CN117772186A - 铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于陶瓷膜催化剂及其制备的技术领域,具体涉及铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜及其制备方法与应用。所述的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,包括以下步骤:将陶瓷膜超声清洗,干燥;将Ce(NO3)3·6H2O和Mn(NO3)2溶解于水中,加入NaOH溶液,搅拌,得到混合溶液;将处理后的陶瓷膜完全浸入混合溶液,进行水热反应,反应结束,冷却至室温,得到负载型陶瓷膜;将负载型陶瓷膜冲洗、干燥、煅烧,得到铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜。本发明所制备的陶瓷膜催化活性高,稳定性强,将其应用于废水的处理中,降解有机物的能力强,膜污染程度小,延长使用寿命。

Description

铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于陶瓷膜催化剂及其制备的技术领域,具体涉及铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜及其制备方法与应用。
背景技术
工业废水中的有机污染物,对人体健康与生态安全造成严重威胁,而常规的水质净化方法通常如吸附、混凝、过滤等传统方法无法对其实现有效去除。近年来,将催化氧化技术与膜分离技术结合制备催化改性膜已发展成为解决上述问题的有效途径。陶瓷膜分离过滤与催化臭氧氧化相结合的技术,应用于生活污水和工业废水处理中,不仅可以去除废水中的有机污染物,还能对膜污染起到缓解作用。
陶瓷膜能够承受高温和反洗压力,并能抵抗清洁剂和氧化剂,因此陶瓷膜通常应用于不同的污水处理中。二级废水处理中通常含有一系列污染物,如溶解有机物、悬浮杂质、重金属和藻类,陶瓷膜在其应用中通常存在被污染、分离效率低等的问题。为了减轻陶瓷膜在应用中存在的问题,目前的研究已经尝试将陶瓷膜与高级氧化工艺耦合以提高膜性能,但现有的催化陶瓷膜在微量有机污染物方面的降解效率仍旧较低。现有的复合金属氧化物在催化性能方面效果较好,但金属离子浸出量低,与催化成分的稳定性差,直接影响催化陶瓷膜的使用寿命及处理出水的质量。
公开号CN112791738A提出了一种除尘脱硝一体化陶瓷膜材料的制备方法,将第一前驱体盐(硫酸钛和/或硝酸锆)、第二前驱体盐(硝酸铜、硝酸铁、硝酸铈、偏钨酸铵、硝酸锰或醋酸锰中的一种或多种)、尿素、粘结剂(聚乙烯醇和/或硅溶胶)和水混合,搅拌,得到催化剂溶液;将所述催化剂溶液涂覆至管式多孔陶瓷膜材料,得到负载催化剂的管式多孔陶瓷膜材料;将负载催化剂的管式多孔陶瓷膜材料烘干,制得催化剂负载均匀的多孔陶瓷膜材料。公开号CN117046474A提出了一种陶瓷膜催化剂及其制备方法和应用,将陶瓷膜浸渍于包括金属前驱体盐和结构导向剂的混合溶液中,干燥后,经低温等离子体处理,得到所述陶瓷膜催化剂。所述金属前驱体盐中的金属选自铁、钴、锰、镍、铜、镧、铈或锌中的任意一种或至少两种的组合。
从以上可以看出,现有技术中对于过渡金属的催化剂的利用,多采用浸渍、共沉淀、溶胶凝胶等工艺将催化剂负载于陶瓷膜上,再通过热处理固化,得到负载金属类的催化剂,用于水处理中,但是形成的单一的催化剂,如CeO2、MnO2等其他金属氧化物作为催化剂负载于陶瓷膜上,催化性能较差,存在易脱落的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的上述缺陷,提供一种铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,所制备的陶瓷膜催化活性高,稳定性强,将其应用于废水的处理中,降解有机物的能力强,膜污染程度小,延长使用寿命。
本发明所述的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,包括以下步骤:
1)将陶瓷膜超声清洗,干燥;
2)将Ce(NO3)3·6H2O和Mn(NO3)2溶解于水中,加入NaOH溶液,搅拌,得到混合溶液;
3)将步骤1)处理后的陶瓷膜完全浸入混合溶液,进行水热反应,反应结束,冷却至室温,得到负载型陶瓷膜;
4)将负载型陶瓷膜冲洗、干燥、煅烧,得到铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜。
所述的陶瓷膜为氧化铝平板状陶瓷膜或管状陶瓷膜。
步骤1)中的超声清洗时间为10-30min,干燥温度为50-80℃,干燥时间为2-4h。
步骤2)得到的混合溶液的Ce(NO3)3·6H2O和Mn(NO3)2中的Ce和Mn的摩尔比为(1:9)-(9:1),具体的铈、锰离子的摩尔比为1:9、3:7、5:5、7:3、9:1。
步骤2)中NaOH溶液的浓度为5-15moL/L,搅拌时间为1-4h。
步骤3)中的水热反应温度为70-150℃,水热反应时间为12-24h。
步骤4)中干燥温度为60-80℃,干燥时间为10-12h。
步骤4)中煅烧温度为450-550℃,煅烧时间为4-6h。
一种铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜是由所述的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的制备方法制得的。
一种所述的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的应用:将制得的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜应用于催化臭氧氧化降解废水。
具体的,所述的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,包括以下步骤:
1)将氧化铝平板状陶瓷膜或管状陶瓷膜斜置于烧杯中,倒入去离子水没过陶瓷膜,超声清洗10-30min,在烘箱中干燥50-80℃干燥2-4h至恒重,以去除载体表面杂质;
2)将Ce(NO3)3·6H2O和Mn(NO3)2按照一定的Ce和Mn的摩尔比,溶解于去离子水中,加入5-15moL/L氢氧化钠溶液,搅拌1-4h,得到混合溶液;
3)将混合溶液置于聚四氟乙烯反应釜内,并将步骤1)处理后的陶瓷膜完全浸入混合溶液,在70-150℃水热反应12-24h,反应结束,自然冷却至室温,得到负载型陶瓷膜;
4)将负载型陶瓷膜用去离子水和酒精反复冲洗,60-80℃干燥10-12h,450-550℃煅烧4-6h,得到铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜。
臭氧氧化技术利用臭氧的强氧化性对废水中的有机物进行氧化降解,因其具有操作简单、运行成本低等优点而被广泛应用于工业废水处理领域,但其却存在着臭氧利用率低、不能对有机物深度矿化的问题。近年来,膜分离技术作为一种节能环保的高效分离技术而受到人们的广泛关注,其依据不同孔径实现对污染物质的有效过滤,其中陶瓷膜因拥有比传统高分子膜更高的机械强度和化学稳定性等优点而受到越来越多的关注,然而在膜分离过程中会不可避免的发生有机物在膜表面或膜孔的附着及沉积,膜污染问题是当前阻碍膜技术发展和应用的一大障碍。本发明将臭氧氧化与膜分离技术耦合,以陶瓷膜为臭氧催化剂或催化剂载体,有效促进了臭氧分解,产生活性高氧化性强的羟基自由基(•OH),提高对有机废水的处理效果,同时达到缓解膜污染的目的。其中,单金属氧化物改性陶瓷膜虽表现出良好的催化臭氧能力,但催化强度有限,相对于负载复合金属氧化物陶瓷膜来说催化能力有待提高,氧化铈因其特殊的储存和释放氧的能力,氧化锰对环境友好、氧化性强,铈锰复合催化剂能够综合优点,且铈锰之间存在一定的协同作用,从而获得良好稳定的催化性能。
本发明通过水热法制备负载铈锰复合催化剂的陶瓷膜,制备的铈锰复合催化剂产生铈锰固溶体相比单独氧化铈和氧化锰催化剂,铈锰复合催化剂的比表面积更高,孔隙率更大,对氧物种的活化能力更强。氧空位有助于催化反应和解离各种分子,而铈锰固溶体中的Mn和Ce两者在催化臭氧化方面表现出良好的协同作用,表现为增强了氧空位的迁移,从而提高了催化活性。本发明使用陶瓷膜对催化剂进行负载不仅可以减少金属离子的浸出量,还可以解决催化陶瓷膜发生有机物在膜表面或膜孔的附着及沉积导致的膜污染。本发明中使用陶瓷膜对催化剂进行负载可以减少金属离子的浸出量。
本发明与传统的浸渍法、共沉淀法、溶胶凝胶法相比,采用水热法,直接在催化剂制备过程中使催化剂负载于陶瓷膜上,无需浸渍等工艺所必须的中间层如硫酸钛/硝酸锆;本发明无需尿素、粘结剂等试剂对不同催化层进行链接,一步成型,经济简洁方便。本发明的水热法制备的铈锰固溶体为复合催化剂如Ce0.3Mn0.7O2,而传统的浸渍、共沉淀、溶胶凝胶等方法负载的催化剂均为单一催化剂CeO2、MnO2,热处理过程并不能使这些单一催化剂复合,而本发明的水热法产生的为复合催化剂如Ce0.3Mn0.7O2,离子嵌入晶格,产生协同作用,发挥更为优异的催化性能,具备流入更高的储氧能力,优异的促进臭氧分解能力和高效的氧空位转移能力,高效大量的产生起主要催化作用的·OH,·OH具有极强的氧化能力和无选择性,将水中的有机物进行全面降解。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果是:
(1)采用本发明的方法,制备的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜,以陶瓷膜作为催化剂的载体,与具有催化活性的复合金属氧化物结合,催化臭氧分解,产生更多羟基自由基,氧化降解有机物,解决了陶瓷膜在实际应用中存在膜污染、分离效率低等问题。
(2)本发明的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,通过复合催化剂的协同作用,使所制备的催化剂具有较高的催化活性以及极高的稳定性;锰和铈之间的协同作用,促进氧空位的生成和迁移,铈修饰是提高氧化锰催化臭氧氧化反应活性自由基生成的有效手段,可有效提高MnO2的臭氧催化分解活性,最终实现负载的铈锰复合催化对催化臭氧氧化的极高催化活性与稳定性。
附图说明
图1为实施例1制备的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的SEM图。
图2为对比例3制备的铈锰复合催化剂的SEM图。
图3为对比例1制备的CeO2催化剂负载型陶瓷膜SEM图。
图4为对比例2制备的MnO2催化剂负载型陶瓷膜SEM图。
图5为实施例1-5制备的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜及对比例1-2制备的催化剂负载型陶瓷膜的XRD图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
以下实施例和对比例所采用的原料与试剂均为市售产品。所采用的氧化铝平板状陶瓷膜的规格为膜孔径500nm,厚度6mm。
实施例1
所述的Ce0.3Mn0.7O2催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,包括以下步骤:
1)将氧化铝平板状陶瓷膜斜置并完全浸入于烧杯中,倒入去离子水没过陶瓷膜,超声清洗15min,在烘箱中干燥80℃干燥2h至恒重,以去除载体表面杂质;
2)将Ce(NO3)3·6H2O和Mn(NO3)2按照3:7的Ce和Mn的摩尔比,溶解于10mL去离子水中,加入80mL的10moL/L氢氧化钠溶液,搅拌2h,得到混合溶液;
3)将混合溶液置于聚四氟乙烯反应釜内,并将步骤1)处理后的陶瓷膜斜置并完全浸入混合溶液,在120℃水热反应20h,反应结束,自然冷却至室温,得到负载型陶瓷膜;
4)将负载型陶瓷膜用去离子水和酒精反复冲洗,80℃干燥10h,550℃煅烧4h,得到Ce0.3Mn0.7O2催化剂负载型陶瓷膜。其SEM图,如图1所示,由图1可以看出,陶瓷膜表面凹凸不平且存在缺陷,这些位置的存在为催化剂的负载提供了位点,铈锰复合催化剂负载陶瓷膜的表面,由尺寸均匀的颗粒堆积而成表面略显平整且存在缺陷,表明铈锰复合催化剂很好的负载于陶瓷膜上,并可以吸附更多污染物以及为催化臭氧氧化提供更多活性位点。
实施例2-7
实施例2-7采用实施例1的制备方法,改变铈、锰离子的摩尔比、水热温度、煅烧温度等参数,如表1所示,其他与实施例1相同,分别制得Ce0.1Mn0.9O2催化剂负载型陶瓷膜、Ce0.5Mn0.5O2催化剂负载型陶瓷膜、Ce0.7Mn0.3O2催化剂负载型陶瓷膜、Ce0.9Mn0.1O2催化剂负载型陶瓷膜、Ce0.3Mn0.7O2催化剂负载型陶瓷膜、Ce0.3Mn0.7O2催化剂负载型陶瓷膜。
表1实施例2-实施例7的工艺参数
实施例8
所述的Ce0.3Mn0.7O2催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,包括以下步骤:
1)将氧化铝平板状陶瓷膜斜置并完全浸入烧杯中,倒入去离子水没过陶瓷膜,超声清洗30min,在烘箱中干燥60℃干燥4h至恒重,以去除载体表面杂质;
2)将Ce(NO3)3·6H2O和Mn(NO3)2按照3:7的Ce和Mn的摩尔比,溶解于10mL去离子水中,加入80mL的15moL/L氢氧化钠溶液,搅拌4h,得到混合溶液;
3)将混合溶液置于聚四氟乙烯反应釜内,并将步骤1)处理后的陶瓷膜斜置并完全浸入混合溶液,在150℃水热反应12h,反应结束,自然冷却至室温,得到负载型陶瓷膜;
4)将负载型陶瓷膜用去离子水和酒精反复冲洗,70℃干燥11h,500℃煅烧3h,得到Ce0.3Mn0.7O2催化剂负载型陶瓷膜。
实施例9
所述的Ce0.3Mn0.7O2催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,包括以下步骤:
1)将氧化铝平板状陶瓷膜斜置并完全浸入烧杯中,倒入去离子水没过陶瓷膜,超声清洗10min,在烘箱中干燥60℃干燥4h至恒重,以去除载体表面杂质;
2)将Ce(NO3)3·6H2O和Mn(NO3)2按照3:7的Ce和Mn的摩尔比,溶解于10mL去离子水中,加入60mL的15moL/L氢氧化钠溶液,搅拌4h,得到混合溶液;
3)将混合溶液置于聚四氟乙烯反应釜内,并将步骤1)处理后的陶瓷膜斜置并完全浸入混合溶液,在150℃水热反应12h,反应结束,自然冷却至室温,得到负载型陶瓷膜;
4)将负载型陶瓷膜用去离子水和酒精反复冲洗,70℃干燥10h,500℃煅烧3h,得到Ce0.3Mn0.7O2催化剂负载型陶瓷膜。
实施例10
所述的Ce0.3Mn0.7O2催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,包括以下步骤:
1)将氧化铝平板状陶瓷膜斜置并完全浸入烧杯中,倒入去离子水没过陶瓷膜,超声清洗30min,在烘箱中干燥50℃干燥4h至恒重,以去除载体表面杂质;
2)将Ce(NO3)3·6H2O和Mn(NO3)2按照3:7的Ce和Mn的摩尔比,溶解于10mL去离子水中,加入80mL的5moL/L氢氧化钠溶液,搅拌1h,得到混合溶液;
3)将混合溶液置于聚四氟乙烯反应釜内,并将步骤1)处理后的陶瓷膜斜置并完全浸入混合溶液,在150℃水热反应12h,反应结束,自然冷却至室温,得到负载型陶瓷膜;
4)将负载型陶瓷膜用去离子水和酒精反复冲洗,60℃干燥12h,500℃煅烧3h,得到Ce0.3Mn0.7O2催化剂负载型陶瓷膜。
对比例1
一种CeO2催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,包括以下步骤:
1)将氧化铝平板状陶瓷膜斜置并完全浸入烧杯中,倒入去离子水没过陶瓷膜,超声清洗15min,在烘箱中干燥80℃干燥2h至恒重,以去除载体表面杂质;
2)将Ce(NO3)3·6H2O溶解于80mL的10moL/L氢氧化钠溶液,搅拌2h,得到混合溶液;
3)将混合溶液置于聚四氟乙烯反应釜内,并将步骤1)处理后的陶瓷膜斜置并完全浸入混合溶液,在120℃水热反应20h,反应结束,自然冷却至室温,得到负载型陶瓷膜;
4)将负载型陶瓷膜用去离子水和酒精反复冲洗,80℃干燥10h,550℃煅烧4h,得到CeO2催化剂负载型陶瓷膜。其SEM图,如图3所示,由图3可以看出,陶瓷膜上负载的为大量棒状堆积为球形的氧化铈催化剂。
对比例2
一种MnO2催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,包括以下步骤:
1)将氧化铝平板状陶瓷膜斜置并完全浸入烧杯中,倒入去离子水没过陶瓷膜,超声清洗15min,在烘箱中干燥80℃干燥2h至恒重,以去除载体表面杂质;
2)将Mn(NO3)2溶解于80mL的10moL/L的氢氧化钠溶液中,搅拌2h,得到混合溶液;
3)将混合溶液置于聚四氟乙烯反应釜内,并将步骤1)处理后的陶瓷膜斜置并完全浸入混合溶液,在120℃水热反应20h,反应结束,自然冷却至室温,得到负载型陶瓷膜;
4)将负载型陶瓷膜用去离子水和酒精反复冲洗,80℃干燥10h,550℃煅烧4h,得到MnO2催化剂负载型陶瓷膜。其SEM图,如图4所示,陶瓷膜上负载的为丝状氧化锰催化剂。
对比例3
一种Ce0.3Mn0.7O2催化剂的制备方法,包括以下步骤:
1)将Ce(NO3)3·6H2O和Mn(NO3)2按照Ce和Mn的摩尔比3:7,溶解于10mL去离子水中,加入80mL的10moL/L氢氧化钠溶液,搅拌2h,得到混合溶液;
2)将混合溶液置于聚四氟乙烯反应釜内,进行水热反应,在120℃水热反应20h,反应结束,自然冷却至室温,得到沉淀;
3)将2)得到的沉淀,取出后用去离子水和酒精反复冲洗,干燥,干燥温度为80℃,干燥时间为12h,煅烧,煅烧温度为550℃,煅烧时间为4h,得到Ce0.3Mn0.7O2复合催化剂。其SEM图,如图2所示,由图2可以看出,水热制备的铈锰复合金属氧化物催化剂主要由铈锰固溶体组成,形貌为由纳米棒状团聚形成的微米级块状。
一、实施例1-5制备的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜及对比例1-2制备的催化剂负载型陶瓷膜的XRD图,如图5所示,由图5可以看出,对于对比例2的纯氧化锰催化剂负载的陶瓷膜,在2θ=32.9°,35.6°,38.2°,45.1°,58.8°,60.5°,可主要归因于Mn2O3,在28.6°,46.0°和67.1°可归因于MnO2。在对比例1制备的纯氧化铈的催化剂的陶瓷膜的XRD图谱中衍射峰值在2θ=28.5°,33.1°,47.5°,56.3°,59.1°清楚地证明了CeO2的立方萤石结构的存在。
在实施例3、实施例4、实施例5中,当铈锰复合氧化物(铈锰摩尔比Ce:Mn≥1)的XRD图谱中没有显示出关于锰氧化物的任何衍射,并且仅观察到由于CeO2引起的宽反射,这说明铈锰复合氧化物的相组成在很大程度上取决于锰和铈氧化物的摩尔比。在实施例2中,当铈锰复合氧化物在Ce:Mn<1时的衍射图显示出Mn2O3的晶型,而在Ce:Mn≥1时的那些仅表现为CeO2的晶型,这是由于Mn2O3和CeO2之间形成了固溶体,固溶体形成在沉淀和煅烧过程中。与对比例1的纯CeO2相比,复合氧化物中CeO2的衍射峰略微偏移到更高的布拉格角值,这是由于离子半径Mn3+(0.066nm)小于Ce4+(0.1098nm),将Mn3+掺入CeO2晶格形成铈锰复合固溶体将导致铈锰复合氧化物中CeO2的晶格参数显著降低。
二、将以上实施例和对比例制备的催化剂陶瓷膜进行物理特性检测,检测结果如表2所示。
表2性能结果
三、应用实验:
将以上实施例和对比例制备的催化剂陶瓷膜进行应用实验:构建臭氧催化膜反应器装置,将上述制备的Ce0.3Mn0.7O2催化剂负载型陶瓷膜装入反应器中,形成膜组件,通入臭氧,进行分离和降解污染物性能测试;
采用100mg/L苯酚溶液作为模拟废水,运行1h,测定并计算苯酚在废水中COD的降解率,COD降解率=(降解前废水COD-降解后废水COD)/降解前废水COD×100%;
使用100mg/L甲基橙溶液模拟废水,甲基橙去除率=(降解前甲基橙含量-降解后甲基橙含量)/降解前甲基橙含量×100%。
其检测结果如表3所示。
表3检测结果
单独氧化铈或氧化锰催化剂为臭氧氧化提供的催化作用较为有限,铈锰复合氧化物表现出更强的催化性能,而负载陶瓷后具有较大的比表面积、优异的亲水性能,这使得其具有优异的催化性能,可显著促进污染物的去除。

Claims (10)

1.一种铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)将陶瓷膜超声清洗,干燥;
2)将Ce(NO3)3·6H2O和Mn(NO3)2溶解于水中,加入NaOH溶液,搅拌,得到混合溶液;
3)将步骤1)处理后的陶瓷膜完全浸入混合溶液,进行水热反应,反应结束,冷却至室温,得到负载型陶瓷膜;
4)将负载型陶瓷膜冲洗、干燥、煅烧,得到铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜。
2.根据权利要求1所述的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,其特征在于:所述的陶瓷膜为氧化铝平板状陶瓷膜或管状陶瓷膜。
3.根据权利要求1所述的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,其特征在于:步骤1)中的超声清洗时间为10-30min,干燥温度为50-80℃,干燥时间为2-4h。
4.根据权利要求1所述的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,其特征在于:步骤2)得到的混合溶液中Ce和Mn的摩尔比为(1:9)-(9:1)。
5.根据权利要求1所述的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,其特征在于:步骤2)中NaOH溶液的浓度为5-15moL/L,搅拌时间为1-4h。
6.根据权利要求1所述的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,其特征在于:步骤3)中的水热反应温度为70-150℃,水热反应时间为12-24h。
7.根据权利要求1所述的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,其特征在于:步骤4)中干燥温度为60-80℃,干燥时间为10-12h。
8.根据权利要求1所述的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的制备方法,其特征在于:步骤4)中煅烧温度为450-550℃,煅烧时间为4-6h。
9.一种铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜,其特征在于:是由权利要求1-8任一项所述的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的制备方法制得的。
10.一种权利要求9所述的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜的应用,其特征在于:将制得的铈锰复合催化剂负载型陶瓷膜应用于催化臭氧氧化降解废水。
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