。 白液電解槽の位置、使用態様を示す図である。 実施例及び比較例で使用した電解槽を示す図である。
 1 電解槽
 2 アノード
 3 アノード室
 4 カソード
 5 カソード室
 6 隔膜
 7 アノード液供給管
 8 アノード液排出管
 9 カソード液供給管
 10 カソード液排出管
 11 洗浄液タンク
 12 洗浄液ポンプ
 13 洗浄液供給管
 14 洗浄液排出管
 V1~V7 開閉弁

Claims (8)

  1.  アノード室とカソード室を区画する隔膜を有する2室式電解槽を用い、アノード室に硫化物イオンを含みパルプ製造工程にて用いられる白液を供給し、電解槽には直流電流を供給し電気分解によりアノード室にポリサルファイドを生成する2室式電解槽の稼動状態において、アノード室にスケール洗浄剤、スケール防止剤のうちの少なくとも一つを含む、パルプ製造工程にて用いられる硫化物イオンを含む白液を供給することを特徴とする電解を停止することなく電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法。
  2.  アノード室とカソード室を区画する隔膜を有する2室式電解槽を用い、アノード室にパルプ製造工程にて用いられる硫化物イオンを含む白液を供給し、電解槽には直流電流を供給し電気分解によりアノード室にポリサルファイドを生成する2室式電解槽の電解方法であって、電解停止時に陽極室及び陽極液供給ラインを無機酸水溶液またはスケール洗浄剤で洗浄した後電解を行い、その後電解中にはアノード室にスケール洗浄剤、スケール防止剤の少なくとも一つを含む、パルプ製造工程にて用いられる硫化物イオンを含む白液を供給することを特徴とするメンテナンス頻度を減らし電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法。
  3.  前記白液に含まれるスケール洗浄剤がキレート剤を含むものであることを特徴とする請求項1または2に記載の電解を停止することなく電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法。
  4.  前記白液に含まれるスケール防止剤がマレイン酸系ポリマーを含むものであることを特徴とする請求項1または2に記載の電解を停止することなく電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法。
  5.  アノード室とカソード室を区画する隔膜を有する2室式電解槽を用い、アノード室に硫化物イオンを含みパルプ製造工程にて用いられる白液を供給し、電解槽には直流電流を供給し電気分解によりアノード室にポリサルファイドを生成する2室式電解槽の稼動状態において、アノード室にスケール洗浄剤、スケール防止剤のうちの少なくとも一つを含む、パルプ製造工程にて用いられる白液を供給するようにしてなることを特徴とする、電解を停止することなく電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法を実施するための電解装置。
  6.  アノード室とカソード室を区画する隔膜を有する2室式電解槽を用い、アノード室にパルプ製造工程にて用いられる硫化物イオンを含む白液を供給し、電解槽には直流電流を供給し電気分解によりアノード室にポリサルファイドを生成する2室式電解槽の電解方法であって、電解停止時に陽極室及び陽極液供給ラインを無機酸水溶液またはスケール洗浄剤で洗浄した後電解を行い、その後電解中にはアノード室にスケール洗浄剤、スケール防止剤の少なくとも一つを含む、パルプ製造工程にて用いられる硫化物イオンを含む白液を供給することを特徴とする、メンテナンス頻度を減らし電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法を実施するための電解装置。
  7.  前記電解中の白液に含まれるスケール洗浄剤がキレート剤を含むものであることを特徴とする請求項5または6に記載のメンテナンス頻度を減らし電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法を実施するための電解装置。
  8.  前記電解中の白液に含まれるスケール防止剤がマレイン酸系ポリマーを含むものであることを特徴とする請求項5に記載のメンテナンス頻度を減らし電解槽電圧の経時上昇を防止する電解方法を実施するための電解装置。
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