CN108996602A - 基于煤矸石的水体净化板及其制备方法 - Google Patents
基于煤矸石的水体净化板及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于水体净化材料技术领域,具体涉及一种基于煤矸石的水体净化板及其制备方法;所述的制备方法包括:(1)向煤矸石中加入石灰石和二氧化硅粉,混合均匀后,煅烧处理,待煅烧完成、自然冷却后将混合物碾碎并过40目筛,得细粉混合物;(2)向步骤(1)中的细粉混合物中加入光催化剂、过硫酸盐、粘结剂和水,混合均匀后得到水体净化浆料;(3)将水体净化浆料喷涂到PVC发泡板的至少一侧,并在喷涂形成的涂层上覆盖一层活性碳纤维毡,热压贴合,得到所述的水体净化板;本发明以价格低廉,作为固体废弃物处理的煤矸石作为原料,对其进行处理后将其作为水体净化材料的载体,有效的提高了水体净化材料的比表面积,提高了净化效率。
Description
技术领域
本发明属于水体净化材料技术领域,具体涉及一种基于煤矸石的水体净化板及其制备方法。
背景技术
煤矸石是在成煤过程中与煤共同沉积的有机化合物和无机化合物混合在一起的岩石,通常呈薄层和在煤层中或煤层顶、煤层底,是在煤矿建设和煤炭采掘、洗选加工过程中产生的数量较大的矿山固态排弃物。煤矸石的排放量根据煤层条件,开采条件和洗选工艺的不同有较大的差异,例如,一般掘进矸石占原煤产量的10%左右,选煤矸石占入选原煤量的12%~18%。煤矸石弃置不用会占用大片土地,并且其中含有的硫化物逸出或浸出会污染大气、农田和水体;矸石山还会自燃引发火灾,或在雨季发生崩塌,淤塞河流造成灾害。中国积存的煤矸石达到10亿吨以上,每年还会有近1亿吨的煤矸石排出,为了消除污染,开发煤矸石的应用途径成为研究者不断探索的方向。
煤矸石的主要成分是Al2O3、SiO2,是一种含碳量较低,比煤坚硬的黑灰色岩石;将其研磨得到一定粒度的粉体需要耗费掉大量的电能;而且煤矸石废弃物本身的活性较低,结构较为致密,往往难以有效的利用。
水资源是人类生产和生活必不可少的自然资源,也是生物赖以生存的环境资源和支撑国民经济健康发展的经济资源。自工业革命以来,大工业的兴起、农业的机械化和农药化肥的大量使用、都市化的迅速发展等,造成大量废水排入到江河湖海中,导致水资源的恶化。而随着水资源的短缺以及水质恶化造成河流的生态系统也严重退化,造成水土流失,堤岸侵蚀严重及生物多样性减少等现象。城市景观用水为包括人造湖泊、小型的天然湖泊和为房地产建设所配置的人造景观湖等,其处在与自然环境相差较大的特殊环境中,多数为静止或流动性较差的缓流水体,因此水体的自净能力不足,易成为生活污水、雨水和垃圾等的收纳体,导致不同程度的水体污染乃至富营养化。随着人类生活的高速发展,现有的很多水体的自净能力已无法满足水体中污染物的清除,造成水体质量的恶化越来越严重,因此不得不引起人们的重视。
现有技术中,将光催化剂添加到载体上用于净化环境中的水体的技术已见诸报道,但是由于光催化剂需要在光照条件下才能发挥良好的催化性能,需要充分吸收光,并由足够大的面积与污染水体进行接触;另外,催化剂粒子的团聚现象较为严重,导致比表面较小,催化效果太弱,而由此又导致氧化反应不够彻底,反而容易产生其他有害物质,因此提高催化剂的吸附面积,发挥催化性能是现有技术中水体修复的一个可以改善的方向。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种水体净化板的制备方法,所述的水体净化板采用原料来源丰富、成本低廉的煤矸石作为光催化剂的载体,能够显著的提高光催化剂与污染水体的接触面积,提高水体净化的效率。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
一种基于煤矸石的水体净化板的制备方法,包括以下步骤:
(1)向煤矸石中加入石灰石和二氧化硅粉,混合均匀后,在高温下煅烧处理3~6h,待煅烧完成、自然冷却后将混合物碾碎并过40目筛,得细粉混合物;
(2)向步骤(1)中的细粉混合物中加入光催化剂、过硫酸盐、粘结剂和水,混合均匀后得到水体净化浆料;
(3)将步骤(2)中的水体净化浆料喷涂到PVC发泡板的至少一侧,并在喷涂形成的涂层上覆盖一层活性碳纤维毡,进入辊压机中热压贴合,得到所述的水体净化板;
所述的光催化剂包括以下原料制备得到:四异丙氧基钛、二氧化钛、螯合剂、金属化合物、酸性催化剂和有机溶剂。
本发明还提供了一种采用上述制备方法制备得到的基于煤矸石的水体净化板。
与现有技术相比,本发明具有以下技术效果:
本发明以价格低廉,作为固体废弃物处理的煤矸石作为原料,对其进行处理后将其作为水体净化材料的载体,有效的提高了水体净化材料的比表面积,提高了净化效率;所述的煤矸石具有成本低廉的优点。
本发明将煤矸石进行煅烧处理,将原本致密的结构转变为疏松的、易于水体净化材料结合的结构,采用的方法新颖独特,无需采用传统的研磨、细碎工艺,采用矿物组分的相变能量使其自动粉碎;降低了能耗。
本发明中,通过光催化剂和过硫酸盐的相互配合,将水体中的有机物快速的降解为小分子并进一步的分解得到二氧化碳和水,防止水体中有机物存在过多造成的腐臭、变质;
本发明中的活性碳纤维毡不仅能够提高水体净化浆料的负载,还能快速的吸附水体中的大量溶解性有机污染物,进而在水体净化浆料的作用下完成水体的净化。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式中予以详细说明。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施例,进一步阐明本发明。
本发明提供了一种基于煤矸石的水体净化板的制备方法,包括以下步骤:
(1)向煤矸石中加入石灰石和二氧化硅粉,混合均匀后,在高温下煅烧处理3~6h,待煅烧完成、自然冷却后将混合物碾碎并过40目筛,得细粉混合物;
(2)向步骤(1)中的细粉混合物中加入光催化剂、过硫酸盐、粘结剂和水,混合均匀后得到水体净化浆料;
(3)将步骤(2)中的水体净化浆料喷涂到PVC发泡板的至少一侧,并在喷涂形成的涂层上覆盖一层活性碳纤维毡,进入辊压机中热压贴合,得到所述的水体净化板;
所述的光催化剂包括以下原料制备得到:四异丙氧基钛、二氧化钛、螯合剂、金属化合物、酸性催化剂和有机溶剂。
本发明中所述的煤矸石具有来源丰富、价格低廉的优点,但是其本身质地较硬,在传统的应用中,将其采用细碎颚式破碎机、锤式破碎机或细碎对辊机进行破碎处理,从而得到煤矸石颗粒,但是若想得到更为细碎的粉末状产品时,需要耗费较多的电能,造成利用成本的上升;本发明中,通过将煤矸石与石灰石进行混合,在高温下进行煅烧处理,在高温的作用下,煤矸石中的矿物组成发生反应,其中的Al2O3·2SiO2·2H2O与SiO2、CaCO3变为硅酸二钙和七铝十二钙,消除了硅酸二钙晶相转变的干扰因素,而硅酸二钙在晶相转变过程中产生的体积膨胀可以达到10%之多,造成硅酸二钙连同矿物组成一同粉化,其粒径可以达到1μm,从而实现了煤矸石的细化;
此外,在煤矸石的高温煅烧处理过程中,煤矸石的结构发生了很大的变化,从未煅烧时致密的结构变成了较为疏松状态的结构,伴随着多微孔结构的生成;多断键的发生,矿物组织中的水、钙、镁、铁等阳离子重新选择填隙位置,致使硅氧四面体和铝氧三角体不能聚合成长链,形成大量自由端的断裂点;煅烧后的煤矸石粉不仅细化了粒径,整体细粉混合物处理热力学不稳定状态玻璃相结构中。
接着将该细粉混合物与光催化剂、过硫酸盐、粘结剂和水混合,光催化剂和过硫酸盐侵入到疏松结构的细粉混合物中,并与细粉混合物中的大量自由端的断裂点发生结合,从而达到稳定的状态;细粉混合物的摊铺效应提高了光催化剂和过硫酸盐的比表面积,提供了大量的与污染水体的接触位点,从而能够显著的提高光催化剂和过硫酸盐催化、降解水体内的污染物的效率。
将本发明中制备形成的水体净化浆料喷涂到PVC发泡板的至少一侧,并在喷涂形成的涂层上覆盖一层活性碳纤维毡,进入辊压机中热压贴合后,得到所述的水体净化板,该水体净化板可以漂浮在待处理的水体上,对水体中的有机污染物进行高效的降解处理。
本发明中,所述的煤矸石、石灰石和二氧化硅粉的质量比为1:(0.2~0.35):(0.03~0.08);进一步优选的,所述的煤矸石、石灰石和二氧化硅粉的质量比为1:(0.3~0.35):(0.05~0.07);通过将煤矸石、石灰石和二氧化硅粉的质量比限定在上述的范围内,可以确保煤矸石在煅烧处理后被充分的细化,确保原料利用合理,避免浪费。
进一步的,根据本发明,步骤(1)中,煤矸石与石灰石、二氧化硅粉混合后煅烧处理的温度为700~850℃,优选为750~800℃。
根据本发明,本发明中,所述水体净化浆料包括以下重量份的原料:细粉混合物40~65份、光催化剂10~22份、过硫酸盐6~16份、粘结剂5~10份、水50~80份。
进一步的,所述的光催化剂包括以下重量份数的原料:四异丙氧基钛3~10份、二氧化钛5~10份、螯合剂0.5~2份、金属化合物1~10份、酸性催化剂4~15份、有机溶剂35~50份。
上述光催化剂的制备方法为,
(1)先将四异丙氧基钛和螯合剂加入到溶剂中,然后再加入二氧化钛,搅拌得到反应混合物;
(2)将金属化合物分散到2倍量的蒸馏水中,搅拌得到金属化合物的水溶液;
(3)在酸性催化剂的存在下将步骤(1)中的反应混合物加入到步骤(2)的水溶液中,搅拌得到所述的光催化剂。
本发明中,所述的二氧化钛粒子本身具有较好的稳定性,但是它吸收了太阳光线中的紫外光的能量以后,变得活泼起来,开始释放出电子,其抛出的电子和自身空出的“电位”变成了撕扯有机物大分子的刀,当能量减弱以后,二氧化钛粒子所抛出的电子会跑回来并与自身空出的电位结合,也就是说,二氧化钛粒子在不消耗自身的情况下,将有机物降解了,这个过程较为复杂,但是最终的产物是二氧化碳和水。
本发明中,所述的过硫酸盐净化水体的原理为:过硫酸盐在水中电离产生过硫酸根粒子S2O8 2-,其标准氧化还原电位达到+2.01V,接近于臭氧,大于高锰酸根和过氧化氢。其分子中含有过氧基(-O-O-),具有较强的氧化性,能够氧化水体中的有机分子,进而将水体中的有机污染物逐渐降解为小分子。
如此,通过光催化和过硫酸盐的相互配合,能够实现将水体中的有机物快速的降解为小分子并进一步的分解得到最终产物二氧化碳和水,防止水体中有机物存在过多造成的腐臭、变质;并且,本发明的光催化剂中含有金属化合物,其中的金属离子在光和热的条件下进一步的激发过硫酸盐,使其活化分解为硫酸根自由基·SO4 2-,其氧化还原电位为+2.6V,接近于羟基自由基·OH(+2.8V),具有较高的氧化能力,理论上可以快速的降解大多数的有机氧化物,可将其矿化为二氧化碳和无机酸。也就是说,通过过硫酸盐与光催化剂的协同配合,达到了更高效的水体净化效果。
本发明中,所述的过硫酸盐为过硫酸钾和过硫酸氢钾中的一种或其组合。
本发明中,所述螯合剂为乙二胺四乙酸或乙酰丙酮;
所述金属化合物为硝酸锌、硝酸铜、硝酸铁、硝酸锰、硫酸锌、硫酸铜、硫酸铜、硫酸锰、氯化锌、氯化铜、氯化铁中的一种;
所述的酸性催化剂为盐酸、硝酸、硫酸或乙酸中的一种;
所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇中的一种。
根据本发明,本发明中,所述的PVC发泡板就是现有技术中普遍存在的雪弗板和安迪板,在本发明中,PVC发泡板作为水体净化材料的载体,其作用在于保持漂浮的状态。为了减少对漂浮板以下水体光线的阻挡,所述PVC发泡板的厚度也不宜过厚,本发明中,所述PVC发泡板的厚度为10~20mm,具体的,所述的PVC发泡板购自保定盛通建材科技有限公司生产的PVC雪弗板(厚度为18mm)、PVC安迪板(厚度为18mm)、PVC发泡板(厚度为12mm)。
本发明中,通过将水体净化浆料喷涂到PVC发泡板上,接着在覆盖一层活性碳纤维毡,然后再进入辊压机中热压贴合,如此,所述的水体净化浆料大部分的侵入到活性碳纤维毡内,得到更好的固定效果。所述的活性碳纤维毡中用到的活性碳纤维是继粉状活性炭和粒状活性炭之后的第三代产品,活性碳纤维具有大的比表面积(比表面积达到1000~3000m2/g)和丰富的微孔,具有比粒状活性碳更大的吸附容量和更快的吸附动力学性能,将该覆盖了活性碳纤维毡的一侧盖在水体上,该活性碳纤维毡能够快速的吸附水体中的大量溶解性有机污染物,进而在水体净化浆料的作用下完成水体的净化。
本发明中,所述活性碳纤维毡的厚度为5~10mm,单位克重为500~1000g/m2,具体的,所述的活性碳纤维毡购自上海力硕复合材料科技有限公司。
本发明中,所述的水体净化浆料可以喷涂到PVC发泡板的两侧,在使用一段时间后,将PVC发泡板翻面即可继续进行水体的净化,如此,充分的利用了PVC发泡板。
根据本发明,所述水体净化浆料的喷涂量影响水体净化板的水体净化能力,而局限于水体净化板的面积,所述水体净化浆料的喷涂量也不宜过大,以免造成浪费,本发明中,为了确保所述的水体净化板具有更高的性价比,所述水体净化浆料在PVC发泡板表面的喷涂量为100~200g/cm2。
根据本发明,所述辊压机的压辊载荷为10~20N,盘间压力为80~100N,滚压次数为3~5次,热压温度为100~120℃。
根据本发明,本发明中所述的粘结剂为原硅酸三乙酯、γ-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷或其混合物。
以下通过具体的实施例对本发明提供的基于煤矸石的水体净化板做出进一步的说明。
实施例1
一种基于煤矸石的水体净化板的制备方法,包括以下步骤:
(1)采用细碎颚式破碎机、锤式破碎机或细碎对辊机对煤矸石进行破碎处理,破碎后得到的煤矸石颗粒的组成为:大于30mm的10%,20~30mm的45%,10~20mm的34%,小于10mm的11%;
然后将初步破碎的煤矸石与石灰石和二氧化硅粉进行混合均匀,在780℃的高温下煅烧处理5h,煅烧完成、自然冷却后将混合物碾碎并过40目筛,得细粉混合物;
所述的煤矸石、石灰石和二氧化硅粉的质量比为1:0.32:0.06;
(2)向步骤(1)中的细粉混合物中加入光催化剂、过硫酸钾、原硅酸三乙酯和水,混合均匀后得到水体净化浆料;
所述水体净化浆料包括以下重量份的原料:细粉混合物55份、光催化剂16份、过硫酸钾12份、原硅酸三乙酯7份、水65份;
所述的光催化剂包括以下重量份数的原料:四异丙氧基钛7份、二氧化钛7份、乙二胺四乙酸1.2份、硝酸锌6份、盐酸9份、乙醇42份;
(3)将步骤(2)中的水体净化浆料喷涂到PVC发泡板的一侧,在喷涂形成的涂层上覆盖一层活性碳纤维毡(厚度为8mm,单位克重为800g/m2),进入辊压机中热压贴合,得到所述的水体净化板;
所述水体净化浆料在PVC发泡板表面的喷涂量为150g/cm2;
所述辊压机的压辊载荷为15N,盘间压力为90N,滚压次数为4次,热压温度为110℃。
实施例2
本实施例按实施例1的水体净化板的制备方法,不同的是,所述的煤矸石、石灰石和二氧化硅粉的质量比为1:0.3:0.05;其余不变,制备得到水体净化板。
实施例3
本实施例按实施例1的水体净化板的制备方法,不同的是,所述的煤矸石、石灰石和二氧化硅粉的质量比为1:0.35:0.07;其余不变,制备得到水体净化板。
实施例4
本实施例按实施例1的水体净化板的制备方法,不同的是,所述的煤矸石、石灰石和二氧化硅粉的质量比为1:0.2:0.03;其余不变,制备得到水体净化板。
实施例5
本实施例按实施例1的水体净化板的制备方法,不同的是,所述的煤矸石、石灰石和二氧化硅粉的质量比为1:0.35:0.08;其余不变,制备得到水体净化板。
实施例6
本实施例按实施例1的水体净化板的制备方法,不同的是,
所述水体净化浆料包括以下重量份的原料:细粉混合物40份、光催化剂10份、过硫酸钾6份、原硅酸三乙酯5份、水50份;
其余不变,制备得到水体净化板。
实施例7
本实施例按实施例1的水体净化板的制备方法,不同的是,
所述水体净化浆料包括以下重量份的原料:细粉混合物65份、光催化剂22份、过硫酸钾16份、原硅酸三乙酯10份、水80份;
其余不变,制备得到水体净化板。
实施例8
本实施例按实施例1的水体净化板的制备方法,不同的是,
所述的光催化剂包括以下重量份数的原料:四异丙氧基钛3份、二氧化钛5份、乙二胺四乙酸0.5份、硝酸锌1份、盐酸4份、乙醇35份;
其余不变,制备得到水体净化板。
实施例9
本实施例按实施例1的水体净化板的制备方法,不同的是,
所述的光催化剂包括以下重量份数的原料:四异丙氧基钛10份、二氧化钛10份、乙二胺四乙酸2份、硝酸锌10份、盐酸15份、乙醇50份;
其余不变,制备得到水体净化板。
实施例10
本实施例按实施例1的水体净化板的制备方法,不同的是,所述水体净化浆料在PVC发泡板表面的喷涂量为100g/cm2;其余不变,制备得到水体净化板。
实施例11
本实施例按实施例1的水体净化板的制备方法,不同的是,所述水体净化浆料在PVC发泡板表面的喷涂量为200g/cm2;其余不变,制备得到水体净化板。对照例1
本对照例按实施例1的水体净化板的制备方法,不同的是,所述的煤矸石、石灰石和二氧化硅粉的质量比为1:0.1:0.07;其余不变,制备得到水体净化板。对照例2
本对照例按实施例1的水体净化板的制备方法,不同的是,所述的煤矸石、石灰石和二氧化硅粉的质量比为1:0.3:0.01;其余不变,制备得到水体净化板。对照例3
本对照例按实施例1的水体净化板的制备方法,不同的是,所述水体净化浆料包括以下重量份的原料:细粉混合物30份、光催化剂10份、过硫酸钾6份、原硅酸三乙酯5份、水50份;其余不变,制备得到水体净化板。
对照例4
本对照例按实施例1的水体净化板的制备方法,不同的是,所述的光催化剂包括以下重量份数的原料:四异丙氧基钛2份、二氧化钛3份、乙二胺四乙酸0.5份、硝酸锌1份、盐酸4份、乙醇35份;其余不变,制备得到水体净化板。
对照例5
本对照例按实施例1的水体净化板的制备方法,不同的是,所述水体净化浆料在PVC发泡板表面的喷涂量为50g/cm2;其余不变,制备得到水体净化板。对照例6
本对照例按实施例1的水体净化板的制备方法,不同的是,所述水体净化浆料在PVC发泡板表面的喷涂量为250g/cm2;其余不变,制备得到水体净化板。
选择保定盛通建材科技有限公司生产的PVC雪弗板(厚度为18mm)作为上述实施例中的PVC发泡板,在该PVC发泡板上进行浆料的喷涂以及活性碳纤维毡的覆盖。
测试上述漂浮板处理水体10天后的水体质量情况,以未放置漂浮板的水体作为空白组,测试结果汇总记录于表1中。
表1:
结合表中试验数据可看出,本发明提供的水体净化板能够有效地改善水体水质,提高水体中溶解氧的含量,降低水体中COD,并且对于改善水体的浊度也有很好的效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种基于煤矸石的水体净化板的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)向煤矸石中加入石灰石和二氧化硅粉,混合均匀后,在高温下煅烧处理3~6h,待煅烧完成、自然冷却后将混合物碾碎并过40目筛,得细粉混合物;
(2)向步骤(1)中的细粉混合物中加入光催化剂、过硫酸盐、粘结剂和水,混合均匀后得到水体净化浆料;
(3)将步骤(2)中的水体净化浆料喷涂到PVC发泡板的至少一侧,并在喷涂形成的涂层上覆盖一层活性碳纤维毡,进入辊压机中热压贴合,得到所述的水体净化板;
所述的光催化剂包括以下原料制备得到:四异丙氧基钛、二氧化钛、螯合剂、金属化合物、酸性催化剂和有机溶剂。
2.根据权利要求1所述的基于煤矸石的水体净化板的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,所述的煤矸石、石灰石和二氧化硅粉的质量比为1:(0.2~0.35):(0.03~0.08);
优选的,所述的煤矸石、石灰石和二氧化硅粉的质量比为1:(0.3~0.35):(0.05~0.07)。
3.根据权利要求1所述的基于煤矸石的水体净化板的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,煤矸石与石灰石、二氧化硅粉混合后煅烧处理的温度为700~850℃,优选为750~800℃。
4.根据权利要求1所述的基于煤矸石的水体净化板的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,所述水体净化浆料包括以下重量份的原料:细粉混合物40~65份、光催化剂10~22份、过硫酸盐6~16份、粘结剂5~10份、水50~80份。
5.根据权利要求1所述的基于煤矸石的水体净化板的制备方法,其特征在于:所述的光催化剂包括以下重量份数的原料:四异丙氧基钛3~10份、二氧化钛5~10份、螯合剂0.5~2份、金属化合物1~10份、酸性催化剂4~15份、有机溶剂35~50份。
6.根据权利要求1所述的基于煤矸石的水体净化板的制备方法,其特征在于:所述螯合剂为乙二胺四乙酸或乙酰丙酮;
所述金属化合物为硝酸锌、硝酸铜、硝酸铁、硝酸锰、硫酸锌、硫酸铜、硫酸铜、硫酸锰、氯化锌、氯化铜、氯化铁中的一种;
所述的酸性催化剂为盐酸、硝酸、硫酸或乙酸中的一种;
所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇中的一种。
7.根据权利要求1所述的基于煤矸石的水体净化板的制备方法,其特征在于:所述水体净化浆料在PVC发泡板表面的喷涂量为100~200g/cm2。
8.根据权利要求1所述的基于煤矸石的水体净化板的制备方法,其特征在于:所述活性碳纤维毡的厚度为5~10mm,单位克重为500~1000g/m2。
9.根据权利要求1所述的基于煤矸石的水体净化板的制备方法,其特征在于:所述辊压机的压辊载荷为10~20N,盘间压力为80~100N,滚压次数为3~5次,热压温度为100~120℃。
10.一种如权利要求1~9任意一项所述的基于煤矸石的水体净化板。
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