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CO2吸收材料的研究进展_郑修新

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CO2吸收材料的研究进展_郑修新 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2012 年第 31 卷第 2 期 ·360· 化 工 进 展 CO2吸收材料的研究进展 郑修新 1,张晓云 1,余青霓 2,赵 蓓 1 (1中国石油大学(华东)化学系,山东 青岛 266555;2航天医学工程研究所,北京 100094) 摘 要:全球变暖已成为当前困扰人类生存和发展的重大障碍,因此,CO2 吸收材料的研究成为了当前科学研究 的热点。本文介绍了 CO...
CO2吸收材料的研究进展_郑修新
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2012 年第 31 卷第 2 期 ·360· 化 工 进 展 CO2吸收材料的研究进展 郑修新 1,张晓云 1,余青霓 2,赵 蓓 1 (1中国石油大学(华东)化学系,山东 青岛 266555;2航天医学工程研究所,北京 100094) 摘 要:全球变暖已成为当前困扰人类生存和发展的重大障碍,因此,CO2 吸收材料的研究成为了当前科学研究 的热点。本文介绍了 CO2 捕获和富集的几种方法,主要包括溶剂吸收法、吸附法,并按照基质的不同将吸附法 分为金属氧化物类、纤维类、活性炭类、分子筛类、碳纳米管类、聚合物类。同时介绍了其研究进展,并简述 了各自的优缺点。指出氨基修饰的碳纳米管是一种很有潜力的 CO2 吸收材料。 关键词:吸收材料;二氧化碳;吸附;捕获;碳纳米管 中图分类号:TQ 424 文献标志码:A 文章编号:1000–6613(2012)02–0360–07 Progress in carbon dioxide absorption materials ZHENG Xiuxin1,ZHANG Xiaoyun1,YU Qingni2,ZHAO Bei1 (1Department of Chemistry,China University Of Petroleum,Qingdao 266555,Shandong,China; 2Institute of Space Medico-Engineering of China,Beijing 100094,China) Abstract:Global warming has become a big problem to human’s survival and development. Thus, researches on CO2 absorption materials have attracted more and more attention. In this paper,several technologies are described for the capture and concentration of carbon dioxide,such as solvent absorption and adsorption. The adsorption technologies can be divided into several categories according to its matrix,including metal oxide,fiber materials,activated carbon materials,molecular sieve materials,carbon nanotubes and polymer materials. The research progress of each technology is discussed,and their advantages and disadvantages are introduced briefly. It indicated that amino modified carbon nanotubes are promising materials for the absorption of carbon dioxide. Key words:absorption materials;carbon dioxide(CO2);adsorption;capture;carbon nanotube 随着各个国家工业化进程的进行,对能源的消 耗也呈爆炸式的增长。当前的能源结构中,大约有 85%的能源消耗来自于化石燃料,同时伴随着大量 的温室气体 CO2 的排放[1]。CO2 在大气中的质量浓 度已从 1900 年的 550 mg/m3增加到 2004 年的 764.4 mg/m3[2],并且还在不断增加,据国际气候变化小组 (IPCC)预测,到 2100 年空气中 CO2 的含量将达 到 1120 mg/m3。大量 CO2的排放,必将引起全球气 温升高,冰川融化,海平面上升,给人类的生存和 发展造成巨大的威胁。在减少 CO2排放的各种努力 中,无论是将 CO2 作为原料再次利用还是进行深海 封存,CO2 的捕获、富集过程都是必要的且最昂贵 的一步。因此,通过各种方法,高效廉价的降低大 气中 CO2的浓度已成为当前科学研究的热点。目前 CO2 的捕获、分离的方法主要有溶剂吸收法[3]、吸 附法[4]、膜分离法[1]等。这些方法也各都存在着一 定的缺陷而限制了其进一步的应用。本文作者主要 介绍溶剂吸收法和吸附法两种方法的研究进展以及 其各自的优缺点,并对其它新型的 CO2 吸收材料作 进展与述评 收稿日期:2011-08-04;修改稿日期:2011-08-29。 基金项目:中央高校基本科研业务费专项基金项目(09CX04042A)。 第一作者:郑修新(1987—),男,硕士研究生,主要从事有机合成 和 高 分 子 材 料 研 究 。 联 系 人 : 张 晓 云 , 副 教 授 。 E-mail zhangxy@upc.edu.cn。 第 2 期 郑修新等:CO2吸收材料的研究进展 ·361· 简单的介绍。 1 溶剂吸收法 溶剂吸收法是使用溶剂对 CO2 进行吸收和解 吸,按照其吸收和分离原理的不同,又可以分为化 学溶剂吸收法和物理溶剂吸收法。 物理溶剂吸收法主要是通过交替改变CO2和溶 剂之间的压力和温度来实现 CO2的吸收和解吸,从 而达到分离 CO2 的目的。该方法常用的溶剂主要有 甲醇、乙醇、丙烯酸酯、聚乙二醇等[5-6]。这种方法 只适用于高浓度 CO2的分离、CO2去除效率较低且 易因气体中含硫杂质而使溶剂再生次数减少。因此, 目前关于该方法的研究已较少。 化学溶剂吸收法是目前研究较成熟、工业上广 泛应用的一种处理酸性气体的方法。该方法主要有 热碳酸钾法和醇胺法两种,其中尤以醇胺法研究的 较多。链烷醇胺,如乙醇胺(MEA)、二乙醇胺 (DEA)、N-甲基二乙醇胺(MDEA)表现出良好 的吸收解吸性能而被广泛使用[7-8]。另外,一些具有 立体障碍的胺和多胺也引起了广大研究者的兴趣。 Rinker 等[9]研究了 CO2在 DEA、MDEA 混合水溶液 中的吸收,建立了基于渗透理论的仲胺、叔胺混合 水溶液对 CO2 的吸收模型。该模型中对仲胺的反应 机理采用两性离子机理进行解释,如式(1)、式(2) 所示。 CO2 + R2NH R2NH+COO - (1) R2NH+COO - + R2NH R2NH2+ +R2NCOO - (2) 总反应式可写成式(3)。 CO2 + 2R2NH R2NH2+ +R2NCOO - (3) 对该混合溶液的动力学研究得出,叔胺 (MDEA)对两性离子的去质子化并没有多大的贡 献,起主要作用的是仲胺(DEA)。Zhang 等[10]使用 2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)这种具有立体障碍效 应的胺类吸收剂对 CO2的吸收和解吸进行了研究。 AMP 中与氨基相连的基团空间阻碍效应明显,这样 的结构使得生成的氨基甲酸盐稳定性较差,有利于 CO2的解吸。研究的结果也充分证实了这一点,AMP 较其它常用的胺类吸收剂如 MEA、DEA、DETA、 MDEA,表现出良好的再生性能。Singh 等[11]研究 了一系列的胺类 CO2 吸收剂其结构与活性对 CO2 解吸性能的影响。在常压 80 ℃的条件下,考察了 不同结构的胺类吸收剂对CO2的解吸速率和解吸能 力。研究结果显示,当吸收剂的碳链长度不超过 4 个的时候,其解吸能力随碳链变长而增加;对于含 有侧链的胺,空间阻碍效应越大,其 CO2 的解吸能 力就越好;对于多胺类吸收剂,氨基的数目越多, 其 CO2 的解吸能力也越好。 CO2 吸收溶液的选择标准主要有:①要有良好 的 CO2 吸收性能(伯胺和仲胺较好);②溶剂再生 所需要的能量要低(叔胺和有空间障碍效应的胺更 有利)。鉴于以上两点,Dubois 等[12]将哌嗪基乙胺 (PEZA)作为吸收活化剂添加到 AMP 或 MEA 溶 液中,表现出良好的 CO2 吸收解吸性能,克服了单 一溶液在吸收 CO2 上的缺陷,吸收和解吸速率都有 所提高。 从前面所提到的两性离子机理可知,伯胺和仲 胺能够和 CO2 反应生成氨基碳酸盐,反应较快,叔 胺只有在有水的条件下才能够和 CO2 反应,生成稳 定的碳酸氢盐,反应速率较慢。但在各种胺溶液中 CO2 的解吸顺序是叔胺>仲胺>伯胺。综上可知,仲 胺是 CO2吸收和解吸的较好溶剂。因此,将伯胺转 化成仲胺的研究也引起了人们极大的兴趣。 Rinaldi[13]和 Filippis [14]等都研究了将甲醛和苯酚按 照不同的比例和具有良好吸收性能的四乙烯五胺 (TEPA)反应,得到经过修饰的胺,提高了 TEPA 中仲胺的数目。这种经氨基修饰的胺较链烷醇胺表 现出高的吸收速率和良好的再生性能,且碱性有所 降低,减少了对设备的腐蚀,更适合于工业的应用。 Schladt等[15]使用丙烯腈修饰的TEPA作为CO2吸收 溶剂并对其吸收和再生性能进行了研究,研究结果 表明,该修饰的胺不仅对CO2拥有良好的吸收性能, 而且和沸石吸附系统相比,其再生所需要的能量要 少 25%。 化学溶剂吸收法是目前工业应用最广的CO2的 捕获分离的方法,其主要的优点是:对二氧化碳 的分离效果较好,能够得到纯度很高的 CO2,能 够处理分压很低的 CO2 混合气体。当然也存在对 设备的腐蚀性强,易发泡,溶剂再生耗能大,易 与其它酸性气体如 SO2、NO2 等发生不可逆反应, 生成稳定的盐,导致溶剂再生困难,造成溶剂损 失等缺点。 2 吸附法 鉴于以上溶剂吸收法的一系列缺点,吸附法以 其设备工艺流程简单、自动化程度高、对设备腐蚀 化 工 进 展 2012 年第 31 卷 ·362· 性弱、产品纯度高、能耗低、易再生等优点而引起 了人们的关注。这类吸附剂一般是比表面积大、孔 隙结构发达、物理化学性质稳定、具有良好的吸附 和脱附性能的材料[16]。但这类吸附剂也存在吸附量 低于化学吸收剂(其吸附量一般低于 88.0 mg CO2/g 吸附剂)且吸附选择性差等缺点。为了解决这一问 ,目前人们主要是通过将有机胺负载/接枝到固体 吸附剂表面的方法,通过两者之间的相互作用,从 而得到吸附性能更好的固体胺吸附材料。下文将按 照吸附基质的不同进行讨论。 2.1 金属氧化物类 CO2 是酸性气体,很容易吸附在碱性的金属氧 化物的表面,如 Al2O3、MgO、CaO、ZrO2、Li2O 等。这类吸附剂对 CO2具有良好的吸附性能,且反 应生成的碳酸盐高温条件下能重新生成金属氧化物 和 CO2,因此,引起了不少研究者的兴趣。闻霞 等[17]以γ-Al2O3 为基质,采用等体积浸渍的方法将 MgO 负载到其上,得到 MgO/Al2O3 吸附剂。通过 对其动态吸附性能的研究表明,当 MgO 的负载量 为 10%、吸附温度为 50 ℃、流量为 45 mL/min 时, 其动态吸附量达 29.5 mg/g,且有良好的循环使用性 能。汪波等[18]研制了一种吸附 CO2的 LiOH 胶体颗 粒,其吸附方程式如式(4)、式(5)。其吸附性能 良好,最大吸附量可达 170 mg/g。 2LiOH + H2O + CO2 Li2CO3 + 2H2O (4) 2OH- + CO2 CO32 - + H2O (5) 吕国强等[19]利用高温固相的合成方法在 900 ℃条件下合成了吸附性能更好的 Li4SiO4 吸附剂, 合成方程式如式(6)。其最高吸附量可达 291.6 mg/g。 2Li2CO3 + SiO2 Li4SiO4 + 2CO2(g) (6) 白涛等[20]研究了 CO2 在 CaO 上的吸收特性。 在高温条件下 CaCO3 受热分解成高比表面积的多 孔 CaO,CaO 与 CO2 反应生成 CaCO3,从而降低了 烟道气中 CO2 的含量。生成的 CaCO3经煅烧可再生 成 CaO 和 CO2,得到的 CO2 纯度较高,可以直接存 储。CaO的碳酸化反应按其化学反应计量系数计算, 在 CaO 转化率达到 100%时,其吸附量可达到 786 mg/g,但实际上由于产生的高容积的 CaCO3 会不断 地填充 CaO 的孔隙,特别是在小孔和孔口处极易造 成堵塞,不能在 CaO 的内部进行反应,从而导致 CaO 的实际碳酸化转化率远低于 100%,且煅烧再 生温度达 900 ℃,增加了吸附剂的使用成本。 尽管这类吸附剂有较好的吸附和脱附性能,但 其合成和工作环境一般在高温条件下,能耗较大。 2.2 纤维类 纤维具有弹性模量大、塑性形变小、强度高、 比表面积大等特点,因而可用做 CO2吸附的基质材 料。李培源等[21]将聚乙撑亚胺(PEI)与交联剂以 适当的比例混合,稀释到一定浓度,涂布在玻璃纤 维上,在 80 ℃条件下,固化 2 h,制得氨基吸附纤 维。该吸附纤维具有较高的交换容量,最高可达到 132 mg/g 以上;在饱和水蒸气环境中,对 CO2的吸 附量可达 200 mg/g 以上;该材料在 250 ℃条件下 仍有较高的稳定性、再生性能良好。杨营等[22]使用 聚丙烯腈(PAN)纤维为基体,通过预辐射将纤维 与烯丙胺单体反应,制得氨基纤维。对其 CO2吸附 和脱附性能的研究表明,该纤维可以完全去除混合 气体中的CO2,吸附CO2后,在 100 ℃中加热 30 min 即可完全再生,且再生后吸附能力变化较小。吴政 等[23]研究了强碱性阴离子交换纤维对二氧化碳气 体的吸附性能,并探讨了 CO2 混合气体的浓度、流 速、纤维含水量等因素对其 CO2吸附性能的影响, 得到以下结论:纤维含水量大、气体流速慢有利于 气体的吸附,再生性实验表明,该纤维具有较好的 再生性能。 这类吸附纤维具有良好的重复使用及再生性 能,但由于纤维上涂覆的大多是高聚物,因而可能 会产生二次污染的问题。 2.3 活性炭类 活性炭具有发达的孔隙结构和大的比表面积, 是一种常用的二氧化碳吸附剂。付水香等[24]研究了 吸附时间、气体流量和温度对二氧化碳在活性炭颗 粒中吸附量的影响。研究结果表明:气体流量的变 化对其吸附量的影响不大;随着温度的升高,吸附 量明显下降,这说明了吸附过程是一个放热的过程; 确定了活性炭吸附 CO2的最佳时间为 25 min。张丽 丹等[25]研究了活性炭的比表面积、孔径分布及表面 官能团对二氧化碳的吸附性能的影响。研究结果表 明,原料煤的性质影响活性炭的吸附性能;孔径分 布是影响活性炭吸附性能的关键因素,当孔径分布 在 0.5~1.7 nm 范围内,较利于 CO2 的吸附;在生 产活性炭的过程中适当提高活性炭表面的羟基基 团有利于其对 CO2 的吸附。文献[26]中也研究了 孔尺寸对其吸附性能的影响,得到小尺寸的孔表 第 2 期 郑修新等:CO2吸收材料的研究进展 ·363· 现出更好的吸附性能。何平[27]将乙二胺氧化接枝 到沥青基球形活性炭上制备了改性的活性炭,并 分别考察了改性温度、氨基接枝种类和前处理条 件对 CO2 吸附性能的影响。在 400 ℃条件下,乙 二胺接枝的沥青基球形活性炭对 CO2 的吸附能力 是未改性前的 6 倍,并且有良好的稳定性,经水 热法再生,循环使用 10 次,其吸附能力仍能达到 新制备材料的 80%。 活性炭吸附材料的原料来源丰富,如无烟煤、 弱黏煤、褐煤以及杏仁壳等都可以用来制备活性炭, 价格便宜,可满足工业化的要求。但也存在着吸附 能力不够理想、再生困难等缺点,这严重限制了它 的工业化应用。 2.4 分子筛类 判断分子筛吸附性能的好坏,主要看以下两 点:①要有丰富的孔道结构和比表面积,大的比表 面积可以提供更多 CO2的吸附中心;②表面的电性 质,由阳离子和带负电荷的铝硅氧骨架所构成的分 子筛,其本身就是一种极性的物质,对极性、不饱 和、易极化的物质表现出较强的亲和力[2]。因此, 分子筛这类材料凭借其大的比表面积、发达的孔隙 结构、且孔径大小可调等诸多优点而被广泛用做 CO2 固体吸附剂的基质材料。目前,这方面的研究 主要集中在氨基修饰的固体胺吸附材料。Yue等[28-29] 将TEPA负载到分子筛 SBA-15和MCM-41原粉上, TEPA 分散到模板的车轮状结构中,这两种材料对 CO2 的吸附能力分别达到 173 mg/g、237 mg/g,超 越了无模板的氨基负载的分子筛吸附材料,这可能 与 TEPA 和模板之间的相互作用有关。Liu 等[30]将 TEPA接枝到介孔二氧化硅原粉上,并考察了其CO2 吸附性能。研究结果表明,和其它氨基功能化的二 氧化硅不同,这种未除去模板的材料表现出更好的 吸附性能(可达到 198.0 mg/g);增加混合气的湿度 也可以提高吸附性能;经多次循环使用其吸附量仅 有少量的下降。Liu 等[31]将 TEA 负载到 SBA-15 分 子筛上,并考察了其对 CO2和 CH4的吸附选择性。 研究结果表明,氨基修饰后的分子筛对 CO2和 CH4 的选择性大大提高,可达之前的 7 倍,并且该材料 具有较好的再生能力,可室温下真空再生。 将氨基负载到固体分子筛上主要有两种方法: 一种是浸渍的方法[32-34],这种方法可以在材料上得 到高浓度的氨基基团;另外一种是嫁接的方法,相 对于浸渍法,嫁接法可以将氨基高度分散在载体表 面,增大了 CO2 的吸附面积,吸附速率及单位氨基 吸附量都高于浸渍法,尤其是其热稳定性较高,但 其引入的氨基总量有限,所得吸附剂的吸附量要比 浸渍法的低[35]。付新等[36]采用嫁接的方法将氨丙基 三乙氧基硅烷(APTS)嫁接到 MCM-41 和 SBA-15 分子筛上,并表征了材料对 CO2的吸附脱附性能。 研究结果表明,经氨基修饰的分子筛的孔道仍高度 有序,对 CO2 的吸附能力有明显的改善,MCM-41 和 SBA-15 分子筛修饰后的 CO2 吸附量分别为 47.5 mg/g、40.5 mg/g,相对于未经修饰的分子筛有较大 的提高。赵会玲等 [37]将氨丙基三乙氧基硅烷 (APTS)和氨乙基氨丙基甲基二甲氧基硅烷 (AEAPMDS)嫁接到 SBA-15 分子筛上,其吸附 性能从未嫁接前的 29.5 mg/g 提高到 96.8 mg/g,这 可能是由于嫁接前后,吸附形式由物理吸附转变为 化学吸附的缘故。 氨基修饰的分子筛是一种吸附性能良好的材 料,按照其吸附基质和修饰剂的不同,将其对 CO2 的附性能汇总于表 1[35]。 2.5 碳纳米管类 碳纳米管自从 1991 年被日本的饭岛澄男发现 以来,由于其独特的结构、电学和力学特性而日益 受到关注[46]。碳纳米管按其所含石墨层数的不同可 分为单层碳纳米管(single-wall carbon nanotube,简 表 1 不同分子筛载体负载/嫁接氨基所得吸附剂 对 CO2的吸附量 吸附剂 CO2 的吸附量/mg·g-1 Diethanolamine(DEA)loaded pore- expanded MCM-41 104[38] Diethanolamine(DEA)loaded MCM-41 55[38] Triamine silane grafting pore-expanded MCM-41 62[39] Triamine silane grafting MCM-41 43[39] Triamine silane grafting SBA-15 60[40] Diamine silane grafting SBA-15 34[41] Amine silane grafting silica gel 40[42] Amine silane grafting MCM-48 50[43] PEI loaded MCM-41 133[44] TEPA loaded as-prepared SBA-15 173[28] TEPA loaded as-prepared MCM-41 237[29] Mixed amine loaded as-prepared SBA-15 163[45] 化 工 进 展 2012 年第 31 卷 ·364· 写为 SWCNT)和多层碳纳米管(multi-wall carbon nanotube,简写为 MWCNT)[47]。其管束内径均一, 大小在中孔范围内,有较大的比表面积,很适合作 CO2 的吸附材料,且具有良好的吸附性能,这些使 其已逐渐成为当前研究的热点。Kowalczyk 等[48] 研究了 CO2 在单壁碳纳米管上的短期存储。单壁 碳纳米管的存储能力与吸附压力和孔径大小有关, 当压力为 1.5 MPa 条件下,孔径为 3.8 nm 的纳米 管对 CO2 的存储性能最佳,达到 598.4 mg/g;压力 3.5 MPa 条件下,孔径 4.8 nm 的纳米管的存储能力 最好,可达 1113.2 mg/g,表现出了良好的气体存 储能力。Lithoxoos 等[49]研究了单壁碳纳米管上的 N2、CH4、CO 和 CO2 气体吸附顺序,并做了蒙特 卡罗分子模拟研究。研究结果表明,实验和模拟的 结果一致,上述各种气体在碳纳米管上的吸附能力 为 H2 << N2≈CH4 分析
结果表明,该吸附 剂在 100 ℃时仍能表现出良好的稳定性,是一种潜 在的太空舱 CO2 固体吸附剂。另外在文献[56-57]中 也都有将液体胺负载到聚合物基质上面,得到吸附 性能较好的固体胺吸附剂。 尽管固体胺吸附剂的吸附量大,但也存在着制 备工艺复杂、价格昂贵、机械强度低、温度操作范 围较窄、易失活等缺点,这就促进了其它新型吸附 剂的研究。 3 其它新型吸附材料 当今时代科技快速发展,关于 CO2的吸附材料 和方法不断涌现。法国科学家研制出一种名为 MIL-101 的新型吸附材料。这种材料是用铬元素和 对苯二甲酸合成的,是一种多孔的纳米复合材料, 孔直径为 3.5 nm,吸附能力十分强大,25 ℃下体 积 1 m3 的该材料可吸附 400 m3 的 CO2,是目前通 用吸附材料的 2 倍以上,为解决全球变暖问题提 供了可能[58]。美国科研人员研制出新一代沸石咪 唑酯骨架结构材料(ZIFs)[59],这种材料拥有很 强的吸附性能,体积为 1 L 的该材料可以吸附 83 L 的 CO2,吸附饱和的该种材料可以掩埋在地下, 从而带走大量的 CO2。目前,应用有机大环超分 子进行 CO2 的吸附和转化也成为了一个研究热 点。文献[60]中对这方面的研究进行了综述,典型 第 2 期 郑修新等:CO2吸收材料的研究进展 ·365· 的有机大环超分子主要有冠醚、环糊精、杯芳烃 和葫芦脲。这类超分子具有特定的空腔结构,能 够通过自组装形成具有纳米多孔特性的超分子材 料。有机大环超分子及其组装结构具有很强的可 设计性,并且能够与其它多种无机和有机组分形 成复合结构,因而在 CO2 吸附和转化领域有着显 著的发展潜力,但也存在着稳定性不及无机多孔材 料、成本偏高等缺点。目前关于有机超分子结构的 研究还处于初级阶段,还需要广大科研工作者的进 一步研究。 4 结 语 当前社会仍然处在化石燃料时代,在之后很长 一段时间内CO2的排放过剩依然是一个不可改变的 趋势。尽管当前处理 CO2 的方法层出不穷,有吸收 法、吸附法、膜分离法等,但各个方法依然存在着 较大的缺点,而不能有效地处理 CO2。吸收法存在 溶剂对设备的腐蚀严重、高浓度溶剂黏度大、易发 泡等缺点;吸附法则存在制备成本较高、吸附量不 够等缺点;目前限制膜分离的主要原因,依然是其 制作成本高,对低浓度 CO2 的捕获富集较差。虽然, 目前对于 CO2 的处理还存在着一系列的问题,不过 相信随着科技的不断发展,一定会出现较完美的 CO2 吸收材料。氨基修饰的碳纳米管表现出了很大 的潜力,相信在不远的将来,随着碳纳米管制备技 术的成熟,碳纳米管 CO2吸收材料一定会有效的解 决这一困扰人类的问题。 参 考 文 献 [1] Yang H Q,Xu Z H,Fan M H,et al.Progress in carbon dioxide separation and capture:A review[J].Journal of Environmental Sciences,2008,20(1):14-27. 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