DE3517864A1 - Verfahren zur umwandlung halogenhaltiger toxischer substanzen - Google Patents
Verfahren zur umwandlung halogenhaltiger toxischer substanzenInfo
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Description
University of Southern California, University Park, Los Angeles, CA 90007, V.St.A.
b Verfahren zur Umwandlung halogenhaltiger toxischer
Substanzen
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der organisehen
Chemie und insbesondere die Entgiftung von schädlichem Abfall.
Die Beseitigung des Abfalls der chemischen und Agrochemischen Industrie und anderer Industriezweige ist
derzeit ein großes Problem. Insbesondere gibt es viele chemische Abfallstoffe, wie halogenierte Kohlenwasserstoffe,
die nicht biologisch abbaubar sind und daher entweder in sicheren, spezialisierten Gebieten gelagert
oder in speziell hierfür errichteten Reaktoren unschädlieh gemacht werden müssen.
Beispielsweise sind schon Anlagen zum Abbau halogenierter Kohlenwasserstoffe, insbesondere zur Entgiftung von
Polychlor-biphenyl-Verbindungen (PCB) entwickelt worden, deren Errichtung in den USA aber seit 1976 nicht fortgesetzt
wurde, weil diese Verbindungen zu schwer abbaubar sind und ökologische Schäden verursachen. Große Mengen
solcher Verbindungen werden aber gelagert und stellen eine beträchtliche Umweltgefährdung dar.
Bei einem der entwickelten Verfahren wird organischer Abfall bei etwa 10000C verdampft und vollständig oder
teilweise oxidiert. Unverbrennbare Asche wird direkt aus der Reaktionskammer ausgebracht, während Abgase durch
eine Sekundärverbrennungskammer von etwa 12000C geführt
werden, um den thermischen Abbau der Verbindung zu be-
enden. Dieses Verbrennungssystem hat jedoch den Nachteil, daß zwei Verbrennungskammern erforderlich sind und für
jede dieser Kammern ein beträchtlicher Energieeinsatz erforderlich ist und daß außerdem die Anwesenheit von halogenierten
Kohlenwasserstoffen im Abgas nicht vollständig verhindert werden kann. Offensichtlich wird in dieser Anlage
und anderen früher verwendeten Anlagen, in denen halogenierte Kohlenwasserstoffe in Gegenwart von Luft
verbrannt werden, in der Verbrennungskammer freies Chlor gebildet, das dann im Abgas halogenierte Kohlenwasserstoffe
reformiert. Wenn also der anfänglich anwesende Schadstoff tatsächlich durch diese Umsetzungen abgebaut
wird, ist doch jeder halogenierte Kohlenwasserstoff gefährlich, und Produkte, wie chlorierte Kohlenwasserstoffe,
die sich in den Verbrennungskammern in Anwesenheit von freiem Chlor bilden, verhindern die Erzeugung
unschädlicher Umsetzungsprodukte. Da aber das gebildete Produkt nicht sauber ist, muß es erneut verarbeitet und
getestet werden, und das "schmutzige" Produkt muß so lange eingekapselt und gelagert werden, bis ein besseres
Verfahren zur Verfügung steht.
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Beseitigung
halogenhaltiger organischer Verbindungen, wie Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform, Trichlorethan, Tetrachlorethylen,
Methylenchlorid, die verschiedenen Freons, polychlorierten Biphenylen, Dioxinen u.a., durch Umwandlung
in Verbindungen, die keine Umweltgefährdung darstellen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Umwandlung halogenhaltiger organischer Verbindungen in nicht-umweltschädliche
Stoffe, das darin besteht, daß die Verbindung in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur
in dem Bereich von etwa 825°C bis 11250C pyrolysiert wird. Insbesondere wird die Reaktionstemperatur durch
Verbrennen von Methan mit Sauerstoff erzeugt, wobei das Methan in stöchiometrischem Überschuß über die zur Umsetzung
mit dem Sauerstoff erforderliche Menge eingesetzt wird, so daß die reduzierende Atmosphäre gebildet
wird.
Die reduzierende Atmosphäre kann hergestellt werden, indem man Methan und die umzusetzende Verbindung in einem
Reaktionsbehälter aus feuerfestem Material miteinander vermischt, nachdem die Verbindung verdampft worden ist.
Die erforderliche Temperatur kann durch am Reaktionsbehälter angeordnete Heizvorrichtungen oder durch Verbrennen
des Methans mit begrenzten Mengen an Sauerstoff innerhalb des Reaktionsbehälters erzeugt werden. Dabei
muß jedoch das Methan in stöchiometrischem Überschuß über die zur Umsetzung mit dem Sauerstoff gemäß der Formel
CH4 + 2O2 >
CO2 + 2H2O
erforderliche Menge anwesend sein. Unter diesen Bedingungen werden die Halogen-Kohlenstoff-Bindungen aufgebrochen
und beispielsweise alles Chlor zu Chlorwasserstoff umgesetzt, und alle orcranischen Verbindungen werden in Gemische
von Wasserstoff, Ethylen, Acetylen und Benzol mit geringen Mengen an Kohlenstoff und höheren Aromaten umgesetzt.
Da im Reaktionsbehälter kein SauerstoffÜberschuß vorhanden ist, werden Dioxine und andere chlorierte Kohlenwasserstoffe
nicht erzeugt oder reformiert. Der Chlorwasserstoff kann vom Abgas nach geeignetem Wärmeaustausch
mit Wasser, Alkali, Kalk oder einer allgemein basischen Wäsche, abgestreift werden, und die Kohlenwasserstoffe
und Kohlenstoff können als Brennmaterial oder für chemisehe Zwecke verwendet werden.
Die reduzierende Atmosphäre kann natürlich auch mit anderen Reaktanten als Methan, beispielsweise mit Wasserstoff,
erzeugt werden; jedoch ist Methan leicht erhältlieh und einfacher zu verwenden, so daß in der folgenden
detaillierten Beschreibung immer Methan genannt wird.
Die Zeichnung veranschaulicht das Verfahren gemäß der Erfindung schematisch und als Beispiel und zeigt eine
Vorrichtung, die sich zur Durchführung dieses Verfahrens eignet.
Die abzubauenden Verbindungen werden in einer reduzierenden Atmosphäre etwa 1 Sekunde lang auf eine Temperatur
von wenigstens 10000C erhitzt. Der Reaktor kann von
außen, beispielsweise mittels einer Methan-Heizvorrichtung oder dergleichen, oder von innen durch Verbrennen
von Methan oder einem anderen Brennstoff mit Sauerstoff unter Verwendung eines Überschusses an dem Brennstoff,
so daß die zugesetzte chlorhaltige Verbindung einer reduzierenden Pyrolyse unterworfen wird, aufgeheizt werden.
Alternativ kann das reduzierende Gemisch (Brennstoff im Überschuß und organische Halogenverbindung) mit dem
oxidativen Erhitzen alternieren, so daß die Abgase der alternierenden Verfahren getrennt voneinander gehalten
werden können.
Insbesondere wird ein Reaktor 10 mit einem gasundurchlässigen Gehäuse 12 vorgesehen, der eine langgestreckte
Reaktorkammer oder -zone 14 begrenzt. Da der in der Zone 14 erzeugte Chlorwasserstoff korrosiv ist, muß das Gehäuse
12 einen Innenüberzug aus Keramik, wie Aluminiumoxid, Siliciumdioxid oder dergleichen oder Metallcarbid,
-morid oder -nitrid aufweisen. Der Reaktor 10 weist an einem Ende 15 eine Gaseinlaßleitung 16 zur Einführung
von Methan in ein erstes Einlaßrohr 18 und einen zweiten
Gaseinlaß 20 zur Einführung von Sauerstoff in das Rohr 18 auf. Die Gaseinlaßleitungen 16 und 2 0 weisen Strömungsmeßventile
22 bzw. 24 zur Steuerung des Zustroms von Methan und Sauerstoff in das Rohr 18 und danach zu
einem Brennerauslaß 26 innerhalb der Zone 14, so daß das erforderliche oxidative Erhitzen darin erfolgen kann,
auf. Mit einer Flammtemperatur von etwa 1625 bis 21000C
wird im allgemeinen eine ausreichende Wärme erzeugt. Eine Buchse 28 ist am Ende 15 durch die Reaktorwand geführt
und dient der Aufnahme elektrisch leitender Drähte 30 und 32, die zu einem Widerstandsdraht 34 innerhalb der Reaktionszone
14 nahe dem oxidativen Heizende 26 führen. Alternativ kann eine Funkenspirale oder eine andere Zünd-
Ib einrichtung verwendet werden.
Der Reaktor 10 weist auch einen Einlaß 36 zur Einführung der Halogen enthaltenden Verbindungen oder Abfallmaterialien
in ein zweites Einlaßrohr 38 sowie Einlaßleitungen 4 0 und 42 zur Einführung von Methan bzw. Wasserdampf
auf. Die Einlasse 35, 40 und 42 weisen Ventile 44, 46 und 48 zur Steuerung der Strömung der verschiedenen Gase
durch das Einlaßrohr 38 zu einem Auslaßende 50 in der Zone 14 auf. Das gegenüberliegende Ende 52 des Reaktors
10 ist mit einem Auslaß 54 zum Ausbringen von Produktgasen aus der Zone 14 ausgebildet und weist ein Auslaßmeßventil
56 auf. Vorzugsweise wird die Reaktion so geführt, daß das Produkt nach der für die Umsetzung erforderlichen
Verweilzeit von im allgemeinen 2 bis 5 Sekunden abgezogen wird. Die Einlaßventile 22, 24, 46, 48 und
68 und das Auslaßmeßventil 56 werden daher so eingestellt,
daß in der Zone 14 etwa Atmosphärendruck beibehalten wird. Durch Einstellen dieser Ventile kann aber der Durchsatz
so erhöht werden, daß innerhalb des Reaktors 10 überatmosphärischer
Druck herrscht.
Zum Steuern der Temperatur in der Zone 14 sind Wärmeaustauschmittel
58 vorgesehen, die in diesem Fall Isoliermittel zur Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur
in der Zone 14 sind. Alternativ können die Wärmeaustauschmittel 58 aus Methan-Heiζeinrichtungen (nicht gezeigt)
zum Heizen des Gehäuses 12 und der Zone 14 von außen bestehen. Alternativ können die Mittel 58 auch aus
elektrischen Heizschlangen oder Kühlschlangen verschiedener Art bestehen. Um die Steuerung der Temperatur in
der Zone 14 zu unterstützen, kann auch Wasser vom Einlaß
42 in das Rohr 38 eingemessen werden, um das oxidative Erhitzen in der Zone 14 zu dämpfen.
Die Zeichnung zeigt auch eine Wasch- und Trennstation 60 zum Fraktionieren der Reaktionsprodukte sowie Leitungen
62 und 64 zur Förderung der dehalogenierten Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffabfall bzw. Chlorwasserstoff
zur Lagerung oder Ableitung. Die Station 60 weist auch eine Leitung 66 zur Rückführung irgendeiner der Verbindungen,
die nicht dehalogeniert wurden, durch ein Meßventil 68 zu dem Einlaßrohr 38 zur erneuten Umsetzung
auf.
Beim Betrieb werden abgemessene stöchiometrische Mengen
an Methan und Sauerstoff durch die Einlaß leitungen 16
und 20 in das Einlaßrohr 18 geführt, worin die Gase sich vermischen und zum Ende 26 und von dort in die Reaktionszone 14 strömen. Abgemessene Mengen an der zu dehaloge-
nierenden Verbindung werden durch das Einlaßrohr 36 in das Rohr 38 zusammen mit einer ausreichenden Menge an
Methan, die durch die Leitung 40 eingeführt wird, geführt, so daß der Brennstoff im stöchiometrisehen Überschuß zugeführt
und dadurch in der Zone 14 eine reduzierende Atmosphäre hergestellt wird. Wasser kann erforderlichenfalls
durch die Leitung 42 zugeführt werden, um die Tem-
peratur in der Zone 14 zu steuern. Nach der Einführung
der brennbaren Mengen an Methan und Sauerstoff oder Luft in die Zone 14 werden die leitenden Drähte 30 und 32 mit
Strom versorgt, so daß der Widerstandsdraht 34 so zum Glühen gebracht wird, daß er das Gasgemisch am Zusammenfluß
hinter den Austrittsenden 26 und 50 zündet. Alternativ kann ein Zündfunke oder eine andere Zündeinrichtung
verwendet -werden.
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10
Zur Einführung der angegebenen Gase in die Zone 14 können verschiedene Methoden und Vorrichtungen verwendet
werden. Beispielsweise kann ein stöchiometrisches Gemisch aus Brennstoff und Sauerstoff durch einen ersten Einlaß
und überschüssiger Brennstoff bzw. die Verbindung durch einen zweiten und einen dritten Einlaß direkt in die
Zone 14 eingeführt werden. Auch können Brennstoff, Sauerstoff
und die Verbindung getrennt oder durch einen einzigen Einlaß eingeführt werden. Vorzugsweise wird das Abgasgemisch
bzw. werden die Verbindungen erforderlichenfalls analysiert und homogenisiert, bevor sie in die Vorrichtung
10 eingeführt werden. Das kann erforderlich sein, um sicherzustellen, daß die Menge an anorganischen Verbindungen
nicht zu hoch ist. Beispielsweise werden zweckmäßig gewisse nicht-toxische, wasserlösliche Materialien,
wie Salz und Kalk, nicht in größeren Mengen eingeführt, da diese Materialien mit der hitzefesten Auskleidung unter
Bildung eines glasartigen Überzugs, der die thermische Effizienz des Gehäuses 12 verringern kann, reagieren
können. Auch wird vorzugsweise die Verbindung in gasförmigem Zustand, erzeugt durch das Erhitzen und/oder
die Verdampfung von Abfluß, der in flüssiger oder fester
Phase vorliegt, in die Leitung 36 eingeführt.
Außer aus Halogenwasserstoffen besteht der Abfluß aus
der Reaktionszone 14 zu einem großen Teil aus der de-
halogenierten Verbindung sowie aus geringen Mengen an weiteren Verbindungen und Elementen. Beispielsweise können
bei dem Verbrennungsprozess Wasserdampf und Kohlenoxide gebildet werden, und auch Oxide von Schwefel werden
gebildet, wenn Schwefel in der Verbindung anwesend ist oder in anderer Form in die Zone 14 gelangt. Wenn
als eine Sauerstoffquelle Luft verwendet wird, werden die nicht-verbrennbaren Komponenten oxidiert, beispielsweise
zu Oxiden von Stickstoff . Alle diese Oxide, die in Wasser löslich sind und in wäßriger Lösung sauer reagieren,
können zusammen mit dem Chlorwasserstoff in der Wasch/Trenn-Station 60 von dem Abfluß entfernt werden.
Außer den oben genannten Reaktionsprodukten können auch kohlige Verbindungen gebildet werden, entweder durch den
Abbau des dehalogenierten Kohlenwasserstoffs oder aus
begleitenden Verunreinigungen. Beispielsweise werden Ethylen, Acetylen und höhere Kohlenwasserstofffe, sowie
etwas Kohlenstoff in der Form von Ruß erzeugt. Kohlenstoff, der sich innerhalb des Reaktors bildet, kann
periodisch oxidiert und entfernt werden, indem man Luft bei Temperaturen über 6750C durch den Reaktor führt.
Bei Anwendung des obigen Verfahrens erfolgt die Umsetzung sehr rasch und ist im allgemeinen innerhalb
einiger Sekunden beendet. Vorzugsweise wird eine Verweilzeit in der heißen Zone des Reaktors von 2 bis 10
Sekunden eingehalten.
Die Reaktionsprodukte werden, wie beschrieben, an der Wasch/Trenn-Station 60 getrennt und gewonnen. Verfahren
und Vorrichtungen zum Abtrennen von Chlorwasserstoff und anderen wasserlöslichen Gasen von Kohlenwasserstoffen
sind bekannt, wozu beispielsweise auf die US-PS 2 488 083, Gorin et al, verwiesen wird. Für die Ab-
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trennung leichter Gase von dem Reaktionsprodukt können
auch Fraktioniereinrichtungen verwendet werden.
Die Reaktion erfolgt durch Spaltung von Kohlenstoff-Halogen-Bindungen
in einer reduzierenden Atmosphäre und demzufolge unter Erzeugung von Halogenwasserstoffen und
dehalogenierten Kohlenwasserstoffen. Bei den hier beschriebenen Reaktionen wird Chlorwasserstoff durch Abbau
bestimmter chlorierter Kohlenwasserstoffe, Tetrachlorkohlenstoff
und Chlorbenzol gebildet, da diese Verbindungen als Beispiele für das beschriebene Verfahren
gewählt wurden. Andere halogenierte Kohlenwasserstoffe haben schwächere Kohlenstoff-Halogen-Bindungen oder werden
durch einen Mechanismus dehalogeniert, der niedrigere Aktivierungsenergien erfordert als die oben genannten
Verbindungen.
Den Methoden zum Analysieren komplexer Kettenreaktionen, wie sie von Benson in Foundations of Chemical Kinetics,
McGraw-Hill (1960), beschrieben sind und den in Kinetic Data on Gas Phase Unimolecular Reactions, die von Benson
et al in NSRD, NBS, 21, 1970, beschrieben sind, kann entnommen werden, daß Tetrachlorkohlenstoff der chlorierte
Kohlenwasserstoff ist, der am leichtesten pyrolysiert werden kann, während Chlorbenzol der am schwierigsten zu
pyrolysierende chlorierte Kohlenwasserstoff ist. Andere chlorierte Verbindungen, wie Chloroform, Trichlorethan,
Tetrachlorethylen, Methylenchlorid, polychlorierte Biphenyle und Dioxine haben Kohlenstoff-Halogen-Bindungsenergien,
die zwischen denjenigen der als Beispiele gewählten Verbindungen liegen und können daher nach dem
Verfahren der Erfindung dehalogeniert werden. Außerdem werden jodierte und bromierte Kohlenwasserstoffe bei
niedrigeren Temperaturen abgebaut und in nicht-halogenierte Kohlenwasserstoffe und Jodwasserstoff und Brom-
wasserstoff umgewandelt und zwar bei Temperaturen von etwa 2000C bzw. 1000C unter denjenigen, die mit Bezug
auf die chlorierten organischen Verbindungen angegeben werden.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung.
Unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie schematisch in der Zeichnung gezeigt ist, wird Tetrachlorkohlenstoff
mit Methan in einer durch Verbrennen von Methan in Sauerstoff geheizten Reaktionszone pyrolysiert. Das Methan
ist in stöchiometrischem Überschuß über den Sauerstoff anwesend, so daß eine reduzierende Atmosphäre erzeugt
wird, und das Verhältnis von Tetrachlorkohlenstoff zu Methan wird bei etwa 3:1 gehalten; etwa 25 Gew.-% sind
Tetrachlorkohlenstoff. Der Reaktor wird bei etwa 10250C
gehalten und der Durchsatz wird so eingestellt, daß die Verweilzeit etwa 3 Sekunden beträgt. Der Abfluß enthält
Ethylen, Acetylen, Benzol, Wasserstoff und einige höhermolekulare Kohlenwasserstoffe sowie etwas Kohlenstoff in
der Form von Ruß. Er enthält das gesamte ursprünglich als Tetrachlorkohlenstoff eingeführte Chlor in der Form
von Chlorwasserstoff, d.h. das austretende Gasgemisch bestand
zu etwa 65 Mol-% aus Chlorwasserstoff.
Dieses Beispiel wurde als typisches Beispiel für eine aromatische chlorhaltige Verbindung Chlorbenzol gewählt.
Außerdem ist Chlorbenzol bekanntlich diejenige chlorhaltige organische Verbindung, die am schwierigsten zu
pyrolysieren ist. 2 Mol (etwa 21 Gew.-%) Methan wurden je Mol Chlorbenzol verwendet, und die Gase wurden mit
einer Temperatur von 11250C bei einer Verweilzeit von
-14-
etwa 3 Sekunden durch eine Reaktionszone geführt. Der Abfluß enthielt hauptsächlich Benzol und Ethylen und das
gesamte Chlor als Chlorwasserstoff. Weitere Produkte waren
Acetylen, Wasserstoff, schwerere ungesättigte Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoff.
Die Erfindung besteht also in einem Verfahren zum Abbauen von halogenhaltigen Verbindungen, das einfach in seiner
Durchführung, wirtschaftlich und effizient ist und in dem das gesamte Chlor in Chlorwasserstoff, der leicht
abtrennbar und neutralisierbar ist, übergeführt wird.
Claims (11)
1. Verfahren zur Umwandlung einer halogenhaltigen organischen
Verbindung, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verbindung in einer reduzierenden
Atmosphäre bei einer Temperatur von wenigstens 8250C pyrolysiert, so daß als ein Bestandteil des Abgases
ein Halogenwasserstoff in praktischer Abwesenheit halogenierter
Kohlenwasserstoffe gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die reduzierende Atmosphäre in einer Reaktionskammer aus einem Gemisch von Methan
und Sauerstoff gebildet wird, wobei das Methan im stöchiometrischen
Überschuß über die Menge, die zur Umsetzung gemäß der Formel
CH4 + 2O2 > CO2 + 2H2O
erforderlich ist, eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung Tetrachlorkohlenstoff,
Chloroform, Trichlorethan, Tetrachlorethylen, Methylenchlorid, ein polychloriertes Biphenyl
oder Dioxin ist und das Abgas Chlorwasserstoff in Abwesenheit chlorierter Kohlenwasserstoffe enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur bei
10250C bis 1125°C gehalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbindung Tetrachlorkohlenstoff
oder Chlorbenzol ist.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet
, daß man die Temperatur bei 1025 bis 1125°C hält.
7. Verfahren zur Umwandlung einer halogenhaltigen organischen
Verbindung, dadurch gekenn zeichnet, daß man
die Verbindung in der Gasphase in das erste Ende einer einzigen Reaktionskammer mit einer Temperatur
von 825 bis 11250C einführt;
in dieser Reaktionskammer eine reduzierende Atmosphäre aufrechterhält und das Halogen der Verbindung in
Halogenwasserstoff überführt; und die umgewandelten Gase, die einen Halogenwasserstoff,
jedoch keine halogenierten Kohlenwasserstoffe enthalten, von einem zweiten Ende der Reaktionskammer
abzieht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß man Sauerstoff und ein
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brennbares Gas in solchen Mengen in die Reaktionskammer einführt und verbrennt, daß die erforderliche Temperatur
eingestellt wird, wobei die eingeführte Menge an Sauerstoff geringer ist als die stöchiometrisch zur Oxidation
der Gase in der Reaktionskammer erforderliche, so daß die reduzierende Atmosphäre gebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung eine
chlorierte organische Verbindung ist und das Abgas Chlorwasserstoff, jedoch keine chlorierten Kohlenwasserstoffe,
enthält.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindung Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform, Trichlorethan, Tetrachlorethylen,
Methylenchlorid, polychloriertes Biphenyl oder Dioxin ist und das Abgas Chlorwasserstoff, jedoch keine·
chlorierten Kohlenwasserstoffe enthält.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbindung Tetrachlorkohlenstoff
oder Chlorbenzol ist.
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