DE1949129B2 - Vorrichtung zur elektrochemischen Entfernung von Verunreinigungen aus wäßrigen Flüssigkeiten - Google Patents
Vorrichtung zur elektrochemischen Entfernung von Verunreinigungen aus wäßrigen FlüssigkeitenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art
Derartige Vorrichtungen sind bekannt (DE-AS 11 93 920, DE-PS 8 83 888) und dienen z.B. dazu, aus
Abwässern Cyanide zu entfernen oder dispergierte Feststoffe auszuscheiden.
Bei einer üblichen elektrolytischen Zelle wird der gesamte Strom durch die Wanderung der in Lösung
befindlichen Ionen bewirkt An der Anode werden Elektronen an die Elektrode abgegeben, und es erfolgt
eine Oxidation. An der Kathode werden Elektronen aus der Elektrode entnommen, und es erfolgt eine
Reduktion. Auf diese Weise wirken die Elektroden als katalytische Flächen, an denen eine elektrochemische
Reaktion stattfindet Bei einer bestimmten Spannung zwischen den Elektroden nimmt die Größe des die
Lösung durchsetzenden Stroms mit abnehmender Ionenkonzentration ebenfalls ab, d. h, um einen im
wesentlichen konstanten Elekitronenfluß aufrechtzuerhalten, müßte man bei Abnahme der Ionenkonzentration den Abstand zwischen den Elektroden verringern,
was jedoch im allgemeinen unzweckmäßig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
genannten Art so auszubilden, daß die Entfernung von Verunreinigungen aus wäßrigen Flüssigkeiten mit
einem gegenüber den bekannten Vorrichtungen erhöhten Wirkungsgrad durchführbar ist.
Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Elektroden in
einem Packungsbett aus Kohleteilchen, die gleichförmig langgestreckt zylindrisch sind oder eine unregelmäßig
körnige Form haben, in unmittelbaren Kontakt mit den Betteilchen angebracht sind, wobei die Teilchen einen
Durchmesser von mindestens 1 mm besitzen.
Die Vorrichtung nach der Erfindung weist einen einfachen und gedrängten Aufbau auf und kann mit
relativ geringen Kosten verwirklicht werden. Gegenüber bekannten Vorrichtungen erhält man bei der
Vorrichtung nach der Erfindung bei sonst gleichen Verhältnissen eine sehr viel schnellere Abnahme der
Konzentration der in Lösung befindlichen Ionen.
Beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich ein elektrischer Stromweg von verhältnismäßig niedrigem Wider
stand in dem Bett, wobei sich eine Polarisierung der einzelnen das Bett bildenden Teilchen ergibt so daß
eine Vielzahl positiver und negativer Stellen innerhalb des Betts gebildet wird. Wenn eine Lösung oder eine
feuchte Gasströmung, die Metallionen enthält, durch das elektrisch geladene Bett geleitet wird oder in
dasselbe eingeführt wird, so ergibt sich eine elektrochemische Reaktion an jeder der Polstellen, wodurch
positiv geladene Ionen reduziert werden und an den
ίο negativ geladenen Enden der das Bett bildenden
Teilchen abgelagert werden. Sofern Metallionen vorhanden sind, werden sie in dem Behälter ausgefällt
infolge der Reaktion mit anderen Ionen, deren Konzentration durch die elektrochemische Reaktion
beeinflußt wird. Auf diese Weise wird die Konzentration an Metallionen der Lösung oder des Gasstroms bis auf
ein sehr geringes Niveau reduziert Häufig ergibt es sich, daß Lösungen Verunreinigungen in Form von Cyaniden
oder ähnlichen oxidierbaren Ionen wie Halogeniden
aufweisen, und in diesem Fall werden die oxidierenden
Eigenschaften der positiv geladenen Enden der Teilchen des Bettes gleichzeitig für die Oxidation und die
Zerlegung bzw. Entfernung derartiger Ionen genutzt, so daß ihre Konzentration sich auf einen sehr geringen
Das bei der Vorrichtung verwendete Bett kann regeneriert werden, wobei das aus der Lösung
stammende Metall wiedergewonnen wird.
Die Vorteü.2 der Vorrichtung beruhen maßgeblich auf
den folgenden beiden Faktoren. Erstens wird die Elektronenströmung im wesentlichen durch den Gesamtwiderstand des Teilchenbetts bedingt, so daß sich
eine Unabhängigkeit von der Konzentration und dem Widerstand der elektrolytischen Flüssigkeit selbst
ergibt Zweitens wird das Problem der Ionenwanderung von Elektronen abgebenden Stellen zu Elektronen
aufnehmenden Stellen dadurch überwunden, daß eine Vielzahl von entgegengesetzt geladenen Stellen in dem
Bett vorhanden ist aufgrund von entgegengesetzt
geladenen Stellen jedes Betteilchens. Damit wird die
Anzahl der katalytischen Stellen, an denen ein Elektronenaustausch mit den Ionen der Lösung erfolgen
kann, vervielfacht im Vergleich mit der Zahl, die sich bei üblichen elektrolytischen Zellen ergibt
Die Erfindung wird anhand der Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Figuren erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Ansicht der Vorrichtung nach der Efindung, wobei der bei Anlegen einer
Spannung an die Elektroden an jedem Betteilchen
so auftretende Bipolar-Effekt veranschaulicht ist;
F i g. 2 die Cyanidkonzentration in Abhängigkeit der Zeit bei einer bekannten elektrolytischen Vorrichtung;
Fig.3 eine in Fig.2 ähnliche Darstellung des
entsprechenden Vorgangs bei der Vorrichtung nach der
Erfindung;
F i g. 4 eine schematische Darstellung eines Teilchens des Betts nach Benutzung für die Behandlung einer
Metallionen enthaltenden Lösung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei der Metallniederschlag an
dem kathodischen Ende des Teilchens gezeigt ist;
F i g. 5 eine Darstellung des Gehalts an sechswertigen Chromionen in Abhängigkeit von der Zeit, wobei für
gleiche Lösungen zwei verschiedene Formen der das Bett bildenden Teilchen verwendet sind;
F i g. 6 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Konzentration an sechswertigen Chromionen von
der Zeit, wobei bei gleicher Form der Teilchen unterschiedliche Teilchengrößen verwendet sind; und
Fig.7 eine graphische Darstellung der an den Elektroden zur Einwirkung gebrachten Spannung in
Abhängigkeit von der Zeit, die erforderlich ist, um den
Gehalt an sechswertigem Chrom von einer Anfangskonzentration von 175 ppm auf einen nicht feststellbaren
Wert zu reduzieren.
Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß die Abstände, die die verschiedenen Ionen in der Lösung zurücklegen müssen,
um einen katalytisch wirksamen Ort zu erreichen, relativ gering sind. In F i g. 1 ist zur vereinfachten
Darstellung nur eine einzige Schicht eines Packungsbetts dargestellt; unter praktischen Verhältnissen kann
das Packungsbett aus einer großen Anzahl solcher Schichten bestehen, die in einfacher Weise durch
beliebiges Aufeinanderschichten rings um die Elektroden hergestellt werden. Es ergibt sich in den einzelnen
das Packungsbett bildenden Teilchen eine Bipolarität, d.h. entgegengesetzte Stellen der Teilchen nehmen
entgegengesetzte elektrische Ladungen an, wie durch die Plus- und Minuszeichen in F i g. 1 angegeben ist.
Die Diagramme der F i g. 2 und 3 beziehen sich auf die Behandlung einer typischen verdünnten Cyan-Natrium-Lösung,
wie sie als Abwasser in der metallverarbeitenden Industrie auftritt F i g. 2 gibt die Verhältnisse
wieder, die bei einer üblichen elektrolytischen Zelle auftreten. Es wurden Stahlelektroden mit niedrigem
Kohlenstoffgehalt verwendet, was sich dadurch günstig auswirkt, daß die anodische Reaktion mit dem Cyanid
der Lösung zur Bildung eines Ferricyanids führt, was günstig für die Reduktion des freien Cyanids ist Eine
starke anodische Korrosion bestätigt dies. Es ist jedoch zu beachten, daß etwa 12 Tage erforderlich waren, um
die Cyanid-Anfangskonzentration von 6000 ppm auf einen nicht erfaßbaren Wert zu bringen, wobei sich
zunächst eine schnelle Abnahme der Cyanidkonzentration ergab, die Kurve jedoch dann asymptotisch verlief,
so daß zunehmend längere Zeitspannen erforderlich waren, um die Cyanidionenkonzentration zu reduzieren,
während diese eich dem gewünschten Nullpegel näherte.
Demgegenüber zeigt F i g. 3 die Behandlung eines Abwassers mit Cyanidverunreinigung mit einer Cyanid-Anfangskonzentration
von 6000 ppm in der Vorrichtung nach der Erfindung. Es waren insgesamt nur 30 min
erforderlich, um die Cyanidkonzentration auf einen nicht erfaßbaren Wert zu bringen. Dabei wurden
Graphitelektroden verwendet im Gegensatz zu den zuvor verwendeten Stahlelektroden; da Graphitelektroden
nicht lösbar sind, konnten sie nicht durch chemische Reaktion zur Beseitigung des Cyanids beitragen. Die
Feststoffteilchen des Betts bestanden aus unregelmäßig geformten Kohlekörnern.
Es ist zu beachten, daß die Abnahme der Ionenkonzentration der Lösung im Fall der bekannten Zelle nach
Fig.2 bereits bei 500-1000ppm asymptotisch wurde
und daß danach die Entfernung von Ionen sehr langsam vor sich ging. Im Fall der F i g. 3 waren insgesamt nur 8
min erforderlich, um eine Verringerung der Ionenkonzentration von 500 ppm auf Null zu erreichen. Bei diesen
geringen Konzentrationen wirkt sich die Erfindung besonders stark aus, wobei zu beachten ist, daß dieses
Konzentrationsniveau charakteristisch für zu behandelnde Abwässer ist. Daraus wird deutlich, warum eine
Elektrolyse von verdünnten Cyanidlösungen in üblichen elektrolytischen Zellen bisher nicht zufriedenstellend
gewesen ist.
Bei einer praktischen Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde ein Tank mit 4551 Inhalt
verwendet, in dem sich 160 kg Kohlepreßlinge mit einem Durchmesser von 1,98 mm als Packungsbett
befanden. Eine Cyan-Natrium-Lösung mit einer Konzentration von 100 ppm wurde mit einer Geschwindigkeit
von 223 l/min durch den Tank geschickt, was
10,6 l/m2/min äquivalent ist Es wurden Graphitelektroden
verwendet, die einen Abstand von 0,6 m und eine Elektrodenoberfläche von etwa 2,8 m2 hatten. Die zur
Wirkung gebrachte elektromotorische Kraft war 9 V
ίο bei 400A Stromstärke. Unter diesen Bedingungen
wurde der Cyanidgehalt der zugeführten Flüssigkeit auf weniger als 0,1 ppm in der ausströmenden Flüssigkeit
reduziert Gegenüber einem alkalischen Chlorierungsbad für Cyanide, das derzeit die besten Ergebnisse
liefert, bedeutet dies 15-20 χ niedrigere Kosten.
Wenn sich in der Lösung nur Cyanid befindet, z. B. Cyan-Natrium, so werden die Cyanidionen in Kohlensäure
und Sauerstoff umgewandelt, die beide als Gas entweichen. Gleichzeitig werden die Natriumionen der
Lösung vorübergehend in metallisches Natrium umgewandelt, das wahrscheinlich sofort mit dem Wasser
reagiert und Kohlensäure und Natriumkarbonat und eventuell etwas Wasserstoff liefert Die sich ergebende,
von Cyaniden freie Lösung hat einen pH-Wert von 6 — 10, was durchaus ein Weggießen gestattet
Wenn sich in der Lösung auch Schwermetallionen befinden, z. B. in Form von Zinkcyanid zusammen mit
Natriumcyanid und Natriumhydroxid, was bei den Abwässern von elektrischen Verzinkereianlagen der
Fall ist, wird das Zink aus der Lösung in metallischer Form an der Kathode sowie an dem kathodischen Teil
der stromleitenden Feststoffteilchen des Betts abgeschieden (vgl. F i g. 4). Ferner wird Zink als Zinkhydroxid
aufgrund der Reaktion ausgefällt. Wiederum ergibt sich eine anodische Oxidation des Cyanids, was in einer
Lösung resultiert, die weder Zink noch Cyanidverunreinigung enthält.
Eine ähnliche Entfernung anderer Metallionen einschließlich Silber, Eisen, Kupfer, Nickel, Cadmium,
Chrom und Magnesium erfolgt, wenn diese Stoffe in der Ausgangslösung vorhanden sind. Solche Metalle werden
ebenfalls an den kathodischen Teilen der das Bett bildenden Feststoffteilchen und an der Kathode
abgeschieden.
Der Übergangswiderstand der Teilchen im Packungsbett muß ausreichend hoch sein, damit sich kein direkter
Kurzschluß der Elektroden ergibt. Andererseits soll der Widerstand nicht so hoch sein, daß übermäßig hohe
Spannungen benötigt werden, um den erforderlichen Stromfluß zu erzielen und den einzelnen Teilchen des
Betts bipolaren Charakter zu geben. Als Kohleteilchen werden zweckmäßigerweise Kohle selbst, Holzkohle,
Graphit und gepreßte Kohlekörper verwendet
Sowohl die Größe als auch die Form der Feststoffteilchen wirkt sich auf die Arbeitsweise der Vorrichtung
aus. Dies zeigt der Vergleich, der mit einer bei der Verchromung anfallenden Lösung stattfand, die sechswertiges
Chrom enthielt, wobei Kohlekörner mit einem Durchmesser von mindestens 1 mm und einer unregelmäßigen
Form verwendet wurden, während in einem zweiten Fall aus pulverisierter Kohle hergestellte
zylindrische Kohlepreßlinge von gleicher Form und Größe verwendet wurden. In F i g. 5 ist ein Vergleich
dieser beiden Packungsbetten unter gleichen Versuchs-
65" bedingungen dargestellt. Es zeigt sich, daß die
Kohlepreßlinge weit wirksamer in Bezug auf die Entfernung der verunreinigenden Ionen waren. Ausgegangen
wurde von einer Lösung, die als Verunreinigung
sechswertiges Chrom in einer Konzentration von 600 ppm enthielt Es war etwa 1 h erforderlich, um bei
Anwendung von Kohlekörnern von unregelmäßiger Form den Chromgehalt auf einen nicht mehr erfaßbaren
Wert zu bringen. Bei Verwendung von gleichförmigen langgestreckten zylindrischen Preßlingen ergab sich
dagegen, daß nur 6 min erforderlich waren. Dieser Unterschied ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen,
daß, wenn das Bett von gleichmäßigen säulenförmigen Teilchen gebildet wird, der Bipolar-Effekt im Packungs- to
bett sich besser ausbildet, d. h. daß sich eine größere Anzahl Reaktionsenden ergibt, als wenn es sich um
beliebig unregelmäßig geformte Teilchen handelt.
Der Einfluß der Teilchengröße auf die Wirkungsweise der Vorrichtung ergibt sich aus dem Vergleich, der mit
Kohlepreßlingen von drei verschiedenen Größen durchgeführt wurde und in F i g. 6 wiedergegeben ist. Es
handelte sich wieder um eine Standardlösung, die sechswertiges Chrom als Verunreinigung enthielt, und
die Versuche wurden mit Packungsbetten durchgeführt, die aus Kohlepreßlingen mit dem Durchmesser
0,98 mm, 1,88 mm und 2,81mm bestanden, wobei in jedem Fall das Verhältnis zwischen Länge und
Durchmesser 3:1 war. Das Ergebnis war, daß die
Preßlinge mittlerer Größe, d. h. mit 1,88 mm Durchmesser, die besten Ergebnisse lieferten. Die Erklärung für
diese Erscheinung liegt wahrscheinlich darin, daß sich bei der kleinsten Preßlinggröße ein Packungsbett ergibt,
das verhältnismäßig dicht ist und dementsprechend einen sehr niedrigen Gesamtwiderstand zwischen den
Elektroden bietet Aus diesen Gründen ist der Stromfluß relativ hoch, und es ergibt sich eine beträchtliche
Wärmeentwicklung in der Lösung infolge des starken Wattverbrauchs. Es ist ferner anzunehmen, daß die
dichte Packung und damit der geringe Kontaktwiderstand die Anzahl der sich ergebenden Bipolaritäten
verringert
Andererseits liefern sehr große Preßlinge ein Packungsbett, das einen relativ hohen Widerstand
zwischen den Elektroden zur Folge hat, wodurch der «o
Stromfluß durch das Bett verringert wird. Für dasselbe Volumen des Betts liefern daher die größeren Preßlinge
geringere Möglichkeiten für bipolare Teilchen.
Außer dem Vorteil der niedrigen Kosten von Kohleteilchen für das Packungsbett haben derartige
Stoffe auch den Vorteil, daß sie praktisch inert sind in Bezug auf Reaktion mit der Lösung. Ein weiterer Vorteil
wird durch die Verwendung von Aktivkohle erreicht, was sich aus dem hohen Adsorptionsvermögen in bezug
auf organische Stoffe ergibt; das Packungsbeti; kann in
diesem Fall auch als mechanisches Filter in bezug auf organische Verunreinigungen in der Lösung wirken.
Ferner ergibt sich die Möglichkeit, daß man nicht nur das Bett selbst wiederverwenden, sondern daß man
auch die an den Teilchen niedergeschlagenen Metalle wiedergewinnen kann. Wenn es sich z. B. um eine
Anlage handelt, bei der das Wasser gereinigt werden soll, das bei der Verkupferung anfällt, so bilden sich die
abgeschiedenen Metalle an den kathodischen Enden der das Packungsbett bildenden Teilchen, bis sich eine
metallische Ablagerung in solchem Umfang ergeben hat, daß dadurch die Wirksamkeit des Packungsbetts
beeinträchtigt wird; dann kann man das Bett aus dem Tank nehmen und in einen geeigneten Behälter
einbringen und anodisch in einem Verkupferungsbad verwenden. Das abgeschiedene Kupfer wird dann in
dem Verkupferungsbad wieder aufgelöst und nochmals für die Verkupferung verwendet.
Reduzierte abgeschiedene Metalle können auch von den Teilchen des Packungsbetts durch Anwendung
eines geeigneten oxidierenden Mittels, beispielsweise einer starken Säure gelöst werden und aufgesammelt
werden für die Zwecke weiterer Benutzung. Eine solche Verwendung kann innerhalb des ursprünglichen Behandlungsgefäßes
selbst erfolgen oder in einer zusätzlichen Vorrichtung, wenn man die Teilchen zuvor aus
dem Reinigungstank entfernt.
Die Materialauswahl für die Elektroden ist nicht kritisch, im vorliegenden Fall ist jedoch die Verwendung
sich nicht auflösender Elektrodenmaterialien zweckmäßig, damit eine weitere Verunreinigung vermieden wird.
Graphitelektroden arbeiten sehr gut, sind billig und stehen leicht zur Verfugung. Die Erfahrung hat gezeigt,
daß man sowohl parallel ebene Elektroden als auch konzentrische kreisförmige Elektroden verwenden
kann. Die tatsächliche Bestimmung des optimalen Elektrodenabstands erfordert im allgemeinen etwas
Ausprobieren, man hat jedoch durch die Betrachtung einen gewissen Anhaltspunkt, insofern als man das Maß
und die Vollständigkeit der Bedeckung der Kathodenenden der das Packungsbett bildenden Teilchen mit
reduziertem Material beobachtet.
Das wesentliche Kriterium für die Ausbildung eines optimalen bipolaren Effekts innerhalb des Packungsbetts wurde bereits erwähnt und diese optimale
Ausbildung hängt von einer Reihe von Faktoren ab, unter denen sich auch die Teilchengröße und der
Abstand zwischen den Elektroden und die Anzahl der Elektroden und die zur Anwendung gebrachte Spannung
befinden. Man kann jedoch hinsichtlich dieser Parameter innerhalb beträchtlicher Grenzen schwanken.
Wünschenswert ist eine Gleichspannung von 6 bis 18 V an den Elektroden und eine Stromdichte an den
Elektroden bis zu 2100 A/m2. Offenbar läßt sich der bipolare Effekt auch bei Spannungen erreichen, die
wesentlich höher liegen. Dies hängt ab von der Natur der zu behandelnden Flüssigkeit und ihrem ursprünglichen
Gehalt an Verunreinigungen, aber hängt auch ab von den Strömungsgeschwindigkeiten, der Elektrodengröße,
deren Abstand, der Größe und des Widerstands des Packungsbetts und deren Teilchen. Es ist nicht
erforderlich, daß beide Elektroden die gleiche Größe haben und mit der gleichen Stromdichtigkeit an der
Kathode arbeiten. Es kann beispielsweise die eine Elektrode eine sehr viel größere Fläche haben.
Eine Vorstellung von dem Einfluß der Änderung der Betriebsspannung erhält man aus Fig.7, in der die
Elektrodenspannung in Abhängigkeit der Zeit aufgetragen ist, die erforderlich ist, um 175 ppm sechswertiger
Chromiongehaltes aus der Lösung vollständig zu entfernen. In diesem Fall fanden unregelmäßig geformte
Kohlekörner als Material für das Packungsbett Anwendung. Bei einer niedrigen Spannung wird die Zeit, die
zur vollständigen Entfernung erforderlich ist, außerordentlich
hoch, während bei Spannungen oberhalb 12 \ nur eine geringe Zeitabnahme erfolgt, die im allgemeinen
die Anwendung höherer Leistungen nicht rechtfertigt. Die best: Arbeitsweise ergibt sich bei einer
Gleichspannung zwischen 8 bis 10 V.
Eine kontinuierliche Strömung, bei der die verunreinigte Lösung an einer Stelle in das Gefäß eintritt und
kontinuierlich über das Packungsbett zwischen der Elektroden fließt, so daß sich eine Entladung ergibt
bewirkt an und für sich eine hinreichende Bewegung dei Flüssigkeitsteilchen.
Die erfindungsgemäße Anlage erwies sich erfolgreich
für die Beseitigung von Silber, Eisen, Kupfer, Nickel, Zink, Cadmium, Chrom und Magnesium-Kationen. Es
wurde bereits darauf verwiesen, daß man unter Umständen eine selektive Entfernung gewisser dieser
Metalle gegenüber anderen Metallen erreichen kann, wenn die verschiedenen Metallbeimischungen zueinander
auftreten, und zwar durch entsprechende Änderung des Elektrodenpotentials und des Stromflusses durch
das Packungsbett. Aufeinanderfolgend können in Kaskadenart mehrere Packungsbetten oder deren Teile
und zugehörige Elektroden angeordnet werden, um eine selektive Ionenbeseitigung an unterschiedlichen Stellen
des Strömungsweges der zu behandelnden Flüssigkeit zu erhalten. Es wurde bereits darauf verwiesen, daß mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung Cyanide und Halogenionen entfernbar sind.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Vorrichtung zur elektrochemischen Entfernung von Verunreinigungen aus wäßrigen Flüssigkeiten,
mit einem Behälter, in dem zwei Elektroden mit Abstand voneinander angeordnet sind, mit einem
Einlaß für die wäßrige Flüssigkeit und mit einem Auslaß für die gereinigte Flüssigkeit, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektroden in einem Packungsbett aus Kohleteilchen, die gleichförmig
langgestreckt zylindrisch sind oder eine unregelmäßig körnige Form haben, im unmittelbarem Kontakt
mit den Betteilchen gebracht sind, wobei die Teilchen einen Durchmesser von mindestens 1 mm
besitzen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohleteilchen einen Durchmesser
von 1 —3 mm, vorzugsweise 2 mm, haben und das Verhältnis von Durchmesser zu Länge 3 :1 ist
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