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~ a présente invention concerne un procédé de prépa-
ration de solutions de monomères destinée~ notamment à la fa-
brication de polymères organiques utilisables par exemple
comme floculants.
Il est bien connu de préparer des floculants par pho-
topolymérisation de monomères acryliques notamment d'acrylamide,
méthacrylamide, d'acides acrylique ou méthacrylique éventuel-
lement salifié~ et de sels d'ammonium dérivés de~ (méth)acrylates
de dialcoylaminoalcoyle.
- 10 on requiert habituellement de ces floculants organi-
ques qu' il9 soient solubles dans l'eau, qu'ils aient un haut
poids moléculaire (donc une haute viscosité intrinsèque), qu'ils
se dissolvent rapidement dans l'e~u, qu'ils ne lai~sent pas de
résidu insoluble lors de leur dissolution.
Sur le plan du procédé de préparation de ces flocu-
lants organiques, on cherche à ce que la polymérisation ait
lieu en oontinu avec des solutions aus~i concentrées que possi-
ble mais on cherche aussi à évacuer au mieux les calories dé-
gagées lors de la photopolyméri~ation.
Ces diverses exigences, et d'autres encore ont con-
duit à preparer le~ polymères organiques floculants par un
procédé où une solution aqueuse de monomères contenant un
photoinitiateur est dépo~ée en couche mince sur un support mo-
bile et soumise là, en continu, à irradiation par des rayonne-
ments ultra-violets (UV).
~ a réalisation de la solution aqueuse de monomères
préalablement ~ llirradiation pose quelque~ problèmes techniques.
En effet, outre la dissolution proprement dite des monomères
dans l'eau, il faut incorporer aux dites solutions un photoi-
nitiateur et, dan~ certains ca~, un agent alcalin tel que lasoude pour augmenter le pH desdites solutions.
De plu~ lors~u'on cherche à irradier en absence
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d'oxygène, il faut débarras3er ces solutions de monomères de
l'oxygène dissous qu'elles peuvent contenir (cet oxygène a
souvent été introduit antérieurement et volontairement à haute
teneur dans le but de bloquer la polymérisation lors du stockage
préalable).
Si la réalisation de telles ~olutions de monomères
s~effectue sans précaution particulière ou selon des modalités
inadéquates, diverses conséquences néfastes peuvent intervenir: :
les monomères sensibles à l'action des agents alcalins peuvent
commencer à se saponifier, ce qui conduit à des produits flocu-
lants de qualité peu constante ou mal déterminée; les solutions
mal désoxygénées risquent d'être difficilement polymérisables;
enfin et surtout, il y a, inversement le risque de polymérisa-
tions prématurées et intempestives à l'intérieur de l'appareil-
lage, ces polymérisations étant d'autant plus dangereuses
qu'elles sont propagative~; ces polyméri~ations prématurées et
intempestives sont aussi d'autant plus néfastes que, l'appareil-
lage étant disposé et aménagé pour opérer en continu, il risque
d~y avoir bloquage de tout 1'appareillage, notamment par bouchage
de canalisations; ces polymérisations prématurées et intempes-
tives peuvent ne se déclancher qu'à retardement (par exemple
après plusieurs jours de fonctionnement); il est donc particu-
lièrement nécessaire de supprimer toute cause tendant, peu ou
prou, à initier ou favori~er ces polymérisations prématurées.
Jusqu'à présent les principaux moyens utilisés pour
la réalisation de solutions aqueuses de monomères sont d'une
part le mélange direct des constituants de ces ~olutions et
d'autre part l'utilisation d'une série de mélangeurs successifs.
Mais le mélange direct ne convient pas lorsqu'on a
préparé à l'avance une solution aqueuse de monomère et que, pour
pouvoir la stocker sans polymérisation prématurée, on a oxygéné
cette solution aqucuse.
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~ 'utilisation d'une série de mélangeurs successifs,
malgré ses avantages (mélange parfait d'un réactif avant ajout
du réactif suivant), a divers inconvénients, notamment la taille
excessive de l'appareillage, le temps de séjour trop long des
réactifs; l'uti]isation d'agitateurs ou tout autre système
piaces métalliques mobiles n'e~t pas non plus opportune en ce
qu'elle peut fa~oriser le~ polymérisations prématurée~,
Un but de 1'invention est de fournir un procédé per-
fectionné de préparation de polymères organiques par irradia-
tion UV.
Un autre but de l'invention est de remédier aux in-
convénients des procédés connus.
Un autre but de l'invention e~t de fournir un moyen
perfectionné de réaliser rapidement des solutions aqueuses de
monomères destinée3 à être soumises à irradiation UV.
Un autre but de l'invention est de fournir des solu-
tions de monomère~ prêtes à l'irradiation ur.
Un autre but de l'invention est de fournir des solu-
tion~ de monomères bien dé~oxygénées et ayant un pH constant.
Un autre but de llinvention est de fournir des
solutions a~ueuses de monomères prêtes à l'irradiation U~ sans
utiliser de sy~tème d'agitation mecanique à pièces mobiles.
Un autre but de l'invention est de réduire au minimum
le temps de tran~ormation entre la solution aqueuse de mono-
mères stable au stockage et la solution aqueuse de monomères
pr~te à polymérisation.
Dlautres buts de l'invention apparaitront encore au
cours de la description qui va suivre.
Il a maintenant été trouvé qu'on pouvait atteindre
ces buts gr~ce au procédé faisant l'objet de la présente in-
vention. Ce procédé est un procédé de préparation de solutions
aqueuses de monomères oléfiniquement insaturés destinée,s à etre
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~ ,
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soumises, de préférence en continu, ~ irradiation UV à l'état
de couche mince et ce procédé est caractérisé en ce~qu'une so-
lution aqueuse desdits monomères est introduite en haut d'une
colonne, qu'un photoinitiateur est introduit dans cette même
colonne, qu'un gaz inerte est introduit au bas de cette colonne,
que dans la colonne les gaz circulent de maniare ascendante
et les liquides de manières desce~dante, que le gaz inerte sort
en haut de colonne et la solution de monomare prête à usage
(c'est-à-dire prête pour l'irradiation UV) est soutirée en ba3
de colonne
La colonne utilisée dans le procédé de l'invention
est, de préférence, une colonne à garnissage.
~ a solution aqueuse de monom~res qui est introduite
en haut de colonne e~t généralement une solution simple com-
prenant essentiellement et ~impiement l'eau et les monomares;
le plus souvent il s'agit d'une solution stable au stockage,
c'est-à-dire ayant une haute teneur en oxygène dissous, géné-
ralement voisine de la saturation.
~ orsqu'il est souhaitable dlavoir une solution de
monomères ayant un pH alcalin déterminé, le procédé de l'inven-
tion est complété en ce qu'une solution aqueuse d'agent alcalin
est introduite en haut de la colonne, que le pH de la solution
prête à photopolymérisation soutirée en bas de colonne est me-
suré en continu et qulun système dtasservissement règle le débit
de solution aqueuse d'agent alcalin de manière à fixer le pH
mesuré à la valeur souhaitée.
Comme agent alcalin, on utilise de préférence des
hydroxydes notamment de sodium (soude), de potassium (potasGe),
ou d'ammonium (ammoniaque); on peut aussi utiliser des sels
alcalins.
~ e photoinitiateur est introduit dans la colonne géné-
ralement sous forme de solution; il peut être introduit en haut
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de la colonne mais, préférentiellement il est introduit dans
la moitié inférieure de la partie de la colonne munie du gar-
ni~sage; de toute manière on préfère l~introduire dans la co-
lonne au-dessus du bas du garnissage, à une hauteur correspon~
dant au moins au cinquième de la hauteur totale de ce
garnissage.
~a colonne à garnissage peut être de tout type connu.
Toutefois, on préfère une colonne aménagée et utilisée de ma-
nière telle que sa retenue (ou hoidup en anglais) 90it comprise
entre 5 et 50 ~ du volume de la colonne dan~ le~ zones comprenant
le garnissage et située au-dessus du garnissage, de préférence
entre 10 et 40 %. ~a retenue de colonne est la quantité de
liquide présente, lors de la distillation, dans les parties de
la colonne comprenant le garnissage et située au-dessus de ce
garnlssage.
Par ailleurs, on préfère utiliser des colonnes dépour-
vues de zones mortes, c~est-à-dire de zones où un liquide peut
sta~ner. Comme garni~sage on peut donc utiliser tout garnis-
sage a~surant à la fois un bon contact gaz-liquide, une absence
de zones mortes et qui permet une bonne circulation des liquides
et des gaz; sont spécialement utilisables les garnisæages en
matériau non poreux tel que, par exemple, le verre, les poly-
oléfines,~les polyfluorooléfines; les polyamides, le~ polyesters,
les poly¢arbonates, les polysulfones; comme forme~ de garnissage
spécialement utilisables on peut citer, à simple titre d~exemple,
les billes, les spirales, les cylindres à parois partiellement
évidées, les enroulements en hélice.
~ensemble du garnissage repo~e commodément sur une
grille qui permet de la maintenir en place; les mailles de
3 cette grille ont une dimension minimum qui est généralement su-
périeure à 0,5 mm, de préférence supérieure à 3 mn.
Selon une variante préférentielle, le garnissage com-
,
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prend ~ sa partie ~upérieure de~ éléments fins (garnissage fin)
et à sa partie inférieure des éléments de plus grande taille
(garnissage gros). Ces deux parties peuvent être dissociées
(c'est-à-dire ~éparées par une zone sans garnissage). ~e
garnissage gros a une taille généralement supérieure de 1,2 fois
au garnissage fin, de préférence supérieure de 1,5 à 5 fois.
~outefois, on peut aussi utiliser deux garnissages ayant de~
éléments de même taille.
~es parois de la colonne à garnissage ~ont avantageu-
sement et intérieurement li~g; on préère aus3i qulelles ~oientopaques ou rendues opaques; si elles sont constituées d'un ma-
tériau transparent, on préfère donc les recouvrir d'un maté-
riau opaque, noir par exemple, le cas échéant muni de regards
mobiles (c'est-~-dire ouvrables et fermables). Comme matériau
approprlé pour la colonne à garnissage on peut citer, à titre
d'exemples, le verre et les matières polyméri~ues (ce terme
incluant les polycondensats).
Selon une modalité préférée mai~ non obligatoire,
l'alimentation de~ diver~ liquides et gaz dans la colonne se
fait par des tubulures plongeantes c'est-à-dire ayant une ex-
trémité pénétrant à l'intérieur de la colonne et dirigée vers
le bas.
Sur le plan de fonctionnement, on tend à respecter
encore certaines autres conditions opératoires. C'est ainsi
que l'on fait généralement en sorte que l'espace ~itué juste
au dessous de la grille supportant le garnissage soit muni d'une
phase gazeuse (ce terme incluant les vapeurs); dans ces condi-
tions~ en descendant la colonne on rencontre 8ucce~sivement:
le garni~sage, la grille, une zone pourvue d'une phase gazeuse,
puis, au fond de la colonne, une phase liquide constituée de
la solution de monom~re pr~te à l'irradiation UV. On préfère
par ailleurs que la partie supérieure du garnissage ne soit pa~
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recouverte par une phase liquide.
On préfère aussi que l'alimentation de la bande mobile
en solution prete à irradiation UV depuis la colonne à garnis-
sage se fasse ~ans pompe. Ceci est obtenu commodément par une
canalisation coudée constituant un système de type siphon fonc-
tionnan-t en trop-plein; dans un tel systame, le fond de la
colonne à garnis~age est occupé par la solution prête à irra-
diation W et cet-te solution e.st soutirée en pe~manence par
l~intermédiaire dlun tube coudé, la partie supérieure du coude
étant à une hauteur inférieure à la grille supportant le gar-
nissage ce qui permet de maintenir une phase gazeuse sous cettegrille; de plus les diamètre~ des tubes sont agencés de manière
à ce que l'écoulement du liquide dans le tube coudé se fasse
sans à-coup mais de manière régulière.
On a représenté dans la figure jointe l~une des di~-
positifs possible permettant la réalisation du procédé selon
l~in~ention.
Dans ce dispositif la colonne (1) est munie d~n
garnissage (2) et dl~m garnissage (3). ~e garnissage (2) peut
8tre fin et le garnis3age (3) peut atre gros: mais on peut aussi
utiliser un m8me garnissage en (2) et en (3). En haut de colon-
ne, on alimente en (4) une solution aqueuse de monom~res olé-
finiquement insatu~és contenant de lloxygène dissous; en (5)
on alimente de la soude; en (6) on laimente le photoinitiateur;
en (7) on alimente l'azote qui sort de l'appareil en (8); la
grille (9) supporte la partie inférieure (3) du garnissage;
puisque le garnissage est dans ce cas nettement séparé en deux
parties distinctes, une deuxième grille (10) supporte la partie
supérieure du garnissage. ~a partie inférieure de la colonne
3 comprend une phase gazeuse (11) et, tout en bas, la solution
(12) prête à irradiation UV. ~e tube coudé (13) assure l'écou-
lement de cette ~olution dans la direction (14) du tapis mobile
sur lequel s~effectuera la photopolymérisation W en couche
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mince. ~e dispositif (16) permet d'une part de mesurer le pH
de la solution (12)~et, ~uite à cette mesure, de réguler l'in-
troduction de soude (solution aqueuse) en (5) par le moyen
de la vanne (15).
~ 'azote peut de ce fait être remplacé par tout gaz
inerte, par exemple l'argon. ~es débits respectifs d'azote
et de li~uides sont choisis de manière que la teneur en oxygène
dissous dans la solution prête à irradiation soit généralement
inférieure à 0,1 % de la saturation, de préférence inférieure
à 0,01 % ou, mieux même, inférieure à 0,005 ~ (pourcentages
pondéraux).
~ es monomères oléfiniquement insaturés utilisés sont,
à raison d'au moins 50 ~ en poids, de préférence au moins 80 %
en poids, des monomares acryllques.
Ces monomèr2s spécialement utilisables dans l'inven-
tion, on peut citer spécialement l'acrylamide, le méthacrylamide;
les acides acrylique, méthacrylique, méthallylsulfonique,
vinylbenzène sulfonique et leurs sels ou esters, notamment les
sels alcalins; la N-vinylpyrrolidone; la méthyl-2 vinyl-5
pyridine et les acrylates et méthacrylates d'aminoalcoyle, ces
composés étant de pré~érence quaternisés et ayant le cas échéant
de préférence de 4 à 16 atomes de carbone dans la partie aminoal-
coyle quaternisée; l'utilisation de ces monomères isolés ou en
mélange conduit à des floculants homopolymères ou copolym~res,
la nature et la proportion de ces monomère~ étant évidemment
choisies de manière à obtenir de~ polymères hydrosolubles;
c'est ainsi que l'acrylonitrile et le méthacrylonitrile peu-
vent aussi être utilisés comme comonomère~ mais on préfère
limiter leur teneur par rapport aux autres monomères ~ moins de
3 % en poids.
~ es monomères préférés sont l'acrylamide, l'acide
acrylique et ses sels alcalins et les méthacrylates de dialcoy-
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laminoalcoyle quaternisés (forme chlorure ou sulfate).
La concentration des soiùtions aqueu~es de monomares
soumises au procédé de l'invention et soumises à irradiation
UV e~t généralement comprise entre 30 et 90 ~ en poids.
Avec l'acrylamide et le~ acrylates, (sels métalliques)
la concentration est généralement comprise entre 30 et 70 %,
de préférence entre 30 et 60 %.
Avec les selg d'a~monium quaternisés, notamment ceux
dérivés de méthacrylates d'aminoalcoyle, qu'ils soient seuls
ou en mélange avec un acrylamide, la concentration est généra-
lement comprise entre 40 et 90 % en poids, de préférence entre
50 et 88 %.
~es promoteur~ de photopolyméri~ation, également
appelés photoinitiateurs, sont de type connu en soi. On peut
citer notamment le diacétyle, le dibenzoyle, la benzophénone,
la benzolne et ses alcoyléthers, notamment ses éthers méthylique,
éthylique, propylique, isopxopylique. La teneur en photoini-
tiateur de la solution de monomères soumise à photopolymérisa-
tion e~t généralement comprise entre 0,005 et 1 % en poids du
ou des monomères, de préférence entre 0,01 et 0,5 %. On peut
au~si utiliser les adjuvants de photopolyméridation anthra-
quinoniques comme d~o*it~ dans le brevet français 2 ~27 258.
~'invention a donc également pour objet un procédé
de préparation de polymères organique~ utili~ables notamment
comme floculants caractérisé en ce que l'on ~oumet ~ irradia-
tion UV une couche mince d'une solution aqueuse telle que pré-
parée par le procédé défini plus haut en l'une quelconque de
ses variantes.
Cette irradiation UV se fait habituellement avec un
- 30 rayonnement de longueur d'onde comprise entre 150 et 500 m~,
de preférence entre 300 et 450 m~.
~a solution aqueuse de monomère est dépo~ée sur un
_g_
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support mobile, comprenant généralement une bande sans fin ou
plusieurs bandes sans fin ~uccessives. ~'épaisseur de la couche
mince de solution aqueuse du milieu de photopolymérisation est
généralement compris entre 2 et 20 mm, de préférence entre 3 et
8 mm. ~e support mobile e~t préférentiellement antia~hérent;
on peut citer comme matériau convenant comme support les poly-
perfluorooléfines, le~ métaux recouverts ou non dlun film plas-
tique hydrofuge tel que, par exemple, un film de polyester.
Dans le but dléliminer la chaleur produite par la
photopolymérisation, il est habituel de refroidir le support
mobile de photopolymérisation. Ce refroidissement 9 ~ effectue
commodément sur la ~ace inférieure du support mobile, de pré-
férence par arrosage à l'eau froide. On maintient la tempéra-
ture du milieu de polymérisation inférieure à 75C environ,
de préférence inférieure à 65C. Cependant, on peut s'abstenir
de procéder à un refroidissement notamment losqu~une partie im-
portante des monomères est déjà polymérisée, par exemple lor~que
la teneur en monomère résiduel est inferieure à 10 %, de pré-
férence in~érieure à 2 % (en poids par rapport à la masse sou-
mise à photopolymérisation).
~ e pH des solutions aqueuses de monomères soumises àphotopolymérisation est en général compris entre 4 et 13. La
valeur plus particulière du pH dépend de divers facteurs, no-
tamment des monomères particuliers mis en oeuvre et du poids
moléculaire vers lequel on tend, et aussi des impuretés propres
au~ monomères. Généralement en élevant le pH, on tend à éviter
la réticulation des plus hauts poids moléculaires (la réticula-
tion produisant des fractions insolubles) mais un pH trop
élevé ~1est pas souhaitable notamment lorsque les monomères sont
sensibles ~ la saponification.
Dans le cas où l~on prépare des polymère~ organiques
anion~ques (échangeurs de cations, comme par exemple les copo-
--10 -
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.
lymares d'acrylamides et d'acrylates alcalins), le pH utilisé
est généralement supérieur à 9, et :Le plus souvent supérieur
à 10.
Selon ce qui a été dit plus haut, llon soumet à
photopolymérisation une solution aqueuse de monomères oléfini-
quement insaturés dans les conditions qui ont été définies.
Il est cependant bien entendu et bien évident que c'est seule-
ment initialement que le milieu de photopolymérisation est à
llétat de solution aqueuse avec la nature et les concentrations
su~-définies; par contre au fur et à mesure de l'avancement de
la polyméri3ation, le milieu de photopolymérisation devient
de plu~ en plus ~isqueux jusqu'à deYenir solide, et l'atmos-
phère le sumontant doit (selon un mode préférentiel) constam-
ment présenter de l'humidité (comme indiqué plu5 bag).
~a photopolymérisation elle-même peut être effectuée
en une ou plusieurs phases; on peut procéder ~ llirradiation
UV jusqu'à ce que le taux de monomères résiduels ait atteint
la valeur souhaitée. En fin d'irradiation, on peut par exemple
irradier sans refroidir la bande mobile support et en présence
d'oxygène.
~'atmosphère surmontant le milieu soumis à photopo-
lymérisation est, au moins dans la partie initiale, de préfé-
rence humide et/ou débarrassée dloxygène. On obtient une at-
mosphère humide par exemple par balayage d'un gaz ayant barbot~
dans de l'eau ou un liquide aqueux. Par atmosp~ère débarrassée
d'oxygène, on entend une atmosphare ayant moins de 5 % en
; volume, de préférence moins de 0,5 % d'oxygène; on obtient une
atmosphère débarrassée d'oxygène par exemple par balayage à
l'aide d'un gaz inerte.
On peut enfin ajouter à la solution aqueuse de mono-
m~re divers adjuvant~ de polymérisation notamment des composés
polyhydroxylés et plus particulièrement de~ composés comportant
, . . ,:
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au moins une fonction acide ou sel et au moins deux fonctions
alcool secondaire. ~es gluconates alcalins conviennent par- -
ticulièrement bien. Ces composés peuvent être ajoutés par
exemple en tête de la colonne (à garnissage) ou dans la solu-
tion de monomères introduite en tête de la colonne (à garnis-
sage).
~ es floculant~ préparés ~elon l'invention sont très
utiles dans le domaine du traitement des eaux et de~ effluents.
~ 'exemple suivant~donné à titre non limitatif il-
lustre l'invention et montre comment elle peut être mise enoeuvre.
EXEMP~E
Une colonne telle que celle de la figure join~e est
utilisée. Son diamètre est de 15 cm, et sa hauteur de 185 cm.
~ a hauteur du garnissage supérieure est de 100 cm.
~ a hauteur du garnissage inférieure est de 20 cm.
Elle est revetue d'une pellicule noire.
Dans la partie supérieure aussi bien que dans la
partie inférieure le garnissage est en verre et est constitué
par des enroulement~ en hélice de forme générale cylindrique,
ayant 9 mm de diamètre.
En tete de la colonne, on introduit 369 l/h d'une
solution de monomère obtanue ~ partir de 1364 kg d'eau déminé-
ralisée, 351 kg d'acide acrylique (pureté 97 %, le reste étant
de l'eau), 378 kg de solution aqueuse de soude caustique (con-
centration 50 % en poids), 950 kg d'acrylamide, 34 kg de
glycérine.
Une solution aqueuse de æoude à 50 % en poids est
introduite en tête de colonne et le pH est régulé ~ 11.
Entre les deux garnissages, on introduit une solution
de photoinitia~eur (0,45 kg d'éther isopropylique de la benzoIne
dans 13 kg de methanol), à raison de 2,1 l/h.
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~e débit d~azote introduit en bas de colonne est de
4,5 m3/h. La teneur en oxygène de la solution de monomares
introduite en tête de colonne correspond à la ~aturation tandis
qu~en bas de colonne la solution prête ~ photopolymérisation
a une teneur en oxygène inférieure ou égale à 0,2 ppm (partie
par million).
~a température est la température ambiante (environ
23C).
Il ne se produit auc~e polyméri~ation prématurée
même en fonctionnement continu et prolongé. Ltappareillage
a donc une petite taille et la solution de monomère à la ~ortie
de l~appareil a une très faible teneur en oxygène.
A l'intérieur de la colonne le liquide ne recouvre
pas le garnissage supérieur et a, en bas de colonne, la ré- `
partition indiquee sur la figure ci-jointe.
~a solution de monomare sortant de l~appareil et
prête à photopolymérisation est ensuite réaprtie en couche mince
(épaisseur: 4,5 mm) sur une bande mobile et irradiée par des
rayons ultraviolets (lampes à mercure basse pression) sur une
largeur de 1,08 m pendant 15 mn.
Après séchage et broyage, on obtient un copolymère
soluble dans l~eau ayant une ~iscosité intrinsèque de 18 dl/g.
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