CN110117113A - 一种内光源型插板式光催化水质净化器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内光源型插板式光催化水质净化器，包括箱体、滤料、紫外灯发光机构和若干个插板，箱体内部中空箱体内部从左向右分为过滤区、光催化区和出水区，过滤区内开设进水口，出水区内开设出水口，过滤区内放置滤料，光催化区内安装紫外灯发光机构和若干个插板，插板包括若干个导光板和若干个侧光光纤均安装在光催化区内，每个导光板的一端均分别紧密接触至少一个侧光光纤；若干个导光板上涂覆纳米二氧化钛膜，若干个导光板对紫外灯发光机构发出的紫外光进行漫反射加快纳米二氧化钛膜光催化。采用过滤吸附与光催化降解联用方法，悬浮颗粒物可大量被滤料吸附，残余的难降解有机污染物可在箱体的光催化区域得到降解去除，净化效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种内光源型插板式光催化水质净化器，属于水质净化技术领域。
背景技术
近年来，随着我国工农业的迅猛发展，人类活动所产生的一系列污染物对水体产生了严重的污染。生产生活中所产生大量的有毒有害污染物进入江河湖库和海洋，农田农药、畜禽水产养殖激素、人类排放的抗生素药物和化妆品等随水流发生迁移转化，不仅影响水环境质量，而且在水生动植物体内累积，或流经饮用水水源地，直接或间接通过食物链等途径进入人体。然而，这类污染物普遍属于难降解物质，一旦进入水体中并被稀释，去除难度非常大。我国长期以来对水环境治理认识和技术研发重视不够，存在着仅关注水域和生物体内污染物含量的检测，而轻视迁移过程阻控等突出问题，使得农药、激素、抗生素等已成为我国水域污染的重要方面。因此，解决这类污染问题是我国生态文明建设和人类生存安全的重大需求。
近年来半导体光催化剂技术日益成为环境净化的研究热点，光催化材料在一定的光照条件下可以将各类有机污染物进行分解、转化和矿化，被认为是解决环境污染问题的一条有效途径。纳米晶体TiO2作为目前研究比较透彻的半导体光催化剂，它具适中的能带电位、较高化学稳定性和光电转换效率、低成本和无毒无害等优点。在紫外光的照射下，TiO2 可以将难以降解的一些有机物矿化成CO2和H2O。目前纳米TiO2主要的利用形式主要有纳米粉体催化剂法和表面负载法，其中纳米粉体催化剂法在实施过程中对纳米TiO2粉末的回收、分离及重复利用非常困难，而负载法是将TiO2纳米粉末固定于某一载体上来制备负载型TiO2光催化材料，这种材料在水处理中液固分离较为容易，重复使用较为方便，可以用于表面负载的载体种类也较多。
载体表面的光照强度及光谱类型是影响光催化效率的重要因素。纳米TiO2负载层在紫外光下能表现出良好的光催化性能，而在可见光下的光催化效果甚微。众所周知，自然光源中的紫外含量较少，尤其在水体中的自然光辐照强度远低于水面上，这极大的限制了光催化材料在水体中的催化降解能力，因此光源问题是在水体中实施光催化降解技术的主要应用瓶颈。因此，有效提高光催化净化装置的光源辐照效率及载体的比表面积，对解决目前水环境中难降解污染物，以及对我国的水污染治理具有重大意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种内光源型插板式光催化水质净化器，采用内发光型光催化插板组成迷宫式绕流结构，具有光照反应面积大、催化材料辐照强度大、水力停留时间长、净化效率高、尺寸小等优点，适用于高浓度有机污水的强制净化。
为达到上述目的，本发明提供一种内光源型插板式光催化水质净化器，包括箱体、滤料、紫外灯发光机构和若干个插板，箱体内部中空箱体内部从左向右分为过滤区、光催化区和出水区，过滤区内开设进水口，出水区内开设出水口，过滤区内放置滤料，光催化区内安装紫外灯发光机构和若干个插板，插板包括若干个导光板和若干个侧光光纤，若干个导光板和若干个侧光光纤均安装在光催化区内，每个导光板的一端均分别紧密接触至少一个侧光光纤；若干个导光板上涂覆纳米二氧化钛膜，若干个导光板对紫外灯发光机构发出的紫外光进行漫反射加快纳米二氧化钛膜光催化。
优先地，插板还包括若干个套管和若干个夹板，若干个套管从左向右等间距安装在箱体内部，每个套管内部均套设侧光光纤，若干个夹板上端分别固定连接套管侧壁，每个导光板均穿过一个夹板和一个套管紧密接触侧光光纤侧壁，侧光光纤两端与紫外LED灯带间距小于5mm；
紫外灯发光机构包括若干个紫外LED灯带，若干个紫外LED灯带从左向右对称地固定设置在箱体内侧壁上，若干个侧光光纤的两端均抵靠在若干个紫外LED灯带上；
若干个导光板宽度小于箱体内部宽度，若干个导光板从左向右即箱体宽度方向上呈交错排列式使得水流在箱体中沿S形绕弯路线流动。
优先地，滤料包括进水挡板（14）、粗孔海绵、细孔海绵和陶粒，进水挡板（14）上端垂直固定连接箱体内顶壁，进水挡板（14）高度小于箱体内部高度10~15cm，进水挡板（14）宽度和箱体内部宽度相等，进水挡板（14）将箱体内分隔成位于左侧的过滤区和位于右侧的光催化区，粗孔海绵、细孔海绵和陶粒从下向上逐层分布在过滤区中；进水挡板（14）为长方形聚四氟乙烯材质薄板；
陶粒堆积厚度为箱体高度的1/2，细孔海绵厚度为箱体高度的1/10，粗孔海绵高度为20~25cm；
陶粒为粒径5~6mm的圆球形颗粒，陶粒成分包括粉煤灰、粘土、页岩、污泥、矿渣、铝土矿和煤矸石，陶粒内部含有孔隙，细孔海绵采用孔隙率为30~40PPI的聚氨酯海绵，粗孔海绵采用孔隙率为10~15PPI的聚氨酯海绵。
优先地，包括出水挡板，出水挡板垂直固定连接箱体内底壁，出水挡板将光催化区和出水区分隔开，出水挡板位于若干个导光板右侧，出水挡板宽度和箱体内部宽度相等，出水挡板高度小于箱体内部高度10~15cm，过滤区、光催化区和出水区的长度比为1:8:1。
优先地，包括插板固定装置，插板固定装置包括两个压条、若干个挡条和两个支撑板，两个压条和两个支撑板对称地安装在箱体前后侧壁上，压条下端卡合在支撑板上端，压条下端和支撑板上端对称地开设若干个用于卡合套管的半圆缺口，若干个挡条从左向右成对地固定设置在箱体内底壁上，每对挡条的间距与导光板厚度相同；
挡条为聚四氟乙烯方形长条，每对挡条间隙的中心面与两侧支撑板上对应圆形缺口的轴线在同一平面内；
支撑板和压条的装配高度与箱体内高相同，顶盖可将压条和支撑板压紧；
支撑板为聚四氟乙烯板，支撑板在厚度方向上有L形缺口，若干个紫外LED灯带位于L形缺口内，支撑板在长度方向上水平开设有若干个半圆缺口，支撑板缺口直径与套管外径相同，相邻半圆缺口的圆心间距为4~6cm，紫外LED灯带内的灯珠圆心与支撑板半圆缺口的圆心在同一水平面上；
压条为聚四氟乙烯条，压条长度与支撑板长度相同，压条厚度与支撑板顶部厚度相同，压条下边缘在长度方向上开设有若干个半圆缺口，半圆缺口直径与套管外径相同，相邻的半圆缺口圆心间距4~6cm。
优先地，包括顶盖和螺栓，箱体上表面开设一容纳槽，箱体上部敞口边缘延伸设有法兰边，顶盖通过若干个螺栓固定连接法兰边，出水口开设顶盖上；
箱体为长方体形PVC材质，箱体内侧表面涂覆了聚四氟乙烯耐蚀涂层，顶盖下表面涂覆了聚四氟乙烯耐蚀涂层。
优先地，包括进水管、两个流量控制阀门和出水管，进水口处密封连通进水管，出水口处密封连通出水管，进水管和出水管上均安装一个流量控制阀门。
优先地，侧光光纤直径为1.5~2cm，导光板采用亚克力激光打点型双面导光板，导光板长度为箱体内宽的3/4，导光板厚度为侧光光纤直径的3/4；
套管为不锈钢管，套管内径与侧光光纤外径相同，套管长度与侧光光纤长度相同，夹板为U型不锈钢板。
优先地，紫外LED灯带采用12V整列式集成紫外LED灯带，波长范围为200nm~550nm，单颗LED灯珠功率为5~7W。
优先地，导光板和纳米二氧化钛膜之间还涂覆硅树脂层。
本发明所达到的有益效果：
1. 本发明采用过滤吸附与光催化降解联用方法，水体中的悬浮颗粒物可大量被滤料吸附，而残余的难降解有机污染物可在箱体的光催化区域得到降解去除，净化效率高。
2. 采用紫外LED光源、侧光光纤和导光板形成连通光路，有效的将点状LED紫外光源扩展为面状紫外光源，为光催化材料提供均匀光照条件，同时紫外光是从导光板内部辐照表面的光催化镀层，不受外部水体环境对光线的影响，极大的提高了光源利用率，降低了紫外光源的耗能，促进了对水体污染物的降解去除。
3. 本装置采用光传导器件与光催化反应器件一体化设计，光催化插板具有拆装简单、清理维护方便的优点，同时过滤料也可方便进行更换，使得设备始终保持较高的净化效率。
4. 本装置采用迷宫式绕流结构，极大的延长了污水在箱体内的水力停留时间，提高了光催化反应效率。
5. 采用全封闭式集成箱体结构，内部紫外光不会外泄，对周围环境没有影响。箱体内与污水和紫外光接触的部位均采用聚四氟乙烯材料，耐腐蚀、耐老化性能强，使用寿命长、适应性强。
本装置结构简单、体积小、成本低、维护方便、适用性强，尤其适合于高浓度、小流量的生产或实验污水的无害化和净化处理。
附图说明
附图1是本发明的半剖主视图；
附图2是图1中A-A向剖视图；
附图3是图1中B-B向剖视图；
附图4是插板的结构图；
附图5是压条和支撑板的结构图；
附图6是导光板表面镀层微观形貌扫描电镜照片。
附图标记含义，1-进水管、2-顶盖、3-压条、4-螺栓、5-箱体、6-出水挡板、7-插板、8-出水管、9-挡条、10-粗孔海绵、11-细孔海绵、12-陶粒、13-支撑板、14-进水挡板、15-套管、16-侧光光纤、17-夹板、18-紫外LED灯带、19-导光板；20-纳米二氧化钛膜；21-硅树脂层。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种内光源型插板式光催化水质净化器，包括箱体5、滤料、紫外灯发光机构和若干个插板7，箱体5内部中空箱体5内部从左向右分为过滤区、光催化区和出水区，过滤区内开设进水口，出水区内开设出水口，过滤区内放置滤料，光催化区内安装紫外灯发光机构和若干个插板7，插板7包括若干个导光板19和若干个侧光光纤16，若干个导光板和若干个侧光光纤16均安装在光催化区内，每个导光板的一端均分别紧密接触至少一个侧光光纤16；若干个导光板19上涂覆纳米二氧化钛膜，若干个导光板19对紫外灯发光机构发出的紫外光进行漫反射加快纳米二氧化钛膜光催化。
进一步地，插板7还包括若干个套管15和若干个夹板17，若干个套管15从左向右等间距安装在箱体5内部，每个套管15内部均套设侧光光纤16，若干个夹板17上端分别固定连接套管15侧壁，每个导光板19均穿过一个夹板17和一个套管15紧密接触侧光光纤16侧壁，侧光光纤16两端与紫外LED灯带18间距小于5mm；
紫外灯发光机构包括若干个紫外LED灯带，若干个紫外LED灯带从左向右对称地固定设置在箱体5内侧壁上，若干个侧光光纤16的两端均抵靠在若干个紫外LED灯带上；
若干个导光板19宽度小于箱体5内部宽度，若干个导光板19从左向右即箱体5宽度方向上呈交错排列式使得水流在箱体5中沿S形绕弯路线流动。
进一步地，滤料包括进水挡板14、粗孔海绵10、细孔海绵11和陶粒12，进水挡板14上端垂直固定连接箱体5内顶壁，进水挡板14高度小于箱体5内部高度10~15cm，进水挡板14宽度和箱体5内部宽度相等，进水挡板14将箱体5内分隔成位于左侧的过滤区和位于右侧的光催化区，粗孔海绵10、细孔海绵11和陶粒12从下向上逐层分布在过滤区中；进水挡板14为长方形聚四氟乙烯材质薄板；
陶粒12堆积厚度为箱体5高度的1/2，细孔海绵11厚度为箱体5高度的1/10，粗孔海绵10高度为20~25cm；
陶粒12为粒径5~6mm的圆球形颗粒，陶粒12成分包括粉煤灰、粘土、页岩、污泥、矿渣、铝土矿和煤矸石，陶粒12内部含有孔隙，细孔海绵11采用孔隙率为30~40PPI的聚氨酯海绵，粗孔海绵10采用孔隙率为10~15PPI的聚氨酯海绵。
进一步地，包括出水挡板6，出水挡板6垂直固定连接箱体5内底壁，出水挡板6将光催化区和出水区分隔开，出水挡板6位于若干个导光板19右侧，出水挡板6宽度和箱体5内部宽度相等，出水挡板6高度小于箱体5内部高度10~15cm，过滤区、光催化区和出水区的长度比为1:8:1。
进一步地，包括插板固定装置，插板固定装置包括两个压条3、若干个挡条9和两个支撑板13，两个压条3和两个支撑板13对称地安装在箱体5前后侧壁上，压条3下端卡合在支撑板13上端，压条3下端和支撑板13上端对称地开设若干个用于卡合套管15的半圆缺口，若干个挡条9从左向右成对地固定设置在箱体5内底壁上，每对挡条9的间距与导光板19厚度相同；
挡条9为聚四氟乙烯方形长条，每对挡条9间隙的中心面与两侧支撑板13上对应圆形缺口的轴线在同一平面内；
支撑板13和压条3的装配高度与箱体5内高相同，顶盖2可将压条3和支撑板13压紧；
支撑板13为聚四氟乙烯板，支撑板13在厚度方向上有L形缺口，若干个紫外LED灯带位于L形缺口内，支撑板13在长度方向上水平开设有若干个半圆缺口，支撑板13缺口直径与套管15外径相同，相邻半圆缺口的圆心间距为4~6cm，紫外LED灯带18内的灯珠圆心与支撑板13半圆缺口的圆心在同一水平面上；
压条3为聚四氟乙烯条，压条3长度与支撑板13长度相同，压条3厚度与支撑板13顶部厚度相同，压条3下边缘在长度方向上开设有若干个半圆缺口，半圆缺口直径与套管15外径相同，相邻的半圆缺口圆心间距4~6cm。
进一步地，包括顶盖2和螺栓4，箱体5上表面开设一容纳槽，箱体5上部敞口边缘延伸设有法兰边，顶盖2通过若干个螺栓4固定连接法兰边，出水口开设顶盖2上；
箱体5为长方体形PVC材质，箱体5内侧表面涂覆了聚四氟乙烯耐蚀涂层，顶盖2下表面涂覆了聚四氟乙烯耐蚀涂层。
进一步地，包括进水管1、两个流量控制阀门和出水管8，进水口处密封连通进水管1，出水口处密封连通出水管8，进水管1和出水管8上均安装一个流量控制阀门。
进一步地，侧光光纤16直径为1.5~2cm，导光板19采用亚克力激光打点型双面导光板，导光板19长度为箱体5内宽的3/4，导光板19厚度为侧光光纤16直径的3/4；
套管15为不锈钢管，套管15内径与侧光光纤16外径相同，套管15长度与侧光光纤16长度相同，夹板17为U型不锈钢板。
进一步地，紫外LED灯带18采用12V整列式集成紫外LED灯带，波长范围为200nm~550nm，单颗LED灯珠功率为5~7W。
进一步地，导光板和纳米二氧化钛膜之间还涂覆硅树脂层。
本发明的工作原理：
侧光光纤是光路中非常重要的传导部件，作用是把点光源转换成线光源，通过光纤再进入导光板变成面光源。污水通过进水管1进入箱体5中首先经过过滤区，污水通过陶粒12过滤层，水中的悬浮颗粒物、藻类、大分子等可被陶粒所吸附，陶粒层下部的细孔海绵11和粗孔海绵10主要是对陶粒12起到支撑作用，同时还可进一步对污水中的大分子污染物进行吸附。过滤后的水通过进水挡板14下部的孔隙进入到光催化区中，并在插板7的间隙中绕流。紫外LED灯带18发出的紫外光通过侧光光纤16进入到光纤内，再通过导光板19顶部进入导光板19内，导光板19表面的大量凹坑会对光线形成漫反射，从而使得导光板19通体发光。紫外光直接照射在导光板19表面的硅树脂和纳米二氧化钛镀层上，纳米二氧化钛在紫外光的照射下可将污水中难降解的有机物分解为水和二氧化碳，从而达到净化水质的目的。经过光催化净化后的水从出水挡板6顶部溢流进入出水区，并从出水管8流出。
本装置的拆装方便，只需打开顶盖2，取下压条3，即可抽出插板7，取出陶粒12进行更换或清洗。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种内光源型插板式光催化水质净化器，其特征在于，包括箱体（5）、滤料、紫外灯发光机构和若干个插板（7），箱体（5）内部中空箱体（5）内部从左向右分为过滤区、光催化区和出水区，过滤区内开设进水口，出水区内开设出水口，过滤区内放置滤料，光催化区内安装紫外灯发光机构和若干个插板（7），插板（7）包括若干个导光板（19）和若干个侧光光纤（16），若干个导光板（19）和若干个侧光光纤（16）均安装在光催化区内，每个导光板（19）的一端均分别紧密接触至少一个侧光光纤（16）；若干个导光板（19）上涂覆纳米二氧化钛膜（20），若干个导光板（19）对紫外灯发光机构发出的紫外光进行漫反射加快纳米二氧化钛膜（20）光催化。
2.根据权利要求1所述的一种内光源型插板式光催化水质净化器，其特征在于，插板（7）还包括若干个套管（15）和若干个夹板（17），若干个套管（15）从左向右等间距安装在箱体（5）内部，每个套管（15）内部均套设侧光光纤（16），若干个夹板（17）上端分别固定连接套管（15）侧壁，每个导光板（19）均穿过一个夹板（17）和一个套管（15）紧密接触侧光光纤（16）侧壁，侧光光纤（16）两端与紫外LED灯带（18）间距小于5mm；
紫外灯发光机构包括若干个紫外LED灯带，若干个紫外LED灯带从左向右对称地固定设置在箱体（5）内侧壁上，若干个侧光光纤（16）的两端均抵靠在若干个紫外LED灯带上；
若干个导光板（19）宽度小于箱体（5）内部宽度，若干个导光板（19）从左向右即箱体（5）宽度方向上呈交错排列式使得水流在箱体（5）中沿S形绕弯路线流动。
3.根据权利要求1所述的一种内光源型插板式光催化水质净化器，其特征在于，滤料包括进水挡板（14）、粗孔海绵（10）、细孔海绵（11）和陶粒（12），进水挡板（14）上端垂直固定连接箱体（5）内顶壁，进水挡板（14）高度小于箱体（5）内部高度10~15cm，进水挡板（14）宽度和箱体（5）内部宽度相等，进水挡板（14）将箱体（5）内分隔成位于左侧的过滤区和位于右侧的光催化区，粗孔海绵（10）、细孔海绵（11）和陶粒（12）从下向上逐层分布在过滤区中；进水挡板（14）为长方形聚四氟乙烯材质薄板；
陶粒（12）堆积厚度为箱体（5）高度的1/2，细孔海绵（11）厚度为箱体（5）高度的1/10，粗孔海绵（10）高度为20~25cm；
陶粒（12）为粒径5~6mm的圆球形颗粒，陶粒（12）成分包括粉煤灰、粘土、页岩、污泥、矿渣、铝土矿和煤矸石，陶粒（12）内部含有孔隙，细孔海绵（11）采用孔隙率为30~40PPI的聚氨酯海绵，粗孔海绵（10）采用孔隙率为10~15PPI的聚氨酯海绵。
4.根据权利要求1所述的一种内光源型插板式光催化水质净化器，其特征在于，包括出水挡板（6），出水挡板（6）垂直固定连接箱体（5）内底壁，出水挡板（6）将光催化区和出水区分隔开，出水挡板（6）位于若干个导光板（19）右侧，出水挡板（6）宽度和箱体（5）内部宽度相等，出水挡板（6）高度小于箱体（5）内部高度10~15cm，过滤区、光催化区和出水区的长度比为1:8:1。
5.根据权利要求2所述的一种内光源型插板式光催化水质净化器，其特征在于，包括插板固定装置，插板固定装置包括两个压条（3）、若干个挡条（9）和两个支撑板（13），两个压条（3）和两个支撑板（13）对称地安装在箱体（5）前后侧壁上，压条（3）下端卡合在支撑板（13）上端，压条（3）下端和支撑板（13）上端对称地开设若干个用于卡合套管（15）的半圆缺口，若干个挡条（9）从左向右成对地固定设置在箱体（5）内底壁上，每对挡条（9）的间距与导光板（19）厚度相同；
挡条（9）为聚四氟乙烯方形长条，每对挡条（9）间隙的中心面与两侧支撑板（13）上对应圆形缺口的轴线在同一平面内；
支撑板（13）和压条（3）的装配高度与箱体（5）内高相同，顶盖（2）可将压条（3）和支撑板（13）压紧；
支撑板（13）为聚四氟乙烯板，支撑板（13）在厚度方向上有L形缺口，若干个紫外LED灯带位于L形缺口内，支撑板（13）在长度方向上水平开设有若干个半圆缺口，支撑板（13）缺口直径与套管（15）外径相同，相邻半圆缺口的圆心间距为4~6cm，紫外LED灯带（18）内的灯珠圆心与支撑板（13）半圆缺口的圆心在同一水平面上；
压条（3）为聚四氟乙烯条，压条（3）长度与支撑板（13）长度相同，压条（3）厚度与支撑板（13）顶部厚度相同，压条（3）下边缘在长度方向上开设有若干个半圆缺口，半圆缺口直径与套管（15）外径相同，相邻的半圆缺口圆心间距4~6cm。
6.根据权利要求1所述的一种内光源型插板式光催化水质净化器，其特征在于，包括顶盖（2）和螺栓（4），箱体（5）上表面开设一容纳槽，箱体（5）上部敞口边缘延伸设有法兰边，顶盖（2）通过若干个螺栓（4）固定连接法兰边，出水口开设顶盖（2）上；
箱体（5）为长方体形PVC材质，箱体（5）内侧表面涂覆了聚四氟乙烯耐蚀涂层，顶盖（2）下表面涂覆了聚四氟乙烯耐蚀涂层。
7.根据权利要求1所述的一种内光源型插板式光催化水质净化器，其特征在于，包括进水管（1）、两个流量控制阀门和出水管（8），进水口处密封连通进水管（1），出水口处密封连通出水管（8），进水管（1）和出水管（8）上均安装一个流量控制阀门。
8.根据权利要求2所述的一种内光源型插板式光催化水质净化器，其特征在于，侧光光纤（16）直径为1.5~2cm，导光板（19）采用亚克力激光打点型双面导光板，导光板（19）长度为箱体（5）内宽的3/4，导光板（19）厚度为侧光光纤（16）直径的3/4；
套管（15）为不锈钢管，套管（15）内径与侧光光纤（16）外径相同，套管（15）长度与侧光光纤（16）长度相同，夹板（17）为U型不锈钢板。
9.根据权利要求2所述的一种内光源型插板式光催化水质净化器，其特征在于，紫外LED灯带（18）采用12V整列式集成紫外LED灯带，波长范围为200nm~550nm，单颗LED灯珠功率为5~7W。
10.根据权利要求1所述的一种内光源型插板式光催化水质净化器，其特征在于，导光板（19）和纳米二氧化钛膜（20）之间还涂覆硅树脂层（21）。
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