毕业论文无机高分子混凝剂聚硅酸铝铁psaf.docx
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毕业论文无机高分子混凝剂聚硅酸铝铁psaf
2017毕业论文-无机高分子混凝剂—聚硅酸铝铁(psaf)
2017毕业论文-无机高分子混凝剂—聚硅酸铝铁(psaf)九江学院化学化工学院本科论文摘要本文在总结国内外聚硅酸类混凝剂的研究与发展的基础上,以水玻璃、硫酸铝、硫酸铁为原料,制备无机高分子混凝剂—聚硅酸铝铁(简称PSAF),并对该混凝剂的混凝除浊效能及对印染废水的脱色效能进行了研究和讨论,从而为聚硅酸类混凝剂的工业化生产和工程应用奠定了基础。
本文在酸性条件下制备聚硅酸,优化了聚硅酸的制备工艺条件,系统研究了硅酸的聚合反应过程中pH值、二氧化硅浓度、温度等因素对聚硅酸聚合过程中的影响。
采用自制的聚硅酸制备聚硅酸铝铁混凝剂。
研究(Al+Fe)/Si摩尔比、Al/Fe摩尔比、搅拌时间、投加量等因素对模拟悬浊水样的除浊效能的影响。
实验结果表明:
聚硅酸铝铁混凝剂具有优良的混凝除浊效能;在适宜的条件下,对活性染料模拟水样、分散染料模拟水样均有较好的脱色效果,对活性染料模拟水样的脱色率最高可达88.48%,对分散染料模拟水样的脱色率最高可达80.84%,与硫酸铝、三氯化铁、聚硅酸铝、聚硅酸铁相比,聚硅酸铝铁有较好的混凝除浊脱色效能。
关键词:
聚硅酸,聚硅酸铝铁,印染废水,混凝AbstractTheresearchesrelatedtothedevelopmentofmetal-polysilicatecomplexcoaulantwerereviewed.Thepolysilicatealuminumferric(PSAF)wasprparedbyusingwaterglass,aluminiumsulphate,ferricchlorideasrawmaterials;theviscosityascontrollingparameter.Coagulationpropertywasanalyzedanddiscussedsystematicallyontheturbidityremovalandthedecorizationofdyeingwastewatercontainingreactiveredanddispersebrilliantbluedyes,whichcouldprovidethebasisforPSAF’sindustrialproductionandengineeringapplicationdevelopmentofbeingusedactually.Polymerizedsilicicacidwaspreparedunderacidicconditions.Theprocessesforthepraparationofpolymerizedsilicicacidwereoptimized,andtheviscositywasusedasthekeyindicatorofpolymerizationdegreeofpolymerizedsilicicacid.Theinfluencesoftemperature,pHvalue,SiO2concentration,anddifferentacidifiersontheviscosityweresystematicallyinvestigated.PSAFwithhighefficiencywaspraparedbyusingself-madepolymerizedsilicicacid,andtheprocessesofPSAFwereoptimized.The(Al+Fe)/Simoleratio,Al/Femoleratio,theviscosityofpolymerizedsilicicacid,agingtime,dosage,pHvalueonturbidityremovalanddyedecorizationwerestudied.Theresultshowedthat:
PSAFhadexcellentcoagulationpropertyontheturbidityremoval;forthesyntheticreactiveredanddispersebrilliantbluedyewastewater,theuseofPSAFcouldachieve88.48%and80.48%ofdyeremovalefficiencyinappropriateconditions,respectively.PSAFwereevaluatedwithcomparationofdifferentcoagulantssuchasaluminumsulfate,ferricchloride,polysilicatealuminum,polysilicateferric.ThePSAFwasfoundtobemoreefficientonturbidityremovalanddyedecorizationthanthosecoagulants.KeyWords:
polymerizedsilicicacid,polysilicate-aluminum-ferric,viscosity,printinganddyeingwastewater,coagulation-2-九江学院化学化工学院本科论文目录摘要1Abstract2引言11绪论21.1文献综述错误!
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1.1.1微生物絮凝剂的絮凝机理错误!
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1.1.2培养条件对微生物絮凝剂的影响错误!
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1.1.3絮凝条件对微生物絮凝剂的影响错误!
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1.1.4微生物絮凝剂应用错误!
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1.2微生物的研究现状21.3项目背景及研究意义51.4本论文研究目标和内容61.4.1制备及筛选微生物絮凝剂产生菌错误!
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1.4.2通过实验确定产絮凝剂微生物的最优培养条件错误!
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2实验材料与方法72.1实验材料错误!
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2.1.1菌种来源错误!
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2.1.2实验仪器、药品及培养基72.2分析方法72.2.1土壤样品的采集及预处理错误!
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2.2.2富集培养错误!
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2.2.3菌种的分离与纯化错误!
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2.2.4微生物絮凝剂的筛选实验132.2.5培养条件的优化实验142.2.6结果与分析273微生物絮凝集剂的应用研究283.1对活性污泥的处理效果283.1.1不同发酵液的量对活性污泥的处理效果283.1.2不同的絮凝时间对除浊效果的影响303.2结果与分析324微生物的鉴定实验334.1各种鉴定培养基的制备334.2微生物的生理特性的测定334.2.1革兰氏染色334.2.2电子显微镜的观察334.2.3微生物需氧性的测定334.2.4微生物固氮能力的测定344.3微生物的生化特性的测定344.3.1甲基红实验344.3.2接触酶实验344.3.3明胶化实验344.3.4纤维素分解实验344.3.5水解淀粉实验344.3.6产硫化氢实验354.3.7糖发酵实验354.4鉴定结果35结论37参考文献38研究成果40致谢41-2-九江学院化学化工学院本科论文引言水是人类赖以生存的的物质基础,是宝贵的自然资源,随着国民经济的高速发展,工业化和城市化步伐的加快,用水量急剧增加。
水资源危机问题已成为制约我国经济和社会发展的重要因素,而水体污染破坏了水资源是造成水资源危机的重要原因。
目前,我国七大水系中有近一半河段污染严重,86%的城市河段水质普遍超标。
水环境污染造成饮用水水源水质下降,使得传统给水处理工艺已经很难满足现代水质指标的要求。
国家科技局“十一五”科技规划中特别指出:
“要加强水的物理化学处理和新材料、新药剂的开发”。
在给水处理中不可缺少的前置单元操作技术是絮凝技术,絮凝技术也是给水处理中最普遍、最重要的单元过程之一,它决定着整个水处理的工艺流程、出水水质和成本费用。
而决定絮凝效果的关键在于絮凝剂的品质。
因此,开发新型絮凝剂已经成为水处理领域一个重大而迫切的课题。
我们致力于聚合硅酸硫酸铝铁絮凝剂的制备及性能机理研究主要是考虑到:
l.聚硅酸是由水玻璃活化而来,其原料来源广、成本低、无毒性、吸附能力强,长期以来在水处理中一直作为助凝剂使用,但聚硅酸易凝胶而不能长期保存;2.铝盐絮凝剂水解速度慢,电中和能力强,絮体大,除浊、脱色性能好,但其絮体沉降速度慢,出水残余铝含量高;3.铁盐絮凝剂原料价廉易得,絮体沉淀速度快,无残留毒性等,但水解聚合反应速度快不易控制。
所以依据协同增效原理将三者结合起来,聚硅酸的加入提高了絮凝剂的分子量,铝盐、铁盐的加入延长了聚硅酸凝胶时间,增强了产品的稳定性,从而发挥了各自的优点,克服了各自的缺点。
所以三者的结合将有助于提高药剂的絮凝能力、降低制水成本、减少处理后出水的剩余铝含量。
本论文在进一步完善聚合硅酸硫酸铝铁絮凝剂制备工艺的基础上,重点开展聚合硅酸硫酸铝铁的絮凝性能、结构形貌、铝铁的分布形态、铝铁水解一聚合过程及絮凝机理的研究。
本研究将为聚硅酸金属盐类絮凝剂的开发和应用奠定一定的理论基础和试验基础。
1绪论1.1无机高分子絮凝剂的研究历史与现状无机高分子絮凝剂(Ino嗯anicpolymericFlocculant,简称IpF)是20世纪60年后期发展起来的新型絮凝剂。
由于这类药剂比传统药剂具有适应性强,无毒,并可成倍提高净水效能的特性,因而在近年得到了迅速发展和广泛的应用,并已逐步发展成为水处理絮凝过程的主流药剂。
目前,在日本、俄罗斯、西欧、中国都已有相当规模的生产和应用。
PIF的发展主要归纳为两个方面:
一是在铝盐、铁盐的制备过程中引入一种或多种阴离子,在一定程度上改变聚合物的组成和结构,研制出新型絮凝剂;二是依据协同增效原理将铝盐、铁盐与一种或多种化合物复合共聚,制成新型絮凝剂[]l。
在我国已逐步形成铝系、铁系、铝铁复合型无机高分子絮凝剂[2],并有广泛的应用。
1.1.1铝系无机高分子絮凝剂自20世纪初,在美国、德国、前苏联、日本等国就陆续有化学家研究铝的碱式盐,不少人在实验室用各种方法制造了碱式铝盐,研究了它们的组成和特性,先后提出了“碱式铝”、“轻基铝”、“络合铝”、“氧化铝溶胶”等名称,并发现这些制品比普通铝盐有更高的絮凝能力。
0.Lnagkpo等人于1910年介绍了碱式硫酸铝的一些实验室制备方法,GH.Baliy等人于1920年介绍了用金属铝和盐酸制备碱式氯化铝的方法,同时在给水处理方面也逐步发展了铝盐溶液形态研究。
在美国,医药、化妆品、高级柔皮等方面很早就应用了聚合铝类产品,1965年的生产量就达数万吨,但在七十年代才应用于水处理领域中。
在日本,前田捻提出了几种碱式铝盐的工业制造流程,并用小批量制品进行了半生产试验,肯定了其优良的絮凝性能,同时也逐步实现了产品的工业化和商品化,八十年代,聚合铝在日本的生产和应用达到鼎盛时期[3]。
我国是20世纪60年代开始研究聚合铝的,1964年和1969年先后进行了“碱式络合铝”和“轻基氯化铝”的初步试验研究。
此后,许多学者开展了碱式氯化铝及聚合铝的研制工作,并对其絮凝机理开展一定的探索研究。
70年代许多国家已把聚合铝当作一种重要的无机混凝剂,并对其性能给予肯定的评价,逐步取代了氯化铝、硫酸铝等传统的铝盐混凝剂。
80年代以后聚合铝在我国得到普遍的应用。
1990年,胡勇有、王占生、汤鸿霄等人将该类研究推广到三价共存阴离子增聚聚合铝,在阴离子对铝盐水解一聚合的作用机理以及该类聚合铝制备和应用方面取得了一系列的成果[4]。
1998年,高宝玉等人系统研究了聚硅酸对APC的影响,研制出了聚合硅酸氯化铝(APSC)[5]。
因此,八十年代后期聚合铝类絮凝剂的研究是以复合型聚合铝为标志的。
1.1.2铁系无机高分子絮凝剂铁盐和铝盐都是传统无机盐类絮凝剂,二者具有相似的水解一聚合行为,在聚合铝的启发下,世界上许多学者开始对聚合铁絮凝剂的研究。
对铁盐水解过程的研究表明铁离子的稳定溶胶也能通过加碱方式制备险8]。
首先研究开发成功的是聚合硫酸铁(PFS),其第一个专利是由日本三上八州家等人于1974年申请的[9],20世纪80年代已形成工业生产规模,并在水处理中有广泛的应用,取得了良好的效果。
主要是用硫酸亚铁废弃物在催化剂作用下被氧化为高铁,在其氧化过程中导致硫酸根的不足,从中加入不同摩尔比的硫酸可以得到不同碱化度的PFS。
PFS的生产过程中利用了废物回收资源化,从而使产品有较好的性价比,但在其制备过程中是否形成了较优的絮凝形态仍然缺乏直接的实验证明。
目前,已研究过的聚合铁絮凝剂种类有聚合氯化铁和聚合硫酸铁,得到实际应用的是聚合硫酸铁,其实际上是铁(111)盐水解聚合过程的动力学中间产物,本质是多核轻基配合物或轻基桥联的无机高分子化合物,这些轻基配合物能强烈吸附于胶体颗粒及悬浮物表面之上,中和其表明电荷,减低其乙电位,使胶体由原来的相斥变成相互吸引,促使胶体颗粒相互聚集。
我国对聚合硫酸铁的研究也摸索出自己独特的工艺。
1.1.3活化硅酸及聚硅酸金属盐类絮凝剂1.1.3.1活化硅酸活化硅酸(Activedsilicate,简称Asl)[‘o一‘6]是一种阴离子型无机高分子助凝剂,1937年ByasliJR首先发现Asl与其它絮凝剂复配使用取得了较好净水的效果,之后一直作为助凝剂使用。
1951年我国天津自来水公司对活化硅酸的净水特性进行了研究,并成功地在生产中将其作为助凝剂使用。
其后国内其他水厂也相继使用活化硅酸作助凝剂,但由于对Asl的性质、变化规律及使用条件把握不清,所取得的助凝效果相差甚远。
在这期间国内外许多学者对活化硅酸的性质、聚合方法、助凝机理、及影响因素进行大量研究,取得令人满意的结果。
研究发现,活化硅酸在通常pH值条件下组分带负电荷,对胶粒的凝聚是通过吸附架桥作用使粒子粘连而完成的,聚硅酸依靠表面轻基的氢键作用可以吸附许多胶体粒子,并且硅酸在聚合过程中,随着分子量的不断增大胶连成链状、环状、网状、片状等结构,使得聚合度增大,吸附架桥能力增强,形成的矾花大而易于沉降,处理效果加强。
应用活化硅酸作助凝剂有利于解决低温低浊水处理这一难题。
特别是将活化硅酸作为铝盐的助凝剂使用,对低温低浊水处理有特效【‘7]。
但聚硅酸在储存时易发生自聚反应析出硅胶而失去助凝功能,储存的不稳定性限制了聚硅酸的应用和推广。
1.1.3.2聚合硅酸金属盐类絮凝聚聚合硅酸金属盐类絮凝剂是在传统铝盐、铁盐基础上发展起来的新一代无机高分子絮凝剂。
研究发现,适量的的多价金属离子可延长硅酸的胶凝时间【‘“],进而提高产品的稳定性【‘9],另一方面又增加了产品的电中和能力,使其成为同时具有电中和能力和吸附架桥能力的一类新型水处理药剂,既提高了絮凝性能,又可降低水中的残余铝含量,减少铝盐的生物毒性。
目前,该类絮凝剂的研究引起了国内外水处理界的极大关注,现已成为国内外无极高分絮凝剂研究的一个热点。
目前研究较多的有:
()l聚硅酸中引入单种类金属离子(Al或F)e;
(2)聚硅酸中引入两种金属离子(Al和F)e。
(1)聚硅酸中引入单种金属离子(Al或Fe)聚硅酸铝盐的开发研制国外始于20世纪80年代,加拿大汉迪化学公司首先报道了聚硅酸硫酸铝的研制成功,并与1991年投产,年产600万磅。
国内研究始于20世纪90年代初期。
常见的制备方法主要有三种:
①以矿石、废矿渣、粉煤灰等原料进行制备;②将铝盐引入到聚硅酸溶液中进行制备;③用硅酸钠、氯酸钠和硫酸铝等作原料在高剪切工艺条件下进行制备[20]。
高宝玉等人应用核磁共振技术及透射电镜手段研究了铝离子与聚硅酸之间的相互作用,表明聚硅酸对A13十具有一定的鳌合(络合)和吸附作用,作用量随A13十量的增加而增加,但不存在定量关系[2‘,22]。
透射电镜摄像观察证明了聚硅酸与聚铝离子间存在着一种非离子型键合作用,X一射线衍射分析证明A13十和5042一均已参加了聚合反应,与聚硅酸生成了无定型高聚物[23]。
聚硅酸铁盐的研制国外始于上20世纪90年代,日本研究较多,且均以专利形势报道。
其制备方法按照原料的不同也可分为三种:
①以水玻璃、氯化铁为原料进行研制;②以硅酸钠、硫酸铁为原料进行研制;③以水玻璃、聚合铁为原料进行研制[24]。
虽然所用原料有所不同,但制备过程类似,都是先把硅酸钠酸化使其具有一定的聚合度,然后再向其中引入铁或聚合铁溶液。
聚硅酸铁盐同聚硅酸铝盐相比,具有凝聚沉淀速度快、沉渣量少、pH适用范围广、安全无毒等优点,若能解决造色、出水pH偏低等问题必将有很好的推广应用价值。
(2)聚硅酸中引入两种金属离子(Al和Fe)众所周知,铝盐絮凝剂的特点是形成的絮体大、有较好的脱色作用,但絮体松散易碎、沉降速度慢;铁盐絮凝剂的特点是形成的絮体密实、沉降速度快,但絮体较小、卷扫作用差,处理后出水的色度较高。
若能在聚硅酸中同时引入这两种金属离子,制成聚硅酸铝铁絮凝剂,使得絮凝剂不仅具有吸附架桥和电中和作用,而且能充分发挥铝、铁絮凝剂的优点,克服彼此的弱点。
因为铝盐、铁盐具有相似的化学性质,上述想法理论上是可行的。
利用铝铁的共聚特性和硅酸的盐效应机制和协同增效的原理把铝盐、铁盐引入聚硅酸中制成聚硅酸铝铁[25]。
关于聚硅酸铝铁絮凝剂,在一些综述性文献中曾有提及,并未见专门的生产研究报导。
1.2项目背景及研究意义印染废水主要来源于印染加工中的漂炼、染色、印花、整理等工序,而且各工序产生成分各异的污水,使得其水量大、成分复杂、色度深、碱性强、并含有毒、有害物质而严重污染环境,因此印染废水的综合治理已成为当前急需解决的问题之一。
印染废水主要含有染料、染色助剂、纤维杂质和无机盐等。
其中以染料的污染最为严重,即使水体中的染料只有极低的浓度,也会造成人类视觉的不适和美学损害,影响收纳水体的正常功能,妨碍水体的自净,对水生微生物和鱼类有毒害作用[1],人体接触染料废水,可能引起皮肤过敏、发炎、致癌,染料作为一类结构稳定的有机化合物,具有抗酸、抗碱、抗光、抗微生物等特性,在环境中有较长的滞留期[2],而且染料生产品种众多,并朝着抗光解、抗氧化、抗生物降解方向发展以提高其使用性能,从而加大了染料和印染废水脱色的难度[3,4],因此,如何使印染废水脱色成为当前待解决的重要问题,脱色方法的研究也成为印染废水处理的重要课题[5]。
染料和印染工业废水种类多、组成复杂,不同水质需要不同的方法处理,国内外对印染废水脱色方法有:
物理脱色法、化学脱色方法和生物脱色方法。
混凝法处理印染废水具有处理效果良好,成本低,既能单独使用,又可与生化处理相结合等优点,因而成为处理工业废水的重要手段。
混凝法的处理效果在很大程度上取决于混凝剂的选择,因此多功能高效混凝剂的开发和应用工艺研究成为化学混凝法的研究重点。
铝铁硅共聚而制得了聚硅酸铝铁混凝剂是近年来出现的一种新型无机复合型高分子混凝剂。
聚硅酸作为一种价廉物美的水处理药剂在水质净化应用中已有60年的历史。
由于密度大而使所产生的絮体沉降速度快,但硅酸溶胶具有强烈的缩聚趋势,随着缩聚反应的进行,相对分子质量不断增大,最终转化为高分子凝胶,失去混凝活性。
铝盐、铁盐系列的废水处理药剂虽为带正电的无机混凝剂,但其沉降速度慢,污泥疏松、体积大。
向活性硅酸溶胶中加入一定浓度的金属离子不仅能够有效缓解硅酸溶胶的缩聚过程,也能改变活性硅酸的ζ电位,使其转化为带正电的阳离子高聚物,增强电性中和及压缩胶粒双电层而产生的混凝作用,从而大大改善废水处理药剂的混凝性能。
聚硅酸铝铁保留了铝铁各自的优点,克服了聚合氯化铝处理水样中残余铝含量较高和聚合氯化铁混凝剂稳定性较差的缺点,具有较好的除浊效果和脱色效果以及较好的除油和除COD的特点。
有关研究结果表明,聚硅酸铝铁有着优良的混凝性能,投加量小,适宜的pH值范围宽,形成矾花迅速且絮体密实;达到相同余浊时,用量小,所需的沉降时间少,是一种有发展前途的无机高分子混凝剂。
正是基于以上的原理,本文采用自制的聚硅酸为原料制备聚硅酸铝铁混凝剂,对其应用于印染废水混凝脱色进行研究。
1.3本论文要解决的主要问题和主要研究内容1.3.1本论文要解决的主要问题和主要研究内容聚硅酸铝铁类复合型絮凝剂的研制、开发和应用,关键在于制备出既具有良好絮凝性能又具有良好贮存稳定性的产品。
由于该类絮凝剂主要是通过电性中和和吸附架桥作用去除水体中胶体颗粒和其它污染物质的。
所以,它取得良好净水效果的前提是同时具有较高的正电荷密度和较大的分子量。
此外,将聚硅酸引入铝盐、铁盐中后,一方面,由于二者间的相互作用,势必降低产品的电中和能力,影响絮凝性能;另一方面,由于聚硅酸具有较高的分子量,具有较强的吸附架桥能力,因而又可提高产品的分子量,从而提高絮凝性能。
所以铝、铁与聚硅酸进行复合共聚时,三者应有适当的配比(可用Al邝/esi摩尔比表示),且要研究聚硅酸与铝盐、铁盐的相互作用机制以及这种相互作用对新产品的絮凝性能、结构形貌、产品稳定性等方面的影响、探讨其絮凝机理,最终开发出能满足现代水处理要求的新型絮凝剂。
聚硅酸金属盐絮凝剂的制备方法目前主要可归纳为:
金属离子先聚合再与聚硅酸混合及先将金属离子引入聚硅酸中再共同聚合(复合共聚法)两种,复合共聚法制得的絮凝剂絮凝性能较好[26]。
其关键在于金属离子要和硅酸共同聚合,而金属离子加入时硅酸应已进行了初步聚合而不凝胶。
因此,本试验首先对硅酸凝胶特性进行了研究。
试验中首先以模拟水样为处理对象,研究了PAFSS的最佳制备条件以及各制备参数对产品性能的影响。
然后以食堂废水实际水样作PAFSS絮凝效果研究。
聚合硅酸硫酸铝铁(PAFs)s是以铝盐、铁盐和水玻璃为主要成分制备而成的,其的特点是絮体形成速度快、絮体颗粒大。
同时,对于受有机物污染的水源水,其去除有机物的性能优于其它混凝剂,出厂水含铝量低,能够保证供水的安全性。
正是由于聚合硅酸硫酸铝铁的上述特点,其开发和应用已经受到国内外的广泛关注。
但对其结构形态、功能特性、混凝机理的研究尚在初始阶段。
本课题将针对以上问题展开,探索更好的复配强化混凝剂的工艺,并与常规絮凝剂复合铝铁(PAFC)、硫酸铝(A)s、聚合硫酸铁伊F)s等进行性能对比,考查PAFSS絮凝剂处理实际水样的效能,为其后继的生产应用提供一定的试验依据和理论支持。
同时,对其结构形态及絮凝机理进行的研究,将为新一代无机高分子混凝剂的发展奠定一定的基础。
1.3.2本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容如下:
(1)硅酸溶液的pH值、硅酸浓度及聚合温度对硅酸凝胶时间影响的研究;
(2)PAFss的制备原理、方法以及各制备参数对其性能影响的研究;(3
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