CN113880316A - 一种利用生物膜淡化海水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海水淡化过程中生物脱盐方法,包括以下步骤:步骤一,向海水原水中投入净化剂,经过净化处理后,得到净化后的海水;步骤二,向净化后的海水中依次投入阻垢剂和还原剂,得到还原后的海水;步骤三,将还原后的海水依次经过第一除杂膜和第二除杂膜,得到除杂后的海水;步骤四,将除杂后的海水经过生物脱盐膜处理,得到脱盐后的海水;步骤五,将淡化后的海水经过灭菌处理,得到淡化后的海水。本发明公开了一种利用生物膜淡化海水的方法,包括依次将海水净化、还原、除杂、脱盐以及灭菌处理,最终能够得到符合要求的淡化后的海水。本发明的工艺简单且实用,整体过程设计合理,能够高效的使海水转化为能够被利用的淡水。

Description

一种利用生物膜淡化海水的方法
技术领域
本发明涉及海水淡化领域,具体涉及一种利用生物膜淡化海水的方法。
背景技术
我国淡水资源短缺,特别是北方沿海地区是我国缺水最严重的地区之一,海水淡化是解决我国沿海城市水资源短缺的必然趋势。目前,海水淡化技术常使用的为膜法,膜法是利用天然或人工合成的高分子薄膜,以外加能量或化学位差作为推动力,将海水中的盐和水分离开得到淡水,其优点是整个过程不发生相变,一般不需要加热,能耗低,启动和停机较简单,但是目前,使用膜法淡化得到的水含盐量仍然过高。
近年来,生物质基木材废弃物大量产出,但是其被再利用的部分只占小比例,我国作为一个农业大国,每年作为废弃物的农林生物质(包括秸秆和林业剩余物)占总量的69%,这不仅不利于环境的改善,还造成了极大的资源浪费;本发明基于此,将生物质废弃物经过处理后用于海水淡化脱盐,从而取得不错的效果。
发明内容
针对现有技术中通过膜法淡化得到的水含盐量仍然过高以及生物质废弃物的利用率低存在的问题,本发明提供了一种利用生物膜淡化海水的方法。
本发明的目的采用以下技术方案来实现:
一种海水淡化过程中生物脱盐方法,包括以下步骤:
步骤一,向海水原水中投入净化剂,经过净化处理后,得到净化后的海水;
步骤二,向净化后的海水中依次投入阻垢剂和还原剂,得到还原后的海水;
步骤三,将还原后的海水依次经过第一除杂膜和第二除杂膜,得到除杂后的海水;
步骤四,将除杂后的海水经过生物脱盐膜处理,得到脱盐后的海水;
步骤五,将淡化后的海水经过灭菌处理,得到淡化后的海水。
优选地,所述步骤一中,净化剂为液氯或次氯酸钠,净化剂投入后在海水原水中的浓度为5~10mg/L。
优选地,所述步骤一中,净化剂投放后在海水中搅拌均匀,再经过静置沉淀后取上清液即得到净化后的海水。
优选地,所述步骤二中,阻垢剂为磷酸三钠或六偏磷酸钠,阻垢剂投入后在净化后的海水中的浓度为10~15mg/L。
优选地,所述步骤二中,还原剂为亚硫酸钠,还原剂投入量是以保持净化后的海水中的余氯小于1ppm为准。
优选地,所述步骤三中,第一除杂膜为聚丙烯膜,孔径为5~10μm。
优选地,所述步骤三中,第二除杂膜为中空纤维微滤膜,孔径为800~1000nm。
优选地,所述步骤三中,除杂过程需要高压泵的加压,加压的过程中保证海水通过第一除杂膜的流量为1.2~1.6m3/h,通过第二除杂膜的流量为1~1.5m3/h。
优选地,所述步骤四中,生物脱盐膜是通过反渗透法对海水脱盐处理,通过高压泵和能量回收设备的加压使得海水透过生物脱盐膜的流量为0.8~1.2m3/h。
优选地,所述步骤四中,生物脱盐膜是由多孔聚合物基膜以及通过相转化法设置在多孔聚合物膜表面的改性聚醚砜膜组成。其中,多孔聚合物基膜的厚度为10~20μm,改性聚醚砜膜的厚度为5~10μm。
优选地,所述步骤五中,灭菌采用的方法为紫外线灭菌法。
优选地,所述生物脱盐膜的制备方法为:
称取聚醚砜与N,N-二甲基甲酰胺按照质量比为1:6~10混合溶解后,加入聚乙二醇,搅拌混合均匀后,加入生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料,再次混合均匀后,均匀地涂覆至聚合物膜的表面,然后浸入水中,除去N,N-二甲基甲酰胺和聚乙二醇后,,得到涂覆有改性聚醚砜膜的聚砜基膜,即生物脱盐膜;其中,聚乙二醇、生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料与聚醚砜的质量比为0.22~0.46:0.1~0.3:1。
优选地,所述多孔聚合物基膜的材质为聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺中的一种。
优选地,所述生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料的制备方法为:
S1.制备前处理液:
将生物炭、二硒化钽与N,N'-二甲基甲酰胺按照质量比为1:0.15~0.35:8~10混合,超声分散均匀,得到生物炭/二硒化钽混合液;将硝酸铝、对苯二甲酸与N,N'-二甲基甲酰胺按照质量比为3.4~3.8:1:8~10混合,超声分散均匀,得到有机框架前驱体液;
S2.制备二硒化钽/铝基有机框架材料:
将有机框架前驱体液与生物炭/二硒化钽混合液按照质量比为1:2~4混合均匀,倒入高压反应釜内,将高压反应釜置于230~250℃的条件下处理72~96h,自然冷却后,离心收集固体产物并使用乙醇洗涤至少三次,将洗涤后的固体产物减压干燥,得到生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料。
优选地,所述生物炭的制备方法为:
称取废弃的农林生物质清洗干净后,置于80~100℃烘箱中干燥处理,然后粉碎至粉末状,转至石墨炉内,在氮气的保护下升温至400~600℃,保温处理3~6h后,随炉冷却后,粉碎至钠米颗粒状,得到生物炭。
优选地,所述生物炭的粒径为200~500nm。
优选地,所述废弃的农林生物质包括秸秆、稻壳、木屑、树皮、玉米芯、果壳中的至少一种。
本发明的有益效果为:
本发明公开了一种利用生物膜淡化海水的方法,包括依次将海水净化、还原、除杂、脱盐以及灭菌处理,最终能够得到符合要求的淡化后的海水。本发明的工艺简单且实用,整体过程设计合理,能够高效的使海水转化为能够被利用的淡水。
本发明在除杂过程中使用了两种孔径以及材质的除杂膜,其中第一除杂膜为聚丙烯膜,孔径为5~10μm,保证在前期净化和还原未除去的大颗粒杂质被过滤掉,第二除杂膜为中空纤维微滤膜,孔径为800~1000nm,保证海水中的小颗粒杂质也能够得到进一步的净化,从而使得后续脱盐过程能够更加顺利。
本发明的脱盐过程使用的是生物脱盐膜,该生物脱盐膜包括两层,一层为多孔聚合物基膜,另一层为通过相转化法设置在多孔聚合物基膜表面的改性聚醚砜膜。多孔聚合物基膜是作为底材料使用,目的是方便改性聚醚砜膜的制备以及承托,起到一定的脱盐吸附作用;而改性聚醚砜膜是以聚醚砜和生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料复合得到,起到加强脱盐的作用,两者复合后形成的生物脱盐膜具有较好的脱盐效果。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明,对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解,现对本发明的技术方案进行以下详细说明,但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
下面结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种海水淡化过程中生物脱盐方法,包括以下步骤:
步骤一,向海水原水中投入液氯或次氯酸钠,投入后在海水原水中的浓度为8mg/L,在海水中搅拌均匀,再经过静置沉淀后,得到净化后的海水;
步骤二,向净化后的海水中先投入磷酸三钠,投入后在净化后的海水中的浓度为12mg/L,之后再投入亚硫酸钠,亚硫酸钠投入量是以保持净化后的海水中的余氯小于1ppm为准,得到还原后的海水;
步骤三,将还原后的海水依次经过孔径为8μm的聚丙烯膜和孔径为900nm的中空纤维微滤膜,除杂过程需要高压泵的加压,加压的过程中保证海水通过聚丙烯膜的流量为1.4m3/h,通过中空纤维微滤膜的流量为1.2m3/h,得到除杂后的海水;
步骤四,将除杂后的海水经过生物脱盐膜反渗透处理,通过高压泵和能量回收设备的加压使得海水透过生物脱盐膜的流量为1m3/h,得到脱盐后的海水;
步骤五,将淡化后的海水经过紫外线灭菌法处理,得到淡化后的海水。
上述步骤中,生物脱盐膜是由孔径为250nm的聚砜基膜以及通过相转化法设置在聚砜基膜表面的改性聚醚砜膜组成;其中,聚砜基膜的厚度为15μm,改性聚醚砜膜的厚度为8μm。
生物脱盐膜的制备方法为:
称取聚醚砜与N,N-二甲基甲酰胺按照质量比为1:8混合溶解后,加入聚乙二醇,搅拌混合均匀后,加入生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料,再次混合均匀后,均匀地涂覆至聚砜基膜的表面,然后浸入水中,除去N,N-二甲基甲酰胺和聚乙二醇后,减压干燥处理,得到涂覆有改性聚醚砜膜的聚砜基膜,即生物脱盐膜;其中,聚乙二醇、生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料与聚醚砜的质量比为0.35:0.2:1。
生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料的制备方法为:
S1.制备前处理液:
将生物炭、二硒化钽与N,N'-二甲基甲酰胺按照质量比为1:0.25:9混合,超声分散均匀,得到生物炭/二硒化钽混合液;将硝酸铝、对苯二甲酸与N,N'-二甲基甲酰胺按照质量比为3.6:1:9混合,超声分散均匀,得到有机框架前驱体液;
S2.制备二硒化钽/铝基有机框架材料:
将有机框架前驱体液与生物炭/二硒化钽混合液按照质量比为1:3混合均匀,倒入高压反应釜内,将高压反应釜置于240℃的条件下处理84h,自然冷却后,离心收集固体产物并使用乙醇洗涤至少三次,将洗涤后的固体产物减压干燥,得到生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料。
生物炭的制备方法为:
称取废弃的农林生物质清洗干净后,置于90℃烘箱中干燥处理,然后粉碎至粉末状,转至石墨炉内,在氮气的保护下升温至500℃,保温处理4h后,随炉冷却后,粉碎至钠米颗粒状,得到粒径为200~500nm生物炭;其中,废弃的农林生物质包括秸秆、稻壳、木屑、树皮、玉米芯、果壳中的至少一种。
实施例2
一种海水淡化过程中生物脱盐方法,包括以下步骤:
步骤一,向海水原水中投入液氯或次氯酸钠,投入后在海水原水中的浓度为5mg/L,在海水中搅拌均匀,再经过静置沉淀后,得到净化后的海水;
步骤二,向净化后的海水中先投入六偏磷酸钠,投入后在净化后的海水中的浓度为10mg/L,之后再投入亚硫酸钠,亚硫酸钠投入量是以保持净化后的海水中的余氯小于1ppm为准,得到还原后的海水;
步骤三,将还原后的海水依次经过孔径为5μm的聚丙烯膜和孔径为800nm的中空纤维微滤膜,除杂过程需要高压泵的加压,加压的过程中保证海水通过聚丙烯膜的流量为1.2m3/h,通过中空纤维微滤膜的流量为1m3/h,得到除杂后的海水;
步骤四,将除杂后的海水经过生物脱盐膜反渗透处理,通过高压泵和能量回收设备的加压使得海水透过生物脱盐膜的流量为0.8m3/h,得到脱盐后的海水;
步骤五,将淡化后的海水经过紫外线灭菌法处理,得到淡化后的海水。
上述步骤中,生物脱盐膜是由孔径为200nm的聚醚砜基膜以及通过相转化法设置在聚醚砜基膜表面的改性聚醚砜膜组成;其中,聚醚砜基膜的厚度为10μm,改性聚醚砜膜的厚度为5μm。
生物脱盐膜的制备方法为:
称取聚醚砜与N,N-二甲基甲酰胺按照质量比为1:6混合溶解后,加入聚乙二醇,搅拌混合均匀后,加入生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料,再次混合均匀后,均匀地涂覆至聚醚砜基膜的表面,然后浸入水中,除去N,N-二甲基甲酰胺和聚乙二醇后,减压干燥处理,得到涂覆有改性聚醚砜膜的聚醚砜基膜,即生物脱盐膜;其中,聚乙二醇、生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料与聚醚砜的质量比为0.22:0.1:1。
生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料的制备方法为:
S1.制备前处理液:
将生物炭、二硒化钽与N,N'-二甲基甲酰胺按照质量比为1:0.15:8混合,超声分散均匀,得到生物炭/二硒化钽混合液;将硝酸铝、对苯二甲酸与N,N'-二甲基甲酰胺按照质量比为3.4:1:8混合,超声分散均匀,得到有机框架前驱体液;
S2.制备二硒化钽/铝基有机框架材料:
将有机框架前驱体液与生物炭/二硒化钽混合液按照质量比为1:2混合均匀,倒入高压反应釜内,将高压反应釜置于230℃的条件下处理72h,自然冷却后,离心收集固体产物并使用乙醇洗涤至少三次,将洗涤后的固体产物减压干燥,得到生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料。
生物炭的制备方法为:
称取废弃的农林生物质清洗干净后,置于80℃烘箱中干燥处理,然后粉碎至粉末状,转至石墨炉内,在氮气的保护下升温至400℃,保温处理6h后,随炉冷却后,粉碎至钠米颗粒状,得到粒径为200~500nm生物炭;其中,废弃的农林生物质包括秸秆、稻壳、木屑、树皮、玉米芯、果壳中的至少一种。
实施例3
一种海水淡化过程中生物脱盐方法,包括以下步骤:
步骤一,向海水原水中投入液氯或次氯酸钠,投入后在海水原水中的浓度为10mg/L,在海水中搅拌均匀,再经过静置沉淀后,得到净化后的海水;
步骤二,向净化后的海水中先投入磷酸三钠,投入后在净化后的海水中的浓度为15mg/L,之后再投入亚硫酸钠,亚硫酸钠投入量是以保持净化后的海水中的余氯小于1ppm为准,得到还原后的海水;
步骤三,将还原后的海水依次经过孔径为10μm的聚丙烯膜和孔径为1000nm的中空纤维微滤膜,除杂过程需要高压泵的加压,加压的过程中保证海水通过聚丙烯膜的流量为1.6m3/h,通过中空纤维微滤膜的流量为1.5m3/h,得到除杂后的海水;
步骤四,将除杂后的海水经过生物脱盐膜反渗透处理,通过高压泵和能量回收设备的加压使得海水透过生物脱盐膜的流量为1.2m3/h,得到脱盐后的海水;
步骤五,将淡化后的海水经过紫外线灭菌法处理,得到淡化后的海水。
上述步骤中,生物脱盐膜是由孔径为300nm的聚酰亚胺基膜以及通过相转化法设置在聚酰亚胺基膜表面的改性聚醚砜膜组成;其中,聚酰亚胺基膜的厚度为20μm,改性聚醚砜膜的厚度为10μm。
生物脱盐膜的制备方法为:
称取聚醚砜与N,N-二甲基甲酰胺按照质量比为1:10混合溶解后,加入聚乙二醇,搅拌混合均匀后,加入生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料,再次混合均匀后,均匀地涂覆至聚酰亚胺基膜的表面,然后浸入水中,除去N,N-二甲基甲酰胺和聚乙二醇后,减压干燥处理,得到涂覆有改性聚醚砜膜的聚酰亚胺基膜,即生物脱盐膜;其中,聚乙二醇、生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料与聚醚砜的质量比为0.46:0.3:1。
生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料的制备方法为:
S1.制备前处理液:
将生物炭、二硒化钽与N,N'-二甲基甲酰胺按照质量比为1:0.35:10混合,超声分散均匀,得到生物炭/二硒化钽混合液;将硝酸铝、对苯二甲酸与N,N'-二甲基甲酰胺按照质量比为3.8:1:10混合,超声分散均匀,得到有机框架前驱体液;
S2.制备二硒化钽/铝基有机框架材料:
将有机框架前驱体液与生物炭/二硒化钽混合液按照质量比为1:4混合均匀,倒入高压反应釜内,将高压反应釜置于250℃的条件下处理96h,自然冷却后,离心收集固体产物并使用乙醇洗涤至少三次,将洗涤后的固体产物减压干燥,得到生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料。
生物炭的制备方法为:
称取废弃的农林生物质清洗干净后,置于100℃烘箱中干燥处理,然后粉碎至粉末状,转至石墨炉内,在氮气的保护下升温至600℃,保温处理6h后,随炉冷却后,粉碎至钠米颗粒状,得到粒径为200~500nm生物炭;其中,废弃的农林生物质包括秸秆、稻壳、木屑、树皮、玉米芯、果壳中的至少一种。
对比例1
一种海水淡化过程中生物脱盐方法,同实施例1,区别在于:
生物脱盐膜是由孔径为250nm的聚砜基膜以及通过相转化法设置在多孔聚合物膜表面的聚醚砜膜组成;其中,聚砜基膜的厚度为15μm,聚醚砜膜的厚度为8μm。
生物脱盐膜的制备方法为:
称取聚醚砜与N,N-二甲基甲酰胺按照质量比为1:8混合溶解后,加入聚乙二醇,搅拌混合均匀后,均匀地涂覆至聚砜基膜的表面,然后浸入水中,除去N,N-二甲基甲酰胺和聚乙二醇后,减压干燥处理,得到生物脱盐膜;其中,聚乙二醇与聚醚砜的质量比为0.35:0.2:1。
对比例2
一种海水淡化过程中生物脱盐方法,同实施例1,区别在于:
生物脱盐膜是由孔径为250nm的聚砜基膜以及通过相转化法设置在多孔聚合物膜表面的改性聚醚砜膜组成;其中,聚砜基膜的厚度为15μm,改性聚醚砜膜的厚度为8μm。
生物脱盐膜的制备方法为:
称取聚醚砜与N,N-二甲基甲酰胺按照质量比为1:8混合溶解后,加入聚乙二醇,搅拌混合均匀后,加入生物炭/铝基有机框架材料,再次混合均匀后,均匀地涂覆至聚砜基膜的表面,然后浸入水中,除去N,N-二甲基甲酰胺和聚乙二醇后,减压干燥处理,得到生物脱盐膜;其中,聚乙二醇、生物炭/铝基有机框架材料与聚醚砜的质量比为0.35:0.2:1。
生物炭/铝基有机框架材料的制备方法为:
S1.制备前处理液:
将生物炭与N,N'-二甲基甲酰胺按照质量比为1:0.25:9混合,超声分散均匀,得到生物炭混合液;将硝酸铝、对苯二甲酸与N,N'-二甲基甲酰胺按照质量比为3.6:1:9混合,超声分散均匀,得到有机框架前驱体液;
S2.制备二硒化钽/铝基有机框架材料:
将有机框架前驱体液与生物炭混合液按照质量比为1:3混合均匀,倒入高压反应釜内,将高压反应釜置于240℃的条件下处理84h,自然冷却后,离心收集固体产物并使用乙醇洗涤至少三次,将洗涤后的固体产物减压干燥,得到生物炭/铝基有机框架材料。
生物炭的制备方法为:
称取废弃的农林生物质清洗干净后,置于90℃烘箱中干燥处理,然后粉碎至粉末状,转至石墨炉内,在氮气的保护下升温至500℃,保温处理4h后,随炉冷却后,粉碎至钠米颗粒状,得到粒径为200~500nm生物炭;其中,废弃的农林生物质包括秸秆、稻壳、木屑、树皮、玉米芯、果壳中的至少一种。
为了更加清楚的说明本发明,按照本发明实施例1~3以及对比例1~2的方法对海水进行脱盐处理实验;原海水中溶解性总固体含量为31568mg/L;在常温下检测结果如下所示:
表1 溶解性总固体含量和脱盐率的检测
表1中,能够得到实施例1、实施例2与实施例3的方法均具有优异的脱盐率,且高于99%,而对比例2虽然也具有一定的脱盐率,但是脱盐效果不如实施例1~3
最后应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种海水淡化过程中生物脱盐方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一,向海水原水中投入净化剂,经过净化处理后,得到净化后的海水;
步骤二,向净化后的海水中依次投入阻垢剂和还原剂,得到还原后的海水;
步骤三,将还原后的海水依次经过第一除杂膜和第二除杂膜,得到除杂后的海水;
步骤四,将除杂后的海水经过生物脱盐膜处理,得到脱盐后的海水;
步骤五,将淡化后的海水经过灭菌处理,得到淡化后的海水;
所述步骤四中,生物脱盐膜是由多孔聚合物基膜以及通过相转化法设置在多孔聚合物膜表面的改性聚醚砜膜组成。
2.根据权利要求1所述的一种海水淡化过程中生物脱盐方法,其特征在于,所述步骤一中,净化剂为液氯或次氯酸钠,净化剂投入后在海水原水中的浓度为5~10mg/L。
3.根据权利要求1所述的一种海水淡化过程中生物脱盐方法,其特征在于,所述步骤一中,净化剂投放后在海水中搅拌均匀,再经过静置沉淀后取上清液即得到净化后的海水。
4.根据权利要求1所述的一种海水淡化过程中生物脱盐方法,其特征在于,所述步骤二中,阻垢剂为磷酸三钠或六偏磷酸钠,阻垢剂投入后在净化后的海水中的浓度为10~15mg/L。
5.根据权利要求1所述的一种海水淡化过程中生物脱盐方法,其特征在于,所述步骤二中,还原剂为亚硫酸钠,还原剂投入量是以保持净化后的海水中的余氯小于1ppm为准。
6.根据权利要求1所述的一种海水淡化过程中生物脱盐方法,其特征在于,所述步骤三中,第一除杂膜为聚丙烯膜,孔径为5~10μm;第二除杂膜为中空纤维微滤膜,孔径为800~1000nm。
7.根据权利要求1所述的一种海水淡化过程中生物脱盐方法,其特征在于,所述步骤三中,除杂过程需要高压泵的加压,加压的过程中保证海水通过第一除杂膜的流量为1.2~1.6m3/h,通过第二除杂膜的流量为1~1.5m3/h。
8.根据权利要求1所述的一种海水淡化过程中生物脱盐方法,其特征在于,所述步骤四中,生物脱盐膜是通过反渗透法对海水脱盐处理,通过高压泵和能量回收设备的加压使得海水透过生物脱盐膜的流量为0.8~1.2m3/h。
9.根据权利要求1所述的一种海水淡化过程中生物脱盐方法,其特征在于,所述生物脱盐膜的制备方法为:
称取聚醚砜与N,N-二甲基甲酰胺混合溶解后,加入聚乙二醇,搅拌混合均匀后,加入生物炭/二硒化钽/铝基有机框架材料,再次混合均匀后,均匀地涂覆至聚合物膜的表面,然后浸入水中,除去N,N-二甲基甲酰胺和聚乙二醇后,减压干燥处理,得到涂覆有改性聚醚砜膜的聚砜基膜,即生物脱盐膜。
10.根据权利要求1所述的一种海水淡化过程中生物脱盐方法,其特征在于,所述多孔聚合物基膜的材质为聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺中的一种。
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