(57)【要約】【課題】水あるいは電解質を含む溶液を電気透析分解して高純度の電解水を連続約に生成する装置に使用可能な電極装置および電解槽を提供すること。【解決手段】電極装置は、外表面および内表面の少なくとも一方に導電性触媒被膜を担持させた、耐食性金属製の円筒状電極９ａと、前記円筒状電極の外側を覆う円筒状の隔膜８と、前記隔膜内部へ液体を連続的に流すための流入口１２および吐出口１３とを備える。円筒状電極９ａは、表面に多数の穴を有していてもよい。また、隔膜８は、隔膜自体で形状を十分保持できる強度を持った隔膜であってもよい。電極装置は独立した構造を有しており、電解槽への脱着が容易になる。また、電解槽の用途や容量に基づき、陽極用および陰極用の電極装置の本数やレイアウト等が自由に設計できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外表面および内表面の少なくとも一方に導電性触媒被膜を担持させた、耐食性金属製の円筒状電極と、
前記円筒状電極の外側を覆う円筒状の隔膜と、
前記隔膜内部へ液体を連続的に流すための流入口および吐出口と
を備えたことを特徴とする電極装置。
【請求項２】
前記円筒状電極は、表面に多数の穴を有することを特徴とする請求項１に記載の電極装置。
【請求項３】
前記隔膜は、隔膜自体で形状を十分保持できる強度を持った円筒状隔膜であることことを特徴とする請求項１に記載の電極装置。
【請求項４】
前記隔膜として、イオン選択透過性能を有する隔膜を用いたことを特徴とする請求項１に記載の電極装置。
【請求項５】
前記の流入口および吐出口は双方とも円筒状の隔膜の一方の端部に設けられており、円筒状の隔膜の他方の端部は封止されていることを特徴とする請求項１に記載の電極装置。
【請求項６】
前記円筒状電極の直径を調節する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電極装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の電極装置を陽極用電極装置および陰極電極装置として使用し、槽内に電解液を満たして電極装置を浸漬し、陽極用電極装置および陰極電極装置のそれぞれの電極間に直流電流を印加することを特徴とする電気透析分解用の電解槽。
【請求項８】
前記陽極用電極装置および陰極電極装置の本数比を１対１以外の比率としたことを特徴とする請求項７に記載の電気透析分解用の電解槽。
【請求項９】
前記陽極用電極装置および陰極電極装置の間に遮蔽板を設けたことを特徴とする請求項７に記載の電気透析分解用の電解槽。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば水あるいは電解質を含む溶液を電気透析分解して高純度の電解水を連続約に生成する装置に使用可能な電極装置および電解槽に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
適当な電解質を用いて電解水を生成する電解水生成装置の一例が例えば下記の特許文献１に開示されている。図１２は、特許文献１の電解水生成装置の構成を示す断面図である。この電解水生成装置の電解槽は、図示されているように、シート状隔膜１により仕切られた３層構造を有しており、別設置の電解質溶液タンク４から循環用ポンプ７により電解質溶液を循環させ、平板状の陽極板３ａ、陰極板３ｂに直流電流を流すことにより電解する。電解槽は密閉されており、循環用ポンプ７によって電解質溶液が加圧されている。
【０００３】
この電解水生成装置は、特に食塩などの電解質を添加して電解する場合において効率的に目的生成溶液を生成することが可能な電解水生成装置である。図１２の電解方法では、隔膜から透析されてきた目的イオンがバルク溶液中に拡散される前の高濃度で電極に接触するため、効率のよい電解を行なうことが可能である。
【特許文献１】特許第３５００１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した従来の電解槽では消耗品である隔膜や電極の交換時に電解槽全体を分解せねばならず、非常に煩雑な作業を伴うばかりか電解運転の全面的な停止を余儀なくされてしまうという問題点があった。
【０００５】
また、電極表面上にて競合反応が起こる電気分解系、例えば塩化ナトリウム水溶液電気分解の陽極反応での酸素発生反応と塩素発生反応において、生成水であるアノード溶液の物性、特に水素イオン濃度と有効塩素濃度のバランスを効果的に調整するには、電極表面触媒能を種々工夫する必要があるが、電極表面触媒能によって物性を調節することは困難であるばかりか、電極触媒の寿命が短くなってしまう等の問題が発生してしまうので実用的でないという問題点もあった。
【０００６】
また、電解電流値の調節により、生成水の物性バランス調節が可能であるが、電解効率の低下や各消耗部品の早期劣化を招いてしまうという問題点もあった。更に、電解槽へ供給する電解質溶液の濃度を調節する方法も考えられるが、この方法においても電解電圧の上昇による電解効率の低下や未電解の電解液の流出による電解質の大幅な無駄が避けられないという問題点もあった。
【０００７】
また、従来の電解槽には、その構造上必ず電極装置枠による端部ができてしまい、隔膜や電極に対してエッジ電流などにより、均一な電解電流密度保持することが難しく、この事は直接隔膜や電極の寿命に悪影響を与えてしまうという問題点もあった。。
【０００８】
また、構造上陽極と陰極の電解表面積は変更不可能であり、あえて各電極表面積比を変化させる方法として電極表面の一部を不導体物質でコーティングしてしまう方法があるが、有効電解表面積を小さくする方向でしか可能でなく、電解効率や消耗品の寿命の低下をもたらしてしまうという問題点もあった。
【０００９】
更に、従来型の電解槽では隔膜と電極との間隔を均一に保つためにスペーサを用いなければならないが、スペーサは流路障害による供給水の圧力損失や局部的な隔膜の電極への押し付けを起こさせるという問題点もあった。更に、スペーサを種々工夫して均一な隔膜への接触を試みても、両槽間圧力に対して中間槽圧力が最適な陽圧になるように細心の注意を払う必要があり、電解槽からの生成水の取り扱いに制限が生じてしまう、もしくは煩雑な圧力バランス調整機構を設けなければならないという問題点もあった。
【００１０】
更に、中間槽圧力を上記の方法にて両側槽に対して陽圧に設定すると、消耗品である隔膜の劣化によって通水率が上昇したことにより、未分解の高濃度電解質溶液が流入してしまい、電解質の余分な損失や所定の生成水物性を得られなくなるばかりか、電解質の種類によっては有害なガスの発生を誘発し、深刻な事故が発生する恐れもあるという問題点もあった。
【００１１】
本発明の目的はこのような問題点を解決し、水あるいは電解質を含む溶液を電気透析分解して高純度の電解水を連続約に生成する装置に使用可能な電極装置および電解槽を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の電極装置は、外表面および内表面の少なくとも一方に導電性触媒被膜を担持させた、耐食性金属製の円筒状電極と、前記円筒状電極の外側を覆う円筒状の隔膜と、前記隔膜内部へ液体を連続的に流すための流入口および吐出口とを備えたことを主要な特徴とする。
【００１３】
また、前記した電極装置において、前記円筒状電極は、表面に多数の穴を有していてもよい。また、前記した電極装置において、前記隔膜は、隔膜自体で形状を十分保持できる強度を持った円筒状隔膜であってもよい。また、前記した電極装置において、前記隔膜として、イオン選択透過性能を有する隔膜を用いてもよい。
【００１４】
また、前記した電極装置において、前記の流入口および吐出口は双方とも円筒状の隔膜の一方の端部に設けられており、円筒状の隔膜の他方の端部は封止されていてもよい。また、前記した電極装置において、前記円筒状電極の直径を調節する手段を備えていてもよい。
【００１５】
本発明の電解槽は、前記した電極装置を陽極用電極装置および陰極電極装置として使用し、槽内に電解液を満たして電極装置を浸漬し、陽極用電極装置および陰極電極装置のそれぞれの電極間に直流電流を印加することを主要な特徴とする。また、前記した電解槽において、前記陽極用電極装置および陰極電極装置の本数比を１対１以外の比率としてもよい。また、前記した電解槽において、前記陽極用電極装置および陰極電極装置の間に遮蔽板を設けてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の電極装置は電解槽筐体に対して独立した構造を有しており、円筒状隔膜の端部に流入口および吐出口となるパイプを設け、電解槽に電極装置を浸漬して下部あるいは上部から原水を供給する構造としたので、個々の電極装置の電解槽への脱着が容易になるという効果がある。
【００１７】
また、電解槽の用途や容量に基づき、陽極用および陰極用の電極装置の本数やレイアウト等が自由に設計でき、電解効率の低下をもたらすことなく、生成水の物性バランスを調節できるという効果もある。特に、電極表面上にて競合反応が起こる電気分解系において陽極電極装置から生成される被電気分解溶液の物性を調節することが可能であるという効果がある。
【００１８】
また、隔膜自体で形状を十分保持できる強度を持った円筒状隔膜を使用することにより、隔膜にかかる圧力に注意を払う必要がなくなり、電極と隔膜の保持のためにネット状もしくは多孔板などのスペーサを使用せずに安定して電解できると共に、従来例のように循環ポンプを使用して電解質溶液室に圧力をかける必要がなく、電解槽を密閉する必要もないという効果もある。
【００１９】
また、寸法安定性を持った円筒状隔膜を使用することにより、隔膜や電極に対する電解電流密度の偏りが減少すると共に、隔膜の劣化破損時に起こる可能性のある事故を未然に防ぐことが出来るという効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して発明を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の実施例１の電極装置の構成を示す平面図である。また、図２は、本発明の実施例１の電極装置の構成を示す横断面図である。更に、図３は、本発明の実施例１の電極装置の上部固定部材１０の構成を示す縦断面図である。なお、電解槽を構成するためには、この電極装置を正極用および負極用としてそれぞれ１本以上、合計２本以上を使用する。
【００２２】
実施例１の電極装置は隔膜自身で寸法安定性を十分有する円筒状隔膜８の内部に円筒状電極９ａを配置した構造を有している。上下に設けた絶縁性材料からなる上部固定部材１０、下部固定部材１１は、円筒状隔膜８と円筒状電極９ａとの間の距離を一定間隔に保ちながら保持することにより電極装置を形成する。なお、円筒状隔膜８と円筒状電極９ａとの間の距離は用途に応じて異なり、殆ど隙間が無く密着している場合もある。
【００２３】
上部固定部材１０および下部固定部材１１は、接着剤等を使用して円筒状隔膜８および円筒状のスペーサ３１と固着されており、電極９ａは隔膜８によって完全に覆われている。
【００２４】
吐水口１３ａは、チタンなどの耐食性を有する良電性金属で作られており、上部固定部材１０と係合するフランジ（つば）を有している。更に、このフランジは電極９ａと溶接等によって固着されている。吐水口１３ａは電極９ａへの給電部（端子）を兼ねている。
【００２５】
吐水口１３ａのフランジは、ネジ山を切った固着用部材３０によって上部固定部材１０内のフランジに固着されており、この固着用部材３０を外すことにより、円筒状隔膜８と円筒状電極９ａとを分離することが可能である。
【００２６】
下部固定部材１１は、ねじ山を切ったパイプ１２を備えており、対応したねじ加工を施した電解槽のねじ孔にこのパイプ１２を嵌合させることにより、電極装置を電解槽に設置する。この構造により、個々の電極装置の電解槽への脱着が容易となる。下部固定部材１１内において、電極９ａの下部は位置は固定されているが開放されており、原水供給管５と接続されたパイプ１２から流入した供給原水は電極９ａの内側および外側に流出可能である。
【００２７】
隔膜８としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂や塩化ビニル樹脂およびテレフタレート樹脂、ＡＢＳ樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂等を骨材とし、ポリフッ化ビニリデン酸化チタンやスルフォン酸基、カルボン酸基および各種アミン基などを有する有機溶液にてコーティングした隔膜を使用可能である。
【００２８】
隔膜８として、イオン交換性能を有するものを採用してもよい。イオン交換性能を有し、隔膜自身で寸法安定性を十分有する円筒状隔膜８としては、例えば株式会社トクヤマ製の製品名「イーディーコア」（登録商標）を採用可能である。
【００２９】
円筒状電極９ａとしては、例えば基材としてチタン、ジルコニウム、ニオブ、ルテニウム等のいわゆるバルブ金属類もしくはこれらの合金の表面に白金、酸化イリジウム、酸化チタン、タンタル等を担持させたものを使用可能である。
【００３０】
円筒状電極９ａに直流電流を流すことにより、電気的に隔膜８から透析されてきたイオンが電極表面上にて電子の授受を行った後に、下部固定部材１１から流入した水道水や井戸水などの供給原水と反応し、円筒状電極９ａの中央部を通って目的生成水として、上部固定部材１０に付けられた吐水口１３ａより吐出される。
【００３１】
電解の際、特に塩化ナトリウム溶液を使用したときの陽極上での塩素ガス等の酸化性物質が生成する系に使用するときには筒状電極９ａの外側つまり隔膜側に不働態化皮膜などの絶縁物質を形成させて、筒状電極９ａの内側にて反応させることにより、隔膜８へのダメージを和らげる効果がある。
【００３２】
従って、陽極用の電極装置の円筒状電極９ａの外側に絶縁物質を形成すると共に、例えば数ミリメートル間隔で多数の孔を設けることにより、上記効果を得ることができる。また、気泡の発生する電気分解系では、孔によって円筒状隔膜８と筒状電極９ａとの間に気泡が入りにくくなり、電解電圧の上昇防止にも効果がある。
【００３３】
上記のような用途の場合には円筒状隔膜８と円筒状電極９ａとの間の距離は殆ど隙間が無く密着させる必要がある。そこで、円筒状電極９ａは、保守作業で電極９ａを研磨した場合などに、電極９ａと隔膜８との距離を当初の設計値に合わせるために電極の直径の調節手段を備えている。
【００３４】
円筒状電極９ａは、図２に示すように、円筒の軸方向に沿ってフランジ１、２を備えた隙間が設けられており、電極の軸方向に複数個配置されたフランジ上の孔に係合したボルト３よびナット４によって、電極の直径を調節可能に構成されている。なお、図示されていないが、外部からボルト３を回すための孔が電極９ａに設けられている。
【００３５】
これによって、隔膜より透析されてきた目的生成水に必要なイオンの電極への接触濃度を供給水での希釈割合により調節することができる。換言すれば、競合反応系にて反応割合を調節することができる。なお、電極の上部は吐水口１３ａのフランジと固着されているが、直径の調節範囲は僅かであるので問題ない。
【００３６】
図４は、実施例１の電極装置を使用した電解槽の構成例を示す断面図である。電解槽１７には、電極装置の隔膜が全て浸漬する程度まで電解質溶液１７が満たされており、電解槽１７と接続された循環ポンプ７によって循環／撹拌されている。また、別設置の電解質溶液タンク１９からバルブ１８を介して電解質溶液が供給される。電解槽１７は密閉されている必要はない。
【００３７】
電解槽１６内には実施例１の２本の電極装置Ａ、Ｂが設置されている。陽極用の電極装置Ａおよび負極用の電極装置Ｂとして前述した電極に多数の孔を設けた電極装置を使用する。電極装置Ａ、Ｂの設置本数は任意であり、複数本設置する場合には全て並列に接続される。
なお、図４に図示されているように、電極装置Ａ、Ｂ間に１枚あるいは複数枚の遮蔽板２０を設けてもよい。電極装置対応に遮蔽板を設ける場合には、図示するように、それぞれの電極装置の近傍に遮蔽板２０を配置する。この遮蔽板２０を設けることにより、隔膜や電極に対して局部的に大きな電解電流が流れるのを防止し、均一な電解電流密度が得られる。遮蔽板２０としては電解液に対して十分な耐食性を有するものであれば、任意の金属や樹脂、その他の素材を使用可能である。また、形状としては平板状、平板の組み合わせ、半円筒状などを採用可能である。また、板の表面に多数の孔を設けたパンチング板を使用してもよい。なお、遮蔽板２０は電解液の対流を妨げない形状が好ましい。
【００３８】
原水供給管５およびバルブ１５ａ、１５ｂ、を介してそれぞれの電極装置Ａ、Ｂには下部から原水が供給されている。必要な物性と量の生成水を得られるようにバルブ１５ａ、１５ｂの開度を調整する。電解処理を行うために、直流電気供給端子１４ａ、１４ｂ（電極と接続されている吐水口１３）から直流電流を流し、２本の電極装置Ａ、Ｂの吐水口１３と接続された絶縁性の管６ａ、６ｂから陽極、陰極それぞれの生成水を取り出す。
【００３９】
なお、この際に、電気透析分解される液１７を塩化ナトリウム溶液とし、電極装置Ａの隔膜８としてイオン交換性能を有するものの内、アニオン選択透析性能を有した隔膜を採用し、電極装置Ｂの隔膜８としてイオン交換性能を有するものの内、カチオン選択透析性能を有した隔膜を用いると、６ａからナトリウム分を供給原水に含まれている量より多く含まない強酸性水が、また６ｂより塩素イオンを供給原水に含まれている量より多く含まない強アルカリ水が連続的に得られる。
【００４０】
図５は、実施例１の電極装置を使用した電解槽の他の構成例を示す断面図である。この変形例は円筒状の電解槽１６の中心に負極用電極装置を１本、その周囲に正極用電極装置を８本配置したものであり、その他の構成は図４のものと同一である。このように電極装置の数を正極用と負極用とで異ならすことにより、一般的に電解質溶液電解において陰極より寿命の短い陽極の電解条件を和らげる事が可能である。
【００４１】
また、陽極電流密度を下げることにより、例えば塩化ナトリウム溶液電解での陽極表面での電解競合反応において、次亜塩素酸溶液を生成するのに必要な下記（２）および（３）の反応を効率的に進める事が可能になる。
【００４２】
（１）  ２Ｈ2Ｏ → Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-
（２）  ２Ｃｌ- → Ｃｌ2＋２ｅ-
（３）  Ｃｌ2＋Ｈ2Ｏ → ＨＣｌＯ＋ＨＣｌ
【実施例２】
【００４３】
次に電極装置の第２実施例について説明する。図６は、本発明の実施例２の電極装置の構成を示す平面図である。また、図７は、本発明の実施例２の電極装置の構成を示す断面図である。更に、図８は、本発明の実施例２の電極装置の上部固定部材１０の構成を示す縦断面図である。
【００４４】
実施例２の電極装置の材質は実施例１と同じものを使用可能である。但し、電極９ｂには孔は無く、給電部の役割も兼ねている電極９ｂ上部に付けれている流入口１３ｂから供給原水が流入し、円筒状電極９ｂの内側を通って下方へ流れ、下部固定部材１１と円筒状電極９ｂとの間に設けられた隙間から電極９ｂと円筒状隔膜８との隙間に流入し、透析されたイオンおよび電極上にて電子授受を行った物質を溶かし込み、オーバーフローとして上部固定部材１０の吐水口１３ｃから吐水される。
【００４５】
図９は、実施例２の電極装置を使用した電解槽の構成例を示す断面図である。図４の電解槽と異なる点は、原水供給管５およびバルブ１５ａ、１５ｂ、を介してそれぞれの電極装置Ｃ、Ｄ上部の流入口１３ｂから原水が供給され、２本の電極装置Ｃ、Ｄの吐水口１３と接続された絶縁性の管６ａ、６ｂから陽極、陰極それぞれの生成水を取り出す点である。
【００４６】
第２実施例の構造を用いると、下部固定部材１１の電解槽への固着および流入口の接続の必要がなくなり、電極装置を電解質溶液で満たされた電解槽の中に浸漬するだけでよいので、電解装置の製造、保守、管理がより簡便にできる。
【００４７】
図１０は、実施例２の電極装置を使用した電解槽の他の構成例を示す断面図である。この電解槽は実施例２の電極装置を正極用と負極用として交互に一列に複数個配置したものである。なお、電解槽内に図１０の配置を複数列配置してもよい。この場合には、１列おきに正極用電極装置と負極用電極装置の位置を入れ替えることにより、列間においても正極用と負極用の電極装置が隣接するように配置する。
【００４８】
図１１は、実施例２の電極装置を使用した電解槽の他の例を示す断面図である。この例は、第２実施例の電解槽において、電解質溶液タンクを取り除いて電解槽１６自体を電解質溶液タンクとしても使用する。運転に伴って減少した分の電解質や水は直接電解槽１６に投入する。撹拌も循環ポンプではなく、モータ４０によって回転する羽根４１によって行う。槽内に空気を送り込み、気泡によって撹拌してもよい。
更に、この電解槽において羽根や気泡などの撹拌手段を使用しない例も考えられる。従来例の電解槽では循環手段を用いないと中間の電解質溶液室に滞留した電解質が徐々に消費されて、電気伝導度の低下に伴う電解電圧の上昇により電解不能に陥ってしまう。しかし、図１１に示すように、ある程度の容量を有する電解槽の電解質溶液中に電極装置を浸漬する形をとることにより、濃度拡散によって電極への電解質の供給が行われ、電解条件によっては熱による対流により電極への電解質の供給が更に円滑に行われる。
【００４９】
以上、実施例について説明したが、本発明には以下のような変形例も考えられる。実施例１においては、電極装置の下部から原水を供給する構成を開示したが、第１実施例において電極に多数の孔を備えたものであっても、例えば円筒状電極の内部に上部から下部に貫通するパイプを設け、このパイプを介して、上部から原水が下部へ供給され、このパイプと電極の隙間を上昇するように構成することもできる。あるいは、実施例１の構成の電極装置２本を下部で連結してＵ字状の電極装置としてもよい。このようにすれば、電解槽に孔を開けて電極装置を固定する必要がなくなる。
【００５０】
また、電解槽の他の構成例としては、断面が、直径が異なる同心円状の２つの円筒状電極を備えた電解槽の構造も可能である。この場合には、例えば内部から順に負極用円筒状電極、第１の円筒状隔膜、第２の円筒状隔膜、陽極用円筒状電極とし、陽極用円筒状電極の更に外側に電解槽となる円筒状容器を備える。陽極用円筒状電極が電解槽容器を兼ねることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の電解槽は、工業的に量産することが可能であり、かつ未分解の過剰な電解質が生成水中にほとんど含まれない事から塩害など弊害が心配される農業分野などの大型プラント装置としても利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施例１の電極装置の構成を示す平面図である。
【図２】本発明の実施例１の電極装置の構成を示す横断面図である。
【図３】実施例１の電極装置の上部固定部材の構成を示す縦断面図である。
【図４】実施例１の電極装置を使用した電解槽の構成例を示す断面図である。
【図５】実施例１の電極装置を使用した電解槽の他の例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例２の電極装置の構成を示す平面図である。
【図７】本発明の実施例２の電極装置の構成を示す断面図である。
【図８】実施例２の電極装置の上部固定部材の構成を示す縦断面図である。
【図９】実施例２の電極装置を使用した電解槽の構成例を示す断面図である。
【図１０】実施例２の電極装置を使用した電解槽の他の例を示す断面図である。
【図１１】実施例２の電極装置を使用した電解槽の他の例を示す断面図である。
【図１２】特許文献１の電解水生成装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
８…隔膜
９ａ、９ｂ…電極
１０…上部固定部材
１１…下部固定部材
１２…パイプ
１３ａ、１３ｃ…吐水口
１３ｂ…流入口
１４…直流電気供給端子
１６…電解槽
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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