CN108383620A - 一种竹子生物炭基土壤改良剂及其制备方法与应用 - Google Patents

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陈鸿哲
张政勤
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Abstract

本发明属于土壤改良技术领域，具体涉及一种竹子生物炭基土壤改良剂及其制备方法与应用。本发明将竹子及其加工废料分别经过低温厌氧和高温厌氧碳化制备得到低温生物炭和高温生物炭。低温生物炭加入钙镁磷肥和表面活性剂烷基多苷，然后与高温生物炭混合后加入甲基硅酸钾，制备得到土壤改良剂。该土壤改良剂结合低温生物炭的高活性基团和高温生物炭的高比表面积以及高生物质灰分和高pH值的特点，以及钙镁磷肥、表面活性剂烷基多苷和甲基硅酸钾的加入，具备较好的蓄水、保肥能力，能够增加土壤的透气性，提高土壤pH值，改善土壤板结问题，并且可以修复污染土壤。本发明充分利用竹子及其加工废料作为生物炭的原料，不仅碳化率高，并且成本低廉环保。

Description

一种竹子生物炭基土壤改良剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于土壤改良技术领域，具体涉及一种竹子生物炭基土壤改良剂及其制备方法与应用。
背景技术
目前，我国土壤污染的面积越来越大，其形成的原因主要有：污水灌溉对土壤的污染；大气污染对土壤的污染；不合理的化肥使用对土壤的污染；农药对土壤的影响及固体废物对土壤的污染。尤其是南方土壤酸化程度严重，影响农作物的正常生长。土壤酸化主要原因有以下三点：1、降水量大而且集中，淋溶作用强烈，钙、镁、钾等碱性盐基大量流失，是造成土壤酸化的根本原因。例如，酸性雨等。2、施用石灰、烧火粪、有机肥等传统农业措施的缺失，耕地土壤养分失衡。3、长期大量不合理施用化肥。
土壤酸化的危害主要有：土壤酸化严重影响土壤中生物的活性，改变土壤中养分的形态，降低养分的有效性，促使游离的锰、铝离子溶入土壤溶液中，对作物产生毒害作用；土壤酸化抑制根系发育；土壤酸化可加重土壤板结，使根系伸展困难，发根力弱，缓苗困难，容易形成老小树，老僵苗。土壤酸化加重农药的使用：酸化土壤中植物长势减弱，抗病能力降低，易被病害侵染，不得不增加施药量。在现代农业迅速发展的今天，由于长期过分依赖化肥的增产效果而忽视有机肥料，特别是过量施用化肥和使用比例失调，使得农业系统内部结构受到破坏，农田耕作层土壤有机质含量下降，团粒结构破坏并减少，蓄水保肥能力下降，肥效降低。
为维持土壤养分不至于枯竭，在合理使用肥料基础上尚需要对障碍性土壤施加土壤改良剂，用于改良土壤的物理、化学和生物性质，使其更适宜农作物生长。土壤调理剂是由农用保水剂及富含有机质的天然植物残体或其他有机物为主要原料，辅以生物活性成分及营养元素组成，经科学工艺加工而成的产品，有极其显著的“保水、增肥、透气、改土”四大土壤调理性能。能够打破土壤板结、疏松土壤、提高土壤透气性、降低土壤容重，促进土壤微生物活性、增强土壤肥水渗透力；提高保水抗旱、增强农作物抗病能力，提高农作物产量，改善农产品品质，恢复农作物原生态等功能。完全无公害，无污染，无生物激素。
目前利用竹质生物质炭制备土壤改良剂的方法还极为少见，因此，研发一种竹质生物质炭基土壤改良剂具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种竹子生物炭基土壤改良剂及其制备方法与应用。将竹子及其加工废料分别经过低温厌氧和高温厌氧碳化制备得到低温生物炭和高温生物炭。低温生物炭加入钙镁磷肥和表面活性剂烷基多苷，然后与高温生物炭混合后加入甲基硅酸钾，制备得到土壤改良剂。该土壤改良剂结合低温生物炭的高活性基团和高温生物炭的高比表面积以及高生物质灰分和高pH值的特点，以及钙镁磷肥、表面活性剂烷基多苷和甲基硅酸钾的加入，具备较好的蓄水、保肥能力，能够增加土壤的透气性，提高土壤pH值，改善土壤板结问题，并且可以修复污染土壤。本发明充分利用竹子及其加工废料作为生物炭的原料，不仅碳化率高，并且成本低廉环保。
本发明的技术方案为：
一种竹子生物炭基土壤改良剂的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将竹子或者其加工废料去除杂质、干燥，然后粉碎细化为原料颗粒，置于碳化炉内250℃-350℃且无氧或低氧条件下低温碳化8-15小时，冷却后粉碎、过筛，制备得到低温生物炭；
(2)将竹子或者其加工废料去除杂质，干燥，然后粉碎细化为原料颗粒，加入质量分数为10-20％的碳酸氢盐溶液，搅拌器中搅拌均匀后置于烧结炉内450℃-550℃且无氧条件下高温碳化1-5小时，冷却后粉碎、过筛，制备得到高温生物炭；
(3)将低温生物炭与壳聚糖粉末、高吸水性树脂和钙镁磷肥混合后置于搅拌器中，边搅拌边用喷雾装置将烷基多苷喷入搅拌物料中，搅拌均匀后得到物料A；
(4)将高温生物炭加入搅拌器中，边搅拌边通过喷雾装置喷入硫酸亚铁、硫酸钾、硝酸钾和磷酸铵混合水溶液，搅拌均匀得到物料B；
(5)将上述物料A和物料B混合后得到混合料，置于搅拌器中，边搅拌边用喷雾装置将甲基硅酸钾溶液喷入搅拌物料中，搅拌均匀后造粒即得到土壤改良剂产品。
优选地，步骤(1)中低温碳化具体方法为：向碳化炉内通入氮气使炉内为无氧或低氧环境后，将原料颗粒从碳化炉顶部进料，热气流从底部进入，在炉内形成逆流反应区域，炉内压力为1000-1200mbar。
优选地，步骤(1)和步骤(2)中竹子或者其加工废料干燥后其含水量≤15％，过筛都是指过50-100目筛。
优选地，步骤(2)中碳酸氢盐为碳酸氢钠、碳酸氢钾或碳酸氢钙中的一种，碳酸氢盐加入量为原料颗粒重量的1.5-3.5％，搅拌速度为800-1000r/min，搅拌时间为30-50min。
优选地，步骤(3)中壳聚糖粉末和钙镁磷肥的粒度均为200-300目，高吸水性树脂是指高支链淀粉、丙烯酸盐聚合物、聚丙烯酰胺或纤维素中的至少一种，高吸水性树脂加入量为低温生物炭重量的10-25％，壳聚糖粉末加入量为低温生物炭重量的5-15％，钙镁磷肥加入量为低温生物炭重量的15-30％，烷基多苷加入量为低温生物炭重量的0.5-5％。
优选地，步骤(3)中搅拌速度为1200-1500r/min，搅拌时间为30-60min。
优选地，步骤(4)中硫酸亚铁、硫酸钾、硝酸钾和磷酸铵混合水溶液中硫酸亚铁质量浓度为0.5-1％、硫酸钾质量浓度为0.8-1％、硝酸钾质量浓度为0.6-1.2％、磷酸铵浓度为1-1.5％，混合水溶液加入量为高温生物炭重量的1.2-1.8％，搅拌速度为1500-1800r/min，搅拌时间为25-40min。
优选地，步骤(5)中物料A和物料B重量比例为2-7：3-5，甲基硅酸钾溶液质量浓度为0.5-2％，甲基硅酸钾溶液加入量为混料重量的0.5-5％，搅拌速度为1800-2000r/min，搅拌时间为15-20min。
上述制备方法得到的竹子生物炭基土壤改良剂。
上述竹子生物炭基土壤改良剂在酸化、板结、缺水缺肥、污染的农作物种植土壤修复中的应用。
本发明原理：
竹子生物炭中矿物质的含有量极为丰富，尤其是植物生长所必须的硅、钙的含量特别丰富，另外还含有丰富的钾、钙、磷、钠、铁、镁、锰、锌、硒等矿物质，是作物生长所必要并且是作物宝贵的天然矿物质成分的补充来源，而且重金属等有害物质含量低。竹子生物炭的结构特征是多孔质炭，有着丰富的细微的小孔，透气、透水效果很好，结合加入的高吸水性树脂的高保水能力，作为土壤改良剂，使得土壤的通气性和透水性、保水性增强。竹炭表面可以附生着丝状菌、放线菌、细菌等许多有用微生物，可创造出更适宜农作物生长的土壤环境。
在竹子及其加工废料的炭化过程中，生物质炭得率随着温度的升高而降低，低温生物炭的生物质炭得率较高。生物质炭可以提高土壤有机碳含量水平，其提高的幅度取决于生物炭的用量及稳定性。土壤有机碳含量增高可提高土壤的C/N比，从而提高土壤对氮素及其他养分元素吸持容量，有利于通过配合施肥培肥土壤。而随着温度的升高，高温热裂解的生物炭比低温热裂解的生物炭中具有更少的酸性挥发物及更多的灰分，因而pH更高。因此，高温生物炭提高土壤pH比低温生物炭的作用更明显。高温生物炭是比石灰等常用改良物料有更多的土壤酸性中和剂。低温生物炭具有较高的生物活性基团，高温生物炭具有较高的比表面积，二者结合可进一步增强土壤改良剂的蓄肥保水能力。因此，本发明结合低温生物炭与高温生物炭各自的优点，通过低温生物炭和高温生物炭混配制备的土壤改良剂具有更强效的蓄肥和改善酸性土壤的能力。另外，在制备高温生物炭过程中加入碳酸氢盐，在高温下分解产生二氧化碳气体，进一步增加高温生物炭的比表面积，增加其吸附能力，提高土壤改良剂的保水、增肥效能。
壳聚糖中的甲壳素是土壤有益微生物的营养源和保健品，是土壤有益微生物的良好培养基，可增加土壤中纤维分解细菌、自生固氮细菌、乳酸细菌和放线菌的含量。放线菌分泌出抗生素类物质可抑制有害菌(腐霉菌、丝核菌、尖镰孢菌、疫霉菌等)的生长，纤维素分解菌可加速土壤中有机质(有机肥、秸秆等)的矿化分解速度，分解成氮、磷、钾、微量元素及形成稳定的土壤腐植质，为植物生长提供充足营养。微生物的大量繁殖可促进土壤团粒结构的形成，改善土壤的理化性质，增强透气性和保水保肥能力，从而为根系提供良好的土壤微生态环境，使土壤中的多种养分处于有效活化状态，可提高养分利用率。壳聚糖分子结构中含有-NH2(氨基)，与微量元素铁、铜、锰、锌、钼等能产生螯合作用，使土壤中的微量元素有效态养分增加，同时使被土壤固定的微量元素养分释放出来，供作物吸收利用，从而提高了肥效。
本发明制备的土壤改良剂中加入烷基多苷、甲基硅酸钾和钙镁磷肥，烷基多苷是一种性能较全面的新型非离子表面活性剂，兼具普通非离子和阴离子表面活性剂的特性,具有高表面活性、良好的生态安全性和相溶性，是国际公认的首选“绿色”功能性表面活性剂。其可以减小液固之间的表面张力，因此可以将阻塞在土壤空隙中的油性有机污染物分散并通过溶液本身将其洗脱出来，当其质量浓度增加到临界胶束浓度以上时，表面活性剂烷基多苷会形成胶束，胶束内部具有憎水性而外部具有亲水性，因此有机污染物的憎水性使其很容易分配到胶束内部，从而使有机污染物被包裹于表面活性剂烷基多苷中，而将其从土壤中解吸出来，截留于表面活性剂中的有机污染物可以直接被微生物利用降解，因此可以修复污染的土壤。甲基硅酸钾溶液可与空气中的CO2或其他酸性化合物反应，中和酸性土壤中的酸性物质，提高土壤的pH值。钙镁磷肥主要成分包括Ca3(PO4)2、CaSiO3、MgSiO3，是一种多元素肥料，水溶液呈碱性，可改良酸性土壤，属于缓效肥料，培育大苗时作为底肥效果很好，植物能够缓慢吸收所需养分。
本发明的有益效果如下：
本发明结合低温竹子生物炭和高温竹子生物炭，然后加入壳聚糖、高吸水性树脂、表面活性剂烷基多苷、甲基硅酸钾和钙镁磷肥，制备得到的土壤改良剂具备较好的蓄水、保肥能力，能够增加土壤的透气性，提高土壤pH值，改善土壤板结问题，并且可以解吸土壤中有机污染物，修复污染土壤。本发明充分利用竹子及其加工废料作为生物炭的原料，不仅碳化率高，并且成本低廉环保。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
实施例1
一种竹子生物炭基土壤改良剂的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将竹子加工废料去除杂质，干燥至含水量≤15％，然后粉碎细化为原料颗粒，向碳化炉内通入氮气使炉内为无氧环境后，将原料颗粒从碳化炉顶部进料，热气流从底部进入，在炉内形成逆流反应区域，炉内压力为1000mbar，炉内温度为250℃，低温碳化10小时，自然冷却后粉碎、过50目筛，制备得到低温生物炭；
(2)将竹子或者其加工废料去除杂质，干燥至含水量≤15％，然后粉碎细化为原料颗粒，加入占原料颗粒重量2％的质量分数为15％的碳酸氢钠溶液，搅拌器中900r/min转速下搅拌35min后，置于烧结炉内500℃且通入氮气无氧条件下高温碳化2小时，冷却后粉碎、过50目筛，制备得到高温生物炭；
(3)将低温生物炭与占低温生物炭重量10％的过300目筛的壳聚糖粉末、占低温生物炭重量20％的高支链淀粉和占低温生物炭重量20％的钙镁磷肥混合后置于搅拌器中，边搅拌边用喷雾装置喷入占低温生物炭重量1％的烷基多苷，在1300r/min转速下搅拌50min后得到物料A；
(4)将高温生物炭加入搅拌器中，边搅拌边通过喷雾装置喷入占高温生物炭重量1.5％的质量浓度为0.5％的硫酸亚铁、质量浓度为0.9％的硫酸钾、质量浓度为1％的硝酸钾和质量浓度为1.2％的磷酸铵混合水溶液，在1600r/min转速下搅拌30min后得到物料B；
(5)将重量比为5：3的上述物料A和物料B混合后得到混料，置于搅拌器中，边搅拌边用喷雾装置将占混料重量3％的质量浓度为0.5％的甲基硅酸钾溶液喷入搅拌物料中，2000r/min转速下搅拌15min，取出物料通过造粒机造粒即得到土壤改良剂产品。
在酸化板结且遭污染的土壤表面，在第一年春秋两季分别每亩按50-60kg均匀撒施本实施例制备得到的土壤改良剂后，深翻50-60cm，平整土地，然后种植农作物玉米。第二年春季对土壤进行监测，土壤的pH值由原来的4.6变为5.0，土壤含水率比原来增加20％，土壤有机质含量由原来的2％变为3.2％，土壤病害较以往降低了41％左右、平均亩产量增产了29％，减少化肥的使用量28％。
实施例2
一种竹子生物炭基土壤改良剂的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将竹子加工废料除杂、干燥至含水量≤15％，然后粉碎细化为原料颗粒，向碳化炉内通入氮气使炉内为无氧环境后，将原料颗粒从碳化炉顶部进料，热气流从底部进入，在炉内形成逆流反应区域，炉内压力为1000mbar，炉内温度为280℃，低温碳化12小时，自然冷却后粉碎、过80目筛，制备得到低温生物炭；
(2)将竹子或者其加工废料清洗、干燥至含水量≤15％，然后粉碎细化为原料颗粒，加入占原料颗粒重量1.5％的质量分数为10％的碳酸氢钾溶液，搅拌器中800r/min转速下搅拌45min后，置于烧结炉内550℃且通入氮气无氧条件下高温碳化5小时，冷却后粉碎、过80目筛，制备得到高温生物炭；
(3)将低温生物炭与占低温生物炭重量12％的过220目筛的壳聚糖粉末、占低温生物炭重量18％的丙烯酸盐聚合物和占低温生物炭重量15％的钙镁磷肥混合后置于搅拌器中，边搅拌边用喷雾装置喷入占低温生物炭重量1.5％的烷基多苷，在1500r/min转速下搅拌40min后得到物料A；
(4)将高温生物炭加入搅拌器中，边搅拌边通过喷雾装置喷入占高温生物炭重量1.2％的质量浓度为0.8％的硫酸亚铁、质量浓度为0.8％的硫酸钾、质量浓度为1.2％的硝酸钾和质量浓度为1％的磷酸铵混合水溶液，在1500r/min转速下搅拌40min后得到物料B；
(5)将重量比为2：3的上述物料A和物料B混合后得到混料，置于搅拌器中，边搅拌边用喷雾装置将占混料重量1.5％的质量浓度为1％的甲基硅酸钾溶液喷入搅拌物料中，1800r/min转速下搅拌18min，取出物料通过造粒机造粒即得到土壤改良剂产品。
在酸化板结且遭污染的土壤表面，在第一年春秋两季分别每亩按50-60kg均匀撒施本实施例制备得到的土壤改良剂后，深翻50-60cm，平整土地，然后种植农作物大豆。第二年春季对土壤进行监测，土壤的pH值由原来的4.6变为5.4，土壤含水率比原来增加18％，土壤有机质含量由原来的2％变为3.1％，土壤病害较以往降低了45％左右、平均亩产量增产了28％，减少化肥的使用量25％。
实施例3
一种竹子生物炭基土壤改良剂的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将竹子加工废料除杂、干燥至含水量≤15％，然后粉碎细化为原料颗粒，向碳化炉内通入氮气使炉内为无氧环境后，将原料颗粒从碳化炉顶部进料，热气流从底部进入，在炉内形成逆流反应区域，炉内压力为1200mbar，炉内温度为300℃，低温碳化15小时，自然冷却后粉碎、过100目筛，制备得到低温生物炭；
(2)将竹子或者其加工废料清洗、干燥至含水量≤15％，然后粉碎细化为原料颗粒，加入占原料颗粒重量2.5％的质量分数为18％的碳酸氢钙溶液，搅拌器中1000r/min转速下搅拌50min后，置于烧结炉内500℃且通入氮气无氧条件下高温碳化3小时，冷却后粉碎、过100目筛，制备得到高温生物炭；
(3)将低温生物炭与占低温生物炭重量15％的过200目筛的壳聚糖粉末、占低温生物炭重量15％的纤维素和占低温生物炭重量20％的钙镁磷肥混合后置于搅拌器中，边搅拌边用喷雾装置喷入占低温生物炭重量5％的烷基多苷，在1400r/min转速下搅拌50min后得到物料A；
(4)将高温生物炭加入搅拌器中，边搅拌边通过喷雾装置喷入占高温生物炭重量1.8％的质量浓度为0.6％的硫酸亚铁、质量浓度为0.9％的硫酸钾、质量浓度为1％的硝酸钾和质量浓度为1％的磷酸铵混合水溶液，在1600r/min转速下搅拌30min后得到物料B；
(5)将重量比为7：3的上述物料A和物料B混合后得到混料，置于搅拌器中，边搅拌边用喷雾装置将占混料重量5％的质量浓度为2％的甲基硅酸钾溶液喷入搅拌物料中，2000r/min转速下搅拌15min，取出物料通过造粒机造粒即得到土壤改良剂产品。
在酸化板结且遭污染的土壤表面，在第一年春秋两季分别每亩按50-60kg均匀撒施本实施例制备得到的土壤改良剂后，深翻50-60cm，平整土地，然后种植农作物棉花。第二年春季对土壤进行监测，土壤的pH值由原来的4.6变为5.2，土壤含水率比原来增加25％，土壤有机质含量由原来的2％变为3.5％，土壤病害较以往降低了40％左右、平均亩产量增产了25％，减少化肥的使用量22％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种竹子生物炭基土壤改良剂的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)将竹子或者其加工废料去除杂质、干燥，然后粉碎细化为原料颗粒，置于碳化炉内250℃-350℃且无氧或低氧条件下低温碳化8-15小时，冷却后粉碎、过筛，制备得到低温生物炭；
(2)将竹子或者其加工废料去除杂质、干燥，然后粉碎细化为原料颗粒，加入质量分数为10-20％的碳酸氢盐溶液，搅拌器中搅拌均匀后置于烧结炉内450℃-550℃且无氧条件下高温碳化1-5小时，冷却后粉碎、过筛，制备得到高温生物炭；
(3)将低温生物炭与壳聚糖粉末、高吸水性树脂和钙镁磷肥混合后置于搅拌器中，边搅拌边用喷雾装置将烷基多苷喷入搅拌物料中，搅拌均匀后得到物料A；
(4)将高温生物炭加入搅拌器中，边搅拌边通过喷雾装置喷入硫酸亚铁、硫酸钾、硝酸钾和磷酸铵混合水溶液，搅拌均匀得到物料B；
(5)将上述物料A和物料B混合后得到混合料，置于搅拌器中，边搅拌边用喷雾装置将甲基硅酸钾溶液喷入搅拌物料中，搅拌均匀后造粒即得到土壤改良剂产品。
2.根据权利要求1所述的一种竹子生物炭基土壤改良剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中低温碳化具体方法为：向碳化炉内通入氮气使炉内为无氧或低氧环境后，将原料颗粒从碳化炉顶部进料，热气流从底部进入，在炉内形成逆流反应区域，炉内压力为1000-1200mbar。
3.根据权利要求1所述的一种竹子生物炭基土壤改良剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中竹子或者其加工废料干燥后其含水量≤15％，过筛都是指过50-100目筛。
4.根据权利要求1所述的一种竹子生物炭基土壤改良剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中碳酸氢盐为碳酸氢钠、碳酸氢钾或碳酸氢钙中的一种，碳酸氢盐加入量为原料颗粒重量的1.5-3.5％，搅拌速度为800-1000r/min，搅拌时间为30-50min。
5.根据权利要求1所述的一种竹子生物炭基土壤改良剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)中壳聚糖粉末、钙镁磷肥的粒度均为200-300目，高吸水性树脂是指高支链淀粉、丙烯酸盐聚合物、聚丙烯酰胺或纤维素中的至少一种，高吸水性树脂加入量为低温生物炭重量的10-25％，壳聚糖粉末加入量为低温生物炭重量的5-15％，钙镁磷肥加入量为低温生物炭重量的15-30％，烷基多苷加入量为低温生物炭重量的0.5-5％。
6.根据权利要求1所述的一种竹子生物炭基土壤改良剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)中搅拌速度为1200-1500r/min，搅拌时间为30-60min。
7.根据权利要求1所述的一种竹子生物炭基土壤改良剂的制备方法，其特征在于，步骤(4)中硫酸亚铁、硫酸钾、硝酸钾和磷酸铵混合水溶液中硫酸亚铁质量浓度为0.5-1％、硫酸钾质量浓度为0.8-1％、硝酸钾质量浓度为0.6-1.2％、磷酸铵浓度为1-1.5％，混合水溶液加入量为高温生物炭重量的1.2-1.8％，搅拌速度为1500-1800r/min，搅拌时间为25-40min。
8.根据权利要求1所述的一种竹子生物炭基土壤改良剂的制备方法，其特征在于，步骤(5)中物料A和物料B重量比例为2-7：3-5，甲基硅酸钾溶液质量浓度为0.5-2％，甲基硅酸钾溶液加入量为混合料重量的0.5-5％，搅拌速度为1800-2000r/min，搅拌时间为15-20min。
9.根据权利要求1至8中所述的任一种制备方法得到的竹子生物炭基土壤改良剂。
10.权利要求9所述的一种竹子生物炭基土壤改良剂在酸化、板结、缺水缺肥、污染的农作物种植土壤修复中的应用。
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