DE1767759A1 - Process for the production of semi-permeable membranes - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf osmotische oder semipermeable Membranen und befaßt sieh vor allem mit rohrförmigen Membranen dieser Art, die sich insbesondere in Entsalzungsvorriohtungen und dergleichen verwenden lassen« sowie mit einem Verfahren zur Herstellung derartiger rohrförmiger Membranen.The invention relates to osmotic or semi-permeable membranes, and is particularly concerned with tubular ones Membranes of this type, which can be used in particular in desalination devices and the like « and with a method for producing such tubular membranes.
Osmotisohe oder semipermeable Membranen werden in einer Vielfalt von Anwendungsfällen, und zwar dort eingesetzt, wo eine Trennung zwisohen einen Lösungsmittel und eine» in diesem gelösten Stoff vorgenommen werden soll. Eine solohe Anwendungsmögliohkeit, die gegenwärtig von großem Interesse ist. ist die Entsalzung von Meerwasser Osmotic or semipermeable membranes are used in a variety of applications, specifically where a separation between a solvent and a solute in this is to be made. A solo application that is currently of great interest. is the desalination of sea water
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lte DipJ.-lng. Martin Licht, DipJ.-Wirtich.-lne. AmI Hanimann, Dlpl.-Phy», Sebastian Herrmann • MONCHIN 1, THIIIfIiNITIAIIIIiI · Τ·Μμι»12« ■ J^mwi Upttl/Mliidi» . VbrtiMfc·»* AMmIm, Zm^H. Other-von-Mittw-Kiif, K«*.-Nr. mm - IO«tMiwdt-K«ttoi MlMhtn Nr. \tttV lte DipJ.-lng. Martin Licht, DipJ.-Wirtich.-lne. AmI Hanimann, Dlpl.-Phy », Sebastian Herrmann • MONCHIN 1, THIIIfIiNITIAIIIIiI · Τ · Μμι» 12 «■ J ^ m wi Upttl / Mliidi» . VbrtiMfc · »* AMmIm, Zm ^ H. Other-von-Mittw-Kiif, K «* .- No. mm - IO «tMiwdt-K« ttoi MlMhtn No. \ tttV
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und Brackwasser.and brackish water.
Gemäß den herkömmlichen Techniken werden derartige Membranen als flache Scheiben, Tafeln oder Platten hergestellt und werden in Vorrichtungen benutzt, in denen die osmotische Membran von einem flachen, porösen Bauelement abgestützt wird und das Seewasser oder Salzwasser mit der der Abstützung abgewandten Membranseite in Berührung gebracht wird.Wenn der auf der Salzwasserseite der Membran einwirkende Druck größer ist als der osmotische Druck der Salzwasserlösung, so findet eine "umkehrte Osmose" statt, d.h., das Wasser strömt von der Salzwasserlösung durch die Membran und den porösen Stützkörper hindurch zu einem Sammler, wobei die gelösten Salze in der Salzsole zurückbleiben, die sich demzufolge immer mehr aufkonzentriert.According to conventional techniques, such membranes are manufactured as flat disks, sheets or plates and are used in devices in which the osmotic membrane is supported by a flat, porous structural element and the sea water or salt water is brought into contact with the side of the membrane facing away from the support The pressure acting on the salt water side of the membrane is greater than the osmotic pressure of the salt water solution, so finds a "reverse osmosis" takes place, i.e. the water flows off the salt water solution through the membrane and the porous support body to a collector, with the dissolved salts remain in the brine, which consequently concentrates more and more.
Die umgekehrte Osmose als Technik zur Reinigung salziger Wässer und anderer Lösungen ist seit Jahren bekannt, wurde jedoch in vielen praktischen Anwendungsfällen nicht wirkungsvoll benutzt, da die bis jetzt zur Verfügung gestelltenoemotisohen Membranen nicht in der Lage gewesen sind, eine ausreichende starke Strömung gereinigten Wassers zu übertragen, es sei denn, sie wurden sehr hohen Drücken ausgesetzt. Neuerdings sind erheblich verbesserte Membranen erhältlioh. Reverse osmosis as a technique for purifying salty water and other solutions has been known for years but has not been used effectively in many practical applications because the osmotic membranes provided heretofore have not been able to transmit a sufficiently strong flow of purified water unless they have been subjected to very high pressures. Significantly improved membranes have recently become available.
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Gerade bei solchen verbesserten Membranen jedoch hat sich die Schwierigkeit ergeben, eine wirtschaftliche verwertbare Vorrichtung zur Entsalzung von Meerwasser oder Brackwasser zu schaffen. Eine hauptsächliche Schwierigkeit, die bei der Konstruktion derartiger Vorrichtungen auftritt, besteht in der Notwendigkeit, recht erhebliche Arbeitsdrücke aufrechtzuerhalten. Dies wird leicht verständlieh, wenn man sieh überlegt, daß der osmotische Druck von Meer- . wasser (annähernd 3» 5 l/o NaCl) bei etwa 2k kp/cm liegt. Somit findet jede Strömung durch die Membran in der zu der gewünschten entgegengesetzten Richtung statt, bis der auf der Salzwasserseite der Membran herrschende Druck um 2k kp/cm größer ist als der auf der Fri schwas se rs eifce auftretende Druck. Selbst wenn der Druck auf der Salzwasserseite 24 kp/cm übersteigt, ist die Antriebskraft für den Durchgang des entsalzten Wassers nicht größer als derHowever, it is precisely with such improved membranes that the difficulty has arisen in creating an economically viable device for the desalination of seawater or brackish water. A major difficulty encountered in the construction of such devices is the need to maintain fairly substantial working pressures. This is easily understood when one considers that the osmotic pressure of sea. water (approximately 3 »5 l / o NaCl) is around 2k kp / cm. Thus, every flow through the membrane takes place in the opposite direction to the desired one, until the pressure prevailing on the salt water side of the membrane is 2k kp / cm greater than the pressure occurring on the freshness force. Even if the pressure on the salt water side exceeds 24 kgf / cm, the driving force for the passage of the desalinated water is not greater than that
Wert, um den das Druclcmaß von 2k kp/cm überschritten wird. Wenn gereinigtes Wasser in einer annehmbaren Menge erzeugt werden soll, muß daher die wirksame Antriebskraft durch Verwendung erheblich höherer Drücke gesteigert werden, so daß Arbeitsdrücke von etwa 105 kp/cm benutzt werden.Value by which the pressure of 2k kp / cm is exceeded. Therefore, if purified water is to be produced in an acceptable amount, the effective driving force must be increased by using much higher pressures, so that working pressures of about 105 kgf / cm are used.
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Zur Aufrechterhalten dieser hohen Arbeitsdrücke hat es sich als notwendig erwiesen, die Salzwasserlösung in druckfeste Kammern mit sorgfältig bearbeiteten Dichtungen einzuschließen, um dadurch zu verhindern, daß Salzwasser in die Sammelkanäle für gereinigtes Wasser entweicht. Eine oder mehrere Wände jeder Kammer bestehen zumindest teilweise aus einer osmotischen Membran, die auf einem porösen Stützkörper aufliegt. Die osmotische Membran ist gewöhnlich eine dünne Folie mit einer Dicke von nur wenigen Tausendstel Millimetern, die viel zu schwach ist, um den großen Kräften zu widerstehen, die von der unter den oben genannten hohen Drücken stehenden Salzwasserlösung ausgehen. Deshalb müssen die porösen Stützkörper ausreichend stabil sein oder zusätzlich verstärkt werden, damit sie diese Kräfte aushalten. In gleicher Weise müssen die Konstruktionselemente, die die anderen Wände der Salzwasserkammern bilden, druckfest sein. Diese Erfordernisse gewinnen mit zunehmender Baugröße der Einrichtung immer mehr an Bedeutung, so daß die Konstruktion handelsüblicher Einrichtungen sich in steigendem Maße kompliziert und deshalb verteuert.In order to maintain these high working pressures it has been found necessary to put the salt water solution in Enclose flameproof chambers with carefully machined seals to prevent salt water from entering escapes into the collecting channels for purified water. One or more walls of each chamber exist at least in part from an osmotic membrane that rests on a porous support body. The osmotic membrane is usually one thin film with a thickness of only a few thousandths of a millimeter, which is far too weak to withstand the great forces to withstand that emanate from the salt water solution under the above-mentioned high pressures. Therefore must the porous support bodies be sufficiently stable or additionally reinforced so that they can withstand these forces. In the same way, the structural elements that form the other walls of the salt water chambers must be pressure-resistant. These requirements become more and more important as the size of the device increases, so that the construction commercial facilities are becoming increasingly complicated and therefore more expensive.
Eine Möglichkeit für eine einfachere Konstruktion von Druckbehältern bietet sich dann, wenn für die Behälter Formen gewählt werden, die von Hause aus aufgrund der Art und Weise, wie sie Spannungen verteilen, fest und stabil sind.One possibility for a simpler construction of pressure vessels is when forms are used for the vessels that are inherently firm and stable due to the way they distribute tension.
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Eine derartige Form ist einzyLindrisches Rohr. Die Verwendung rohrförmiger Konstruktionen für Umkehrosmose-Trennkammern wurde jedoch bis heute noch nicht vorgeschlagen. Ein solcher Vorschlag hätte sich tatsächlich auch wegen des Fehlens einer geeigneten Membran nicht verwirklichen lassen. Es hat sich herausgestellt, daß zylindrische Membranen, die mit Verfahren hergestellt werden, welche ähnlich den zur Erzeugung der üblichen flachen Membranen benutzten sind, einen Verlust an Selektivität, d.h., also der Fähigkeit einer Membran, Lösungsmittel (Wasser) gegenüber dem gelösten Stoff (Salz) bevorzugt durchzulassen, aufweisen.One such shape is a single cylinder tube. The usage However, tubular designs for reverse osmosis separation chambers have not yet been proposed. Such a In fact, the proposal could not have been implemented, also because of the lack of a suitable membrane. It has found that cylindrical membranes made by processes similar to those used to produce the usual flat membranes are used, a loss of selectivity, i.e., the ability of a membrane to To let the solvent (water) pass through preferentially over the dissolved substance (salt).
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, verbesserte osmotische Membranen zu schaffen, die zylindrisch geformt sinJ und eine hohe Selektivität in Verbindung mit hoher Permeabilität für reines Wasser besitzen.The object of the invention is therefore to provide improved osmotic membranes that are cylindrical shaped sinJ and a high selectivity in connection with have high permeability for pure water.
Die Erfindung hat sich des weiteren zum Ziel gesetzt, eine frisch geformte osmotische Membran zu erzeugen und diese teilweise dadurch zu trocknen, daß sie der Luft ausgesetzt wird. Diese teilweise getrocknete Membran soll dann eine bestimmte Zeitspanne in kaltes Wasser eingetaucht werden. Ihr soll dann eine rohrförmige Gestelt verliehen werden, die aufrechterhalten wird, während die Membran durch Eintauchen in heißes Wasser eine bestimmte Zeitspanne vergütet wird. Another object of the invention is to produce a freshly formed osmotic membrane and to partially dry it by exposure to air. This partially dried membrane should then be immersed in cold water for a certain period of time. You should then be given a tubular frame, which is maintained while the membrane is remunerated by immersion in hot water for a certain period of time.
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Eine besonders vorteilhafte osmotisehe Membran in der Form eines hohen Rohres, das im wesentlichen aus Zelluloseacetat besteht, soll geschaffen werden.A particularly advantageous osmotic membrane in the shape of a tall tube, consisting essentially of cellulose acetate, is to be created.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Au sfiih rungs form wird durch den Erfindungsgegenstand ein Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen osmotischen Membran offenbart, das aus den folgenden Verfahrensschritten besteht: Erzeugung einer frischgegossenen Haut aus im wesentlichen Zelluloseacetat, Teiltrocknung der Haut, Durchweichung der Haut im kalten Wasser, Formung der Haut zu einem rohrförmigen Körper und darauffolgendes Vergüten der Haut durch Eintauchen in heißes Wasser, während die Rohrform aufrechterhalten wird.According to a further advantageous embodiment the subject matter of the invention discloses a method for producing a tubular osmotic membrane, which consists of the following process steps: Creation of a freshly cast skin from essentially Cellulose acetate, partial drying of the skin, soaking the skin in cold water, shaping the skin into a tubular shape Body and subsequent skin conditioning by immersion in hot water while maintaining the tubular shape.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf jede Art osmotisehe Haut, Folie oder osmotischen Films anwenden, die als eine selbsttragende Haut gießbar und danach in einer gewünschten Form durch Durchtränkung mit heißem Wasser vergütbar ist. Häute, die im wesentlichen aus Zelluloseacetat bestehen, werden jedoch bevorzugt,und der Erfindungsgegenstand wird hauptsächlich unter Bezugnahme auf derartige Häute beschrieben. Insbesondere sind friaohgegossene Filme aus Lösungen, die Zelluloseacetat, Magnesiumperdlorat, Wasser und Aceton enthalten, ausgealchnte Ausgangematerialien für das erfindungsgemäße Verfahren. Solche Häute lassen sich beispielsweise dadurch herstellen, daß eine in GewichtsprozentenThe method according to the invention can be applied to any type of osmotic skin, foil or osmotic film which pourable as a self-supporting skin and then remunerated in a desired shape by soaking it with hot water is. However, skins consisting essentially of cellulose acetate are preferred and are the subject of the invention will be described primarily with reference to such skins. In particular, there are free-cast films from solutions containing cellulose acetate, magnesium perdlorate, water and acetone, ideal starting materials for the method according to the invention. Such skins can be produced, for example, in that one in percent by weight
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22 % Zelluloseacetat, 1 % Magnesiumperchlorat, iO % Wasser und 67 % Aceton enthaltende Lösung mit Hilfe eines Abziehmessers auf eine Dicke von 0,25 mm gestreckt wird. Sowohll die Vorrichtung als auch die Lösung werden auf eine Temperatur zwischen -15 und +5°C abkühlt, bevor der Gießvorgang beginnt.The solution containing 22 % cellulose acetate, 1 % magnesium perchlorate, 10 % water and 67 % acetone is stretched to a thickness of 0.25 mm with the aid of a peeling knife. Both the device and the solution are cooled to a temperature between -15 and + 5 ° C before the casting process begins.
Nach dein Gießvorgang wird die Haut auf der Glasplatte oder einer anderen Oberfläche, auf der sie vergossen worden ist, kühlgehalten und über eine Zeitspanne zwischen 10 Sekunden und 5 Minuten teilweise luftgetrocknet und dann in kaltes Wasser eingetaucht, beispielsweise bei 1 - 5 C. Daraufhin wird die Haut in warmes Wasser eingetaucht, das eine Temperatur zwischen 60 und 85 C aufweist und schließlich abgekühlt. After your casting process, the skin will be on the glass plate or another surface on which it has been potted, kept cool and for a period of time between 10 seconds and partially air-dried for 5 minutes and then immersed in cold water, for example at 1 - 5 C. Then the skin is immersed in warm water at a temperature between 60 and 85 C and finally cooled.
Die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weicht in einigen Punkten von der soeben beschriebenen ab. Auch die bevorzugte Gießverbindung ist etwas von der oben beschriebenen verschieden, wie dies im folgenden genauer erläutert wird. Auch wird nach der teilweisen Luftrocknung und dem darauffolgenden Eintauchen in kaltes Wasser ein zusätzlicher Schritt zwischengeschaltet, der darin besteht, daß die Haut von der Gießplatte entfernt und zu einem Rohr verformt wird.The preferred embodiment of the invention The procedure differs in some points from the one just described. Also the preferred molding compound is somewhat different from the one described above, as will be explained in more detail below. Also after the partial air drying and the subsequent immersion in cold water an additional step interposed, which consists in removing the skin from the casting plate and forming it into a tube.
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Der Einrollvorgang geschieht vorzugsweise dadurch) daß die Haut um einen Dorn geeigneten Durchmessers gewickelt wird, der mit dem Durchmesser vergleichbar ist, den die fertige rohrförmige Membran aufweisen soll. Nachdem die eingerollte Haut dann vergütet worden ist, wird ein ausreichend breites Stück von dem Dorn abgewickelt und längs zu seiner Länge aufgeschlitzt, so daß die entgegengesetzten Ränder des entfernten Streifens einander überlappen, wenn sie auf den gewünschten Durchmesser eingerollt sind.The rolling process is preferably done by wrapping the skin around a mandrel of suitable diameter which is comparable to the diameter that the finished tubular membrane should have. After this the rolled up skin has then been remunerated, a sufficiently wide piece is unwound from the mandrel and slit along its length so that the opposite edges of the removed strip overlap, when rolled to the desired diameter.
Das Verfahren zeigt gewisse Unterschiede, je nach dem, ob die Membran als Auskleidung in einem porösen Stützrohr, durch das die Sole zirkuliert oder als Außenabdeckung auf einem porösen Stützrohr verwendet werden soll, um das die Sole zirkuliert. Bei dem oben angedeuteten Verfahren, bei dem die Haut auf eine Glasplatte oder dergleichen gegossen wird und dann teilweise luftgekühlt wird, während sie noch auf der Platte abgestützt ist, ergibt sich bezüglich der Eigenschaften der beiden Seiten der Haut ein bemerkenswerter Unterschied, wobei die luftgetrocknete Seite hauptsächlich für die Selektivität oder Semipermeabilität der Membran von Bedeutung ist. Die luftgetrocknte oder "gute" Seite der Membran muß, damit eine optimale Selektivität erreicht wird, der Sole zugewendet sein. Wenn deshalb des rohrfbrmi/re Membran als Auskleidung in einem porösen Stützrohr verwendetThe process shows certain differences, depending on whether the membrane is used as a lining in a porous support tube, through which the brine circulates or is to be used as an outer cover on a porous support tube around which the Brine circulates. In the method indicated above, in which the skin is poured onto a glass plate or the like is and then partially air-cooled while it is still supported on the plate, results with respect to the Properties of the two sides of the skin a remarkable Difference, with the air-dried side mainly for the selectivity or semi-permeability of the membrane matters. The air-dried or "good" side the membrane must face the brine in order to achieve optimal selectivity. Therefore, if the rohrfbrmi / re Membrane used as a lining in a porous support tube
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werden soll, das mit unter Druck stehender Sole gefüllt wird, so sollte die rohrförmige Gestalt der Membran entstehen, indem sie mit der "guten" Seite nach innen, d.h. also dem Dorn zugewandt, um einen Dorn gewickelt wird. Im anderen Fall, wenn die rohrförmige Membran auf der Außenseite eines zylindrischen Stützkörpers angeordnet werden soll und in das Salzwasser eingetaucht wird, dann sollte die Membran so um den Dorn geschlagen werden, daß ihre nguteM Seite außenliegt.is to be filled with brine under pressure, the tubular shape of the membrane should be created by wrapping it around a mandrel with the "good" side inward, ie facing the mandrel. In the other case, when the tubular membrane is to be arranged on the outside of a cylindrical support body and is immersed in the salt water, the membrane should be so wrapped around the mandrel, that their M n good outwardly located side.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung, auf die sich die folgende Beschreibung bezieht, schematisch dargestellt. In der Zeichnung zeigen:Embodiments of the subject matter of the invention are shown schematically in the drawing to which the following description refers. In the drawing show:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer rohrförmigen Membran gemäß einer Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, 1 shows a perspective view of a tubular membrane according to an embodiment of the subject matter of the invention,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer zusammengebauten Hülse, die die Membran von Fig.l enthält, wobei die Membran als Auskleidung in eine geeignete, poröse, rohrförmige Stütze eingesetzt ist, Figure 2 is a cross-sectional view of an assembled sleeve containing the membrane of Figure 1 with the membrane inserted as a liner in a suitable porous tubular support ;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungegemäßen rohrförmigen Membran, wobei die "gute" Seite außen liegt,Fig. 3 is a perspective view of another embodiment of the tubular according to the invention Membrane, with the "good" side on the outside,
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Fig. k eine Querschnittsansicht eines Teils einesFigure k is a cross-sectional view of part of a
Reinigungssystems, in dem die in Fig.3 gezeigte Membran Verwendung findet, wobei die Membran um einen rohrförmigen Stiitzkörper gewickelt ist, der von unter Druck stehender Sole umgeben wird,Cleaning system in which the membrane shown in Figure 3 is used, the membrane is wrapped around a tubular support body, which is surrounded by pressurized brine,
Fig. 5 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membran, wobei die Membran auf einen Dorn aufgewickelt wird, und5 shows a side view of another embodiment of the membrane according to the invention, the membrane is wound on a mandrel, and
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der in Fig.l gezeigten Membran in einem größeren Maßstab mit bestimmten zusätzlichen Einzelheiten.Fig. 6 is a perspective view of the membrane shown in Fig.l on a larger scale certain additional details.
Die in Fig.l dargestellte rohrförmige, osmotische Membran ist ein an den Ender offener Zylinder 10 aus geeignetem osmotischen Membranmaterial, beispielsweise Zelluloseacetat, wobei die selektive wgutew Seite als dünne, innere Oberflächenschicht 12 erscheint. Eine derartige Membran ist so aufgebaut, daß sie außen abgestützt werden kann, indem sie in einen porösen, zylindrischen Stützkörper 14, wie er in Fig.2 dargestellt ist, eingeschlossen wird. Der Stützkörper lh kann aus irgendeinem geeigneten, prosen, in strukturellen Hinsicht festem Material, beispieleweiser nicht glasierter Keramik, gesintertem Metallpulver und eto. her gestellt werden. In der Praxis wird ein gewebtes» glasfaser verstärktes Rohr bevorzugt. Wenn unter Druck stehende Sole 16 The tubular, osmotic membrane shown in FIG. 1 is a cylinder 10, open at the end, made of a suitable osmotic membrane material, for example cellulose acetate, the selective w good w side appearing as a thin, inner surface layer 12. Such a membrane is constructed so that it can be supported on the outside by being enclosed in a porous, cylindrical support body 14, as shown in FIG. The support body lh can be made of any suitable, per sen, structurally solid material, for example unglazed ceramic, sintered metal powder and eto. getting produced. In practice, a woven »glass fiber reinforced tube is preferred. When brine is under pressure 16
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durch die Mitte einer solchen rohrförmigen Anordnung hindurchgeschickt wird, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist, dann dringt ein Teil des Wassers als Lösungsmittel, der frei oder im wesentlichen frei von gelösten Salzen ist, durch die Wände des Zylinders aufgrund der Gegenosmose hindurch, sammelt sich als Trqfen 18 auf der äußeren Oberfläche des Stützrohres und tropft von dort in einen geeigneten, nicht dargestellten Sammler.is sent through the middle of such a tubular arrangement, as indicated by the arrows is, then some of the water penetrates as a solvent, which is free or essentially free of dissolved Salt is, through the walls of the cylinder due to the counterosmosis, collects as Trqfen 18 on the outer surface of the support tube and drips from there into a suitable collector, not shown.
In Fig.3 ist eine andere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes beschrieben, die der in Pig.l gezeigten Ausführungsform gleich ist, ausgenommen die Tatsache, daß die "gute" Seite sich auf der äußeren Oberfläche des Rohres befindet. Dieser rohrförmige Membrantyp wird als Hülse verwendet, die einen zylindrischen Stützkörper umgibt und in eine unter Druck stehende Solelösung eingetaucht ist, so daß gereinigtes Wasser durch die Membran hindurch in den Stützkörper hineindiffundiert. Eine Vorrichtung, die von einer derartigen Anordnung Gebrauch macht, ist etwas schematisch in Fig.k gezeigt, wobei die zylindrische Membran von innen durch einen zylindrischen Stützkörper 20 abgestützt wird. Der Stützkörper 20 kann ein hohles, poröses Rohr sein, wie dies gezeigt ist, kann aber auch, falls dies verlangt wird, ein massiver, poröser Zylinder sein. Die unter dem Betriebsdruck stehende Sole 16 zirkuliert durch eine Druckhülse 22, in der durch den Pfeil angezeigten Weise.In Figure 3 another embodiment of the subject invention is described, which is the same as the embodiment shown in Pig.l, except for the fact that the "good" side is on the outer surface of the pipe. This tubular membrane type is used as a sleeve which surrounds a cylindrical support body and is immersed in a pressurized brine solution so that purified water diffuses through the membrane into the support body. A device which makes use of such an arrangement is shown somewhat schematically in FIG. K , the cylindrical membrane being supported from the inside by a cylindrical support body 20. The support body 20 can be a hollow, porous tube, as shown, but can also be a solid, porous cylinder if required. The brine 16 under operating pressure circulates through a pressure sleeve 22 in the manner indicated by the arrow.
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Das gereinigte Wasser diffundiert durch die Membran und den porösen Stützkörper 20 und sammelt sich in Tropfenform 18 auf den Innenwänden des Stützkörpers, von wo aus es in einen geeigneten, nicht gezeigten Sammler fällt.The purified water diffuses through the membrane and the porous support body 20 and collects in the form of drops 18 on the inner walls of the support body, from where it falls into a suitable collector, not shown.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die ursprüngliche Haut in Form eines Rechtecks gegossen oder zugeschnitten und um den Dorn gewickelt, wobei ein Kantenpaar parallel zur Längsachse des Dorns liegt, so daß ein eingeschlagener Abschnitt von der Membran abgeschnitten werden kann, nachdem die Vergütung erfolgt ist, der dann die Forn eines geschlitzten Zylinders besitzt, wobei der Schlitz an der Zylinderwandung gerade nach unten verläuft, d.h. parallel zur Längsachse des Zylinders. Diese Gestalt ergibt die kürzest mögliche Naht.In the preferred embodiment of the invention, the original skin is cast or in the shape of a rectangle cut to size and wrapped around the mandrel with a pair of edges parallel to the longitudinal axis of the mandrel so that a The wrapped section can be cut off from the membrane after the remuneration has taken place, which then forms the form of a slotted cylinder, the slot running straight down on the cylinder wall, i.e. parallel to the longitudinal axis of the cylinder. This shape results in the shortest possible seam.
Wenn angenommen wird, daß die Membran so eingeschlagen wurde, daß ihre "gute" Seite innen liegt, so daß sie als mögliche Auskleidung für einen Stützkörper (Figuren 1 und 2) verwendbar ist, dann wird der eine der beiden Rändern, die sich überlappen sollen, mit einer Klebstofflage beschichtet. Die Membran wird daraufhin in das Stützrohr eingeschoben und unter leichter Druckanwendung gegen die Innenwand des Stützkörpers gedrückt, wobei sich der Klebstoff über der Überippungszone verteilt. Dies geschieht am besten dadurch, daß in die eingelegte Membran ein Kunststoffrohr eingesetztIf it is assumed that the membrane has been tucked in with its "good" side inside, so that it is used as possible lining for a support body (Figures 1 and 2) is used, then one of the two edges that should overlap, coated with a layer of adhesive. The membrane is then pushed into the support tube and pressed against the inner wall of the Support body pressed, with the adhesive distributed over the ribbed zone. This is best done by that a plastic tube is inserted into the inserted membrane
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und pneumatisch oder hydraulisch mit Druck beaufschlagt wird, so daß sich das Kunststoffrohr ausdehnt und die Membran gegen die Wandung des Stützkörpers drückt. Bei diesem Verfahren nimmt die Naht 2h die in Figur 6 gezeigte Form an. Einzelheiten der Naht sind aus Gründen der Verständlichkeit der Darstellung aus den Figuren 1 bis k weggelassen worden. Der Klebstoff braucht während des vorherigen Vorganges keine dauerhafte Bindung zu schaffen, so daß sich die Naht in Anpassung an zusätzliche Streckkräfte verschieben kann, wenn sie den Betriebsdrückenand is pressurized pneumatically or hydraulically so that the plastic pipe expands and presses the membrane against the wall of the support body. In this process, the seam 2h assumes the shape shown in FIG. Details of the seam have been omitted from FIGS. 1 to k for reasons of clarity of the illustration. The adhesive does not need to create a permanent bond during the previous process, so that the seam can shift in adaptation to additional stretching forces when they meet the operating pressures
des Entsalzungsvorganges ausgesetzt wird. Weitere vorteilhafte Eigenschaften des Klebstoffes bestehen darin, daß er das Membraneaterial wirksam verbindet und das entsalzte Wasser nicht verschmutzt. Wenn beispielsweise Zelluloseacetatmembranen verwendet werden, so enthalten geeignete Klebstoffe wässrigen Polyvinylalkohol, Pliobond (Goodyear Tire and Rubber Company) und Super Cement (DuPont Company).the desalination process is suspended. Further advantageous properties of the adhesive are that he the membrane effectively connects and the desalinated water not dirty. For example, if cellulose acetate membranes are used, suitable adhesives include aqueous ones Polyvinyl alcohol, Pliobond (Goodyear Tire and Rubber Company), and Super Cement (DuPont Company).
Eine andere Verfahrensweise zur Herstellung der rohrförmigen Membranen, wie .sie dem Erfindungsgegenstand zugrundeliegen ist in Figur 5 dargestellt. Danach wird die Membran zu einem Streifen 26 vorgeschnitten und schraubenförmig um den Dorn 28 gewickelt, wobei jede Windung der Wicklung die vorhergehende Windung um einen kleinen, bestimmten Betrag überlappt. Entlang dem einen der beiden sich auf diese Weise überlappenden Ränder wird entweder vor dem Aufwickiln oder gleichzeitig mit dem Aufwickelvorgang ein Klebstoffstreifen 30 angebracht. Die Wicklung kann so geartet sein, daß sie, wie aus der Zeichnung ersichtlichAnother procedure for the production of the tubular membranes, as .sie is the basis of the subject matter of the invention shown in FIG. The membrane is then pre-cut into a strip 26 and wound helically around the mandrel 28, each turn of the winding overlapping the previous turn by a small, specified amount. Along one of the two edges overlapping in this way is either before the winding up or at the same time as the winding process an adhesive strip 30 attached. The winding can be such that, as can be seen in the drawing
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ist, einige Windungen macht oder so, daß die Naht aus nur einer Windung besteht, die über den ganzen Umfang des Zylinders verläuft und sich von Ende zu Ende der fertigen, rohrförmigen Membran erstreckt. makes a few turns or so that the seam consists of only one turn which runs the entire circumference of the cylinder and extends from end to end of the finished tubular membrane.
In allen Figuren der Zeichnung ist die Dicke der Membran in bezug auf die Dicke der anderen gezeigten Elemente selbstverständlich stark übertrieben. Die tatsächliche Membrandicke beträgt nur wenige Tausendstel Millimeter. Auch die "gute" oder luftgetrocknete Seite der Membran, die hier als erkennbare Oberflächenschicht dargestellt ist, ist in Wirklichkeit als solche mit bloßem Auge nicht sichtbar, obgleich sich Unterschiede in den charakteristischen Merkmalen der beiden Membranflächen mit Hilfe elektronenmikroskopischer und anderer Vorrichtungen ermitieLn lassen. Darüberhinaus wurden viele Einzelheiten, beispielsweise die Dichtungsringe, Gewindeverbindungen und dergleichen weggelassen, um die wesentlichen Merkmale hervorzuheben. In all the figures of the drawing the thickness of the membrane is of course greatly exaggerated in relation to the thickness of the other elements shown. The actual membrane thickness is only a few thousandths of a millimeter. The "good" or air-dried side of the membrane, which is shown here as a recognizable surface layer, is not actually visible as such to the naked eye , although differences in the characteristic features of the two membrane surfaces can be determined with the aid of electron microscopic and other devices. In addition, many details, for example the sealing rings, threaded connections and the like, have been omitted in order to emphasize the essential features.
Wenn die Membran als aussere Abdeckung auf einer Stützfläche (Figuren 3 und k) Verwendung findet, so kann der Stützkörper selbst als Dorn dienen, wenn dies verlangt wird, und der Stützkörper mit der um ihn geschlungenen Membran kann dann entweder als geschlitzter Zylinder (Figur 6) oder als Spirale (Figur 5) in Aeisses Wasser eingetaucht werden, um die Membran in der umgeschlagenen Konfiguration zu vergüten. Andererseits lässt sich die Membran, beispielsweise in der Form eines geschlitzten Zylinders, auf dem Dorn vergüten, wobei die luftgetrocknete oderIf the membrane is used as an external cover on a supporting surface (Figures 3 and k) , the supporting body itself can serve as a mandrel, if required, and the supporting body with the membrane wrapped around it can then either be used as a slotted cylinder (Figure 6 ) or as a spiral (Figure 5) are immersed in white water in order to remunerate the membrane in the folded configuration. On the other hand, the membrane, for example in the form of a slotted cylinder, can be tempered on the mandrel, with the air-dried or
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"gute" Seite außen liegt und die Membran so über den Stützkörper gewickelt ist, daß sich die Ränder überlappen. Eine oder beide der sich überlappenden Oberflächen werden dann mit Klebstoff beschichtet, worauf die beiden Oberflächen zusammengepresst werden."good" side is on the outside and the membrane is over the support body is wound so that the edges overlap. One or both of the overlapping surfaces are then covered with glue coated, whereupon the two surfaces are pressed together.
Die Art des Klebstoffes ist von gewisser Bedeutung. Der Klebstoff muß so beschaffen sein, daß er zwischen den einander überlappenden Rändern der Membran eine dichte Verbindung schafft, so daß die Sole nicht durch die Naht in die Reinwasserkanäle auslaufen kann. Jedoch ist, wie bereits erwähnt wurde, ein wasserdichter Klebstoff, der zu einer starren Struktur aushärtet, bevor der Soledruck einwirkt, ungeeignet. Wenn die rohrförmige Membran in das Stützrohr eingesetzt wird, muß ihr Durchmesser notwendigeweise wenigstens e^twas kleiner sein als der Innendurchmesser des Stutzrohres. Auch wenn trotz aller Vorsichtsmaßnahmen einige Unregelmässigkeiten auf der inneren Oberfläche des Stützrohres verbleiben, muß sicli die Membran selbst an diese Unregelmässigkeiten anpassen können, sobald sie unter Druckeinwirkung steht. Aus beiden Gründen wirkt sich die Einwirkung des Soledruckes in Umfangsspannungen aus, die bestrebt sind, den Durchmesser der rohrförmigen Membran zu vergrössern. Um eine Streckung der Membran selbst aufgrund diesel' Spannungen zu vermeiden, sollte der Klebstoff es den sich überlappenden Teilen der Membran ermöglichen, aufeinander zu gleiten, ohne daß die Dichtung dabei zerstört wird. Eine derartige Gleitwirkung hat zur Folge, daß die Naht wie eine Dehnungsverbindung wirkt, indem sie die Spannungen, die sonst ejn Strecken de]· Membiv. ; verursachen würden, (fas einen SelekiavitUtsverJuat, horYoj'i uit, absorbiert.The type of adhesive is of some importance. The adhesive must be such that it is between the overlapping Edges of the membrane creates a tight connection so that the brine does not enter the pure water channels through the seam can leak. However, as mentioned earlier, there is a waterproof adhesive that hardens to a rigid structure before the brine pressure is acting, unsuitable. When the tubular membrane is inserted into the support tube, its diameter must be necessary be at least a little smaller than the inner diameter of the support tube. Even if, despite all the precautionary measures, some If irregularities remain on the inner surface of the support tube, the membrane itself must adapt to these irregularities can adjust as soon as it is under pressure. The effect of the brine pressure is effective for both reasons into hoop stresses, which strive to increase the diameter of the tubular membrane. To stretch the Should avoid diaphragm itself due to diesel 'tensions the adhesive allows the overlapping portions of the membrane to slide on each other without breaking the seal gets destroyed. Such a sliding effect has the consequence that the seam acts like an expansion joint by the Tensions that would otherwise stretch de] · Membiv. ; would cause (fas a SelekiavitUtsverJuat, horYoj'i uit, absorbed.
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Zur Erreichung der Abdichtung der sich überlappenden Membranflache ohne Zerstörung der Membraneigenschaften lassen sich drei Techniken verwenden.To achieve the sealing of the overlapping membrane surface Three techniques can be used without destroying the membrane properties.
(a) Auf die überlappte Zone lässt sich ein Klebstoff auftragen, der sowohl während seiner Aufbringung als auch während des Einsetzens der Membran in das poröse Rohr nicht dauerhaft abbindet. Der Klebstoff kann, nachdem der volle Soledruck zur Einwirkung gelangt ist, eine dauerhafte Bindung bilden, braucht es aber auch nicht. Alles, was von diesem Klebstofftyp verlangt wird , ist, daß er verhindert, daß das unter Druck stehende Salzwasser zwischen den Überlappungsschichten hindurchsickert. Als Beispiel für einen solchen Klebstoff wird eine viskose Lösung eines wässrigen Polyvinylalkohole angeführt.(a) An adhesive can be applied to the overlapped zone, both during its application and during the insertion of the membrane into the porous tube does not permanently set. The glue can after the full brine pressure However, they do not need to form a permanent bond. Everything that this type of adhesive requires is that it prevents the pressurized salt water from seeping through between the lap layers. A viscous solution of an aqueous polyvinyl alcohol is given as an example of such an adhesive.
(b) Ferner lässt sich ein Klebstoff verwenden, der eine dauerhafte Bindung oder Verkittung mit der Membran bewirkt, bevor diese unter Druck gesetzt wird, falls die mechanischen Eigenschaften des Klebstoffes derart sind, daß sich der Klebstoff unter der Einwirkung des Druckes ausdehnt, und zwar noch bevor sich in der Membran selbst irgendein Spannungszustand einstellt. Für diesen Klebstofftyp lassen sich Elastomere mit niedrigem Modul verwenden.(b) It is also possible to use an adhesive that creates a permanent bond or cementation to the membrane, before this is pressurized, if the mechanical properties of the adhesive are such that the adhesive expands under the action of pressure, even before any state of tension is established in the membrane itself. Low modulus elastomers can be used for this type of adhesive.
(c) Schliesslich können auch Klebstoffe benutzt werden, die vor der Solodruckeinwirkung dauerhaft aushärten oder eine dauerhafte Verkittung bewirken, falls beim Einsetzen der Membran in(c) Finally, adhesives can also be used that cure permanently or permanently before the application of the solo pressure Cause cementing, if when inserting the membrane in
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das poröse Rohr ein Druck zur Einwirkung gelangt, der gleich oder grosser der nachfolgende Soledruck ist. Falls dies geschieht, wird sich die Überlappungsstelle während des Einsetzens der Membran weit genug öffnen, so daß weder auf sie noch auf die Membran zusätzliche Streckkräfte einwirken, wenn der Soledruck wirkt. Ein Beispiel für einen solchen Klebstoff ist der "Super Cement" der FiraaDuPont de Nemours Company.the porous tube is subjected to a pressure that is equal to or greater is the subsequent brine pressure. If this happens, the overlap will open wide enough during the insertion of the membrane so that neither on it nor on the Membrane additional stretching forces act when the brine pressure acts. An example of such an adhesive is the "Super Cement "from the FiraaDuPont de Nemours Company.
Zur weiteren Verdeutlichung des Erfindungsgegenstandes und der Art und Weise seiner praktischen Verwendung wird das folgende Beispiel gegeben.To further clarify the subject matter of the invention and the manner of its practical use is given the following example.
Für eine innere Membran wurde durch Vergiessen eines 0,25 mm dicken Filmes mit Hilfe eines Abstreifmessers von einer Lösung, die 23,15 % Zelluloseacetat, (Eastman E 398-3), 69,2I % Aceton, i,65 <fo Magnesiumperchlorat, 0,33 % hydrochlorische Säure und 5,^7 Waser enthielt, ein Stück Haut hergestellt. Dieser Vorgang erfolgte mit einer auf -9 C vorgekühlten Apparatur und Lösung. Ein Teil des Lösungsmittels konnte verdampfen, während der frischgegossene Film 2 Minuten in demselben Temperaturbereich der Luft ausgesetzt wurde. Nachfem der Film 1 Stunde lang in Wasser von i C eingetaucht worden war, wurde er von der Gießplatte entfernt und um einen Dorn gewickelt, dessen Grosse mit der Grosse der Bohrung des Stützrohres vergleichbar war, bevor er 15 Minuten lang in ein auf einer Temperatur von 73°C gehaltenes Heißwasserbad eingetaucht wurde. Während dieses Verfahrens-For an inner membrane was prepared by casting a 0.25 mm thick film using a doctor blade of a solution containing 23.15% cellulose acetate (Eastman 398-3 E), 69, 2 I i% acetone, 65 <fo magnesium perchlorate , 0.33 % hydrochloric acid and 5, ^ 7 water, made a piece of skin. This process was carried out using an apparatus and solution that were precooled to -9 ° C. Some of the solvent was allowed to evaporate while the freshly cast film was exposed to air in the same temperature range for 2 minutes. After the film had been immersed in water at i C for 1 hour, it was removed from the casting plate and wrapped around a mandrel, the size of which was comparable to the size of the hole in the support tube, before being immersed in a temperature of Hot water bath held at 73 ° C was immersed. During this procedure-
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Schrittes war die der Luft ausgesetzte Oberfläche des Filmes der Dornoberfläche zugewendet. Im Laufe dieses Vergütungsschrittes nahm die Membran eine dauerhafte Wicklung an, so daß sie sogar im ungeschützten Zustand eher eine zylindrische Form beibehielt als eine flache Gestalt. Eine ausreichende Breite des Filmes wurde dann von dem Dorn abgewickelt und entlang seiner Länge geschlitzt, wodurch sich ein Abschnitt ergab, der sich überlappte, sobald er auf den gewünschten Durchmesser eingeschlagen war. Die Membran wurde um ein elastomeres Rohr gewickelt, dessen Außendurchmesser etwas kleiner war als der Innendurchmesser des dauerhaften Stutzrohres, in das die Membran eingesetzt werden sollte. Die eine der sich überlappenden Oberflächen der Membran wurde mit einer dünnen Schicht aus wässrigem PoIyvinylalkohl beschichtet. Das elastomere Rohr und die Membrananordnung wurden dann in das poröse Stützrohr eingesetzt und das eine Ende des elastomeren Rohres wurde zusammengeklemmt, so daß es geschlossen war. Daraufhin wurde in das andere Ende des elastomeren Rohres Druckluft eingeblasen, so daß sich das Rohr ausreichend weit dehnte, um die Membran mit dem poxtfeen Stützrohr in innige Berührung zu bringen. Daraufhin wurde der Druck aus dem elastomeren Rohr entspannt und das Rohr selbst beseitigt, wonach die Membran in dem porösen Stützrohr die enge Berührung mit dem Rohr beibehielt, weil der in der überlappten Zone der Membran vorhandene Klebstoff den grösseren Membrandurchnesser fixierte. Die Enden des Rohres wurden schliesslich mit passenden Fittings versehen, so daß das Rohr in einem Entsalzungssystem eingesetzt werden konnte. In the first step, the surface of the film exposed to the air was facing the mandrel surface. In the course of this tempering step, the membrane assumed a permanent winding, so that even in the unprotected state it retained a cylindrical shape rather than a flat shape. A sufficient width of the film was then unwound from the mandrel and slit along its length, leaving a section which, once tapped to the desired diameter, overlapped. The membrane was wrapped around an elastomeric tube, the outer diameter of which was slightly smaller than the inner diameter of the permanent support tube into which the membrane was to be inserted. One of the overlapping surfaces of the membrane was coated with a thin layer of aqueous polyvinyl alcohol. The elastomeric tube and membrane assembly were then inserted into the porous support tube and one end of the elastomeric tube was clamped together so that it was closed. Compressed air was then blown into the other end of the elastomeric tube so that the tube expanded sufficiently to bring the membrane into intimate contact with the poxtfeen support tube. The pressure from the elastomeric tube was then released and the tube itself removed, after which the membrane in the porous support tube maintained close contact with the tube because the adhesive present in the overlapped zone of the membrane fixed the larger membrane diameter. The ends of the pipe were finally fitted with suitable fittings so that the pipe could be used in a desalination system.
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Das StUtzrohr wurde daraufhin zusammen mit der Membranauskleidung in eine Hochdrucksoleleitung eingebaut, in der Brackwasser mit einer NaCl-Konzentration von 0,5 Qh unter einem DruckThe stub tube was then installed together with the membrane lining in a high-pressure brine line, in brackish water with a NaCl concentration of 0.5 h under a pressure Q
von 42,2 kp/cm zirkulierte. Das gereinigte Wasser, das nur 300 ppm (0,03 1Jo) NaCl enthielt, wurde bei einer Menge von 280 Litern pro Tag und Quadratmetermembranfläche gesammelt.of 42.2 kgf / cm. The purified water, which only contained 300 ppm (0.03 1 Jo) NaCl, was collected at an amount of 280 liters per day per square meter of membrane area.
Die Zusammensetzung der Gießlösung kann etwas variieren. So enthält die Gießlösung vorzugsweise etwa 3,15 % Zelluloseacetat, wobei jedoch ein Weit zwischen etwa 15 und 25 0Jo gewählt werden kann. Außerdem enthält die bevorzugte Zusammensetzung etwa 69,5 % Aceton, wobei dieser Bestandteil zwischen 60 und etwa 80 % liegen kann. In ähnlicher Weise beträgt der Gehalt an Magnesiumperchlorat vorzugsweise etwa 1,65 %, kann jedah zwischen etwa 1 und etwa 2 $ betragen. Die hydrochlorische Säure ist kein notwendiger Bestandteil der Gießlösung, kann jedoch in Mengen bis zu etwa 1 %t vorzugsweise 0,33 $ verwendet werden. Auch Wasser ist nicht erforderlich, vorzugsweise sind aber etwa 5,^7 % in der Gießlösung enthalten. Es darf jedoch, falls dies gewünscht wird, in Mengen bis zu etwa 20 % beteiligt sein. Schwankungen, die außerhalb der soeben genannten Beieiche liegen, haben zur Folge, daß die Membranen entweder schlechtere physikalische Eigenschaften, beispielsweise eine schlechtere Zugfestigkeit, aufweisen oder in ihren Funktionseigenschaften, beispielsweise hinsichtlich ihrer Selektivität und/oder Permeabilität in bezug auf Wasser zu wünschen g lassen.The composition of the casting solution can vary somewhat. Thus, the casting solution preferably contains about 3.15 % cellulose acetate, but a range between about 15 and 25 0 Jo can be chosen. In addition, the preferred composition contains about 69.5% acetone, which component can range from 60 % to about 80%. Similarly, the magnesium perchlorate content is preferably about 1.65 percent, but can be between about 1 and about $ 2. The hydrochlorische acid is not a necessary component of the coating solution, but may be used in amounts up to about 1%, preferably 0.33 $ t be used. Water is also not required, but preferably about 5, ^ 7 % are contained in the casting solution. However, if so desired, it may be involved in amounts up to about 20 % . Fluctuations outside the range just mentioned mean that the membranes either have poorer physical properties, for example poorer tensile strength, or their functional properties, for example with regard to their selectivity and / or permeability with respect to water, are desirable.
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