CN114797955A - 一种负载有Pt-TiB2的分子筛催化剂及其在甲醇甲苯制对二甲苯中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石化领域,本发明公开了一种负载有Pt‑TiB2的分子筛催化剂及其在甲醇甲苯制对二甲苯中的应用。本发明催化剂以分子筛为载体,先利用化学合成法在载体表面负载纳米TiB2,经干燥煅烧后再采用浸渍法在载体表面和纳米TiB2中负载上纳米贵金属Pt,从而制得负载有Pt‑TiB2的分子筛催化剂。将该分子筛催化剂用于催化甲醇甲苯制对二甲苯时,Pt和TiB2之间存在强相互作用,可显著提高催化活性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及石化领域,尤其涉及一种负载有Pt-TiB2的分子筛催化剂及其在甲醇甲苯制对二甲苯中的应用。
背景技术
对二甲苯(PX)是聚酯产业的重要化工原料,主要用于制取对苯二甲酸(PTA),进一步和乙二醇(MEG)反应得到聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。受国内聚酯行业的巨大需求拉动,中国对二甲苯的需求量逐年扩大。目前对二甲苯的生产主要来源于石油路线。工业上生产对二甲苯的技术主要有甲苯歧化与烷基转移技术、混合二甲苯异构化技术以及重芳烃脱烷基技术等。受热力学平衡浓度的限制,上述工艺得到的C8芳烃均是对二甲苯浓度较低的热力学平衡产物。这些低产能芳烃装置将会使对二甲苯生产成本在未来的市场竞争中面临非常残酷的成本压力,因此开发更具优势的对二甲苯生产技术对提升芳烃装置的市场竞争力具有重要意义。
甲苯甲醇烷基化技术是一条生产对二甲苯的新型工艺路线。甲苯与甲醇发生烷基化反应并选择性地生成对二甲苯,而苯及其他C8、C9等副产物的含量非常低。与甲苯歧化反应相比,甲苯甲醇烷基化反应具有更高的甲苯利用率。另外,甲苯甲醇烷基化的二甲苯产物中对二甲苯含量很高,可以通过简单的结晶分离得到对二甲苯产品,相比吸附分离技术和传统的深冷结晶技术可大幅降低物耗和能耗。虽然甲苯甲醇选择性烷基化制对二甲苯在实验室规模得到了广泛研究,但其工业化生产还具有一定的技术困难,包括适用的催化剂改性制备技术开发,催化剂的寿命等都是该技术需要克服的难点。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种负载有Pt-TiB2的分子筛催化剂及其在甲醇甲苯制对二甲苯中的应用。本发明分子筛催化剂包括分子筛以及负载于分子筛表层的Pt和TiB2,将该分子筛催化剂用于催化甲醇甲苯制对二甲苯时,Pt和TiB2之间存在强相互作用,可显著提高催化活性和稳定性。
本发明的具体技术方案为:
第一方面,本发明提供了一种负载有Pt-TiB2的分子筛催化剂,包括分子筛、负载于所述分子筛表层的纳米TiB2、负载于所述分子筛表层和所述纳米TiB2中的纳米Pt。
本发明的分子筛催化剂中是以分子筛为载体,在其表层通过化学方法负载上贵金属Pt和硼化钛。其中,硼化钛是一种具有二维层状结构的过渡金属硼化物,硼原子的类石墨层状结构以及钛原子的外层电子构造决定了TiB2具有良好的导电性。B-与Ti2+由于静电作用的存在,形成了离子键。所以形成的二硼化物中既有共价键存在,又有离子键存在,其中共价键包括B-B键以及一个离域大π键,而硼原子与钛原子之间以离子键连接。TiB2中硼原子之间为sp2杂化形式,杂化形成的大π键中电子能够在表面发生迁移,因此TiB2具有良好的导电性、导热性和供电子能力。硼原子面和钛原子面之间存在的Ti-B离子键以及B-B共价键,使得TiB2随着催化反应的进行不会因为结构遭到破坏而失活。与此同时,硼化钛层状结构中层与层之间不太容易发生滑移,这是因为硼化钛中钛原子的d轨道与硼原子的p轨道发生杂化,使得层与层之间具有一定的共价性,从而使得其层状结构相对于传统的层状材料而言更稳定。
本发明团队通过研究发现,本发明分子筛催化剂对于甲醇甲苯制对二甲苯具有出色的催化效果。具体表现为:①在分子筛上负载纳米Pt,一方面可以促进临氢反应中氢气的反应活性,减少重芳烃等副产物的生成,并有利于去除催化剂上的积碳等;另一方面还可以促进甲醇和水蒸气反应产生氢气,从而提高氢气的浓度,进一步利于临氢反应的进行。②并且我们还发现,当用于催化甲醇甲苯制对二甲苯时,Pt纳米粒子和纳米TiB2之间还存在强相互作用,对催化剂的活性和催化性能有很大的影响。具体地:当Pt负载于TiB2中之后,TiB2会将部分电荷传递给Pt,从而改变Pt的价态,影响Pt气体吸附的能力,并能影响所吸附气体碳氢键的电子云密度,提高其反应活性,使得催化剂具有较好的催化活性。而且这种强相互作用还能有效抑制Pt纳米粒子的团聚,大大提高催化剂的使用寿命。综上,Pt和TiB2之间的强相互作用可导Pt-TiB2间界面电荷转移、金属结构改变、分子吸附调变等现象;经实验验证,催化剂中该效应可显著提高甲苯甲醇制对二甲苯反应的催化活性和稳定性。
作为优选,所述分子筛为硅铝质量比为130-170∶1的HZSM-5分子筛。
作为优选,所述分子筛催化剂的制备方法包括以下步骤:
A)将钛酸异丙酯溶解于无水乙醇中稀释混合制得溶液A。
B)将B4C分散于无水乙醇中制得分散液B。
C)将异丙醇用水稀释制得溶液C。
D)在搅拌条件下将分子筛和溶液A添加至溶液C中,继续搅拌,反应生成TiO2溶胶;然后加入分散液B,将所得混合液加热搅拌进行水热反应生成TiB2凝胶,反应完成后过滤,烘干;将所得产物在惰性气氛中煅烧,制得表面含有TiB2的改性分子筛。
E)将所述改性分子筛浸渍于含铂化合物水溶液中,浸渍后干燥,然后升温锻烧,再在保温条件下先后用氩气、氢气吹扫,最后在氩气保护下加热锻烧,制得负载有Pt-TiB2的分子筛催化剂。
在上述制备方法中,本发明分子筛和溶液A加到溶液C中,钛酸异丙酯与水会缓慢发生化学反应,在溶液中形成TiO2溶胶,而且TiO2溶胶在搅拌和后续的转动合成中会逐渐吸附并粘附于分子筛载体上,待含有B4C的分散液B加入后通过水热合成,TiO2溶胶与B4C反应生成TiB2凝胶,再经过滤、干燥和煅烧从而将纳米TiB2粉体负载在分子筛载体上。此后,再采用浸渍法将贵金属Pt以盐或氧化物的形式负载在改性分子筛载体上,此时部分贵金属Pt会直接负载在分子筛载体上,部分则会负载在纳米TiB2粉体上。在经过干燥、还原、煅烧后,负载在纳米TiB2粉体上的贵金属Pt与TiB2形成具有强交互作用的Pt/TiB2结构。
作为优选,步骤A)中,所述钛酸异丙酯和无水乙醇的质量比为400-450∶1200。
作为优选,步骤B)中,所述B4C和无水乙醇的质量比为100-150∶600。
作为优选,步骤C)中,所述异丙醇和水的质量比为20000∶150-200。
作为优选,步骤D)具体包括:在搅拌条件下将200-300重量份的分子筛和1600-1650重量份的溶液A添加至20150-20200重量份的溶液C中,继续搅拌,反应生成TiO2溶胶;然后加入1600-1650重量份的分散液B,将所得混合液转移至反应釜中,在65-75℃、5-15rpm条件下进行水热反应4-5h,生成TiB2溶胶凝胶;反应完成后过滤,烘干;将所得产物在氩气气氛中煅烧,制得表面含有TiB2的改性分子筛。
进一步地,步骤D)中:将分子筛载体和溶液A添加至溶液C中后继续搅拌2-4h;烘干温度为140-160℃;煅烧温度为600-650℃,煅烧时间为1-3h。
作为优选,步骤E)具体包括:将500-1000重量份的改性分子筛于500-1000重量份含铂量为0.003-0.007g/mL的含铂化合物水溶液中浸渍处理,干燥后升温锻烧,再在保温条件下先用氩气吹扫,再用氢气吹扫,最后在氩气保护下加热锻烧,制得负载有Pt-TiB2的分子筛催化剂。
进一步地,步骤E)中:所述含铂化合物为氯铂酸;浸渍时间为20-24h;干燥温度为120-140℃,干燥时间为4-5h;首次煅烧温度为400-450℃,锻烧时间为2-3h;氩气吹扫时间为0.5-1h,氢气吹扫时间为1-2h;第二次煅烧温度为600-650℃,锻烧时间为3-4h。
第二方面,本发明提供了上述分子筛催化剂在甲醇甲苯制对二甲苯中的应用。
作为优选,甲醇甲苯制对二甲苯的制备方法为:在固定床反应器中装填所述分子筛催化剂,以水蒸气和氢气为载气,以甲醇和甲苯为原料加热进行反应;反应条件为460-480℃,0.1-0.3MPa,甲醇/甲苯摩尔比为0.75-0.90∶1,甲苯质量空速为0.8-1.2h-1,水/甲苯摩尔比为1.5-2.5∶1,氢/甲苯摩尔比为1.5-2.5∶1。
与现有技术相比,本发明具有以下技术效果:
(1)本发明分子筛催化剂包括分子筛以及负载于分子筛表层的Pt和TiB2,将该分子筛催化剂用于催化甲醇甲苯制对二甲苯时,Pt和TiB2之间存在强相互作用,可显著提高催化活性和稳定性。
(2)在本发明催化剂的制备方法中,先将分子筛和溶液A加到溶液C中,钛酸异丙酯与水反应形成TiO2溶胶,其在搅拌和后续的转动合成中会逐渐吸附并粘附于分子筛上,待含有B4C的分散液B加入后通过水热合成,TiO2溶胶与B4C反应生成TiB2凝胶,再经煅烧将TiB2负载在分子筛上。此后,采用浸渍法将含Pt化合物负载在改性分子筛上,此时部分Pt直接负载在分子筛上,部分负载在纳米TiB2粉体上,经过还原、煅烧后,负载在纳米TiB2粉体上的Pt与TiB2形成具有强交互作用的Pt/TiB2结构。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
总实施例
一种负载有Pt-TiB2的分子筛催化剂,包括分子筛(优选硅铝质量比为130-170∶1的HZSM-5分子筛)、负载于所述分子筛表层的纳米TiB2、负载于所述分子筛表层和所述纳米TiB2中的纳米Pt。
该分子筛催化剂的制备方法包括以下步骤:
A)将400-450重量份的钛酸异丙酯溶解于1200重量份的无水乙醇中稀释混合制得溶液A。
B)将100-150重量份的B4C分散于600重量份的无水乙醇中制得分散液B。
C)将20000重量份的异丙醇用150-200重量份的水稀释制得溶液C。
D)在搅拌条件下将200-300重量份的分子筛载体和溶液A添加至溶液C中,继续搅拌2-4h,反应生成TiO2溶胶;然后加入分散液B,将所得混合液转移至反应釜中,在65-75℃、5-15rpm条件下进行水热反应4-5h,生成TiB2凝胶;反应完成后过滤,140-160℃烘干;将所得产物在600-650℃的氩气气氛中煅烧1-3h,制得表面含有TiB2的改性分子筛。
E)将500-1000重量份的上述改性分子筛浸渍于500-1000重量份含铂量为0.003-0.007g/mL的含铂化合物(优选氯铂酸)水溶液中,浸渍20-24h后120-140℃干燥4-5h,然后升温至400-450℃锻烧2-3h,再在保温条件下先用氩气吹扫0.5-1h,再用氢气吹扫1-2h,最后在氩气保护下加热至600-650℃锻烧3-4h,制得负载有Pt-TiB2的分子筛催化剂。
一种甲醇甲苯制对二甲苯的制备方法:在固定床反应器中装填分子筛催化剂,以水蒸气和氢气为载气,以甲醇和甲苯为原料加热进行反应;反应条件为460-480℃,0.1-0.3MPa,甲醇/甲苯摩尔比为0.75-0.90∶1,甲苯质量空速为0.8-1.2h-1,水/甲苯摩尔比为1.5-2.5∶1,氢/甲苯摩尔比为1.5-2.5∶1。
实施例1
A)将430g的钛酸异丙酯溶解于1200g的无水乙醇中稀释混合制得溶液A。
B)将130g的B4C分散于600g的无水乙醇中制得分散液B。
C)将20000g的异丙醇用180g的水稀释制得溶液C。
D)在搅拌条件下将250g硅铝质量比为150∶1的HZSM-5分子筛和溶液A添加至溶液C中,继续搅拌3h,反应生成TiO2溶胶;然后加入分散液B,将所得混合液转移至反应釜中,在70℃、10rpm条件下进行水热反应4.5h,生成TiB2凝胶;反应完成后过滤,150℃烘干;将所得产物转移至石墨坩埚中,在630℃的氩气气氛中煅烧2h,制得表面含有TiB2的改性分子筛。
E)将800g的上述改性分子筛浸渍于800g含铂量为0.005g/mL的氯铂酸水溶液中,浸渍22h后130℃干燥4.5h,然后升温至430℃锻烧2.5h,再在保温条件下先用氩气吹扫0.8h,再用氢气吹扫1.5h,最后在氩气保护下加热至630℃锻烧3.5h,制得负载有Pt-TiB2的分子筛催化剂。
实施例2
A)将400的钛酸异丙酯溶解于1200g的无水乙醇中稀释混合制得溶液A。
B)将100的B4C分散于600g的无水乙醇中制得分散液B。
C)将20000g的异丙醇用200g的水稀释制得溶液C。
D)在搅拌条件下将300g硅铝质量比为150∶1的HZSM-5分子筛和溶液A添加至溶液C中,继续搅拌2h,反应生成TiO2溶胶;然后加入分散液B,将所得混合液转移至反应釜中,在65℃、5rpm条件下进行水热反应4h,生成TiB2凝胶;反应完成后过滤,140℃烘干;将所得产物转移至石墨坩埚中,在600℃的氩气气氛中煅烧1h,制得表面含有TiB2的改性分子筛。
E)将1000g的上述改性分子筛浸渍于500g含铂量为0.003g/mL的氯铂酸水溶液中,浸渍20后120℃干燥4h,然后升温至400℃锻烧2h,再在保温条件下先用氩气吹扫0.5h,再用氢气吹扫1h,最后在氩气保护下加热至600℃锻烧3h,制得负载有Pt-TiB2的分子筛催化剂。
实施例3
A)将450g的钛酸异丙酯溶解于1200g的无水乙醇中稀释混合制得溶液A。
B)将150g的B4C分散于600g的无水乙醇中制得分散液B。
C)将20000g的异丙醇用150g的水稀释制得溶液C。
D)在搅拌条件下将200g硅铝质量比为150∶1的HZSM-5分子筛和溶液A添加至溶液C中,继续搅拌4h,反应生成TiO2溶胶;然后加入分散液B,将所得混合液转移至反应釜中,在75℃、15rpm条件下进行水热反应5h,生成TiB2凝胶;反应完成后过滤,160℃烘干;将所得产物转移至石墨坩埚中,在650℃的氩气气氛中煅烧3h,制得表面含有TiB2的改性分子筛。
E)将500g的上述改性分子筛浸渍于1000g含铂量为0.007g/mL的氯铂酸水溶液中,浸渍24h后140℃干燥5h,然后升温至450℃锻烧3h,再在保温条件下先用氩气吹扫1h,再用氢气吹扫2h,最后在氩气保护下加热至650℃锻烧4h,制得负载有Pt-TiB2的分子筛催化剂。
实施例4
A)将450g的钛酸异丙酯溶解于1200g的无水乙醇中稀释混合制得溶液A。
B)将150g的B4C分散于600g的无水乙醇中制得分散液B。
C)将20000g的异丙醇用150g的水稀释制得溶液C。
D)在搅拌条件下将300g硅铝质量比为150∶1的HZSM-5分子筛和溶液A添加至溶液C中,继续搅拌4h,反应生成TiO2溶胶;然后加入分散液B,将所得混合液转移至反应釜中,在75℃、15rpm条件下进行水热反应5h,生成TiB2凝胶;反应完成后过滤,160℃烘干;将所得产物转移至石墨坩埚中,在650℃的氩气气氛中煅烧3h,制得表面含有TiB2的改性分子筛。
E)将1000g的上述改性分子筛浸渍于1000g含铂量为0.007g/mL的氯铂酸水溶液中,浸渍24h后140℃干燥5h,然后升温至450℃锻烧3h,再在保温条件下先用氩气吹扫1h,再用氢气吹扫2h,最后在氩气保护下加热至650℃锻烧4h,制得负载有Pt-TiB2的分子筛催化剂。
对比例1
A)将800g硅铝质量比为150∶1的HZSM-5分子筛150℃烘干后转移至石墨坩埚中,在630℃的氩气气氛中煅烧2h,再浸渍于800g含铂量为0.005g/mL的氯铂酸水溶液中,浸渍22h后130℃干燥4.5h,然后升温至430℃锻烧2.5h,再在保温条件下先用氩气吹扫0.8h,再用氢气吹扫1.5h,最后在氩气保护下加热至630℃锻烧3.5h,制得负载有Pt的分子筛催化剂。
对比例2
A)将430g的钛酸异丙酯溶解于1200g的无水乙醇中稀释混合制得溶液A。
B)将130g的B4C分散于600g的无水乙醇中制得分散液B。
C)将20000g的异丙醇用180g的水稀释制得溶液C。
D)在搅拌条件下将250g硅铝质量比为150∶1的HZSM-5分子筛和溶液A添加至溶液C中,继续搅拌3h,反应生成TiO2溶胶;然后加入分散液B,将所得混合液转移至反应釜中,在70℃、10rpm条件下进行水热反应4.5h,生成TiB2凝胶;反应完成后过滤,150℃烘干;将所得产物转移至石墨坩埚中,在630℃的氩气气氛中煅烧2h,制得表面含有TiB2的改性分子筛。
E)将800g的上述改性分子筛130℃干燥4.5h,然后升温至430℃锻烧2.5h,再在保温条件下先用氩气吹扫0.8h,再用氢气吹扫1.5h,最后在氩气保护下加热至630℃锻烧3.5h,制得负载有TiB2的分子筛催化剂。
应用例
将上述各实施例和对比例制得的分子筛催化剂用于催化甲醇甲苯制对二甲苯试验,具体方法为:反应器为六段固定床,催化剂分段装填,总填装量为600g;以水蒸气和氢气为载气,以甲醇和甲苯为原料加热进行反应;反应条件为470℃,0.2MPa,甲醇/甲苯摩尔比为0.80∶1,甲苯质量空速为1.0h-1,水/甲苯摩尔比为2∶1,氢/甲苯摩尔比为2∶1。反应结束后对产物进行检测,采用安捷伦GC6890N型气相色谱仪分析油相产物,配有HP-INNOWAX毛细管柱(60m×0.32mm×0.5μm)和FID检测器。
nt是产物中甲苯物质的量,mol,na是反应物中甲苯物质的量,mol;
nx是产物中二甲苯的摩尔量,mol;
npx是产物中对二甲苯的摩尔量,mol。
上述结果数据是对各实施例和对比例在体系稳定反应10h和500h后,根据所采样的反应产物分别进行分析,并计算它们的Ct、Sx和Spx值。根据这些结构数据可以看出,4个实施例所测得的Ct、Sx和Spx值均相对较高,说明依据本技术方案制备的催化剂在甲醇甲苯制对二甲苯的反应中具有较大的反应活性和反应选择性,并且经过长时间反应后,催化剂的活性等依据相当稳定。而以对比例来说,因为对比例1中分子筛表面未负载TiB2粉末,对比例2中负载有硅胶的分子筛表面未浸渍Pt盐溶液,它们制备的催化剂中没有Pt和TiB2之间的强相互作用,所以导致催化剂的活性和稳定性不高,尤其是对甲苯转化率的反应活性和稳定性具有较大的影响。
本发明中所用原料、设备,若无特别说明,均为本领域的常用原料、设备;本发明中所用方法,若无特别说明,均为本领域的常规方法。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换,均仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种负载有Pt-TiB2的分子筛催化剂,其特征在于:包括分子筛、负载于所述分子筛表层的纳米TiB2、负载于所述分子筛表层和所述纳米TiB2中的纳米Pt。
2.如权利要求1所述的分子筛催化剂,其特征在于:所述分子筛为硅铝质量比为130-170:1的HZSM-5分子筛。
3.如权利要求1或2所述的分子筛催化剂,其特征在于:制备方法包括以下步骤:
A)将钛酸异丙酯溶解于无水乙醇中稀释混合制得溶液A;
B)将B4C分散于无水乙醇中制得分散液B;
C)将异丙醇用水稀释制得溶液C;
D)在搅拌条件下将分子筛和溶液A添加至溶液C中,继续搅拌,反应生成TiO2溶胶;然后加入分散液B,将所得混合液加热搅拌进行水热反应生成TiB2凝胶,反应完成后过滤,烘干;将所得产物在惰性气氛中煅烧,制得表面含有TiB2的改性分子筛;
E)将所述改性分子筛浸渍于含铂化合物水溶液中,浸渍后干燥,然后升温锻烧,再在保温条件下先后用氩气、氢气吹扫,最后在氩气保护下加热锻烧,制得负载有Pt-TiB2的分子筛催化剂。
4.如权利要求3所述的分子筛催化剂,其特征在于:
步骤A)中,所述钛酸异丙酯和无水乙醇的质量比为400-450:1200;
步骤B)中,所述B4C和无水乙醇的质量比为100-150:600;
步骤C)中,所述异丙醇和水的质量比为20000: 150-200。
5.如权利要求4所述的分子筛催化剂,其特征在于:步骤D)具体包括:在搅拌条件下将200-300重量份的分子筛和1600-1650重量份的溶液A添加至20150-20200重量份的溶液C中,继续搅拌,反应生成TiO2溶胶;然后加入1600-1650重量份的分散液B,将所得混合液转移至反应釜中,在65-75℃、5-15rpm条件下进行水热反应4-5h,生成TiB2溶胶凝胶;反应完成后过滤,烘干;将所得产物在氩气气氛中煅烧,制得表面含有TiB2的改性分子筛。
6.如权利要求5所述的分子筛催化剂,其特征在于:步骤D)中:
将分子筛载体和溶液A添加至溶液C中后继续搅拌2-4h;
烘干温度为140-160℃;
煅烧温度为600-650℃,煅烧时间为1-3h。
7.如权利要求3或4或5或6所述的分子筛催化剂,其特征在于:步骤E)具体包括:将500-1000重量份的改性分子筛于500-1000重量份含铂量为0.003-0.007g/mL的含铂化合物水溶液中浸渍处理,干燥后升温锻烧,再在保温条件下先用氩气吹扫,再用氢气吹扫,最后在氩气保护下加热锻烧,制得负载有Pt-TiB2的分子筛催化剂。
8.如权利要求3所述的分子筛催化剂,其特征在于:步骤E)中:
所述含铂化合物为氯铂酸;
浸渍时间为20-24h;干燥温度为120-140℃,干燥时间为4-5h;
首次煅烧温度为400-450℃,锻烧时间为2-3h;
氩气吹扫时间为0.5-1h,氢气吹扫时间为1-2h;
第二次煅烧温度为600-650℃,锻烧时间为3-4h。
9.如权利要求1-8之一所述分子筛催化剂在甲醇甲苯制对二甲苯中的应用。
10.如权利要求9所述的应用,其特征在于:在固定床反应器中装填所述分子筛催化剂,以水蒸气和氢气为载气,以甲醇和甲苯为原料加热进行反应;反应条件为460-480℃,0.1-0.3MPa,甲醇/甲苯摩尔比为0.75-0.90:1,甲苯质量空速为0.8-1.2h-1,水/甲苯摩尔比为1.5-2.5:1,氢/甲苯摩尔比为1.5-2.5:1。
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