JP2018202404A - 揮発性有機物質用触媒構造体及びその製造方法ならびに揮発性有機物質除去装置 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、
前記担体に内在する少なくとも1つの、金属酸化物からなる揮発性有機物質酸化触媒と、を備え、
前記担体が、互いに連通する通路を有し、
前記揮発性有機物質酸化触媒が、前記担体の少なくとも前記通路に存在していることを特徴とする揮発性有機物質用触媒構造体。
[2]前記通路は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部を有し、かつ
前記揮発性有機物質酸化触媒が、少なくとも前記拡径部に存在していることを特徴とする、上記[1]に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
[3]前記拡径部は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通している、上記[2]に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
[4]前記揮発性有機物質酸化触媒は、金属酸化物微粒子であることを特徴とする、上記[2]又は[3]に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
[5]前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、前記通路の平均内径よりも大きく、且つ前記拡径部の内径以下であることを特徴とする、上記[4]に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
[6]前記金属酸化物微粒子の金属元素(M)が、前記揮発性有機物質用触媒構造体に対して0.5〜2.5質量%で含有されていることを特徴とする、上記[5]に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
[7]前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、0.1nm〜50nmであることを特徴とする、上記[4]〜[6]のいずれか1つに記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
[8]前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、0.5nm〜14.0nmであることを特徴とする、上記[7]に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
[9]前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、0.06〜500であることを特徴とする、上記[4]〜[8]のいずれか1つに記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
[10]前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、0.1 〜36であることを特徴とする、上記[9]に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
[11]前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、1.7〜4.5であることを特徴とする、上記[10]に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。[12]前記通路の平均内径は、0.1nm〜1.5nmであり、
前記拡径部の内径は、0.5nm〜50nmであることを特徴とする、上記[2]〜[11]のいずれか1つに記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
[13]前記担体の外表面に保持された少なくとも1つの他の揮発性有機物質酸化触媒を更に備えることを特徴とする、上記[1]〜[12]のいずれか1つに記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
[14]前記担体に内在する前記少なくとも1つの揮発性有機物質酸化触媒の含有量が、前記担体の外表面に保持された前記少なくとも1つの他の揮発性有機物質酸化触媒の含有量よりも多いことを特徴とする、上記[13]に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
[15]前記ゼオライト型化合物は、ケイ酸塩化合物であることを特徴とする、上記[1]〜[14]のいずれか1つに記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
[16]上記[1]〜[15]のいずれか1つに記載の揮発性有機物質用触媒構造体を有する、揮発性有機物質除去装置。
[17]ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)に金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成する焼成工程と、
前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理する水熱処理工程と、
を有することを特徴とする揮発性有機物質用触媒構造体の製造方法。
[18]前記焼成工程の前に、非イオン性界面活性剤を、前記前駆体材料(A)に対して50〜500質量%添加することを特徴とする、上記[17]に記載の揮発性有機物質用触媒構造体の製造方法。
[19]前記焼成工程の前に、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を複数回に分けて添加することで、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させることを特徴とする、上記[17]又は[18]に記載の揮発性有機物質用触媒構造体の製造方法。
[20]前記焼成工程の前に前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させる際に、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液の添加量を、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前記前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算して、10〜1000となるように調整することを特徴とする、上記[17]〜[19]のいずれか1つに記載の揮発性有機物質用触媒構造体の製造方法。
[21]前記水熱処理工程において、前記前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合することを特徴とする、上記[17]に記載の揮発性有機物質用触媒構造体の製造方法。
[22]前記水熱処理工程が塩基性雰囲気下で行われることを特徴とする、上記[17]に記載の揮発性有機物質用触媒構造体の製造方法。
図1は、本発明の実施形態に係る揮発性有機物質用触媒構造体の構成を概略的に示す図であり、(a)は斜視図(一部を横断面で示す。)、(b)は部分拡大断面図である。なお、図1における揮発性有機物質用触媒構造体は、その一例を示すものであり、本発明に係る各構成の形状、寸法等は、図1のものに限られないものとする。
また、拡径部12は、上記一次元孔、上記二次元孔及び上記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔11a,11a同士を連通しているのが好ましい。これにより、担体10の内部に、一次元孔、二次元孔又は三次元孔とは異なる別途の通路が設けられるので、金属酸化物微粒子20の機能をより発揮させることができる。
また、拡径部12の内径DEは、例えば0.5nm〜50nmであり、好ましくは1.1nm〜40nm、より好ましくは1.1nm〜3.3nmである。拡径部12の内径DEは、例えば後述する前駆体材料(A)の細孔径、及び存在する金属酸化物微粒子20の平均粒径DCに依存する。拡径部12の内径DEは、金属酸化物微粒子20が存在し得る大きさである。
また、揮発性有機物質酸化触媒20が金属酸化物微粒子である場合、金属酸化物微粒子の金属元素(M)は、揮発性有機物質用触媒構造体1に対して0.5〜2.5質量%で含有されているのが好ましく、揮発性有機物質用触媒構造体1に対して0.5〜1.5質量%で含有されているのがより好ましい。例えば、金属元素(M)がCoである場合、Co元素の含有量(質量%)は、[(Co元素の質量)/(揮発性有機物質用触媒構造体1の全元素の質量)]×100で表される。
揮発性有機物質用触媒構造体1は、上記のとおり、多孔質構造の担体10と、担体に内在する少なくとも1つの金属酸化物微粒子20とを備える。揮発性有機物質用触媒構造体1は、担体に内在する金属酸化物微粒子20が流体と接触することにより、金属酸化物微粒子20の触媒活性に応じた触媒能を発揮する。具体的に、揮発性有機物質用触媒構造体1の外表面10aに接触した流体は、外表面10aに形成された孔11aから担体10内部に流入して通路11内に誘導され、通路11内を通って移動し、他の孔11aを通じて揮発性有機物質用触媒構造体1の外部へ出る。流体が通路11内を通って移動する経路において、通路11に存在する金属酸化物微粒子20と接触することによって、金属酸化物微粒子20の触媒活性に応じた反応が生じる。また、揮発性有機物質用触媒構造体1は、担体が多孔質構造であることにより、分子篩能を有する。
図3は、図1の揮発性有機物質用触媒構造体1の製造方法を示すフローチャートである。以下、担体に内在する触媒物質が金属酸化物微粒子である場合を例に、揮発性有機物質用触媒構造体の製造方法の一例を説明する。
図3に示すように、先ず、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)を準備する。前駆体材料(A)は、好ましくは規則性メソ細孔物質であり、揮発性有機物質用触媒構造体の担体を構成するゼオライト型化合物の種類(組成)に応じて適宜選択できる。
次に、準備した前駆体材料(A)に、金属含有溶液を含浸させ、前駆体材料(B)を得る。
次に、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)に金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成して、前駆体材料(C)を得る。
次いで、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製し、前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理して、揮発性有機物質用触媒構造体を得る。
また、本実施形態では、上記水熱処理工程において、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製して、前駆体材料(C)を水熱処理しているが、これに限らず、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合すること無く、前駆体材料(C)を水熱処理してもよい。
図4は、図1の揮発性有機物質用触媒構造体1の変形例を示す模式図である。
図1の揮発性有機物質用触媒構造体1は、担体10と、担体10に内在する金属酸化物微粒子20とを備える場合を示しているが、この構成だけには限定されず、例えば、図4に示すように、揮発性有機物質用触媒構造体2が、担体10の外表面10aに保持された、揮発性有機物質酸化触媒物質である他の金属酸化物微粒子30を更に備えていてもよい。
[前駆体材料(A)の合成]
シリカ剤(テトラエトキシシラン(TEOS)、和光純薬工業株式会社製)と、鋳型剤としての界面活性剤とを混合した混合水溶液を作製し、適宜pH調整を行い、密閉容器内で、80〜350℃、100時間、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水およびエタノールで洗浄し、さらに600℃、24時間、空気中で焼成して 、表1〜8に示される種類および孔径の前駆体材料(A)を得た。なお、界面活性剤は、前駆体材料(A)の種類に応じて(「前駆体材料(A)の種類:界面活性剤」)以下のものを用いた。
・MCM−41:ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)(和光純薬工業株式会社製)
・SBA−1:Pluronic P123(BASF社製)
次に、表1〜8に示される種類の金属酸化物微粒子を構成する金属元素(M)に応じて、該金属元素(M)を含有する金属塩を、水に溶解させて、金属含有水溶液を調製した。なお、金属塩は、金属酸化物微粒子の種類に応じて(「金属酸化物微粒子:金属塩」)以下のものを用いた。
・CoOx:硝酸コバルト(II)六水和物(和光純薬工業株式会社製)
・NiOx:硝酸ニッケル(II)六水和物(和光純薬工業株式会社製)
・FeOx:硝酸鉄(III)九水和物(和光純薬工業株式会社製)
・CuOx:硝酸銅(II)三水和物(和光純薬工業株式会社製)
上記のようにして得られた前駆体材料(C)と、表1〜8に示す構造規定剤とを混合して混合水溶液を作製し、密閉容器内で、80〜350℃、表1〜8に示すpHおよび時間の条件で、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水洗し、100℃で12時間以上乾燥させ、さらに600℃、24時間、空気中で焼成して、表1〜8に示す担体と触媒物質としての金属酸化物微粒子とを有する触媒構造体を得た(実施例1〜384)。
比較例1では、MFI型シリカライトに平均粒径50nm以下の酸化コバルト粉末(II,III)(シグマ アルドリッチ ジャパン合同会社製)を混合し、担体としてのシリカライトの外表面に、揮発性有機物質酸化触媒物質として酸化コバルト微粒子を付着させた触媒構造体を得た。MFI型シリカライトは、金属を添加する工程以外は、実施例52〜57と同様の方法で合成した。
比較例2では、酸化コバルト微粒子を付着させる工程を省略したこと以外は、比較例1と同様の方法にてMFI型シリカライトを合成した。
上記実施例の触媒構造体、比較例のシリカライトについて、以下に示す条件で、各種特性評価を行った。
上記実施例の触媒構造体および比較例1の酸化コバルト微粒子付着シリカライトについて、粉砕法にて観察試料を作製し、透過電子顕微鏡(TEM)(TITAN G2、FEI社製)を用いて、断面観察を行った。その結果、上記実施例の触媒構造体では、シリカライトまたはゼオライトからなる担体の内部に触媒物質が内在し、保持されていることが確認された。一方、比較例1のシリカライトでは、触媒物質が担体の外表面に付着しているのみで、担体の内部には存在していなかった。
また、上記実施例のうち金属酸化物が酸化鉄微粒子(FeOx)である触媒構造体について、FIB(集束イオンビーム)加工により断面を切り出し、SEM(SU8020、日立ハイテクノロジーズ社製)、EDX(X−Max、堀場製作所製)を用いて断面元素分析を行った。その結果、担体内部からFe元素が検出された。
上記TEMとSEM/EDXによる断面観察の結果から、担体内部に酸化鉄微粒子が存在していることが確認された。
上記評価[A]で行った断面観察により撮影したTEM画像にて、担体の通路を、任意に500個選択し、それぞれの長径および短径を測定し、その平均値からそれぞれの内径を算出し(N=500)、さらに内径の平均値を求めて、担体の通路の平均内径DFとした。また、触媒物質についても同様に、上記TEM画像から、触媒物質を、任意に500個選択し、それぞれの粒径を測定して(N=500)、その平均値を求めて、触媒物質の平均粒径DCとした。結果を表1〜8に示す。
また、触媒物質の平均粒径及び分散状態を確認するため、SAXS(小角X線散乱)を用いて分析した。SAXSによる測定は、Spring−8のビームラインBL19B2を用いて行った。得られたSAXSデータは、Guinier近似法により球形モデルでフィッティングを行い、粒径を算出した。粒径は、金属酸化物が酸化鉄微粒子である触媒構造体について測定した。また、比較対象として、市販品である酸化鉄微粒子(Wako製)をSEMにて観察、測定した。
この結果、市販品では粒径約50nm〜400nmの範囲で様々なサイズの酸化鉄微粒子がランダムに存在しているのに対し、TEM画像から求めた平均粒径が1.2nm〜2.0nmの各実施例の触媒構造体では、SAXSの測定結果においても粒径が10nm以下の散乱ピークが検出された。SAXSの測定結果とSEM/EDXによる断面の測定結果から、担体内部に、粒径10nm以下の触媒物質が、粒径が揃いかつ非常に高い分散状態で存在していることが分かった。
原子数比Si/M=50,100,200,1000(M=Co、Ni、Fe、Cu)の添加量で、金属酸化物微粒子を担体内部に包接させた触媒構造体を作製し、その後、上記添加量で作製された触媒構造体の担体内部に包接された金属量(質量%)を測定した。尚、本測定において原子数比Si/M=100,200,1000の触媒構造体は、それぞれ実施例1〜384のうちの原子数比Si/M=100,200,1000の触媒構造体と同様の方法で金属含有溶液の添加量を調整して作製し、原子数比Si/M=50の触媒構造体は、金属含有溶液の添加量を異ならせたこと以外は、原子数比Si/M=100,200,1000の触媒構造体と同様の方法で作製した。
金属量の定量は、ICP(高周波誘導結合プラズマ)単体か、或いはICPとXRF(蛍光X線分析)を組み合わせて行った。XRF(エネルギー分散型蛍光X線分析装置「SEA1200VX」、エスエスアイ・ナノテクノロジー社製)は、真空雰囲気、加速電圧15kV(Crフィルター使用)或いは加速電圧50kV(Pbフィルター使用)の条件で行った。
担体と触媒物質とを備える上記実施例の触媒構造体および比較例のシリカライトについて、触媒物質がもつ触媒能(性能)を評価した。結果を表1〜8に示す。
触媒活性は、以下の条件で評価した。
まず、触媒構造体を、常圧流通式反応装置に0.2g充填し、窒素ガス(N2)をキャリアガス(5ml/min)とし、400℃、2時間、 トルエン(VOCのモデル物質)ガスの分解反応を行った。
反応終了後に、回収した生成ガスを、ガスクロマトグラフィー質量分析法(GC/MS)により成分分析した。なお、生成ガスの分析装置には、TRACE 1310GC(サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製、検出器:熱伝導度検出器)を用いた。
さらに、上記成分分析の結果に基づき、トルエンよりも分子量が小さい化合物(具体的には、CO2、CO、HCOH等)の収率(mol%)を求めた。上記化合物の収率は、反応開始前のトルエンの物質量(mol)に対する、生成ガス中に含まれるトルエンよりも分子量が小さい化合物の物質量の総量(mol)の百分率(mol%)として算出した。
本実施例では、生成ガス中に含まれるトルエンよりも分子量が小さい化合物の収率が、80mol%以上である場合を触媒活性(分解能)が優れていると判定して「◎」、50mol%以上80mol%未満である場合を触媒活性が良好であると判定して「○」、20mol%以上50mol%未満である場合を触媒活性が良好ではないものの合格レベル(可)でありと判定して「△」、そして20mol%未満である場合を触媒活性が劣る(不可)と判定して「×」とした。
耐久性は、以下の条件で評価した。
まず、上記評価(1)で使用した触媒構造体を回収し、650℃で、12時間加熱して、加熱後の触媒構造体を作製した。次に、得られた加熱後の触媒構造体を用いて、上記評価(1)と同様の方法により、トルエン(VOCのモデル物質)ガスの分解反応を行い、さらに上記評価(1)と同様の方法で、生成ガスの成分分析を行った。
得られた分析結果に基づき、上記評価(1)と同様の方法で、トルエンよりも分子量が小さい化合物の収率(mol%)を求めた。さらに、加熱前の触媒構造体による上記化合物の収率(上記評価(1)で求めた収率)と比較して、加熱後の触媒構造体による上記化合物の収率が、どの程度維持されているかを比較した。具体的には、加熱前の触媒構造体による上記化合物の収率(上記評価(1)で求めた収率)に対する、上記加熱後の触媒構造体による上記化合物の収率(本評価(2)で求めた収率)の百分率(%)を算出した。
本実施例では、加熱後の触媒構造体による上記化合物の収率(本評価(2)で求めた収率)が、加熱前の触媒構造体による上記化合物の収率(上記評価(1)で求めた収率)に比べて、80%以上維持されている場合を耐久性(耐熱性)が優れていると判定して「◎」、50%以上80%未満維持されている場合を耐久性(耐熱性)が良好であると判定して「○」、20%以上50%未満維持されている場合を耐久性(耐熱性)が良好ではないものの合格レベル(可)でありと判定して「△」、そして20%未満に低下している場合を耐久性(耐熱性)が劣る(不可)と判定して「×」とした。
10 担体
10a 外表面
11 通路
11a 孔
12 拡径部
20 金属酸化物微粒子
30 金属酸化物微粒子
DC 平均粒径
DF 平均内径
DE 内径
Claims (22)
- ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、
前記担体に内在する少なくとも1つの、金属酸化物からなる揮発性有機物質酸化触媒と、を備え、
前記担体が、互いに連通する通路を有し、
前記揮発性有機物質酸化触媒が、前記担体の少なくとも前記通路に存在していることを特徴とする揮発性有機物質用触媒構造体。 - 前記通路は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部を有し、かつ
前記揮発性有機物質酸化触媒が、少なくとも前記拡径部に存在していることを特徴とする、請求項1に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。 - 前記拡径部は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通している、請求項2に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
- 前記揮発性有機物質酸化触媒は、金属酸化物微粒子であることを特徴とする、請求項2又は3に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
- 前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、前記通路の平均内径よりも大きく、且つ前記拡径部の内径以下であることを特徴とする、請求項4に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
- 前記金属酸化物微粒子の金属元素(M)が、前記揮発性有機物質用触媒構造体に対して0.5〜2.5質量%で含有されていることを特徴とする、請求項5に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
- 前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、0.1nm〜50nmであることを特徴とする、請求項4〜6のいずれか1項に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
- 前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、0.5nm〜14.0nmであることを特徴とする、請求項7に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
- 前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、0.06〜500であることを特徴とする、請求項4〜8のいずれか1項に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
- 前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、0.1〜36であることを特徴とする、請求項9に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
- 前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、1.7〜4.5であることを特徴とする、請求項10に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
- 前記通路の平均内径は、0.1nm〜1.5nmであり、
前記拡径部の内径は、0.5nm〜50nmであることを特徴とする、請求項2〜11のいずれか1項に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。 - 前記担体の外表面に保持された少なくとも1つの他の揮発性有機物質酸化触媒を更に備えることを特徴とする、請求項1〜12のいずれか1項に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
- 前記担体に内在する前記少なくとも1つの揮発性有機物質酸化触媒の含有量が、前記担体の外表面に保持された前記少なくとも1つの他の揮発性有機物質酸化触媒の含有量よりも多いことを特徴とする、請求項13に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
- 前記ゼオライト型化合物は、ケイ酸塩化合物であることを特徴とする、請求項1〜14のいずれか1項に記載の揮発性有機物質用触媒構造体。
- 請求項1〜15のいずれか1項に記載の揮発性有機物質用触媒構造体を有する、揮発性有機物質除去装置。
- ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)に金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成する焼成工程と、
前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理する水熱処理工程と、
を有することを特徴とする揮発性有機物質用触媒構造体の製造方法。 - 前記焼成工程の前に、非イオン性界面活性剤を、前記前駆体材料(A)に対して50〜500質量%添加することを特徴とする、請求項17に記載の揮発性有機物質用触媒構造体の製造方法。
- 前記焼成工程の前に、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を複数回に分けて添加することで、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させることを特徴とする、請求項17又は18に記載の揮発性有機物質用触媒構造体の製造方法。
- 前記焼成工程の前に前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させる際に、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液の添加量を、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前記前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算して、10〜1000となるように調整することを特徴とする、請求項17〜19のいずれか1項に記載の揮発性有機物質用触媒構造体の製造方法。
- 前記水熱処理工程において、前記前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合することを特徴とする、請求項17に記載の揮発性有機物質用触媒構造体の製造方法。
- 前記水熱処理工程が塩基性雰囲気下で行われることを特徴とする、請求項17に記載の揮発性有機物質用触媒構造体の製造方法。
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