CN116178648A - 一种含冠醚二维共价有机框架材料的制备方法及其在锶离子吸附分离中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种含冠醚二维共价有机框架材料的制备方法及其在锶离子吸附分离中的应用,制备方法包括:1)将含冠醚的前驱体通过有机合成反应制备得到冠醚醛基化单体;2)利用溶剂热的方式合成含冠醚的共价有机框架材料:将18‑冠醚‑6功能基团引入了共价有机框架材料的结构中用于锶离子的吸附分离工作;共价有机框架材料是以共价键连接的、由轻质元素组成的具有高结晶性、高比表面积、良好热稳定性的框架材料,18‑冠醚‑6与锶离子有大小相当的空腔尺寸,将十八冠六醚引入至COF骨架,所制备的材料具有良好的锶吸附能力,吸附容量可以达到26mg/g,且在多种竞争离子的存在下,对锶依然有良好的选择性吸附能力。
Description
技术领域
本发明涉及材料制备领域,特别涉及一种含冠醚二维共价有机框架材料的制备方法及其在锶离子吸附分离中的应用。
背景技术
90Sr是在核燃料及乏燃料后处理方面最受关注的核素之一,半衰期为29年,具有持续的放射危害性。放射性锶由于与钙离子等物理化学性质相似而易进入人体内,并在骨骼中积累,从而增加患癌、患白血病的风险。
目前,针对放射性核素锶的处理方法主要有化学沉淀法、溶剂萃取法和吸附法。化学沉淀法(Tan,S.-H.,et al,Hydrothermal removal of Sr2+in aqueous solution viaformation of Sr-substituted hydroxyapatite.J Hazard Mater 2010,179(1),559-563.)是基于溶度积的原理,使用沉淀剂,如磷酸盐、杂多酸、多卤化物等,使放射性元素形成难溶盐,从而达到分离去除的目的。此方法适用于对离子浓度较高的体系,然而,在放射性废水中,大多数核素的浓度很低,因此该方法的去除效率并不高。溶剂萃取法主要是利用冠醚及其衍生物(Sharma,J.N.,et al,Separation of strontium-90from a highlysaline high level liquid waste solution using4,4′(5′)-[di-tert-butyldicyclohexano]-18-crown-6+isodecyl alcohol/n-dodecane solvent.Separationand Purification Technology 2019,229,115502)等将离子分离,这种方式是液液萃取的方式,需要使用大量的有机溶剂,冠醚组分在使用过程中也会有较大的损失,这限制了其在实际工业中的应用。吸附法是目前最受关注的主流方法,吸附剂来源广泛,包括有机树脂、无机离子交换剂、生物吸附剂等,操作简便、成本低廉。因此,开发制备用于吸附锶离子的新型吸附剂成为研究的关键。
发明内容
本发明目的在于提供了一种含冠醚二维共价有机框架材料的制备方法及其在锶离子吸附分离中的应用,所制备的材料具有高水平的锶吸附容量及选择性。
本发明通过以下技术方案来实现:
一种含冠醚二维共价有机框架材料的制备方法,包括以下步骤:
1)将含冠醚的前驱体通过有机合成反应制备得到冠醚醛基化单体;
2)利用溶剂热的方式合成含冠醚的共价有机框架材料:
将100-200mg的所述冠醚醛基单体与90-180mg的四(4-氨基联苯基)乙烯加入到10mL长颈玻璃管中,接着加入3-4mL的溶剂超声均匀后加入400-500微升浓度为6-9M的乙酸催化剂,将混合物陈化放置1.5-2.0小时后冻抽三次使真空度降至100Pa以下然后使用喷枪火焰封管,在90-120℃下反应48-72h,反应结束后离心收集固体产物,使用石油醚浸泡材料24-48h,70-80℃真空干燥得到含冠醚共价有机框架材料。
进一步,所述步骤1)包括:
1.1)取0.5g-1g的二苯并-18-冠醚-6和0.2-0.4mL液溴,先后加入20-30mL乙酸中,在室温下缓慢搅拌过夜,反应完毕后,将得到的固液混合物用碱性水溶液搅拌清洗以猝灭未反应完全的溴,搅拌至固液混合物的颜色恰好由红棕色变为无色,抽滤后萃取,旋蒸后得到白色固体;
1.2)取1-2g的所述白色固体、2-3g的4-甲酰基苯硼酸频哪醇酯、100-200mg的四三苯基膦钯及10-20mL的2M的碳酸盐溶液加入烧瓶中,最后加入60-90mL四氢呋喃和甲苯的混合溶液为溶剂,在氮气氛围中于80℃回流反应72h,得到黄褐色液体粗产物,冷却至室温后,使用硅藻土过滤粗产物,并选用合适的溶剂进行重结晶操作,得到的白色固体产物即为含冠醚的醛基单体。
进一步,所述步骤1.1)中的乙酸为浓度为17.5M的冰乙酸。
进一步,所述步骤1.1)中的碱性水溶液采用浓度为2M的碳酸钠、碳酸钾、硫代硫酸钠或氢氧化钠水溶液。
进一步,所述步骤1.1)中采用的萃取溶剂为二氯甲烷或者三氯甲烷。
进一步,所述步骤1.2)碳酸盐为碳酸钠、碳酸钾或碳酸铯。
进一步,所述步骤1.2)中四氢呋喃和甲苯的混合溶剂由体积比为(1~2):1的四氢呋喃和甲苯组成。
进一步,所述步骤2)中的溶剂为体积比为(1~4):1的邻二甲苯和乙腈的混合溶剂。
含冠醚二维共价有机框架材料在锶离子吸附分离中的应用。
本发明将18-冠醚-6功能基团引入了共价有机框架材料的结构中用于锶离子的吸附分离工作。共价有机框架材料是以共价键连接的、由轻质元素组成的具有高结晶性、高比表面积、良好热稳定性的框架材料,18-冠醚-6与锶离子有大小相当的空腔尺寸,将十八冠六醚引入至COF骨架,所制备的材料具有良好的锶吸附能力,吸附容量可以达到26mg/g,且在多种竞争离子的存在下,对锶依然有良好的选择性吸附能力。
附图说明
图1为本发明实施例1的含冠醚二维共价有机框架材料ETTBA-COF的红外谱图;
图2为本发明实施例1的含冠醚二维共价有机框架材料ETTBA-COF的粉末X射线衍射图谱;
图3为本发明实施例1的含冠醚二维共价有机框架材料ETTBA-COF的扫描电镜图,比例尺分别为1微米和500纳米;
图4为本发明实施例1的含冠醚二维共价有机框架材料ETTBA-COF对锶离子的吸附等温线图;
图5为本发明实施例1的含冠醚二维共价有机框架材料ETTBA-COF对锶离子的吸附选择性图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1:
1)制备含冠醚的醛基化单体
1.1)取0.5g的二苯并-18-冠醚-6和0.2mL液溴,先后加入20mL的17.5M的冰乙酸中,在室温下缓慢搅拌过夜,反应完毕后,将得到的固液混合物用2M的碳酸钠水溶液搅拌清洗以猝灭未反应完全的溴,搅拌至固液混合物的颜色恰好由红棕色变为无色,抽滤后用二氯甲烷进行萃取,旋蒸后得到白色固体;
1.2)取1g的所述白色固体、2.1g的4-甲酰基苯硼酸频哪醇酯、120mg的四三苯基膦钯及10mL的2M的碳酸钠溶液加入烧瓶中,再加入60mL按体积比为2:1的四氢呋喃和甲苯的混合溶液为溶剂,在氮气氛围中于80℃回流反应72h,得到黄褐色液体粗产物,冷却至室温后,使用硅藻土过滤粗产物,得到黄褐色液体粗产物,冷却至室温后,使用硅藻土过滤粗产物,并使用四氢呋喃为良溶剂、石油醚为不良溶剂进行重结晶操作,得到的白色固体产物即为含冠醚的醛基单体。
2)利用溶剂热的方式合成含冠醚的二维共价有机框架材料:将112mg的所述冠醚醛基单体与96.4mg的四(4-氨基联苯基)乙烯加入到10mL长颈玻璃管中,然后加入体积比为8:2的4mL的邻二甲苯和乙腈混合溶剂,超声均匀后加入400微升浓度为6M的乙酸催化剂,将混合物陈化放置1.5小时后冻抽三次使真空度降至50pa,使用喷枪火焰封管,在120℃反应72h,反应结束后离心收集固体产物,使用石油醚浸泡材料48h,70℃真空干燥得到含冠醚二维共价有机框架材料。
采用傅里叶变换红外光谱仪、粉末X射线衍射仪、扫描电子显微镜对材料进行表征。图1为本实施例所制备的共价有机框架材料的红外光谱图,从图中可以看到在1622cm-1处出现了C=N的伸缩振动峰,说明两种单体成功地发生聚合反应并生成了新键。图2为本实施例所制备的材料的PXRD图谱,可以看到在2.6°,4.8°和5.4°出现尖锐的衍射峰,分别对应于材料的(001)(002)及(101)晶面,在6.9°出现较弱的衍射峰,对应于材料的(102)晶面,说明制备出的框架材料具有良好的结晶性。图3为本实施例所制备的材料的SEM图,从图中可以看出呈现出规则的微观结构,为细小的条状,长度约为10-15nm,宽度约为5nm。
采用本实施例制备的含冠醚二维共价有机材料为吸附剂对吸附锶离子的性能进行测试,测试在不同锶初始浓度(10-400mg/L)下材料对锶离子的饱和吸附容量及Zn2+、Co2 +、Ni2+、Tm3+、Tb3+、Sm3+、Y3+、La3+、Ce3+共存离子下对锶的吸附选择性。对于锶的吸附等温实验,具体实验步骤为将40mg制备的吸附剂材料加入盛有100mL的10-400mg/LSr(NO)3水溶液的20mL玻璃瓶中,在搅拌台上持续搅拌。在吸附平衡时,将一定量(约0.5mL)的混合物用一次性注射器移出,并通过0.2微米水相针式过滤器过滤。随后,稀释上述滤液,通过ICP-OES测试溶液时溶液中锶的浓度。对于锶的竞争离子实验,具体步骤为将4mg制备的吸附剂材料加入10mL1mmol/L Zn2+、Co2+、Ni2+、Tm3+、Tb3+、Sm3+、Y3+、La3+、Ce3+离子的硝酸根溶液中,在搅拌台上持续搅拌。在吸附平衡时间,将一定量(约0.5mL)的混合物用一次性注射器移出,并通过0.2微米水相针式过滤器过滤,随后,稀释上述滤液,通过ICP-OES测试溶液中各种离子的浓度,并计算吸附容量,其实验结果如图4和图5。从实验结果可以看出,ETTBA-COF材料对锶具有较高的吸附容量及吸附选择性,吸附容量为26mg/g。
实施例2:
1)制备含冠醚的醛基化单体
1.1)取0.8g的二苯并-18-冠醚-6和0.25mL液溴,先后加入20mL的17.5M的冰乙酸中,在室温下缓慢搅拌过夜,反应完毕后,将得到的固液混合物用2M的碳酸钠水溶液搅拌清洗以猝灭未反应完全的溴,搅拌至固液混合物的颜色恰好由红棕色变为无色,抽滤后用二氯甲烷进行萃取,旋蒸后得到白色固体;
1.2)取1.2g的所述白色固体、2.5g的4-甲酰基苯硼酸频哪醇酯、150mg的四三苯基膦钯及15mL的2M的碳酸钠溶液加入烧瓶中,再加入70mL按体积比为1:1的四氢呋喃和甲苯的混合溶液为溶剂,在氮气氛围中于80℃回流反应72h,得到黄褐色液体粗产物,冷却至室温后,用硅藻土过滤,并使用四氢呋喃为良溶剂、石油醚为不良溶剂进行重结晶操作,得到的白色固体产物即为含冠醚的醛基单体;
2)利用溶剂热的方式合成含冠醚的共价有机框架材料:将120mg的所述冠醚醛基单体与103.2mg的四(4-氨基联苯基)乙烯加入到10mL长颈玻璃管中,然后加入体积比为7:3的4mL的邻二甲苯和乙腈混合溶剂,超声均匀后加入400微升浓度为6M的乙酸催化剂,将混合物陈化放置2小时后冻抽三次使真空度降至90Pa,使用喷枪火焰封管,在100℃反应72h,反应结束后离心收集固体产物,使用石油醚浸泡材料24h,75℃真空干燥得到含冠醚二维共价有机框架材料。
经表征手段傅里叶变换红外光谱仪、粉末X射线衍射仪、扫描电镜测试分析,其结晶性较好,形成了C=N键,微观尺寸长度约为10nm,宽度约为5纳米。
本实施例制备的含冠醚二维共价有机框架材料对锶具有良好的去除能力,对锶的饱和吸附容量为23mg/g,对锶有良好的选择能力。
实施例3:
1)制备含冠醚的醛基化单体
1.1)取0.8g的二苯并-18-冠醚-6和0.3mL液溴,先后加入22mL的17.5M的冰乙酸中,在室温下缓慢搅拌过夜,反应完毕后,将得到的固液混合物用2M的碳酸钾水溶液搅拌清洗以猝灭未反应完全的溴,搅拌至固液混合物的颜色恰好由红棕色变为无色,抽滤后用二氯甲烷进行萃取,旋蒸后得到白色固体;
1.2)取1.8g的所述白色固体、2.5g的4-甲酰基苯硼酸频哪醇酯、180mg的四三苯基膦钯及20mL 2M的碳酸钾溶液加入烧瓶中,然后加入90mL按体积比为1.5:1的四氢呋喃和甲苯的混合溶液为溶剂,在氮气氛围中于80℃回流反应72h,得到黄褐色液体粗产物,冷却至室温后,使用硅藻土过滤粗产物,使用四氢呋喃为良溶剂、石油醚为不良溶剂进行重结晶操作,得到的白色固体产物即为含冠醚的醛基单体;
2)利用溶剂热的方式合成含冠醚的二维共价有机框架材料:将168mg的所述冠醚醛基单体与144.6mg的四(4-氨基联苯基)乙烯加入到10mL长颈玻璃管中,接着加入4mL的体积比为6:4的邻二甲苯和乙腈混合溶剂,超声均匀后加入400微升浓度为7M的乙酸催化剂,使用双排管将玻璃管冻抽三次使真空度降至70Pa,使用喷枪火焰封管,在90℃反应72h,反应结束后离心收集固体产物,使用石油醚浸泡清洗产物24h,75℃真空干燥得到高结晶性的含冠醚共价有机框架材料。
经表征手段傅里叶变换红外光谱仪、粉末X射线衍射仪、扫描电镜测试分析,其结晶性较好,形成了C=N键,微观尺寸长度约为15nm,宽度约为5纳米。
本实施例制备的含冠醚二维共价有机框架材料对锶具有良好的吸附能力,吸附容量可达24mg/g,对锶的选择性良好。
实施例4:
1)制备含冠醚的醛基化单体
1.1)取1g的二苯并-18-冠醚-6和0.4mL液溴,先后加入30mL的17.5M的冰乙酸中,在室温下缓慢搅拌过夜,反应完毕后,将得到的固液混合物用2M的硫代硫酸钠水溶液搅拌清洗以猝灭未反应完全的溴,搅拌至固液混合物的颜色恰好由红棕色变为无色,抽滤后用二氯甲烷进行萃取,旋蒸后得到白色固体;
1.2)取2g的所述白色固体、3g的4-甲酰基苯硼酸频哪醇酯、200mg的四三苯基膦钯及20mL的2M的碳酸铯溶液加入烧瓶中,最后加入90mL按体积比为2:1的四氢呋喃和甲苯的混合溶液为溶剂,在氮气氛围中于80℃回流反应72h,得到黄褐色液体粗产物,冷却至室温后,使用硅藻土过滤粗产物,使用四氢呋喃为良溶剂、石油醚为不良溶剂进行重结晶处理,得到的白色固体产物即为含冠醚的醛基单体;
2)利用溶剂热的方式合成含冠醚的共价有机框架材料:将190mg的所述冠醚醛基单体与171mg的四(4-氨基联苯基)乙烯加入到10mL长颈玻璃管中,接着加入4mL的体积比为5:5的邻二甲苯和乙腈混合溶剂,超声均匀后加入400微升浓度为8M的乙酸催化剂,使用双排管将玻璃管冻抽三次使真空度降至50Pa,使用喷枪火焰封管,在120℃反应72h,反应结束后离心收集固体产物,使用石油醚浸泡材料24h,70℃真空干燥得到高结晶性的含冠醚共价有机框架材料。
经表征手段傅里叶变换红外光谱仪、粉末X射线衍射仪、扫描电镜测试分析,其结晶性较好,形成了C=N键,微观尺寸长度约为10nm,宽度约为5纳米。
本实施例制备的含冠醚共价有机框架材料对锶具有良好的去除能力,饱和吸附容量为24.5mg/g,对锶的选择性佳。
实施例5:
1)制备含冠醚的醛基化单体
1.1)取1.0g的二苯并-18-冠醚-6和0.35mL液溴,先后加入28mL的17.5M的冰乙酸中,在室温下缓慢搅拌过夜,反应完毕后,将得到的固液混合物用2M的氢氧化钠水溶液搅拌清洗以猝灭未反应完全的溴,搅拌至固液混合物的颜色恰好由红棕色变为无色,抽滤后用二氯甲烷进行萃取,旋蒸后得到白色固体;
1.2)取1.8g的所述白色固体、2.7g的4-甲酰基苯硼酸频哪醇酯、330mg的四三苯基膦钯及20mL的2M碳酸铯溶液加入烧瓶中,最后加入90mL按体积比为1.5:1的四氢呋喃和甲苯的混合溶液为溶剂,在氮气氛围中于80℃回流反应72h,得到黄褐色液体粗产物,冷却至室温后,使用硅藻土过滤粗产物,使用四氢呋喃为良溶剂、石油醚为不良溶剂进行重结晶操作,得到的白色固体产物即为含冠醚的醛基单体;
2)利用溶剂热的方式合成含冠醚的共价有机框架材料:将200mg的所述冠醚醛基单体与180mg的的四(4-氨基联苯基)乙烯加入到10mL长颈玻璃管中,接着加入4mL的体积比为8:2的邻二甲苯和乙腈混合溶剂,超声均匀后加入400微升浓度为9M的乙酸催化剂,使用双排管将玻璃管冻抽三次使真空度降至10Pa,使用喷枪火焰封管,在120℃反应72h,反应结束后离心收集固体产物,使用石油醚浸泡材料48h,70℃真空干燥得到高结晶性的含冠醚共价有机框架材料。
经表征手段傅里叶变换红外光谱仪、粉末X射线衍射仪、扫描电镜测试分析,其结晶性较好,形成了C=N键,微观尺寸长度约为15nm,宽度约为5nm。
本实施例制备的含冠醚共价有机框架材料对锶具有良好的去除能力,饱和吸附容量为25mg/g,对锶的选择性佳。
实施例6:
1)制备含冠醚的醛基化单体
1.1)取1.0g的二苯并-18-冠醚-6和0.4mL液溴,先后加入29mL的17.5M的冰乙酸中,在室温下缓慢搅拌过夜,反应完毕后,将得到的固液混合物用2M的氢氧化钠水溶液搅拌清洗以猝灭未反应完全的溴,搅拌至固液混合物的颜色恰好由红棕色变为无色,抽滤后用三氯甲烷进行萃取,旋蒸后得到白色固体;
1.2)取1.0g的所述白色固体、2.0g的4-甲酰基苯硼酸频哪醇酯、100mg的四三苯基膦钯及11mL的2M碳酸铯溶液加入烧瓶中,最后加入90mL按体积比为1.5:1的四氢呋喃和甲苯的混合溶液为溶剂,在氮气氛围中于80℃回流反应72h,得到黄褐色液体粗产物,冷却至室温后,使用硅藻土过滤粗产物,使用四氢呋喃为良溶剂、石油醚为不良溶剂进行重结晶操作,得到的白色固体产物即为含冠醚的醛基单体;
2)利用溶剂热的方式合成含冠醚的共价有机框架材料:将100mg的所述冠醚醛基单体与90mg的的四(4-氨基联苯基)乙烯加入到10mL长颈玻璃管中,接着加入3mL的体积比为8:2的邻二甲苯和乙腈混合溶剂,超声均匀后加入500微升浓度为9M的乙酸催化剂,使用双排管将玻璃管冻抽三次使真空度降至80Pa,使用喷枪火焰封管,在120℃反应48h,反应结束后离心收集固体产物,使用石油醚浸泡材料30h,80℃真空干燥得到高结晶性的含冠醚共价有机框架材料。
实施例7:
1)制备含冠醚的醛基化单体:含冠醚的醛基化单体是根据文献(Synthesis 2005,No.6,971–976)中化合物20的制备方法合成的。
2)利用溶剂热的方式合成含冠醚的共价有机框架材料:将100mg的所述冠醚醛基单体与90mg的的四(4-氨基联苯基)乙烯加入到10mL长颈玻璃管中,接着加入3mL的体积比为8:2的邻二甲苯和乙腈混合溶剂,超声均匀后加入500微升浓度为9M的乙酸催化剂,使用双排管将玻璃管冻抽三次使真空度降至80Pa,使用喷枪火焰封管,在120℃反应48h,反应结束后离心收集固体产物,使用石油醚浸泡材料30h,80℃真空干燥得到高结晶性的含冠醚共价有机框架材料。
Claims (9)
1.一种含冠醚二维共价有机框架材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)将含冠醚的前驱体通过有机合成反应制备得到冠醚醛基化单体;
2)利用溶剂热的方式合成含冠醚的共价有机框架材料:
将100-200mg的所述冠醚醛基单体与90-180mg的四(4-氨基联苯基)乙烯加入到10mL长颈玻璃管中,接着加入3-4mL的溶剂超声均匀后加入400-500微升浓度为6-9M的乙酸催化剂,将混合物陈化放置1.5-2.0小时后冻抽三次使真空度降至100Pa以下然后使用喷枪火焰封管,在90-120℃下反应48-72h,反应结束后离心收集固体产物,使用石油醚浸泡材料24-48h,70-80℃真空干燥得到含冠醚共价有机框架材料。
2.如权利要求1所述的含冠醚二维共价有机框架材料的制备方法,其特征在于,所述步骤1)包括:
1.1)取0.5g-1g的二苯并-18-冠醚-6和0.2-0.4mL液溴,先后加入20-30mL乙酸中,在室温下缓慢搅拌过夜,反应完毕后,将得到的固液混合物用碱性水溶液搅拌清洗以猝灭未反应完全的溴,搅拌至固液混合物的颜色恰好由红棕色变为无色,抽滤后萃取,旋蒸后得到白色固体;
1.2)取1-2g的所述白色固体、2-3g的4-甲酰基苯硼酸频哪醇酯、100-200mg的四三苯基膦钯及10-20mL的2M的碳酸盐溶液加入烧瓶中,最后加入60-90mL四氢呋喃和甲苯的混合溶液为溶剂,在氮气氛围中于80℃回流反应72h,得到黄褐色液体粗产物,冷却至室温后,使用硅藻土过滤粗产物,并选用合适的溶剂进行重结晶操作,得到的白色固体产物即为含冠醚的醛基单体。
3.如权利要求2所述的含冠醚二维共价有机框架材料的制备方法,其特征在于:所述步骤1.1)中的乙酸为浓度为17.5M的冰乙酸。
4.如权利要求2所述的含冠醚二维共价有机框架材料的制备方法,其特征在于:所述步骤1.1)中的碱性水溶液采用浓度为2M的碳酸钠、碳酸钾、硫代硫酸钠或氢氧化钠水溶液。
5.如权利要求2所述的含冠醚二维共价有机框架材料的制备方法,其特征在于:所述步骤1.1)中采用的萃取溶剂为二氯甲烷或者三氯甲烷。
6.如权利要求2所述的含冠醚二维共价有机框架材料的制备方法,其特征在于:所述步骤1.2)碳酸盐为碳酸钠、碳酸钾或碳酸铯。
7.如权利要求2所述的含冠醚二维共价有机框架材料的制备方法,其特征在于:所述步骤1.2)中四氢呋喃和甲苯的混合溶剂由体积比为(1~2):1的四氢呋喃和甲苯组成。
8.如权利要求1所述的含冠醚二维共价有机框架材料的制备方法,其特征在于:所述步骤2)中的溶剂为体积比为(1~4):1的邻二甲苯和乙腈的混合溶剂。
9.如权利要求1~8中任一项所述制备方法制备的含冠醚二维共价有机框架材料在锶离子吸附分离中的应用。
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