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L'invention se rapporte aux installations et procc 's pour 1'alectrodia.lyse de liquides dans lesquels des ions d'une solution sont \lil:lin6s en faisant ¯7xss;ar cette solution au ".Oi±18 par une- ceijulc- des cellules adjacentes ')['1' U'le ;.e'21r'ne s81ecL:Lve, et en faisant passer un courani continu en f:(rie dans
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ces cellules.
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re telles installations pour la CI'ô J-'l.r['J5r::.1tt,)'1 électt clin.lytique el e' f'olutiol1f' ou non1' la concenbration de solutions sont connues et on!', (11ft <' 15 décrites va. plusieurs s rc ;, i?1 ;: <* s , CO'Î'lle par eX(3-!!Jle, (''ans le brevet n.Í.1(J'i('nin 11 l.1;.1n5 et dans un article de lli? r t n. ""6;ji e ;., Rt 1:\'. Strauss dans rrl'e7.vt: iv¯ca C1rt'.'.icn. Acta" 23 (19fi.o) p. 795-800.
Il est cr)[1rilli au'?, la ;"Llx'f'1.('C' (l"f ',(','11.t'nn(f; en con LRct
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avec des solutions électrolytiques, il se produit nar le passade de courant électrique continu, un. phénomène (le polarisation qui peut, entre autres, nodifier le PH et accroître ou décroître la concen- tration en électrolytes dans les solutions qui se trouvant à la surface de la membrane, de sorte que la tension sur la surface en question augmente ou diminue, respectivement. Ces phénomènes de polarisation sont amplement traites dans un article de Erich
Manegold & Karl Kalauch dans "Kolloid Zeitschrift" 86 (1939) p.313-329.
Suivant le procédé décrit dans le brevet principal n 495.100, le liquide est pour cette raison, conduit dans la cel- lule d'électrodialyse en un courant turbulent. De cette façon les phénomènes de polarisation sont fortement réduits. Cependant, dès que la configuration géométrique d'une cellule devient telle:nent compliquée, qu'il est impossible d'en calculer le nombre de Reynolds, on ne peut plus déterminer à priori la vitesse de courant à laquelle le liquide sera turbulent, et celle à laquelle il ne le sera nas.
On n'a pas pu faire plus que de reconnaître que le courant turbu- lent est souhaitable (voir Industrial Engineering Chemistry Vol. 47 (1955), p. 50-60 et en particulier p. 59).
Suivant l'invention, on diminue également considérablement la formation de pellicules polarisées, et les modifications locales du PH, en utilisant une vitesse minimum déterminée pour la solution traitée dans une cellule d'une installation d'électrodialyse, en contact avec deux membranes sélectives.
Le but de l'invention est de diriger, la solution à dessa- ler à travers une installation d'électrodialyse à une vitesse telle que le mélange intégral du liquide dans.la cellule d'électrodialyse, soit obtenu uniquement par le courant, afin de limiter au minimum les modifications du PH dans chaque partie des cellules, et surtout pour réduire dans les pellicules de liquide contre les membranes, la formation de couches superficielles à basse concentration électrolytique et à grande résistance.
La vitesse minimum requise à cet
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f''1w i: rwrr :ill' le'll '" l't-",) (.\:J()I1.l' "vi 1;.,;,'(, <':l'j 1:.1 (11](', de r ,'(7¯%T'l..'-"a tion".
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fa le i.'011V(;r'lcnt Chl 11(111'j (:() ert i: ':O :w'.: W,^'i- ni.rT:i.l''7 cette "vitesse ci?1 .1;1,1?.u.v de coo7.nri.sm(;'i¯rmf ro¯ ')(:1)t 1;J".:: {,t-h:l1"';. ont a ôààlii,t '-le baser tlv"()r1.(1l,lC', (lne 1 vitr.;::;;8 crj t1.(I1)(; de clÓPol[1l'if1ation ')ellt être d6±;inie nroif:t9.v.'rc:mt nirl.a formule
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Vcrit = K..t.;; .1¯.¯4'" n .1.2 . CI) (Î*-2.. iii-) e dans laquelle
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v crit la vitesse de courant à lar'uelle la tension car cellule Cr1.t (l'électrodialyse est de 125% <e la tension calculée 'sans polarisation ( #).
K = constante sans dimension.
# = rendement coulomb. i ='densité de courant.
F = Faraday D = constante de diffusion de l'électrolyte dans la solution.
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c = concentration de 7¯' lectrol.yte dans le licuidë d'apport.
L = longueur rnoyenne libre de parcours du liquide le long de 1. me. iMrane dans la cellule (:J'électroc1ie.lyse (1,5 cm).
Ú = épaisseur de la cellule d'éleetrorlia7¯Sse: n = viscosité du liquide à la température de travail. n = ca 1 (semblait être expérimentalement ca 0,8 pour le chlorme de sodium.
C = densité du liquide.
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Suivant 1¯'i¯iwewtion, on 6vitn des modifications localep du PII, et on empêche la forr,mtln1'1 de l')e11 i 11ler "")o10rirccf sur jr. surface des ^c,;,rranor dans une inrtnilation ri'f.J,cctro(l LF1J.;rse, en utilisant un courant turbulent dO1 la vitfr^o est snp/ri "111'e à la vitesce crj +,},nlJ8 de Cl(:'()JJ)ri.'FItl0n, t(11,lJJ (1l1.'iw1:1..c'u/(' ')[11' la for- #:tule ci-dès eus.
T3'j r"t r'ue 1,? (l':'1'n'lrq' "1 '01101": t?i,'n.rj r;u<> do la formule 1 ni, r.'..F3'i¯7-irr"nnni; fr"""l'.(1]l(J l'i.llf1,'F:nr: r101" 7j Î(',:h,,l: teT"')':1" r(" r¯'L':Î'.( ')r'''111n 1';1; w1r"i ;f'in1,". TJ) va dn 'j.r,j (,1l'111'r' : rl r :) '' :] C'Vt0 rc cmi-
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rpiit favoriserait le d"lr)c'..:'':nt'. t 11'to'lf' '0f' ':01][''''-::' ,1,' !-fer '1r.f' des nenbranes et, 1I' t'ptL i C'll'Y1 , 1:; ' ¯¯r717-i7.n ':0 1 c0nc':ntr:t;:f#I dans ces couches.
Le 1X!'lc1cl!'(.m l:; ('ol1',o":h 7 r<<; ; <- .>:fit C,:t1:C: irfJJ1r'r:.r; : un faible rendement CaulO'11) f'J r:-'11 fir; r'ue 1-F, anionp t 1 (.:f' nFsi.rï'v:.' des cellules de ri.nqap:e rC'r7f?Ctj¯'(rf?S '1P;;ent ,. 111' la :. ","h1'é'De r1T1B les cellules de Cl';8ltr'S? '1J:1:; ]o3 '1ellic:l)1(f. ,101 2ri8'ê:S (1'3 F',i.1)ln concentration, ce qui 'ontrrie 11" ,1 ;¯!"i1;.1J.tton de e 18. CO'lC'-l1 t1':"';10n dans les nellicules [:uijerfictel1cf'. t'j. 1;"1 (:0(:rlt1'."d1')n QM sel t plus élev0e, l'[11ort datons verf lr:s coLichs limites 1"121'-"'-7 "81' suite cle la. d3ffusio:l., plus grand que tour une faible concE:nt1'p"tioD; c'ert pour cela oue des concentrations élevées de sel e=oep4cln<nt l'a¯:narition de phénomènes de polarisation.
L'influence de 1 ' 6 j¯o 1 -e.=zept de la membrane, peut être eXDliqu0e nar l'influence de cette i2tanc0 sur l'état du nouvement du licuide dans la. cellule; la longueur libre du parcours du liquide le long 0¯e la !:'!e'r,Drp.n8 ept ir!'ortTntn, du fait que les couches limites contre les membranes sent ;;'''''1.i3eS
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davantage en effectuant le parcours à travers la cellule et cela
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certainernent,si le courant n'est pas totalement turbulent.
L'influence des autres facteurs (ix, D, F,tt.., ') est de ::oin('1'e iplportance, puisque ceux-ci sont constants dans chaque CES détermine. De plus, leur valeur dans les différents cas, ne varie é!1.'E' peu. Ces ouantités sont reprises principalement ;'our obtenir une constante K sans di;ieneion.
Il faut enfin r8'''a.w.uer que l.a valeur 1 dtcr"1in6e ejr:,<ril;ental(I'1ent, n'ef't nas absolument constante t0-L-Lr el; ff-5re:otec instalirtions et des densités de f'Ot1rFènt et de c'o'ICrr¯tra'(ion r,):r't divergentes. Les valeurs calculées 1';lnZ':.'S les exnri#ICGS di#crt environ clo 10'!: de la valeur rro=ren'Ze. n est W,)(1Drl"'Ht imllol'b"1J1t ëI'l1t.Jli p,-'r 1.111'" vitesse 011' 11,-"' soit I)8f' beaucoup 1117.:. .. '1.l'V"¯j nue la Vlf:S >reev Cl'tti.r'1lt' t'0 (;;''Î,.1y:>'i.<;:'ti.on, % 1.à' f'i.,":t1i.finnt utlC' ")r-rte (1'/'1r'rr:ie.
--Cc-ci ry.-t f'11rt(JUt t"[101"';:'I' r-i n1[ tl i i?.'Î cr ,1,, ("J 11.,1 i3';r¯ " " (' 'n.rie l.iT",F) t r 7 1. ' "' nii,. . l.,r,< 1 C"""Il. 11 es U'" t!10VVeJ1\E>P"
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turbulent complet du liquide ne peut être' obtenu qu'avec une grande énergie de po'npage.
Théoriquement, un courant de'liquide est complètement turbulent lorsque la diminution de tension -6 p dans le sens d'écoulement d'un liquide, est proportionnelle au carré de la vi-. tesse du liquide V, donc si /, p # v2. Pour un courant purement laminaire on écrira; ¯ p # V.
En pratique, cette proportion quadratiquepeut à peine être réalisée et, on appelle turbulent tout courant dont l'exposant de V est supérieur à I. Pour un tube rond à paroi lisse, on obtient une turbulence totale, si le nombre de Reynolds est supérieur à 4.000, ce qui correspond plus ou moins à un exposant de V compris entre 1,8 et 2.
;
Si l'on utilise comme cellule d'électrodialyse une cel- lule très étroite et plate"avec un écartement de membrane de par exemple 1 mm, la vitesse V doit être très élevée pour dépasser le nombre de Reynolds critique.
Cependant, il n'est pas possible de calculer le nombre de Reynolds critique si, dans une telle cellule on introduit des corps qui influencent fortement le courant. '
Dans une cellule plate pourvue d'organes d'appui pour les membranes qui influencent le courant de liquide dans la cellule, la vitesse du liquide est dans chaque cas directement proportionnelle à la différence de pression, donc ¯ p # V, aussi longtemps que la vitesse du liquide est très faible, Si l'on augmente cette vitesse on a atteint rapidement un état dans lequel le rapport entre la vi- tesse et la diminution de pression dans la cellule, n'est plus tout à fait linéaire, et, à des vitesses très élevées, le rapport atteint le carré, donc ¯ p # V2.
Si le-liquide à déminéraliser est dirigé comme .courant laminaire pur dans une cellule de dessalage, il se produit toujours des phénomènes de polarisation sur la membrane. Ces phénomènes de polarisation élèvent la pression de la cellule et odifient le PH
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dGF couches limiter et. ,,y>,jir,< v,,iJ w;t7j'yj "';f ri ")!) 1." . FI]-.: (l': "'; r18tj 'r0S (,(\R.n;11.1:mt"s, rur 1.a;. w-atlrnoc.r.. C'-f ,'tu:' .' :r r. - ol = T' 7.. tison n'D'1ppr:l:i.8Sent nar du tout, ou f' '11] "',]('Ot ;>>rE4.,;1-1;;> ¯1t, t:-1. 1 dialyrrrnt est en pleine ce (111 <1 ..ir u!(, c-v1,7-. (lr" fol""c f:00r(tric!uc si]1l1)l., d.ut C'hro 'jAr-IJJI ('f) l' ( (-j-r-.n+ l7je vri. t c> si r <= supérieure au nor.tb1'.:-; de Iieynol<.1s crittrl1w.
Tout-f'o-I r, ci 1- f-r:r=.de la cellule est couJ3rlz?e, on ne ncat dire rue chaque rouar::rt turbulent provoque par une vitesse (le courant 4mnt i e 1'e-',')l)r-r, entre la vitesse du liquide et la diminution de nresrion n'0f:t opus 1,in±=-.i,re, soit en 11le8Ure de diminuer effectivement ces oh±non4#es ce polymérisation, nais la vitesse doitêtre au r-oins (.;:o-ale 2 a vitesse
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critique de dépolarisation indiquée dans la formule. Le Tableau 1
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montre la valeur de Il détemninée eX'9érimentaler:ent, dans une f0rie d'ssais avec des solutions aqueuses de chlorure de sodiupi de concentration, de densité de courant et de largeurs de cellules diffé-
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rentes.
Le Tableau II indique la consommation d'énergie dater-
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f1in:<e expérimentalement 1]our le des salage dans les conditions des expériences n 1, 1., 6 et 10 du Tableau I, et la consomption correspondante d'énergie Dour d'autres valeurs de vitesse de cour8D nais dans des conditions sinon icent3.rues. Il ressort de ces donniez que pour un accroissement considérable ('e la vitesse de courant audessus de la valeur Vcrit il n'y a nas, ou presaue nes, d'avantages ruant à la consommation d'énergie, tandis nu'une dininution consi-. dérable de la vitesre en-deçà de cette limite, éH10"!Y1en-r,e fort0''1t la corsf)1!'.r.1ation d'Óner;;¯8. Une augmentation inutile due J 8 v:i.tE'se è"C011! ,it provoque cependant une nerte CI ('E1DS les o-nes.
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J.LBIJ':.0-U 1-
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Cotrtion Denpifp Distrncp cr.i/sec. K C l ('1) 1 n c'e courant entrp les en volts (mesure) COU10!!lb suivant 'la en r/cM2 llli/=Àà.àl# me]lbr8.nes C<J1C"l- Couloib forjj-ule 1 en mm ¯ ¯ ¯¯¯ ------- ---- zC,500 100 1,6 ou 2,55 o,g o,42 :Lé-0 " 0,47 2,55 Il 0j38 9 60 '0,48 2,70 0,3$ 4. If 100 " 0,81 4,00 Il O ; 38 120 " 0,97 4,40 Il O , 3.6 5 , 7Qo 60 " o,8± 4,±,o c, ,85 0,42 100 11 1,40 . bzz il 0,36 1 , ?,S 5 Il bzz 1,60 0,75 0,3/.
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ssL N Vite:;se rt'la- itee (I) r'n,}!''i.;- tivp (ii¯/1/,) (c,'/sec.) (1W(ltlt'!' (1':]p('1 /].J- il:
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<tb> 1 <SEP> 1/2 <SEP> 1,28 <SEP> 0,0407
<tb> " <SEP> 1 <SEP> 2,55 <SEP> 0,0151
<tb> " <SEP> 2 <SEP> 5,10 <SEP> 0,0121
<tb> " <SEP> 6 <SEP> 15,3 <SEP> 0,0121
<tb> 4 <SEP> 1/2 <SEP> 2,00 <SEP> 0,0712
<tb> " <SEP> 1 <SEP> 4,00 <SEP> 0,0315
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<tb> " <SEP> 2 <SEP> 8,00 <SEP> @ <SEP> 0,0252
<tb> " <SEP> 6 <SEP> 24,00 <SEP> 0,0252
<tb> 6 <SEP> 1/2 <SEP> 2,20 <SEP> 0,0873
<tb> " <SEP> 1 <SEP> 4,40 <SEP> 0,0346
<tb> " <SEP> 2 <SEP> 8,80 <SEP> 0,0277
<tb> " <SEP> 6 <SEP> 26,4 <SEP> 0,027
<tb> 10 <SEP> 1/2 <SEP> 0,0277
<tb> " <SEP> 1 <SEP> 8 <SEP> 0.119
<tb> " <SEP> 2 <SEP> 16 <SEP> 0,0956
<tb> " <SEP> 6 <SEP> 48 <SEP> ' <SEP> 0,0956
<tb>
Si on veut diminuer considérablement la teneur en électrolytes, la solution d'électrolytes doit être dirie plus
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d'une fois dans la cellule d' 41ectrotjj alyse d'une il2staß;
¯tior¯ c'lectrodialyse, et ce, une vitesse qui ne soit nar inf4riùure à la vitesse de d1')olarisation, pour pouvoir obtenir une déminéralisation suffisante. Cela consiste .faire rer.9¯rculor cn narti.e la. solution d'électrolyte de .-a,niôre que la CjuElJ:1ti.tA de 80lt'..tj on ,'1' (;10ctr0lyte recvc10e dans leinstallatinn, soit de nrc5fcx '¯,cc ('on:::j el l"l'1'hl('ment '11us 1 evr nua la c:!'lU'ntit0 0111. n'én rnt:i e.
Dans beaucoup (le cis, In rccristaliif (le la solution d'rlectrolyte est 1 <<aii iÀe nnr 7.'arrounJ¯<onrnt ,1'un roui on:1,'1'c11 avec des annareils on si1'i.0, (1" l:<;1.1.e 1>,ril >i.e f'91'l'1r1 C011.1'[1(' 1-, (1(\ sol\1- '-1",.., 0"1.cctrol,!tp nnit c97L,. ,I:IYI un ,xr.-:icr npnarril "11-1" ..,()1''"
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avoir etd trait('-, dans une "0r(1'1:rè installa bien, ri7.J'., <;fi 11:1( -r,rti.r; ajoutée cl l'alimenbabion, et en une autre; parti'; r7j.l''¯.: '"h'tS un deuxième appareil, dans lenuel se poursuit le CIE:r;'vLZ.c.F',':, C7U rn.n.'fs cette autre partie, Et1)rès avoir (et(, traitée dans le c1on:rif'.l(;
C''1,,:r"reil est divisée en une trolsiotfie partie ,J.j(JUt',; 'la '.':1):'u .t:r" ':C'0rlC recyclée dans le deuxième [t1)PHre11.. f-t 0( j LU1t3 (!11é.ttri)r';; '.'3r''[;1-? cul constitue la r'i .ih s 1;<a n c finale dÓ8f:al(r...
Pans certains cas.. Z.Q'CFC111'On désire un 3.CC?'O'Lr,^r. nra ou une diminution considérables de la teneur en f;10ctroJ7rto? de la solu-bion,l on peut accoupler un nlms .si1 and nombre èl.' 1n::ta1J.;] tio'1E:, comme indiqua 'oour'ies deux installations.
Tant la solution d'electrolyte à dch:lin0r8.1iser, que la solution dans laauelle la concentration de 1'Álect1'01yte 9f't 8.11<7- lente, meuvent être recueil.lias de cette manière et diriges dans plus d'un appareil. Si l'on veut .obtenir de .l'eau potable à partir d'eau de mer, on utilisera une grande quantité de cette'eau de mer
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C 1"iie liquide de 'rinçage. Il n'est alors f8néralement pas nccessai- re de faire recirculer le liquide de rinçage. Toutefois si l'on veut obtenir de l'eau potable à. partir d'eau saumâtre qui n'est disponible qu'en quantités limitées, il est recommandable de recirculer aussi hien la. partie de l'apport qui sera déminéralisée que la partie servant comme liquide de rinçage et d'utiliser alors l'accouplement en série des appareils.
La turbulence du liquide peut être facilitée par des moyens influençant entre les membranes l'état de mouvement de la solution en contact et se trouvant entre deux membranes s déclives d'une
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cellule èl.' plectrodialrs8.. et qui provoque localement la turbulence dans le liquide.
Les moyens précités peuvent être constituas par des or- panes en forme de grilles comme décrit dans le brevet principal
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n" *95.100, mais aussi nar d'autres rlirP?ritifs servant c16 séparateur pour les membranes, et également susceptible de favoriser la turbulence du liquide dans les cellules de dialyse, et de limiter la
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formation de )'21].i.(,1Jl;"";' .¯... ¯ ¯ . '- 1"t '1# :=: >.1 .- .7; 1.. ;=: = = i-'': f>:.;.c! .-'"r"¯ sont par e:;.E"".;Ir)1f' le.? ,(3 :i.r'("1l:
Cor. ':"1] /:.:" ,.',:..<;.., ( '-<i. -.-.i# '::^'â.'^' 1. s o i¯ an t e , décrites (;t;1C" J. 1)"i:V'¯-'-, ;J'-1'-'"'-1:¯ 5J>4)..1 '.':lt,4:;f' ¯¯e dellX :l=1:'bra11es ne T ^,:1 (j1:1> 1'' ;-\.l'" "'. <h . - . ''-''" "-=-:- 7P i 1>1 ... ? . <' rirez l'installatio11 a-t;C!t'.¯! :'!";i: t: .. 1:. # 1 f. ; ; i,,; # -. - i ' #- ; . ; : :':: ::--':.J.1-::.;.
P . - ç.' ,r 1... 'r rf .. , ; '1' 1 '..
I'O" t. i-t' 'i=.'^.¯. ' ',j:.1" Î .' ' r ç..( ; .; . ;? f s.. 7 -¯. ;-. "'<- '1 ±¯ ; j % ] é: . ' suivant le brevet o r 0> 1 #-. -'.. : ': , 1) t tt'-,-1¯-' ¯ , ''""" '''':;':.1¯1.:::J r¯-1JT.:'"-'-:- =W¯ C":'¯' 6iD.'2.:re, le i¯y177.a.. - ,:-1". ,.\ F 1 . -. <- < - : - :: i. <.T -. - .¯¯ # ..... =. ==. 1- :¯j.r.'1]-!::C è- ' t 'e trc( i H 1;".' e c5 r:' .f'¯.'.. ¯ ¯ ¯< ¯.¯¯ ,¯ (-', :"1 f¯" e ""l;- i E -.'" '..:-; "<: .-, ::: 2.1.: .. = - n 1 % T (;,118 le cour:'.;.'- - "!-,--..' 1';:, .,1,:C':". '-:r' ::-:r¯'.1¯ i !..; ; i=- ..... =- 4; , le 11- <- o o 4 (tp,.l tli i 1":5. ,. -1.' 1 .: -r 5- -!- ,:. r" "-: :::-. - .. T""..-: '.J>-=: 2¯f'-- "fl. -::.c.; ''-';-: ,,!?'j t- -.,.
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