CN101993124B - 一种利用碳纳米管吸收太阳能淡化海水的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用碳纳米管吸收太阳能高效淡化海水的方法：利用碳纳米管实现光能向热能的转化，利用循环流动的载气将碳纳米管表面的热能带走并传递给海水；载气进入海水储槽将海水分成温度和浓度不同的上下两层；上、下层海水与载气三者之间通过连续的热量、质量和动量传递过程，实现了淡水与浓海水之间的分离。还提供了用于实现上述方法的淡化海水的装置。
Description
技术领域
本发明涉及利用物理及化学方法淡化海水，更具体而言，本发明涉及一种利用碳纳米管吸收太阳能，以淡化海水以及综合制盐的的方法与装置。
背景技术
碳纳米管自1991年被发现以来，受到广泛的研究与开发。它是目前人类发现的最黑的人造物质，用碳纳米管制成的吸光材料能吸收大于99.9％的可见光。碳纳米管的导热性也十分理想，在温度超过300K后碳纳米管接近最佳导热状态，其热导率约为3000～6600W/m·K，比铜的热导率高出近一个数量级，与传统上导热性最好的天然钻石相当。此外，碳纳米管还具有物化性质稳定、超强的机械力学性能、长径比大、比表面积和空隙率高等诸多优点。因此，碳纳米管是提高太阳能利用效率的理想材料。目前，碳纳米管已实现规模化生产，其技术可参见申请专利PCT/CN02/00044，该技术的实际应用使碳纳米管的生产成本和价格都显著降低，为碳纳米管规模化应用打下了坚实的基础。
水资源严重短缺是全球人类面临的共同问题，从海水中获取淡水是解决水资源危机的重要措施之一。海水中富含钠、钾、溴、镁等多种重要化学元素，总共可提取的化学元素多达80余种，多为陆地紧缺资源。海水中所含氯化钠、钾盐、溴素、镁盐四大主体要素是国民经济的重要基础化工原料，消费量巨大。因此，通过利用太阳能进行海水淡化实现海水资源的综合利用，具有重要的经济和社会效益，并拥有广阔的市场前景，对于人类社会的可持续发展意义重大。
现代海水淡化技术是在1945年以后发展起来的，常用的海水淡化方法有：蒸馏法、冷冻法、反渗透法、太阳能法、多效蒸发法、多级闪蒸法、电渗析法、露点蒸发法、水电联产、热膜联产等多种方法。目前，全球海水淡化日产量约3500万立方米，其主要是依靠多级闪蒸、反渗透和多效蒸发这三项技术。其中，多级闪蒸法产量最大，技术最成熟，运行安全性高，弹性大，但耗能特别高，主要需要与火电厂联合建设，适合于大型和超大型海水淡化装置。这三项技术中，反渗透技术耗能相对较低，是目前美日欧等发达国家海水淡化研究的重点。
太阳能法是人类早期利用太阳能进行海水淡化的方法。最常用的太阳能蒸馏器是盘式太阳能蒸馏器，它属于被动式太阳能海水淡化装置，由于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。目前对盘式太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、热交换性能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用上，但是目前该方法的最大缺点是单位采光面积的产水量太低。但是，与传统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保等诸多优点，将太阳能用于采集淡水与制盐工艺相结合是一种可持续发展的海水淡化技术，由于该技术具有不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等诸多优点，已逐渐受到世界各国的重视。
中国专利CN1724395公开了一种太阳能热泵联合海水淡化装置，该装置是由太阳能集热器、热交换器和循环泵组成，其特点是：压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成热泵循环装置；热交换器、冷凝器构成闪发器，闪发器的海水管道、蒸汽管道、真空管道经多效蒸馏器分别与海水取水和浓海水冷凝管道、淡水管道及真空装置相连接；海水冷凝管道经蒸发器连接泵，淡水管道经蒸发器连接泵。另外，CN02281876.6公开了一种太阳能反渗透海水淡化装置，包括精滤器、反渗透膜组件、太阳能集热器、蓄热器和循环泵、清洗过滤器、自动冲洗灌、汽轮泵，该装置是用太阳能产生的蒸汽直接驱动汽轮泵提供反渗透组件的进水流量和压力。以上的专利文献所报道的技术都属于主动式太阳能蒸馏器，但是由于能量利用效率不高，单位集热器采光面积的产水率偏低，因此在规模化和产业化方面都存在较大困难。
目前，利用太阳能进行海水淡化的研究与应用主要集中在利用太阳能与传统海水淡化工业(如上所述的多级闪蒸、反渗透和多效蒸发)相结合上。如：在太阳能光伏反渗透海水淡化技术方面，利用太阳能电池先将光能转化为电能进行反渗透海水淡化过程，由于光电转化效率通常只有10-20％，且光电池价格昂贵，这使该技术只适合于沙漠、船舶、海上钻井平台等特殊环境下获取少量淡水使用。
为了提高太阳能利用效率，克服海水淡化的现有技术的缺陷，本申请人发现，通过采用本发明的利用碳纳米管吸收太阳能淡化海水的方法及实施该方法的装置，可以实现以下的优点和效果：
1.通过利用碳纳米管吸收太阳能淡化海水，可显著提高太阳能利用率，降低海水淡化成本，并可以获得高纯度氯化钠晶体及其它盐类。
2.本发明所述装置及流程适于规模化放大与应用；特别适合土地贫瘠、利用率低、常年干旱少雨地区通过引海工程实施大规模供应淡水和生产工业用盐。
3.本发明的方法及装置具有结构简单、造价低、使用寿命长、便于操作、易于维护和保养等诸多优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于海水快速蒸发，以提取盐及民用淡水的方法和实施所述方法的装置，该方法和装置具有太阳能利用率高、节能环保、高产省地等显著特点。
为此，本发明提供了一种利用碳纳米管吸收太阳能淡化海水的方法，其包括以下步骤：
1)提供装填碳纳米管的吸光板；
2)使载气在吸光板中与装填的碳纳米管接触，从而提高载气的温度；
3)在减压的条件下，使温度得到提高的载气以鼓泡的方式与海水储槽上层的海水接触，以便产生闪蒸作用，从而使载气从该上层海水中带走水蒸汽，同时上层海水被浓缩，且温度被升高；
4)使携带有水蒸汽的载气与海水储槽的下层海水进行热交换，以使载气携带的水蒸汽冷凝成水，再排出冷凝得到的水，从而得到淡水。
根据本发明的一个实施方案，载气与上层海水接触的步骤在布置于海水储槽中的气泡分布板上进行，该气泡分布板将海水储槽分为上层海水和下层海水。另外，本发明的淡化海水的方法还包括使被浓缩和温度升高的上层海水与下层海水接触并产生对流的步骤，以使浓度升高的上层海水下沉，而下层海水则上升，从整体上使海水产生循环。
根据本发明的另一优选实施方案，氢气被用作循环流动的载气。
根据本发明的另一个实施方案，其还包括随着淡化海水的进行，补充海水至海水储槽中的步骤，以及将海水储槽底部的浓海水排出的步骤。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种利用碳纳米管吸收太阳能淡化海水的装置，该装置包括在整体上密封的外壳中从上至下依次设置的太阳能吸光板、海水储槽和淡水储槽，以及设置在该淡化海水的装置外的抽真空装置；整个装置在运行中处于减压的状态；
其中：
1)在太阳能吸光板内装填有碳纳米管吸光材料；
2)在海水储槽中还设置有水蒸汽冷凝器。
在本发明的淡化海水的装置中，其还包括在所述装置内部的以下部件：
1)在海水储槽的上部、气泡分布板之下还设置有浓海水下行换热器，在浓海水下行换热器下设置导流板，用于下层的海水经过与浓海水下行换热器中的热的浓海水换热后携带气泡，并经过导流板进入海水储槽的上层区域；
2)在载气进入管线和载气返回管线之间设有鼓风机，在鼓风机之前还任选地设有载气换热器，用于卸载了水蒸汽后的载气通过该载气换热器从浓海水中吸收热量，以及
3)用于将海水加入海水储槽的海水进口及排出浓海水的海水出口，和用于从淡水储槽排出淡水的淡水出口。
在以上所述的装置中，其中设置在该淡化海水的装置外的抽真空装置是与淡水出口相连的U型管连通器，利用液位差使装置内部处于真空状态。
根据本发明的另一优选实施方案，太阳能吸光板中所填充的碳纳米管为聚团状碳纳米管作为吸光材料，该聚团状碳纳米管纯度大于97％，比表面积大于290m2/g。
根据本发明的另一优选实施方案，太阳能吸光板中放置有阵列式碳纳米管的单晶硅薄片，以作为吸光材料，该单晶硅薄片上生长的阵列式碳纳米管高度优选地在0.1毫米至5毫米之间，碳纳米管纯度优选地大于99.5％，碳纳米管的比表面积优选地大于500m2/g。
根据本发明的另一优选实施方案，太阳能吸光板上面所铺设的真空玻璃传热系数小于1Wm-2k-1，优选地小于0.4Wm-2k-1。
根据本发明的另一优选实施方案，以氦气替代氢气作为循环流动的载气。
根据本发明的另一优选实施方案，载气从太阳能吸光板中的碳纳米管吸收热量后，其温度在40～150℃之间，优选地在50～100℃之间。
根据本发明的另一优选实施方案，在稳定操作状态下，通过调节气体流量控制阀门使太阳能吸光板出口处载气的温度比海水储槽上层温度高出10～60℃之间，优选地在20～40℃之间。
根据本发明的另一优选实施例，本发明所述太阳能海水蒸发装置经过结构改造后，可以作为波美度超过24的浓海水的蒸发结晶装置。太阳能浓海水蒸发结晶装置的基本构造与本发明所述太阳能海水蒸发装置的基本特征相似，但是其内部海水储槽的结构做了明显简化。主要变化在于海水储槽顶部的太阳能吸光板或海水储槽侧壁部分或整体可以开启和密封，以便于吊车从浓海水储槽中运出氯化钠结晶，在浓海水储槽中只设有可拆卸的管状气泡分布板，在浓海水储槽中铺设有大型可拉动式过滤筛网，当筛网收集到一定质量和粒度的氯化钠晶体后可用吊车将过滤筛网拉起，将筛网中的盐份吊出装置。
根据本发明的另一优选实施方案，本发明不局限于使用单级太阳能海水淡化装置，优选地采用若干级太阳能海水淡化串联装置，上一级的太阳能海水淡化装置中流出的浓海水可以不经过冷却，直接保温输送到下一级的太阳能海水淡化装置的海水进口处，进行下一级的蒸发过程，而多级串联装置的最后一级为本发明所述的太阳能淡化海水的结晶装置，本发明可以采用3～5级的串联装置。
本发明所述利用碳纳米管吸收太阳能淡化海水的装置，根据日产淡水量的不同可分为小型(＜10m3/d)、中型(10～1000m3/d)、大型(1000～100,000m3/d)和超大型(＞100,000m3/d)。不同型号的太阳能海水淡化装置所使用的壁面、保温、换热、密封等各种材料可根据实际情况进行选择。海水储槽和淡水储槽的内壁面材料可选择使用工程塑料、陶瓷、搪瓷、玻璃、水泥、玻璃纤维等任一种。太阳能海水淡化装置的顶部、侧壁、底部、外部管路的保温隔热层所使用的保温材料可选择高发泡聚乙烯(PE)、聚氨酯、橡塑海绵、低容重闭孔泡沫玻璃、多孔保温砖等任一种或其组合，使保温层材料的传热系数小于1Wm-2k-1，优选地小于0.4Wm-2k-1。换热装置中的换热壁面所使用的材料可选择镍合金、不锈钢、石英、高分子换热材料(如HTN、PP、PPA、PPS)等任一种或其组合。
附图说明
本发明的附图是用于说明的目的，其中省略了对于本领域技术人员来说显而易见的温度、压力等控制单元及泵等。其中：
图1所示为本发明太阳能海水淡化装置具体实施方式的结构示意图。
图2所示为本发明太阳能海水淡化装置中所用的气泡分布板的示意图。
图3所示为太阳能吸光板结构示意图。
其中的附图标记分别是：
1-载气流量调节阀门；2-保温层；3-浓海水下行换热器；4-水蒸汽冷凝换热器；5-海水储槽；6-冷凝水换热器；7-海水进口；8-淡水储槽；9-真空控制阀门组；10-浓海水出口；11-载气换热器；12-导流板；13-鼓风机；14-气泡分布板；15-太阳能吸光板；16-载气进入管线；17-载气排出管线；18-载气出口；19-淡水出口；
21-气泡分布板载气进口；22-上层海水出口通道，23-下层海水进口通道；24-气孔，用于使载气从其中冒出；
30-太阳能吸光板载气进口；31-太阳能吸光板载气出口；32-碳纳米管填充区；33-挡板；34-高透光性真空钢化玻璃；35-隔热板框；36-筛网。
具体实施方式
下面结合附图详细描述根据本发明优选实施方案的利用碳纳米管吸收太阳能淡化海水及具体实施方式。所述实施例是用于说明本发明，不用于限制本发明的保护范围。
在本发明的淡化海水的方法及装置中：
a)本发明的淡化海水装置包括从上至下依次布置的太阳能吸光板15、海水储槽5和淡水储槽8。整个装置保持密封，同时运转时保持在一定的负压下操作。
b)太阳能吸光板15的整体结构如附图3所示，其由高透光性真空钢化玻璃34、隔热板框35和底部的保温隔热材料层(图3中未示出)构成，高透光性真空钢化玻璃扣在隔热板框上部，与底部的保温隔热材料层一起构成密封隔热室，隔热室内有碳纳米管填充区32、太阳能吸光板载气进口30和太阳能吸光板载气出口31，碳纳米管吸光材料就填充在该填充区中，填充的厚度例如约为1至4厘米，碳纳米管填充区与载气进出通道之间设有筛网36，以防止碳纳米管随载气流出，在碳纳米管填充区中设有若干个挡板33，挡板的作用是使循环载气能够在碳纳米管填充区中以“Z”字型迂回流动，以延长载气受热停留时间，提高出口温度。该太阳能吸光板底部的保温隔热材料密封用来防止热量从板的底部向下传递。根据本装置所处地理位置的纬度不同可适当调整太阳能吸光板的倾斜角度，使吸光板能更充分地吸收太阳光能量。
c)太阳能吸光板15的下部是海水储槽5，参见附图1和附图2，循环气体从太阳能吸光板中流出后，顺着管路进入海水储槽中的气泡分布板14中，并从气泡分布板的气孔中大量冒出与海水接触，发生气液传热与传质。气泡分布板的作用是：第一，强化气液传热与传质；第二，气泡分布板将储水槽中的海水分成上下两层，使二者之间保持较高的温度和浓度差；第三，气泡分布板中冒出的气泡将水位抬高，并使水位右高左低，强制海水在气泡分布板上由右向左流动，形成温度和浓度梯度变化。
d)由于气泡中发生快速的气液传热与传质过程，使载气携带了大量的水蒸汽从海水储槽液面的上方溢出，并进入到左边的水蒸汽冷凝器4中，在该冷凝器中，载气中所蕴含的大量水蒸汽冷凝，释放出的潜热被传递给下层海水，从而使下层海水的温度迅速升高到沸点温度，并产生气泡，该产生的气泡和下层海水一起因为密度小而上浮进入到上层海水中。通过提高换热壁面的导热系数和增大换热壁面的换热面积可以该强化壁面两侧的传热过程。
e)海水储槽中的海水流动方式被设计成“8”字型流动，最左端的下层海水首先在水蒸汽冷凝器4的夹层中被不断加热上浮，然后穿过浓海水下行换热器3的通道而进一步被加热上浮，经导流板12流动至气泡分布板14的上层海水进口23(参见图2)，受气泡曳力作用下层海水迅速进入上层海水中，并由右向左流动，在流动中不断被载气的热气泡加热升温，释放出大量水蒸汽，盐浓度不断升高，密度和温度也随之增大，逐渐变成热的浓海水，该浓海水运动到气泡分布板的最左端后失去气泡浮力作用，开始经上层海水出口通道22下沉，浓海水流经浓海水下行换热器3和载气换热器11的壳程而逐渐被冷却，并通过设置在该壳程的换热器浓海水流出口流入并沉积在海水储槽的底部，在底部浓海水由左向右缓慢扩散，直至铺满底部，在需要时从底部的浓海水出口10放出。
f)循环气体采用氢气作为换热介质，利用氢气具有导热系数高、比热高、粘度小等特性，因此氢气可以迅速大量地吸收碳纳米管热量，再将该热量迅速传递给海水。由于水能溶解微量的氢气、氧气、氮气等气体，海水不断流入以及淡水不断流出的过程中，会使循环气体中氢气的含量逐渐降低，而其它气体的含量不断升高，导致循环气体的各种性能逐渐变差。因此，每隔一段时间，当循环气体的综合性能降低至最低允许值时需对循环气体使用高纯氢进行置换。
g)循环载气从图1中的载气进入管线16进入太阳能吸光板15，并从流量调节阀门1排出，经载气排出管线17进入气泡分布板14，其后从海水液面的上方溢出，进入图1左边的水蒸汽冷凝器4中，然后卸载了水蒸汽的载气进入淡水储槽8的上方，淡水储槽8的上方的载气出口18返回，并可以在载气换热器11中与海水再次热交换，换热后的载气经鼓风机13及后面的经载气进入管线16而重新返回太阳能吸光板15。
h)太阳能海水淡化装置的运行是在白天进行的，夜晚需对其进行保温和维护。每天清晨当海水淡化装置开始运行时，海水储槽中的海水温度是一天当中最低的，随着整个装置的持续运行海水储槽中的热量在不断的积蓄，海水温度缓慢上升至最高，冷凝淡水的流出量和温度也会随之不断升高，为了防止冷凝淡水流出时带走大量热量，可使用冷凝水换热器6使经海水进口7流入的海水与经水蒸汽冷凝器4流出的冷凝淡水进行强制换热。
g)循环气体的真空度在太阳能海水淡化装置运行过程中并非固定不变的，需要根据太阳光照强度、海水水温变化等各种因素适时进行调整，而太阳光照强度和海水温度在一年当中是逐渐变化的。在本发明的实施过程中，采用真空淡水水槽与不同垂直高度的管路阀门开关相连通，以根据整个装置中的闪蒸的情况来调节装置中的真空度。
h)为使循环气体在一天当中都保持最佳状态，安装了鼓风机和气体流量调节阀门来控制气体流量和温度变化。为尽可能降低太阳能海水淡化装置在白天和夜晚的散热量，需要在太阳能海水淡化装置的侧壁和底部用保温隔热材料防止热量大量散失。夜晚到来时在太阳能吸光板上盖上遮光保温罩，白天将遮光保温罩取下。并始终保持整个海水淡化装置处于良好的密闭状态。
实施例1
根据图1所示的利用碳纳米管吸收太阳能淡化海水的小型装置结构示意图，构建利用太阳能淡化海水的装置。该装置包括三部分，分别为：太阳能吸光板15、海水储槽5和淡水储槽8。太阳能吸光板15外部覆盖着真空玻璃板，中间是填充碳纳米管的加热载气的通道，内侧是保温层。
在太阳能吸光板15的下方设置海水储槽5，海水储槽5中装有海水，并随着淡化海水的进程根据需要从冷海水进口7补充新鲜的冷海水；吸光板和海水储槽5之间通过气体管路17连接，管路17中设有载气流量调节阀门1。海水储槽5中水平地设置气泡分布板14、蒸汽冷凝换热器4、浓海水下行换热器3、载气换热器11、以及导流板12。
在海水储槽5的下方设置淡水储槽8，在海水储槽5的海水进口7与水蒸汽冷凝器4的冷凝水出口之间设置的冷凝水换热器6，淡水储槽8中还设有淡水出口19和载气出口18。淡水出口19与真空控制阀门组9相连通，载气出口18与鼓风机13通过载气换热器11相连通，鼓风机13通过气体管路16与太阳能吸光板15相互连通。
本装置还含有运行监控设备包括：监控载气的温度和流量变化，以及海水、淡水的水温和流量变化，所在位置未在图中示出，因为这些对于本领域技术人员是公知的技术。具体的操作步骤如下：
a)打开真空控制阀门组9中的阀门组和气体流量调节阀门1，使太阳能海水淡化装置处于使气泡分布板上能够进行闪蒸的真空状态下。随后开启鼓风机13，使载气在太阳能海水淡化装置中循环往复流动。揭下盖在太阳能吸光板上的遮光保温罩，太阳能海水淡化装置开始正常工作。
b)氢气作为循环流动的载气，首先流经鼓风机13、太阳能吸光板15和气体流量调节阀门1使其具有较高的流量、温度和压力，保持氢气进入气泡分布板的流量。随后氢气进入气泡分布板14中，与上层海水发生快速的气液传质与传热，使上层海水受热升温蒸发出大量水蒸汽。载气携带着水蒸汽进入到水蒸汽冷凝器4的板程中流动，水蒸汽在该蒸汽冷凝器4中冷凝析出淡水将潜热传递给蒸汽冷凝器4壳程中的下层海水，使下层海水温度逐渐升高上浮并在蒸汽冷凝器4的顶部冒出大量微小气泡，气泡带动海水沿导流板12，通过气泡分布板14的下层海水进口通道上浮不断进入到上层海水中。
c)上层海水在不断蒸发过程中盐浓度逐渐升高变成浓海水，浓海水顺着浓海水下行换热器3和载气换热器11的壳程流出，其间浓海水的温度逐渐降低，密度逐渐增大，最后下沉至海水储槽5的底部。
d)从蒸汽冷凝器4冷凝的淡水和卸载了蒸汽的载气流入淡水储槽8中，载气从淡水储槽8中的载气出口18出来，经载气换热器11的管程流过与浓海水产生热交换并受热，载气温度升高，最后回到鼓风机进口处，完成一次循环过程。
e)结束整个装置运转时，首先关闭冷海水进口阀门、淡水出口真空阀门、浓海水出口阀门，将上述阀门全部关死后，然后将太阳能吸光板上的遮光保温罩盖上，最后关闭鼓风机和气体流量调节阀门。整个装置完成运转，进入维护和保修状态。
在本实施例1中，太阳能吸光板中碳纳米管吸光面积约为1m2，海水储槽中海水的设计储水量为300升，淡水储槽的设计储水量也是300升，载气的设计容量为60升，载气能达到的最大真空度设计为0.9atm。
在本实施例的条件下，得到的淡水最大流量为4.2升/小时。
本发明不局限于以上具体实施方式。例如，本装置中所采用的管式换热器可被板式、翅板式、热管式等换热器取代，从而达到更加有效的换热效果。
Claims (6)
1.一种利用碳纳米管吸收太阳能淡化海水的方法，其包括以下步骤：
1)提供装填碳纳米管的吸光板；
2)使载气在吸光板中与装填的碳纳米管接触，从而提高载气的温度；
3)在减压的条件下，使温度得到提高的载气以鼓泡的方式与海水储槽上层的海水接触，以便产生闪蒸作用，从而使载气从该上层海水中带走水蒸汽，同时上层海水被浓缩，且温度被升高；
4)使携带有水蒸汽的载气与海水储槽的下层海水进行热交换，以使载气携带的水蒸汽冷凝成水，再排出冷凝得到的水，从而得到淡水；
其中所述的碳纳米管选自聚团状碳纳米管、阵列式碳纳米管、或它们的组合，其中所述聚团状碳纳米管纯度大于97％，比表面积大于290m2/g，所述阵列式碳纳米管纯度为大于99.5％，碳纳米管的比表面积大于500m2／g。
2.权利要求1的方法，其中载气与上层海水接触的步骤在布置于海水储槽中的气泡分布板上进行，该气泡分布板将海水储槽分为上层海水和下层海水。
3.权利要求1的方法，其还包括使被浓缩和温度升高的上层海水与下层海水接触并产生对流的步骤，以使浓度升高的上层海水下沉，而下层海水则上升，从整体上使海水产生循环。
4.权利要求1或2的方法，其还包括随着淡化海水的进行，补充海水至海水储槽中的步骤，以及将海水储槽底部的浓海水排出的步骤。
5.权利要求1或2的方法，其还包括使分离了水蒸汽的载气返回至太阳能吸光板中，以便重新与其中的碳纳米管接触的步骤。
6.权利要求1或2的方法，其中所述载气选自氢气、氦气或它们的组合。
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