DE102010004071A1 - CO2-Entfernung aus Gasen mit niedrigen CO2-Partialdrücken mittels 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin) (EDEA) - Google Patents

CO2-Entfernung aus Gasen mit niedrigen CO2-Partialdrücken mittels 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin) (EDEA) Download PDF

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Abstract

Verwendung eines Absorptionsmittels zum Entfernen von sauren Gasen aus einem Fluidstrom umfassend eine wässrige Lösung aus 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin).

Description

  • Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Absorptionsmittels zur Entfernung von CO2 aus technischen Gasen.
  • Die Entfernung von CO2 aus technischen Gasen ist von besonderer Bedeutung für die Reduzierung von CO2-Emissionen, da CO2 als die Hauptursache des Treibhauseffekts angesehen wird.
  • In der Industrie werden für die Entfernung von Sauergaskomponenten häufig wässrige Lösungen organischer Basen, z. B. Alkanolamine als Absorptionsmittel eingesetzt.
  • Das Absorptionsmittel wird dabei durch Zufuhr von Wärme, Druckreduktion, oder Strippen mittels geeigneter Hilfsmedien regeneriert. Nach der Regeneration steht das Absorptionsmittel als regeneriertes Lösungsmittel für die Absorption von Sauergaskomponenten erneut zur Verfügung.
  • Rauchgase aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen, fallen nun in etwa bei atmosphärischem Druck an. Da der CO2-Gehalt in den Rauchgasen typischerweise etwa 3 bis 13 Vol% beträgt, beträgt der CO2-Partialdruck entsprechend nur 0,03 bis 0,13 bar. Um bei diesen niedrigen CO2-Partialdrücken eine ausreichende Entfernung des CO2's aus den Rauchgasen zu erzielen, muss ein geeignetes Absorptionsmittel eine sehr hohe Bindungsfähigkeit für CO2 haben. Insbesondere sollte eine möglichst hohe Aufnahmekapazität auch schon bei niedrigen CO2-Partialdrücken vorhanden sein.
  • Durch die Aufnahmekapazität des Absorptionsmittels wird im Wesentlichen die benötigte Absorptionsmittelumlaufmenge und damit die Größe und Kosten der dafür benötigten Ausrüstungen bestimmt. Da die benötigte Energie zum Aufheizen und Abkühlen des Absorptionsmittels proportional der Umlaufmenge ist, wird auch die für die Regeneration des Lösungsmittels benötigte Regenerationsenergie in wesentlicher Weise reduziert, wenn es gelingt die Umlaufmenge des Absorptionsmittels zu reduzieren.
  • Neben einer hohen Aufnahmekapazität sollte ein geeignetes Absorptionsmittel insbesondere aber auch eine möglichst hohe Stabilität gegenüber Sauerstoff aufweisen, da insbesondere in Rauchgasen immer ein gewisser Anteil an Sauerstoff vorhanden ist. Aus der Literatur ist bekannt, das viele Aminverbindungen, die sonst günstige Absorptionseigenschaften aufweisen, bei Vorhandensein von Sauerstoff leicht zersetzt werden, was zum einen zu einem hohen Absorptionsmittelverbrauch und zum anderen zu entsprechend hohen Kosten führt. Die dabei entstehenden Zersetzungsprodukte führen in der Regel zu einer deutlich erhöhten Korrosion und können zum anderen die Kapazität des Absorptionsmittels signifikant reduzieren.
  • Leichtflüchtige Zersetzungsprodukte, wie z. B. Ammoniak hätten zur Folge, dass das CO2-Produkt und das die CO2-Wäsche verlassende Rauchgas mit unzulässigen Emissionskomponenten verunreinigt würden. Die Vermeidung dieser Emissionen macht weitere Prozessschritte notwendig, wodurch sich die Kosten einer CO2-Wäsche weiter erhöhen.
  • Es besteht daher ein erheblicher Bedarf nach einem Absorptionsmittel, das zum einen eine möglichst hohe Aufnahmefähigkeit für CO2 bei niedrigen Partialdrücken von < 1 bar, insbesondere bei < 0,2 bar, aufweist und das gleichzeitig möglichst Sauerstoff-stabil und auch unter den Bedingungen der Absorptionsmittelregeneration thermisch stabil ist. Die Deckung dieses Bedarfes, d. h. also die Bereitstellung eines solchen Absorptionsmittels, sowie ein Verfahren zur Entfernung von CO2 aus technischen Gasen hat sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gemacht.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung eines Absorptionsmittels, das 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin) (EDEA) in wässriger Lösung enthält.
  • Im Allgemeinen enthält das zu verwendende Absorptionsmittel bezogen auf das Gewicht des Absorptionsmittels 10 bis 90 Gew%, vorzugsweise 30 bis 65 Gew% an EDEA.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung enthält das zu verwendende Absorptionsmittel außerdem wenigstens ein weiteres von 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin) verschiedenes Amin. So kann das erfindungsgemäße Absorptionsmittel z. B. 5 bis 45 Gew%, vorzugsweise 10 bis 40 Gew% eines oder mehrer davon verschiedener Amine enthalten.
  • Das wenigstens eine von 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin) verschiedene weitere Amin wird beispielsweise ausgewählt aus:
    • A) tertiären Aminen der allgemeinen Formel: N(R1)2-n(R2)1+ worin R1 für eine Alkylgruppe und R2 für eine Hydroxylalkylgruppe steht oder tertiären Aminen der allgemeinen Formel: (R1)2-n(R2)nN-X-N(R1)2-m(R2)m worin R1 für eine Alkylgruppe steht, R2 für eine Hydroxyalkylgruppe steht, X für eine Alkylengruppe, die ein- oder mehrfach durch Sauerstoff unterbrochen ist und n und m für eine ganze Zahl von 0 bis 2 steht, oder zwei an verschiedene Stickstoffatome gebundene Reste R1 und R2 zusammen für eine Alkylengruppe steht,
    • B) sterisch gehinderten Aminen,
    • C) 5-, 6-, oder 7-gliedrigen gesättigten Heterocyclen mit wenigsten einer NH-Gruppe im Ring, die ein oder zwei weitere, unter Stickstoff und Sauerstoff ausgewählte Heteroatome im Ring enthalten können,
    • D) primären oder sekundären Alkonolaminen,
    • E) Alkylendiaminen der Formel: H2N-R2-NH2 worin R2 für eine C2- bis C5-Alkylgruppe steht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die tertiären Amine, die zusätzlich zu 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin) eingesetzt werden, ausgewählt aus einer Gruppe, umfassend Tris(2-hydroxyethyl)amin, Tris(2-hydroxypropyl)amin, Tributanolamin, Bis(2-hydroxyethyl)-methylamin, 2-Diethylaminoethanol, 2-Dimethylaminoethanol, 3-Dimethylamino-1-propanol, 3-Diethylamino-1-propanol, 2-Diisopropylaminoethanol, N,N-Bis(2-hydroxypropyl)methylamin (Methyldiisopropanolamin, MDIPA), N,N,N',N'-Tetramethylethylendiamin, N,N-Diethyl-N',N'-dimethylethylendiamin, N,N,N',N'-Tetraethylethylendiamin, N,N,N',N'-Tetramethylpropandiamin, N,N,N',N'-Tetraethylpropandiamin, N,N-Dimethyl-N',N'-diethylethylendiamin, 2-(2-Dimethylaminoethoxy)-N,N-dimethylethanamin; 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO); N,N,N'-Trimethylaminoethylethanolamin, N,N'-Dimethylpiperazin und N,N'-Bis(hydroxyethyl)piperazin. Besonders bevorzugt wird die Verbindung Bis-dimethylaminoethylether eingesetzt. Weitere in Frage kommende tertiäre Amine sind in WO 2008/145658 A1 , US 4,217,236 und US 2009/0199713 A1 offenbart.
  • In einer weiteren Ausgestaltung werden die sterisch gehinderten Amine, die zusätzlich zu 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin) eingesetzt werden, ausgewählt aus einer Gruppe, umfassend 2-Amino-2-methyl-1-propanol, 2-Amino-2-methyl-1-butanol, 3-Amino-3-methyl-1-butanol, 3-Amino-3-methyl-2-pentanol und 1-Amino-2-methylpropan-2-ol. Weitere in Frage kommende sterisch gehinderte Amine werden in WO 2008/145658 A1 , US 4,217,236 , US 2009/0199713 A1 , US 5,700,437 , US 6,500,397 B1 und US 6,036,931 genannt.
  • Optional werden die 5-, 6-, oder 7-gliedrigen gesättigten Heterocyclen, die zusätzlich zu 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin) eingesetzt werden, aus einer Gruppe ausgewählt, umfassend, Piperazin, 2-Methylpiperazin, N-Methylpiperazin, N-Ethylpiperazin, N-Aminoethylpiperazin, Homopiperazin, Piperidin und Morpholin. Besonders bevorzugt wird die Verbindung Piperazin eingesetzt. Weitere Verbindungen, die zur Auswahl stehen, beschreiben die WO 2008/145658 A1 und die US 2009/0199713 A1 .
  • Mit Vorteil werden die primären oder sekundären Alkanolamine, die zusätzlich zu 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin) eingesetzt werden, aus einer Gruppe ausgewählt, umfassend, 2-Aminoethanol, N,N-Bis(2-hydroxyethyl)amin, N,N-Bis(2-hydroxy-propyl)amin, 2-(Methylamino)ethanol, 2-(Ethylamino)ethanol, 2-(n-Butylamino)ethanol, 2-Amino-1-butanol, 3-Amino-1-propanol und 5-Amino-1 pentanol. Auch hierzu sind weitere mögliche Verbindungen in den Schriften WO 2008/145658 A1 und die US 2009/0199713 A1 offenbart.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Alkyldiamine, die zusätzlich zu 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin) eingesetzt werden, aus einer Gruppe ausgewählt, umfassend, Hexamethylendiamin, 1,4-Diaminobutan, 1,3-Diaminopropan, 2,2-Dimethyl 1,3-diaminopropan, 3-Methylaminopropylamin, 3-(Dimethylamino)propylamin, 3-(Diethylamino)propylamin, 4-Dimethylaminobutylamin und 5-Dimethylaminopentylamin, 1,1,N,N-Tetramethylethandiamin, 2,2,N,N-Tetramethyl-1,3-propandiamin, N,N'-Dimethyl-1,3-propandiamin, N,N'Bis(2-hydroxyethyl)ethylendiamin. Außerdem kommen sämtliche Komponenten in Betracht, die in der WO 2008/145658 A1 und der US 2009/0199713 A1 als solche gekennzeichnet sind.
  • Desweiteren zeichnet sich die Verwendung des Absorptionsmittels dadurch aus, dass der Fluidstrom mit einem vorstehend charakterisierten Absorptionsmittel in Kontakt gebracht wird und dabei das Absorptionsmittel mit CO2 beladen wird. Dies geschieht bevorzugt bei einem Partialdruck von < 200 mbar.
  • Vorteilhaft wird das beladene Absorptionsmittel durch Erwärmung, Entspannung, Strippen mittels durch interne Verdampfung des Lösungsmittels erzeugten Strippdämpfen, Strippen mit einem inerten Fluid oder einer Kombination zweier oder aller dieser Maßnahmen regeneriert.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand zweier Beispiele detailliert beschrieben.
  • Beispiel 1: Test auf Sauerstoffstabilität
  • Die Beständigkeit von 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin) gegen die Einwirkung von Sauerstoff wurde wie folgt ermittelt:
    Die Untersuchungen wurden in einer Glasapparatur bestehend aus Rundkolben und Rückflusskühler durchgeführt. Die Amine wurden eingewogen. Dabei wurde bei etwa 110°C über 4 Tage ein mit Wasserdampf vorgesättigter Luftstrom von ca. 12 Nl Luft/h in die gerührte Lösung eingeperlt. Zur Verfolgung des Reaktionsverlaufs wurden täglich Proben mittels Gaschromatographie bzw. Säure-Base-Titration (0,1 molare Salzsäure) analysiert und so der absolute Amingehalt bestimmt. Am Ende wurden die Kolben zur Kontrolle gewogen, um die Gesamtmenge der Lösung zu bestimmen.
  • Aufgrund der Vorsättigung der Luft mit Wasserdampf fand eine Gewichtszunahme im Kolben über die Versuchsdauer statt. Wird das Messergebnis um die Gewichtszunahme durch das eingetragene Wasser korrigiert, wurde nach Abschluss des Versuches festgestellt, dass 96,2% des eingesetzten EDEA's (50 Gew%) noch in der Lösung enthalten waren. Das entspricht einem Lösungsmittelverlust von 3,8% des eingesetzten EDEA's. Dem entsprechend wurde über diesen Zeitraum auch nur eine leichte Farbveränderung von gelb zu hell orange festgestellt.
  • Im Gegensatz dazu ergab sich bei dem Test der Stabilität einer ebenfalls ca. 50 Gew%igen Monoethanolamin-Lösung (MEA) unter ansonsten gleichen Bedingungen eine Endkonzentration von 44,89 Gew% MEA nach 4 Tagen, Das entspricht einem Lösungsmittelverlust von ca. 9% des eingesetzten MEA's innerhalb des Testzeitraums. Entsprechend änderte sich die Farbe von leicht beige hin zu dunkel orange. Damit ist das hier vorgeschlagene Amin um den Faktor 2,4 sauerstoffstabiler als MEA.
  • Beispiel 2: Bestimmung der CO2-Aufnahmekapazität
  • Für die synthetischen Gaslöslichkeitsmessungen (isotherme P-x-Daten) wurde eine statische Phasengleichgewichtsapparatur nach dem synthetischen Messprinzip eingesetzt. In dieser Anordnung wird der Druck für verschiedene Bruttozusammensetzungen einer Mischung bei konstanter Temperatur gemessen. Das thermostatisierte, gereinigte und entgaste Lösungsmittel wird mit Hilfe von Dosierpumpen die es erlauben kleine Volumendifferenzen aufzuzeigen, in eine evakuierte und thermostatisierte Messzelle gefüllt. Dann wird das Gas in kleinen Schritten hinzugegeben. Das dann bei einem bestimmten Druck in der Absorptionslösung befindliche CO2 wird unter Berücksichtigung des Gasraums rechnerisch bestimmt.
  • Es wurde die CO2-Aufnahme für einen CO2-Partialdruck von 0,1 bar bei einer Temperatur von 40°C und 120°C bestimmt. Die zyklische Absorptionskapazität bestimmt sich dabei als die Differenz der Beladung bei 40°C und 120°C. Tab. 1:
    Absorptionsmittel relative zyklische Absorptionskapazität in %
    MEA (30 Gew%) 100
    EDEA (30 Gew%) 107
  • Aus den in der Tabelle 1 gezeigten Ergebnissen geht hervor, dass für eine 30 Gew% EDEA-Lösung die zyklische Absorptionskapazität das ca. 1,05-fache einer 30 Gew%igen MEA-Lösung beträgt. Für eine Lösungsmittelkonzentration von größer, gleich 50 Gew% EDEA, die sich ebenfalls für die CO2-Absorption verwenden lassen, stellten sich allerdings Ergebnisse ein, bei der die zyklische Absorptionskapazität das 1,8fache einer 30 Gew%igen MEA-Lösung. Aufgrund, stark zunehmender Korrosivität von MEA-Lösungen mit mehr als 30 Gew% MEA in der wässrigen Lösung werden MEA-Lösungen mit mehr als 30 Gew% MEA bisher technisch nicht verwendet.
  • Damit liegt erfindungsgemäß ein Lösungsmittel für die Absorption von CO2, insbesondere im Bereich niedriger CO2-Partialdrücke und bei Anwesenheit von Sauerstoff, vor, das zum einen bei diesen Bedingungen deutlich stabiler ist und zum anderen auch eine höhere zyklische Absorptionskapazität aufweist, als ein vergleichbares Lösungsmittel nach dem Stand der Technik. Dies beweist die besondere Eignung für die CO2-Entfernung des erfindungsgemäßen Amins aus technischen Gasen mit niedrigen Partialdrücken (< 200 mbar).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2008/145658 A1 [0014, 0015, 0016, 0017, 0018]
    • US 4217236 [0014, 0015]
    • US 2009/0199713 A1 [0014, 0015, 0016, 0017, 0018]
    • US 5700437 [0015]
    • US 6500397 B1 [0015]
    • US 6036931 [0015]

Claims (13)

  1. Verwendung eines Absorptionsmittels zum Entfernen von sauren Gasen aus einem Fluidstrom umfassend eine wässrige Lösung aus 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin).
  2. Verwendung eines Absorptionsmittels nach Anspruch 1, wobei das Absorptionsmittel bezogen auf das Gewicht des Absorptionsmittels 10 bis 90%, vorzugsweise 30 bis 65% an 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin) enthält.
  3. Verwendung eines Absorptionsmittels nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Absorptionsmittel wenigstens ein weiteres von 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin) verschiedenes Amin enthält.
  4. Verwendung eines Absorptionsmittels nach Anspruch 3, wobei das Absorptionsmittel 5 bis 45%, und vorzugsweise 10 bis 40% des wenigstens einen von 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin) verschiedenen Amins enthält.
  5. Verwendung eiens Absorptionsmittels nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das wenigstens eine weitere von 2,2'-(Ethylendioxy)-bis-(ethylamin) verschiedene Amin ausgewählt ist unter: A) tertiären Aminen der allgemeinen Formel: N(R1)2-n(R2)1+n worin R1 für eine Alkylgruppe steht und R2 für eine Hydroxylalkylgruppe steht oder tertiären Aminen der allgemeinen Formel: (R1)2-n(R2)nN-X-N(R1)2-m(R2)m worin R1 für eine Alkylgruppe steht, R2 für eine Hydroxyalkylgruppe steht, X für eine Alkylengruppe, die ein- oder mehrfach durch Sauerstoff unterbrochen ist und n und m für eine ganze Zahl von 0 bis 2 steht, oder zwei an verschiedene Stickstoffatome gebundene Reste R1 und R2 zusammen für eine Alkylengruppe steht, B) sterisch gehinderten Aminen, C) 5-, 6-, oder 7-gliedrigen gesättigten Heterocyclen mit wenigsten einer NH-Gruppe im Ring, die ein oder zwei weitere, unter Stickstoff und Sauerstoff ausgewählte Heteroatome im Ring enthalten können, D) primären oder sekundären Alkonolaminen, E) Alkylendiaminen der Formel: H2N-R2-NH2 worin R2 für eine C2 bis C5-Alkygruppel steht.
  6. Verwendung eines Absorptionsmiitels nach Anspruch 5, wobei das tertiäre Amin aus einer Gruppe ausgewählt wird, umfassend Bis-dimethylaminoethylether, Tris(2-hydroxyethyl)amin, Tris(2-hydroxypropyl)amin, Tributanolamin, Bis(2-hydroxyethyl)-methylamin, 2-Diethylaminoethanol, 2-Dimethylaminoethanol, 3-Dimethylamino-1-propanol, 3-Diethylamino-1-propanol, 2-Diisopropylaminoethanol, N,N-Bis(2-hydroxypropyl)methylamin (Methyldiisopropanolamin, MDI PA), N‚N,N',N'-Tetramethylethylendiamin, N,N-Diethyl-N',N'-dimethylethylendiamin, N,N,N',N'-Tetraethylethylendiamin, N,N,N',N'-Tetramethylpropandiamin, N,N,N',N'-Tetraethylpropandiamin, N,N-Dimethyl-N',N'-diethylethylendiamin, 2-(2-Dimethylaminoethoxy)-N,N-dimethylethanamin; 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO); N,N,N'-Trimethylaminoethylethanolamin, N,N'-Dimethylpiperazin und N,N'-Bis(hydroxyethyl)piperazin, wobei besonders bevorzugt Bis-dimethylaminoethylether eingesetzt wird.
  7. Verwendung eines Absorptionsmittels nach Anspruch 5, wobei das sterisch gehinderte Amin aus einer Gruppe ausgewählt wird, umfassend 2-Amino-2-methyl-1-propanol, 2-Amino-2-methyl-1-butanol, 3-Amino-3-methyl-1-butanol, 3-Amino-3-methyl-2-pentanol und 1-Amino-2-methylpropan-2-ol.
  8. Verwendung eines Absorptionsmittels nach Anspruch 5, wobei die 5-, 6-, oder 7-gliedrigen gesättigten Heterocyclen aus einer Gruppe ausgewählt werden, umfassend, Piperazin, 2-Methylpiperazin, N-Methylpiperazin, N-Ethylpiperazin, N-Aminoethylpiperazin, Homopiperazin, Piperidin und Morpholin, wobei besonders bevorzugt Piperazin eingesetzt wird.
  9. Verwendung eines Absorptionsmittels nach Anspruch 5, wobei die primären oder sekundären Alkanolamine aus einer Gruppe ausgewählt werden, umfassend, 2-Aminoethanol, N,N-Bis(2-hydroxyethyl)amin, N,N-Bis(2-hydroxy-propyl)amin, 2-(Methylamino)ethanol, 2-(Ethylamino)ethanol, 2-(n-Butylamino)ethanol, 2-Amino-1-butanol, 3-Amino-1-propanol und 5-Amino-1 pentanol.
  10. Verwendung eines Absorptionsmittels nach Anspruch 5, wobei die Alkyldiamine aus einer Gruppe ausgewählt werden, umfassend, Hexamethylendiamin, 1,4-Diaminobutan, 1,3-Diaminopropan, 2,2-Dimethyl 1,3-diaminopropan, 3-Methylaminopropylamin, 3-(Dimethylamino)propylamin, 3-(Diethylamino)propylamin, 4-Dimethylaminobutylamin und 5-Dimethylaminopentylamin, 1,1,N,N-Tetramethylethandiamin, 2,2,N,N-Tetramethyl-1,3-propandiamin, N,N'-Dimethyl-1,3-propandiamin, N,N'Bis(2-hydroxyethyl)ethylendiamin.
  11. Verwendung eines Absorptionsmittels zum Entfernen von Kohlendioxid aus einem Fluidstrom nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Fluidstrom mit dem Absorptionsmittel in Kontakt gebracht wird und das Absorptionsmittel mit CO2 beladen wird.
  12. Verwendung eines Absorptionsmittels zum Entfernen von Kohlendioxid aus einem Fluidstrom nach Anspruch 11, wobei die Beladung des Absorptionsmittels mit CO2 bei einem Partialdruck von < 200 mbar erfolgt.
  13. Verwendung eines Absorptionsmittels zum Entfernen von Kohlendioxid aus einem Fluidstrom nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das beladene Absorptionsmittel durch i) Erwärmung, ii) Entspannung, iii) Strippen mittels durch interne Verdampfung des Lösungsmittels erzeugten Strippdämpfen, iv) Strippen mit einem inerten Fluid oder einer Kombination zweier oder aller dieser Maßnahmen regeneriert wird.
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