DE10054742A1 - Verfahren zur Konzentrierung von wässrigem Wasserstoffperoxid durch Kristallisation - Google Patents

Verfahren zur Konzentrierung von wässrigem Wasserstoffperoxid durch Kristallisation

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Abstract

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Konzentrierung von wässrigem Wasserstoffperoxid, umfassend eine diskontinuierliche Kristallisation. Erfindungsgemäß wird eine in einem Kristallisationsbehälter angeordnete und zunächst mit Wasserstoffperoxid benetzte Kühlfläche mit hoher Abkühlrate abgekühlt, wobei sich Impfkristalle ausbilden. Die Abkühlrate beträgt mindestens 1 K/s, vorzugsweise 10 bis 30 K/s. Nach dem Befüllen des Behälters mit H¶2¶O¶2¶-Edukt kristallisiert dieses ausgehend von den Impfkristallen und bildet eine Kristallschicht aus. Nach Ablassen der Mutterlauge mit geringerer H¶2¶O¶2¶-Konzentration schließt sich bei langsamer Temperaturerhöhung ein Schwitzprozess an, wodurch die H¶2¶O¶2¶-Konzentration in der Kristallschicht weiter erhöht wird.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Konzentrierung von wässrigem Wasserstoffperoxid der Konzentration cE (H2O2-Edukt) zur Gewinnung von Wasserstoffperoxid der Konzentration cP (H2O2-Produkt), wobei cP gleich oder größer 90 Gew.-% ist, durch eine diskontinuierliche Kristallisation.
Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von Wasserstoffperoxid, wie dem Anthrachinonkreisprozess, elektrolytischen Verfahren und Direktsyntheseverfahren, fällt Wasserstoffperoxid in Form einer wässrigen Lösung an. Um derartige Lösungen in marktfähige Produkte zu überführen, schließt sich an die Herstellung üblicherweise eine Konzentrierung der Lösung durch Destillation an. Durch Destillation lassen sich wässrige Wasserstoffperoxidlösungen mit einem Gehalt bis zu etwa 90 Gew.-% Wasserstoffperoxid gewinnen. Einer weiteren destillativen Konzentrierung stehen Kosten- und Sicherheitsüberlegungen entgegen.
Höher konzentriertes Wasserstoffperoxid, also Produkte mit einem H2O2-Gehalt im Bereich von gleich/größer 90 Gew.-% bis etwa 100 Gew.-% gewinnen aufgrund ihres hohen Energieinhalts zunehmend technische Bedeutung. Es ist bekannt, dass Wasserstoffperoxid mit einem Gehalt bis annähernd 100 Gew.-% durch mehrfaches Umkristallisieren erhältlich ist. Wesentliche Aspekte zur Kristallisation von Wasserstoffperoxid sowie das Fest-Flüssig-Phasendiagramm des Systems Wasserstoffperoxid/Wasser sind aus dem Fachbuch "Hydrogen peroxide" von Walter C. Schumb et al., Reinhold Publicing Corp. (1955), S. 210-220 bekannt. Hiernach ist eine herausragende Eigenschaft von hochkonzentriertem wässrigen Wasserstoffperoxid die Neigung zur extremen Unterkühlung, wodurch die Konzentrierung durch Kristallisation erschwert wird. Die Kristallbildung wird nach Schumb et al. (Seite 215) weder durch Rühren oder Kratzen noch durch die Abkühlgeschwindigkeit in reproduzierbarer Weise beeinflusst. Das Gefrieren von unterkühltem hochkonzentrierten Wasserstoffperoxid wird jedoch durch Animpfen mit Wasserstoffperoxidkristallen induziert. Als Nachteil einer Konzentrierung durch Kristallisation wird die geringe Effizienz einer fraktionierenden batch-Kristallisation angesehen (Schumb et al., S. 215), da pro Kristallisationsstufe nur eine Konzentrationssteigerung von etwa 2% und niemals mehr als 4% erreicht werden. Offensichtlich resultiert dieses Problem aus der hohen Randlöslichkeit von Wasser in kristallisiertem Wasserstoffperoxid, welche auch im Phasendiagramm (Schumb, Seite 211) dargestellt ist.
Ein verbessertes Verfahren zur Konzentrierung von wässrigen Wasserstoffperoxidlösungen lehrt die DE-PS 10 41 479. Hiernach wird ein H2O2-Edukt in einer Rektifiziersäule soweit abgekühlt, dass sich ein 2-phasiges System aus einer festen Kristallphase und einer flüssigen Mutterlauge, die sich gemäß dem Gleichgewicht hinsichtlich der Wasserstoffperoxidkonzentration unterscheiden, ausbilden. Die Temperatur längs der Rektifiziersäule wird so geregelt, dass sie von einem zu anderen Ende hin langsam ansteigt. Aufgrund der höheren Dichte des kristallisierten Wasserstoffperoxids fließen Kristalle und Mutterlauge im Gegenstrom zueinander. Nachteil dieses kontinuierlichen Suspensionskristallisationsverfahrens ist der zur Durchführung erforderliche hohe technische Aufwand. Dieser technische Aufwand erscheint nur dann berechtigt, wenn regelmäßig und/oder in großen Mengen höchstkonzentriertes Wasserstoffperoxid benötigt wird. Dieses Verfahren ist jedoch insbesondere dann wenig wirtschaftlich, wenn das höchstkonzentrierte Wasserstoffperoxid nur periodisch und/oder in kleinen Mengen benötigt wird. Probleme bereitet zusätzlich das "scale-up".
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, ein einfaches Verfahren zur Herstellung von höchstkonzentriertem Wasserstoffperoxid, also Wasserstoffperoxid mit einem Gehalt im Bereich von gleich und insbesondere größer 90% aufzuzeigen, das batchweise von wenig geschultem Personal betrieben werden kann. Das Verfahren sollte zudem in einfachen technischen Apparaten mit geringem Regelaufwand durchgeführt werden können. Zudem sollte das Verfahren in einfacher und zuverlässiger Weise scale-up fähig sein, um an einen steigenden Bedarf angepasst werden können.
Diese Aufgaben werden durch das erfindungsgemäße Verfahren, das auf dem Prinzip der Schichtkristallisation mit nachgeschaltetem Schwitzprozess beruht und batchweise durchgeführt wird, gelöst.
Gefunden wurde ein Verfahren zur Konzentrierung von wässrigem Wasserstoffperoxid der Konzentration cE (H2O2- Edukt) zur Gewinnung von Wasserstoffperoxid der Konzentration cP (H2O2-Produkt), wobei cP gleich oder größer 90 Gew.-% ist, umfassend eine diskontinuierliche Kristallisation, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man eine in einem Kristallisationsbehälter angeordnete und mit Wasserstoffperoxid einer Konzentration von mindestens 70 Gew.-%, insbesondere einer Konzentration im Bereich von cE bis cP mindestens teilweise benetzte Kühlfläche mittels eines auf ihrer Rückseite befindlichen Kühlmediums mit einer Abkühlrate von mindestens 1 K/s von einer Temperatur um den Schmelzpunkt des zum Benetzen eingesetzten Wasserstoffperoxids bis zu einer Temperatur, bei welcher sich in der Benetzung Impfkristalle bilden, abkühlt, den Behälter mit H2O2-Edukt mit einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der H2O2-Impfkristalle befüllt, die Temperatur des Kühlmediums auf einen Wert im Bereich unterhalb des Schmelzpunktes des H2O2-Produktes und -50°C absenkt und während der Temperaturabsenkung und bei Bedarf zusätzlich nach Erreichen der Temperatur von den Impfkristallen ausgehend eine Kristallschicht anwachsen lässt, anschließend nicht kristallisiertes Wasserstoffperoxid aus dem Behälter abtrennt und die Kristallschicht einem Schwitzprozess unterwirft, indem man die Temperatur des Kühlmediums innerhalb von 0,2 bis 20 Stunden auf einen Wert im Bereich von 10 K unterhalb und 5 K oberhalb des Schmelzpunktes des H2O2-Produktes erhöht, wobei ausschwitzendes Wasserstoffperoxid abgetrennt und kristallines Wasserstoffperoxid der Konzentration cP erhalten wird. Die Unteransprüche richten sich auf bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Überraschenderweise lässt sich ein H2O2-Edukt mit einem H2O2-Gehalt um 90 Gew.-%, insbesondere 90 ± 2 Gew.-%, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einstufig zu einem H2O2- Produkt mit einem Gehalt im Bereich von etwa 97 bis 99 Gew.-% oder darüber konzentrieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst im wesentlichen die folgenden Schritte:
  • 1. Ausbildung von Impfkristallen auf einer Kühlfläche, welche zuvor mit hochkonzentriertem Wasserstoffperoxid benetzt wurde;
  • 2. Befüllen des Behälters, in welchem sich die Kühlfläche befindet, mit dem aufzukonzentrierenden H2O2-Edukt, dessen Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der an der Kühlfläche befindlichen Impfkristalle liegt;
  • 3. Erniedrigen der Temperatur der Kühlfläche durch Absenken der Temperatur des Kühlmediums, wobei ausgehend von den Impfkristallen während des Abkühlens Wasserstoffperoxid mit einer höheren Konzentration als derjenigen des H2O2- Edukts auf der Kühlfläche auskristallisiert und die Schichtdicke der Kristallschicht wächst;
  • 4. Ablassen des nicht kristallisierten wässrigen Wasserstoffperoxids reduzierter Konzentration (= Mutterlauge) aus dem Kristallisationsbehälter;
  • 5. Durchführen eines sogenannten Schwitzprozesses, wobei die Temperatur des Kühlmediums und damit der Kühlfläche langsam erhöht wird, wobei die H2O2-Konzentration in der Kristallschicht zunimmt und minder konzentriertes Wasserstoffperoxid als Schmelze abtropft.
  • 6. Das H2O2-Produkt kann durch Aufschmelzen der auf der Kühlfläche befindlichen Kristallschicht gewonnen werden. Nach dem Abschmelzen der Kristallschicht ist die Kühlfläche weiterhin mit höchstkonzentriertem Wasserstoffperoxid benetzt und kann in dieser Form wieder dem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zugeführt werden.
Die Benetzung der Kühlfläche kann in an sich beliebiger Weise erfolgen, beispielsweise durch Berieseln mit oder Eintauchen in mindestens 70 gew.-%iges H2O2, vorzugsweise aber in das H2O2-Edukt der Konzentration cE. Wie zuvor ausgeführt, kann die Benetzung auch aus der vorhergehenden Stufe resultieren, dessen Konzentration im allgemeinen größer cE ist. Zweckmäßigerweise ist die Konzentration des zur Benetzung eingesetzten wässrigen H2O2 gleich oder größer cE. Die Konzentration des wässrigen Wasserstoffperoxid der Benetzung liegt demgemäß bevorzugt im Bereich von cE bis cP. Obgleich das H2O2-Edukt zweckmäßigerweise eine Konzentration von 90 ± 2 Gew.-% aufweist, kann das H2O2-Edukt auch eine Konzentration im Bereich von 70 bis 98 Gew.-% aufweisen.
Ein erfindungswesentlicher Schritt besteht darin, die mit wässrigem Wasserstoffperoxid benetzte Kühlfläche schockartig abzukühlen. Dies erfolgt durch Absenken der Temperatur des Kühlmediums mit einer Abkühlrate von mindestens 1 K/s und vorzugsweise mindestens 5 K/s. Üblicherweise liegt die Abkühlrate im Bereich von 1 bis 50 K/s, insbesondere 5 bis 40 K/s und besonders bevorzugt 10 bis 30 K/s.
Das zu konzentrierende H2O2-Edukt wird mit einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Impfkristalle in den Kristallisationsbehälter gefüllt. Vorzugsweise liegt die Temperatur des H2O2-Edukts beim Befüllen 1 bis 10 K, insbesondere 1 bis 5 K unterhalb seines Schmelzpunktes. Zum Zwecke des Aufbaus und Schichtdickenwachstums der Kristallschicht auf der Kühlfläche wird das Kühlmedium langsam abgekühlt, und zwar von einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der auf der Kühlfläche befindlichen Impfkristalle auf eine Temperatur im Bereich von -20 bis -40°C abgesenkt. Bei der Konzentrierung von etwa 90 gew.-%igem wässrigen Wasserstoffperoxid und Impfkristallen einer Konzentration im Bereich von cE bis cP wird von einer Temperatur im Bereich von -5 bis weniger als -20°C, insbesondere -10 bis -15°C, das Kühlmedium auf -20 bis -40°C abgesenkt. Zweckmäßigerweise erfolgt diese Temperaturabsenkung im Bereich von 0,2 bis 20 Stunden, meistens aber innerhalb von 0,5 bis 10 Stunden, insbesondere 1 bis 5 Stunden.
Zur Durchführung des Schwitzprozesses wird die Temperatur des Kühlmediums und damit der Kühlfläche wiederum langsam erhöht. Durch den Schwitzprozess gelingt es, die H2O2- Konzentration in der Kristallschicht zu erhöhen, indem darin gelöstes Wasser als minder konzentrierte H2O2-Lösung aus der Kristallschicht ausschwitzt. Die Endtemperatur des Kühlmediums liegt beim Schwitzprozess im allgemeinen im Bereich von 10 K unterhalb und 5 K oberhalb des Schmelzpunktes des H2O2-Produktes - bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes sollte die Kühlfläche Halterungen für die Kristallschicht aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung von H2O2 mit cP < 97 Gew.-% wird die Temperatur innerhalb eines Zeitraums von 1 bis 10 Stunden auf einen Wert von 1 bis 5 K unterhalb des Schmelzpunktes des H2O2-Produktes erhöht.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen sich einfache Vorrichtungen. Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei der Kristallisationsfläche um einen in einen Kristallisationsbehälter tauchenden Kühlfinger, der rohrförmig oder plattenförmig ausgebildet sein kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kühlfläche selbst ein Bestandteil des Kristallisationsbehälters - beispielsweise können eine oder mehrere Seitenflächen als Kühlfläche ausgebildet sein - beispielsweise kommt ein plattenförmiger Wärmetauscher infrage. Um den Schwitzprozess in einfacher Weise durchführen zu können, ist es zweckmäßig, wenn die Kühlfläche senkrecht oder zumindest geneigt in dem Kristallisationsbehälter angeordnet ist. Auf diese Weise kann ausschwitzendes minder konzentriertes Wasserstoffperoxid aus der an der Kühlfläche befindlichen Kristallschicht abtropfen.
Die Figur zeigt ein Schema einer bevorzugten Ausführungsform einer Apparatur zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Apparatur gemäß der Figur umfasst einen Vorratsbehälter 1 für das zu konzentrierende H2O2-Edukt. Eine Vorrichtung zur Abkühlung des H2O2-Edukts auf die geeignete Temperatur zur Befüllung des Kristallisationsbehälters 2 ist in der Figur nicht dargestellt. Das H2O2-Edukt wird über den Zulauf 11 in den Kristallisationsbehälter 2 gefüllt. Im Kristallisationsbehälter 2 befindet sich ein Kühlfinger 3, der mittels einer Kühlmaschine 4 über die Vorlaufleitung 7 und Rücklaufleitung 8 temperiert wird, um die in den verschiedenen Schritten erforderliche Temperatur zu erreichen. Nicht kristallisiertes wässriges Wasserstoffperoxid (Mutterlauge) wird über den Ablauf 12 in den Mutterlaugebehälter 6 abgelassen. Auch das beim Schwitzprozess anfallende Wasserstoffperoxid mit geringerer Konzentration als jener in der Kristallschicht wird in den Mutterlaugebehälter abgelassen. Nach Beendigung des Schwitzprozesses wird die Kristallschicht aus dem H2O2- Produkt aufgeschmolzen und über den Ablauf 10 in den Produktbehälter 5 abgelassen. Die Leistung der Kühlmaschine 4 wird über mittels einer oder mehrerer Temperaturmessvorrichtung(en) gemessene Temperatur(en) über eine Wirkungslinie 9 gesteuert. Eine Temperaturmesssonde befindet sich im Kühlkreislauf (T2), eine weitere (TC3) im Kristallisationsbehälter.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in einfacher Weise durchführbar. Die durchzuführenden Verfahrensschritte sowie die Wartung der einfachen Apparatur zur Durchführung des . Verfahrens lassen sich von wenig geschultem Personal handhaben. Unter Einsatz eines etwa 90 gew.-%igen H2O2- Eduktes lässt sich in einer Stufe 98 bis 99 gew.-%iges Wasserstoffperoxid gewinnen. Eine Kapazitätserhöhung ist im Hinblick auf die einfache Apparatur durch ein "numbering­ up" zu realisieren. Die nachfolgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele verdeutlichen die Erfindung.
Beispiel 1
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde in der zuvor beschriebenen Apparatur durchgeführt. Das H2O2-Edukt hatte eine Konzentration cE von 90,5 Gew.-%. Das H2O2-Edukt im Behälter 1 wurde auf eine Temperatur leicht unterhalb der Kristallisationstemperatur gekühlt - 1 bis 5 K Unterkühlung. Der Kühlfinger wurde in H2O2-Edukt getaucht und mit einer Abkühlgeschwindigkeit des Kühlmediums von 17 K/s abgekühlt. Bei -35°C bildeten sich in der Benetzung Impfkristalle. Nach Befüllen des Behälters 2 mit H2O2-Edukt wurde die Temperatur des Kühlmediums über einen Zeitraum von 1,5 Stunden von -12 auf -30°C erniedrigt. Dabei fror eine an H2O2 angereicherte Fraktion als Schicht am Kühlfinger aus. Anschließend wurde die restliche Flüssigkeit (Mutterlauge) in den Mutterlaugebehälter 6 abgelassen. Bei offener Leitung 12 wurde der Schwitzprozess durchgeführt, indem die Temperatur des Kühlmediums innerhalb eines Zeitraums von 5 Stunden von -30°C auf -5°C erhöht wurde. Nach Schließen des Ablaufs 12 und Öffnen des Ablaufs 10 wurde das am Kühlfinger verbliebene Kristallisat, also das H2O2-Produkt, mit einer Konzentration cP = 98,3 Gew.-% abgeschmolzen und in den Produktbehälter abgelassen. Nach der Kristallisation des H2O2-Edukts am Kühlfinger wurden 37% Mutterlauge, bezogen auf den Einsatz, abgelassen; weitere 16% wurden während des Schwitzprozesses abgelassen. 50,5 Gew.-% des im H2O2- Edukt enthaltenen Wasserstoffperoxids wurden somit von einer Konzentration von 90,5 Gew.-% auf eine Konzentration von 98,3 Gew.-% konzentriert.
Vergleichsbeispiel 1
Wässriges Wasserstoffperoxid mit einer Konzentration von 90,5 bzw. 98 Gew.-% wurde bei einer Ausgangstemperatur von jeweils 0°C als Rieselfilm auf ein Kühlrohr gegeben. Die Kühlrohrtemperatur betrug -40°C. Es wurde in keinem der beiden Fälle eine Kristallbildung beobachtet.
Vergleichsbeispiel 2
Wässriges Wasserstoffperoxid mit einer Konzentration von 90,5 Gew.-% wurde auf -22°C vorgekühlt. Diese Lösung wurde in den mit einem Kühlfinger ausgestatteten Kristallisationsbehälter gemäß der Figur eingefüllt, wobei die Temperatur des Kühlmediums -40°C betrug. Es wurde eine spontane unkontrollierte Kristallbildung beobachtet. Nach Durchführen eines Schwitzprozesses, wobei die Temperatur des Kühlmediums langsam auf -5°C erhöht wurde, wurde ein Wasserstoffperoxidprodukt mit einem Gehalt von lediglich 96,9 Gew.-% erhalten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird demgegenüber eine höhere H2O2-Konzentration erzielt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Konzentrierung von wässrigem Wasserstoffperoxid der Konzentration cE (H2O2-Edukt) zur Gewinnung von Wasserstoffperoxid der Konzentration cP (H2O2-Produkt), wobei cP gleich oder größer 90 Gew.-% ist, umfassend eine diskontinuierliche Kristallisation, dadurch gekennzeichnet, dass man eine in einem Kristallisationsbehälter angeordnete und mit Wasserstoffperoxid einer Konzentration von mindestens 70 Gew.-%, insbesondere einer Konzentration im Bereich von cE bis cP mindestens teilweise benetzte Kühlfläche mittels eines auf ihrer Rückseite befindlichen Kühlmediums mit einer Abkühlrate von mindestens 1 K/s von einer Temperatur um den Schmelzpunkt des zum Benetzen eingesetzten Wasserstoffperoxids bis zu einer Temperatur, bei welcher sich in der Benetzung Impfkristalle bilden, abkühlt, den Behälter mit H2O2-Edukt mit einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der H2O2- Impfkristalle befüllt, die Temperatur des Kühlmediums auf einen Wert im Bereich unterhalb des Schmelzpunktes des H2O2-Produktes und -50°C absenkt und während der Temperaturabsenkung und bei Bedarf zusätzlich nach Erreichen der Temperatur von den Impfkristallen ausgehend eine Kristallschicht anwachsen lässt, anschließend nicht kristallisiertes Wasserstoffperoxid aus dem Behälter abtrennt und die Kristallschicht einem Schwitzprozess unterwirft, indem man die Temperatur des Kühlmediums innerhalb von 0,2 bis 20 Stunden auf einen Wert im Bereich von 10 K unterhalb und 5 K oberhalb des Schmelzpunktes des H2O2-Produktes erhöht, wobei ausschwitzendes Wasserstoffperoxid abgetrennt und kristallines Wasserstoffperoxid der Konzentration cP erhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man H2O2-Edukt einstufig von cE = 90 ± 2 Gew.-% auf H2O2-Produkt mit cP = 97 bis 99 Gew.-% erhöht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man als Kühlfläche einen in den Kristallisationsbehälter tauchenden Kühlfinger verwendet, wobei das Kühlmedium innerhalb des Kühlfingers zirkuliert, oder dass der Kristallisationsbehälter in Form eines plattenförmigen Wärmetauschers ausgebildet ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man das Kühlmedium zwecks Ausbildung von Impfkristallen in den benetzten Zonen mit einer Abkühlrate von mindestens 5 K/s, insbesondere 10 bis 30 K/s, abkühlt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man den Behälter mit H2O2-Edukt mit einer Temperatur im Bereich von -5 bis weniger als -20°C befüllt und dann die Temperatur des Kühlmediums zur Ausbildung der Kristallschicht innerhalb von 0,5 bis 10 Stunden auf eine Temperatur im Bereich von -20 bis -40°C erniedrigt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Durchführung des Schwitzprozesses, wobei eine an H2O2 angereicherte Fraktion in der Kristallschicht verbleibt und minder konzentriertes Wasserstoffperoxid als Schmelze abtropft, die Temperatur des Kühlmediums innerhalb eines Zeitraums von 1 bis 10 Stunden auf einen Wert im Bereich von 5 K unterhalb bis 5 K oberhalb, insbesondere 5 bis 1 K unterhalb des Schmelzpunktes des H2O2-Produktes erhöht.
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