(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
比重が０．２以上異なる少なくとも２種類の紙であって、この少なくとも１種類の紙の比重が溶媒の比重以上であってこの紙以外のいずれの紙の比重も溶媒の比重未満であるか、又はこの少なくとも１種類の紙の比重が溶媒の比重未満であってこの紙以外のいずれの紙の比重も溶媒の比重以上である紙を分離する方法であって、これらの紙を分散剤を含む溶液中に静置する工程から成り、前記分散剤がリグニンスルホン酸ナトリウムであり、前記溶液が更に硫酸アルミニウム、硫酸第一鉄及びアンモニウムミョウバンから成る群から選択される少なくとも1種の硫酸塩を含む方法。
【請求項２】
前記溶液中の分散剤の濃度が１０〜１００ｍｇ／リットルであり、前記溶液中の硫酸塩の濃度が５ｍｇ／リットル以上である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも２種類の紙が新聞紙及び広告紙である請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法を含む再生紙の製法。
【請求項５】
リグニンスルホン酸ナトリウムを１０〜１００ｍｇ／リットル含有し、更に硫酸アルミニウム、硫酸第一鉄及びアンモニウムミョウバンから成る群から選択される少なくとも1種の硫酸塩を５ｍｇ／リットル以上含有する溶液を含む容器から成る紙分離用装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、浮沈法を用いた紙の分離・選別方法、及びこの方法で分離した紙から再生された再生紙、並びに紙分離用装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
我が国では、１９９７年に約３１００万トンの紙が生産されている。この大量に生産された紙のうち、古紙として再利用されるのは、ダンボール等で使用される「板紙」が約９０％であるのに対し、印刷紙や包装紙などの一般の「紙」は３０％にも満たされていない。
一方、今日、古紙リサイクルの一環として再生紙の製造が増大している（日本製紙連合会「古紙  その価値ある資源の活用に向けて」１９９８年３月）。この再生紙製造のためには事前に紙を選別する必要がある。ところが、現状は古紙回収時の選別状態に大きく依存しているため、異種の紙や禁忌品と呼ばれる紙以外の異物が混合するといった問題が生じている。加えて近年では、リサイクル推進のための紙の有効な選別方法が要求されはじめ、紙の物理的選別に関する新たな研究が必要となってきた（C. A. Hardie et. al.; CIM Bull, Vol 92, No.1031, p.131-137(1999), G. Wouch; Am Ink Maker, Vol 74, No. 7, p.44, 46, 50(1996)）。このような状況から、紙（特に、新聞紙と広告紙）を種類毎にわけるための新たな選別・分離技術を開発することが急務の課題となった。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
この発明は、少なくとも２種類の紙、特に紙の中で最も日常的なものである新聞紙と広告紙を浮沈法によって選別分離する方法を提供する。本発明の分離手段は、裁断（例えば、シュレッダなどによる裁断）されていてもよい新聞紙と広告紙等の紙片を溶媒（水）と共に容器内に投入する。この溶媒（水）にはリグニンスルホン酸ナトリウム等の分散剤及び任意に硫酸アルミニウム等の硫酸塩のような紙の表面電位を中和させるための試薬とを添加する。その後、容器自体を静置しておくと、液面上に浮上する紙片（例えば、新聞紙）と底に沈降する紙片（例えば、広告紙）とが浮沈分離する。
【０００４】
この発明の主題は、比重が０．２以上異なる少なくとも２種類の紙であって、この少なくとも１種類の紙の比重が溶媒の比重以上であってこの紙以外のいずれの紙の比重も溶媒の比重未満であるか、又はこの少なくとも１種類の紙の比重が溶媒の比重未満であってこの紙以外のいずれの紙の比重も溶媒の比重以上である紙を分離する方法であって、これらの紙を分散剤を含む溶液中に静置する工程から成る方法である。前記分散剤がリグニンスルホン酸ナトリウム、水ガラス、ゼラチン及びデンプンから成る群から選択される少なくとも1種であって、該溶液中の該分散剤の濃度が１０〜１００ｍｇ／リットルであることが好ましい。前記溶液が更に硫酸塩を含んでもよい。前記硫酸塩は硫酸アルミニウム、硫酸第一鉄及びアンモニウムミョウバンから成る群から選択される少なくとも1種であって、該溶液中の該硫酸塩の濃度が５ｍｇ／リットル以上であることが好ましい。前記少なくとも２種類の紙は新聞紙及び広告紙であってもよい。
【０００５】
本発明の別の主題は、上記の方法により分離された紙から再生された再生紙である。本発明のさらに別の主題は、リグニンスルホン酸ナトリウム、水ガラス、ゼラチン及びデンプンから成る群から選択される少なくとも1種を１０〜１００ｍｇ／リットル含有し、更に硫酸アルミニウム、硫酸第一鉄及びアンモニウムミョウバンから成る群から選択される少なくとも1種を５ｍｇ／リットル以上含有する溶液を含む容器から成る紙分離用装置である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
浮沈法は、沈降法ともいわれている分離法と同じものであり、浮上産物と沈下産物をそれぞれ別産物として回収する方法である。即ち、試薬等を添加した溶液中で、化学的物理的作用で浮遊物を浮上沈降させて分離させる方法である。本発明の浮沈法は、沈降法自体を紙の選別に応用したことや、沈降する沈下産物（例えば、広告紙）だけでなく、浮上する浮上産物（例えば、新聞紙）をも回収することが特徴である。また、本発明の沈降法の特徴として、攪拌は薬剤の添加時に必要なだけで分離中は必要が無いこと、自然大気温度で分離が可能であること、多少の薬剤は必要であるが安価な水道水が溶媒として使用できることなども特徴として挙げられる。
【０００７】
本発明で分離する紙は、まず比重が０．２以上、好ましくは０．３５以上異なる少なくとも２種類の紙である。即ち、これらの紙のうち少なくとも１種類の紙の比重がこの（若しくはこれらの）紙以外のいずれの紙の比重からもこれらの値以上離れていればよい。更にこの少なくとも１種類の紙の比重が溶媒の比重（水の場合は１になる。）以上であってこの紙以外のいずれの紙の比重も溶媒の比重未満であるか、又はこの少なくとも１種類の紙の比重は溶媒の比重未満であってこの紙以外のいずれの紙の比重も溶媒の比重以上である必要がある。特に、溶媒が水の場合に、この少なくとも１種の紙の比重が１以上、特に１．０５以上であって他の紙の比重が１未満、特に０．７５未満であることが好ましい。
具体的には、本発明の方法は、新聞紙、通常の印刷用紙（プリンタ用紙、再生紙）等の一群と、広告紙、光沢系の各種雑誌類、パンフレット類等の一群とを分離するのに適しており、特に新聞紙と広告紙とを分離選別するのに適している。本発明で分離する紙は、ある程度裁断して細片化することが好ましい。例えば、新聞紙などを一般的な大きさのまま浮沈分離することも不可能ではないが、溶媒（水）になじむまで多大な時間を要するので、分離を行うという観点からは適当ではない。ある程度細片化したサイズで浮沈分離を行った方が効果的に分離が行える。後述の実施例の結果によれば、サイズの均一化が見られるシュレッダ裁断後の２×１６ｍｍ程度の細片が浮沈法に適していると考えられる。
【０００８】
本発明で分離に使用する溶媒は水、特に水道水が安価で好ましい。また、油／界面活性剤を加える等の処理を行って溶液の比重を操作することも可能である。
本発明の紙分離用の溶液は、分散剤を含む。
この分散剤としては、浮遊選鉱に用いられる分散剤が適しており、例えば、ケイ酸ナトリウムやリン酸ナトリウムなどの電解質、リグニンスルホン酸ナトリウム、水ガラス、ゼラチン及びデンプン等が挙げられ、リグニンスルホン酸ナトリウム、水ガラス、ゼラチン及びデンプンが好ましく、特にリグニンスルホン酸ナトリウムがより好ましい。
本発明の紙分離用の溶液はこれらの分散剤から選択される少なくとも1種を含有するが、その濃度は紙の裁断程度等の要因に影響される。紙を細片化すると比表面積の増加に伴い、この分散剤の必要添加量も多少増加するものと考えられる。これらを考慮して、分散剤の濃度は好ましくは１０〜１００ｍｇ／リットル、より好ましくは２０〜８０ｍｇ／リットル、さらに好ましくは２５〜６０ｍｇ／リットルである。
【０００９】
本発明の紙分離用の溶液は、更に硫酸塩を含んでもよい。
紙類の表面が多孔質親水性であり溶媒（水）中での表面電位は負の値を示すため、この硫酸塩がこの表面電位を中和することにより、紙の分離を促進する働きをすると考えられる。硫酸塩としては、硫酸アルミニウム、硫酸第一鉄及びアンモニウムミョウバンが好ましく、特に硫酸アルミニウムが好ましい。
本発明の紙分離用の溶液はこれらの硫酸塩から選択される少なくとも1種を含有するが、上記のようにその濃度は紙の裁断程度等の要因に影響される。これらを考慮して、硫酸塩の濃度は好ましくは５ｍｇ／リットル以上、より好ましくは５〜５０ｍｇ／リットル、さらに好ましくは５〜２０ｍｇ／リットルである。
【００１０】
これらの試薬を溶媒（水）に添加する順序には特に制限は無いが、必要な試薬を先に溶媒（水）に溶解させ、溶液を十分になじませた後で紙を投入し攪拌棒等で軽く攪拌する方法が好ましい。静置時間は、分離する紙のサイズや量にもよるが、通常上記攪拌後５〜１０分程度静置しておけば十分分離である。
【００１１】
本発明で分離選別した紙は、それぞれ浮上産物と沈下産物とを別々に回収するのが一般である。その後、回収された紙は、紙の用途又は工程上で必要があれば、両紙の脱水を行う。通常の再生工程は、次の段階でアルカリ水などの水溶液を添加して紙をおかゆ状にほぐす工程があるので、多少水分が含まれていても特に問題は無いと考えられる。その後、ほぐした紙から重い異物（クリップ等）を取り除く工程、繊維分と異物やゴミ類に分ける工程、脱インキ工程（ほぐした紙に界面活性剤等の薬剤を添加し、空気を吹き込むことによりインキを泡と一緒に浮かせる。その一方で親水性の紙繊維は沈下するためインキとの分離が行われる。）、除塵工程（遠心力を使って比重の大きい細かいゴミや砂を除去し、再度スクリーンを使って細片化したゴミを除去する二段階除塵が多く用いられている。）、脱水工程、漂白工程（インキ除去、除塵後、更に白色度を高めるために過酸化水素水等を用いて漂白する。）、洗浄工程（上記各工程でのゴミを最終的に取り除くために洗浄を行う。）等の各工程を経て貯蔵され、その後再生紙として再利用される。
【００１２】
【実施例】
本実施例では、これらの問題に対応するために浮遊選別法及び浮沈法を用いて、紙の中でも日常性の高い新聞紙と広告紙を選別する基礎的な研究を行った。浮沈法により分散剤の濃度が新聞紙と広告紙の浮上性に与える影響について調べ、比較のため浮遊選別法により薬剤の濃度とｐＨが新聞紙と広告紙の浮遊性に及ぼす影響を調べた。
本実施例では、一般の新聞紙と広告紙を用い、両紙を任意にハサミで切断したもの（実施例１〜４、比較例１）とシュレッダ（裁断機）にかけて細片化したもの（実施例５）を試料として使用した。切断後の紙のサイズは、ハサミで切断した紙片が縦３〜１１mm×横７〜３５mm、シュレッダ後の紙片はほぼ均一で縦２mm×横１６mmである。新聞紙と広告紙の比重はそれぞれ０．７１及び１．０９であった。また、新聞紙と広告紙のＸ線分析を行った結果、新聞紙にはＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２が含まれ、Ａｌが約２．３６％、Ｓｉは約２．８９％存在した。一方、広告紙にはＣａＯとＭｇＯが含まれ、Ｃａが約３２．００％、Ｍｇは約１．７４％存在していた。
【００１３】
実施例１（単独浮沈）
ハサミで切断された新聞紙及び広告紙をそれぞれ単独に５gずつ１００ｍｌのビーカーに入れ攪拌した。次に、分散剤としてリグニンスルホン酸ナトリウム（Ligninesulfonic Acid Sodium Salt、添加濃度０〜５０ｍｇ／リットル、以下ＬＧＳという。）を添加後、浮沈分離を行った。得られた浮上物、沈降物は乾燥後、質量を計測し、新聞紙及び広告紙についての各浮上率を求めた。なお本実施例では、ｐＨ調整用の試薬等は添加せず、自然ｐＨ（約ｐＨ７）の条件下で行った。
新聞紙及び広告紙をそれぞれ単独にて浮沈実験した場合の結果を図１に示す。新聞紙の浮上率（●印）は、ＬＧＳの濃度が濃くなるにしたがい増加し、ＬＧＳ濃度１２ｍｇ／リットル以上で１００％になった。一方、広告紙の浮上率（■印）はＬＧＳの濃度によらず３０％〜５０％であった。
【００１４】
実施例２（単独浮沈）
新聞紙などの紙類の表面は多孔質、親水性であり、水中での表面電位は負の値を示す。本実施例では、自然ｐＨであるｐＨ７付近で行っているため、この表面電位を中和する必要がある。そこで、硫酸アルミニウムを用いて中性付近における紙の電気的中和に関する検討を行った。つまり、硫酸アルミニウムは中性付近において正のゼータ電位を示す水酸化アルミニウムになるため、新聞紙の繊維間に吸着され、新聞紙が電気的に中和されると考えられる。その結果、新聞紙は疎水性の性質を帯び、水中に漂うことなく浮上しやすい状態になると期待される。そこで、硫酸アルミニウムを添加した場合について、ＬＧＳの濃度が新聞紙及び広告紙の浮上率に及ぼす影響を調べた。
本実施例では、実施例１と同様の水溶液に更に硫酸アルミニウムを１０ｍｇ／リットル添加した場合のＬＧＳ濃度と浮上率の関係を調べた。その結果を図２に示す。新聞紙の浮上率はＬＧＳの添加量に関係なく全ての濃度で１００％を示し、広告紙の浮上率は最大で１０％であった。また、ＬＧＳの濃度が２５ｍｇ／リットル以上になると広告紙の浮上率は０％となり、全ての紙片が沈降した。
【００１５】
実施例１及び２の結果から浮沈法では、新聞紙と広告紙の選別が可能であることがわかった。特に硫酸アルミニウムを添加することで、新聞紙及び広告紙の浮上率はそれぞれ１００％と０％を示した。これは、新聞紙の表面電位が水酸化アルミニウムにより中和されたうえ、本来親水性の性質を持った新聞紙表面が疎水性の性質を帯びたために浮上しやすくなったと考えられる。さらに、ＬＧＳの分散作用により新聞紙と広告紙が分散し、両者の比重差自体（新聞紙０．７１、広告紙１．０９）によって明確な浮沈現象が発生したと推察される。これらのことから、本発明浮沈法により新聞紙と広告紙の分離選別が可能であることが示された。
【００１６】
実施例３（混合浮沈、分散剤の濃度の影響）
次に実施例１及び２の結果を参考にし、新聞紙と広告紙を混合した試料によって浮沈実験を行った。
図３は新聞紙と広告紙を混合した場合のＬＧＳの濃度と浮上率の関係を示したものである。本実施例では、硫酸アルミニウムを１０ｍｇ／リットル添加し、ＬＧＳの添加量を５〜５０ｍｇ／リットルの範囲で変動させた。紙の分散剤として使用しているＬＧＳの濃度が１２ｍｇ／リットル以下のときは、浮上率に大きな差は見られないが、ＬＧＳ濃度が２５ｍｇ／リットルのときに両者の浮上率の差は最大となった。このとき、新聞紙（●印）の浮上率は９７％、広告紙（■印）の浮上率は０％であった。これは、前述したように硫酸アルミニウムによる水酸化アルミニウムの電気的な中和と分散剤ＬＧＳの効果が最も効果的に生じた濃度であると考えられる。一方、ＬＧＳの濃度をそれ以上増加させると、新聞紙は浮上することなく沈降していく傾向が確認された。これは、過剰の分散剤により新聞紙が親水性となり、水分を含みすぎたために沈降したと考えられる。
【００１７】
実施例４（混合浮沈、硫酸塩の濃度の影響）
次に、図３において浮上率の差が最大になったＬＧＳ濃度を２５ｍｇ／リットルで一定にし、実施例３と同様にして、硫酸アルミニウムの濃度を０〜５０ｍｇ／リットルの範囲で変えて浮沈実験を行った。図４に硫酸アルミニウムの濃度と新聞紙及び広告紙の浮上率の関係を示す。硫酸アルミニウム濃度が１０ｍｇ／リットルのときに新聞紙（●印）と広告紙（■印）の浮上率がそれぞれ９７％、０％となり浮沈の効果が明確に現れた。それ以上の濃度になると、新聞紙の浮上率が減少し、約６０％付近で一定の値となっている。一方、広告紙に浮上率はわずかながら上昇する傾向が確認できる。以上の結果より、硫酸アルミニウム濃度１０ｍｇ／リットル及びＬＧＳ濃度２５ｍｇ／リットルの条件で浮沈法を行えば、新聞紙と広告紙の選別が最も効果的に行えることがわかった。
【００１８】
実施例５（混合浮沈、シュレッダで裁断した紙の選別）
最後に、シュレッダで細片化した以外は実施例３と同様にして行った新聞紙と広告紙の混合実験の浮沈結果を図５に示す。本実施例は実施例３の結果を考慮して硫酸アルミニウムを１０ｍｇ／リットル添加した。本図では実施例２の図２と同じような結果が得られたが、ＬＧＳの濃度５０ｍｇ／リットルのときに、新聞紙の浮上率が９７％、広告紙の浮上率は０％であった。これは、シュレッダで処理された紙片は、ハサミで任意に切断したものより均一に細片化されているため比表面積が大きく、新聞紙がパルプ溶液を吸収しやすくなったためと考えられる。その結果、シュレッダ後の新聞紙を分散させるには実施例３の結果に比べ、ＬＧＳの添加量を若干多くしなければならなかった。すなわち、新聞紙と広告紙とを分離するために加える分散剤の添加量は、選別を行う紙片が小さくなるにしたがって増加させたほうがよいことがわかった。
【００１９】
比較例１（浮選機を用いた浮遊選別方法）
実験手順は、サンプルである新聞紙と広告紙各５ｇを混合し、５００ｍｌの純水中に入れて５分間攪拌した。その後、捕収剤としてドデシルアンモニウムアセテート（Laurylamine Acetate、添加濃度０〜５０ｍｇ／リットル、以下、ＤＡＡという。）を添加した。さらに３分間攪拌した後、起泡剤としてメチルイソブチルケトンを数滴（約８ｍｇ）添加し、浮選機を用いた浮遊選別実験を行った。このとき、インペラ回転数は２３００ｒｐｍで一定としている。浮選終了後は、得られた浮遊物及び沈降物を乾燥させ、質量計測し、新聞紙及び広告紙の浮上率を求めた。また、この浮遊選別法ではｐＨによる影響も調べた。つまり、ＤＡＡ捕収剤濃度を一定にし、ｐＨを３〜１１に調整して浮選を行った。得られた浮遊物、沈殿物については同じく浮上率を求めた。
【００２０】
新聞紙と広告紙とを混合し、パルプ濃度１％、浮選時間３分、ｐＨ５という条件下で、捕収剤ＤＡＡの濃度を変化させた場合の浮選実験結果を図６に示す。横軸にＤＡＡ濃度、縦軸に浮上率（０〜１００％）を示し、新聞紙を●印、広告紙を■印で表している。新聞紙及び広告紙の浮上率はいずれも、ＤＡＡ濃度によらずほぼ１０％以下の低い値を示している。これは、実験中に観察されたことだが、紙片の多くが浮遊することなく浮選機の攪拌用インペラに絡みつき、浮遊性を失ったことが主要な原因として考えられる。また、ＤＡＡ濃度を２０ｍｇ／リットル一定にした場合の浮上率（０〜１０％）の関係を図７に示す。この図７より新聞紙及び広告紙の浮上率に対するｐＨの影響は確認されず、図６で示した結果と同じく、両者８％以下という低い浮上率を示した。以上のことから、通常の浮遊選別法では新聞紙と広告紙を選別することは困難であるといえる。
【００２１】
【発明の効果】
浮遊選別法及び浮沈法を用いて新聞紙と広告紙の基礎的選別実験を行った結果、以下のことがわかった。
（１）浮選機を用いる浮遊選別法では、紙片がインペラに絡みつき、選別効果が低かった。一方、攪拌作用を伴わない浮沈法では、新聞紙と広告紙は良好に選別されることが明らかとなった。
（２）浮沈法では、紙片の表面電位を中和させ、適度に凝集もしくは分散させることが必要であった。また、分離のための分散剤の添加量は紙片が小さくなるにしたがい増加した。
（３）今回の浮沈実験では、リグニンスルホン酸ナトリウム濃度が２５ｍｇ／リットルまたは５０ｍｇ／リットル、硫酸アルミニウム濃度が１０ｍｇ／リットルの場合に、新聞紙と広告紙の分離・選別がほぼ１００％行えることが明らかになった。
【００２２】
本発明の方法により、新聞紙の浮上率（紙片が液面へ浮上する割合）は９７％、広告紙の浮上率は０％と新聞紙と広告紙がほぼ完全に遠別分離できることが見出された。加えて、分離のために添加する分散剤の量は紙片が小さくなるほど増加することが明らかになり、硫酸アルミニウム同様、紙片のサイズにより適当な添加量が存在することが明らかになった。以上のことから、紙の選別に対して本浮沈法は十分な効果があるものと認められる。
また、大量に回収された古紙（新聞紙と広告紙）を同時に裁断機（シュレッダ）にかけた後であっても、紙種毎の選別分離が可能になると考えられる。特に、再生紙に代表されるような事前に選別・分離が必要とされている古紙の再利用にとっては有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】分散剤としてＬＧＳを用いて浮沈法で新聞紙と広告紙とをそれぞれ単独で分離選別する際の、ＬＧＳの濃度に対する各紙の浮上率を示す図である。硫酸塩は用いておらず、ｐＨは７であった。
【図２】ＬＧＳ及び硫酸アルミニウムを用いて浮沈法で新聞紙と広告紙とをそれぞれ単独で分離選別する際の、ＬＧＳの濃度に対する各紙の浮上率を示す図である。硫酸アルミニウムの濃度は１０ｍｇ／リットルであり、ｐＨは７であった。
【図３】ＬＧＳ及び硫酸アルミニウムを用いて浮沈法で新聞紙と広告紙とを混合して分離選別する際の、ＬＧＳの濃度に対する各紙の浮上率を示す図である。硫酸アルミニウムの濃度は１０ｍｇ／リットルであり、ｐＨは７であった。
【図４】ＬＧＳ及び硫酸アルミニウムを用いて浮沈法で新聞紙と広告紙とを混合して分離選別する際の、硫酸アルミニウムの濃度に対する各紙の浮上率を示す図である。ＬＧＳの濃度は２５ｍｇ／リットルであり、ｐＨは７であった。
【図５】ＬＧＳ及び硫酸アルミニウムを用いて浮沈法でシュレッダで裁断した新聞紙と広告紙と混合して分離選別する際の、ＬＧＳの濃度に対する各紙の浮上率を示す図である。硫酸アルミニウムの濃度は１０ｍｇ／リットルであり、ｐＨは７であった。
【図６】ＤＡＡを用いて浮遊選別法で新聞紙と広告紙とを混合して分離選別する際の、ＤＡＡの濃度に対する各紙の浮上率を示す図である。パルプ密度は１％、浮遊時間は３分、ｐＨは５であり、攪拌を行った。
【図７】ＤＡＡを用いて浮遊選別法で新聞紙と広告紙とを混合して分離選別する際の、ｐＨに対する各紙の浮上率を示す図である。ＤＡＡの濃度は２０ｍｇ／リットルであり、攪拌を行った。
【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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