JP3631353B2 - 空気浄化剤および脱臭フィルター - Google Patents

空気浄化剤および脱臭フィルター Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気浄化剤および脱臭フィルターに係り、特にアセトアルデヒドと他の悪臭成分とを同時に除去可能な空気浄化剤および脱臭フィルターに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
室内や車内などの居住空間においては、様々な種類の悪臭が発生するが、中でも、近年焦点になっている煙害問題などにより、たばこ臭の除去に対する要求が高まってきている。このたばこ臭の主成分は、アセトアルデヒド、アンモニア、酢酸などであるが、この中では、アセトアルデヒドの臭気が最も強く、また、アセトアルデヒドは、他の臭気成分に比して、除去が難しい物質である。その理由は、アセトアルデヒドなどの低級脂肪族アルデヒドが、脱臭剤として代表的な活性炭やゼオライトなどへの吸着性が低いという特異な特性を持っているからである。更に低級脂肪族アルデヒドは、これら活性炭やゼオライトの吸着力改善のために、表面に添着される酸や塩基性物質などとの反応性も低いという問題も有している。
【0003】
この課題に対して、特に低級脂肪族アルデヒドの除去性能を強調した脱臭剤もしくは空気浄化剤が、従来より種々提案されてきた。例えば、特公昭60−54095 号や特開平3 −98642 号では、活性炭にアニリンやリン酸アニリンを添着したものが提案されている。また、特開平4 −2350号や特開平5 −23588 号では、活性炭にアミノ酸やアミノ安息香酸を添着したものが提案されている。更にこれら活性炭以外には、特公平5 −16299 号でゼオライトなどのアルミノシリケートが、特公平6 −22673 号でセピオライトが、特開平7 −136502号で活性炭素繊維にアミノベンゼンスルフォン酸(スルファニル酸)を添着したものが、各々提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来の脱臭剤もしくは空気浄化剤は、低級脂肪族アルデヒドの除去に対して実用的では無いという問題がある。例えば、アニリンやリン酸アニリンは、低級脂肪族アルデヒドの除去性能は優れるものの、臭気が強く、一般向けの脱臭剤もしくは空気浄化剤として使用しにくい問題がある。また、ゼオライトやセピオライトなどの金属酸化物や、アミノ酸やアミノ安息香酸などの有機物質は、活性炭と組み合わせても、低級脂肪族アルデヒドの除去性能が、アニリンよりも劣る問題がある。更に、アミノベンゼンスルフォン酸(スルファニル酸)も、前記金属酸化物やアミノ酸類などよりは、低級脂肪族アルデヒドの除去性能に優れるものの、アニリンよりは劣るという問題がある。
【0005】
したがって、低級脂肪族アルデヒドの除去効率が高く、望ましくは、他のアンモニア、酢酸などの臭気成分の除去を同時に行えることが、この種の脱臭剤もしくは空気浄化剤に求められている技術的課題である。
【0006】
本発明は、かかる事情に鑑み、特に、低級脂肪族アルデヒドの除去性能に優れるとともに、他の臭気成分も同時に除去可能な空気浄化剤を提供しようとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
このための、本発明の手段は、多孔質体と薬剤を含む空気浄化剤において、薬剤が芳香族アミン類および亜鉛化合物とを含み、新規な特定の細孔構造を有する多孔質体を用いることであり、より具体的には、前記多孔質体の全細孔容積が0.90ml/g以上であり、かつ前記多孔質体の細孔のうち孔径が2nm 以下のミクロ孔の容積の、前記全細孔容積に対して占める割合が20〜60% の範囲にあることである。また、空気浄化剤として、この多孔質体に加えて、あるいは、この多孔質体とは別の多孔質体に加えて、芳香族アミン類および亜鉛化合物の両者を含有させることである。そして、本発明における、これら空気浄化剤は、ウレタンフォームなどの多孔質基材上に添着したり、ハニカムなどのモノリス成型体にして、脱臭フィルターとしても良い。
【0008】
まず、本発明のうち、新規な特定の細孔構造を有する多孔質体を用いることについて以下に説明する。本発明者らは、多孔質体と薬剤を含む空気浄化剤につき検討したところ、低級脂肪族アルデヒドや他の臭気成分の除去性能は、多孔質体が有する細孔の絶対量と(全細孔容積)と、細孔の大きさに依存することを知見した。この多孔質体が有する細孔の点については従来でも種々検討されており、一般に、多孔質体による気相吸着においては、多孔質体が有する細孔のうち、ミクロな孔がかなりの容量を占めるとともに、このミクロな孔が吸着性能を決めるとされてきた。即ち、従来では、一般的に、高い吸着性能を発揮させるためには、ミクロ孔を発達させた多孔質体が必要であると認識されていた。したがって、多孔質体と薬剤を含む空気浄化剤でも、この考え方に基づいて、ミクロ孔を発達させた多孔質体が主として用いられてきた。
【0009】
これに対し、本発明者らの知見によれば、多孔質体と薬剤を含む空気浄化剤においては、従来のようにミクロ孔が発達した多孔質体を用いた場合には、逆に、低級脂肪族アルデヒドや他の臭気成分の除去性能は低下し、むしろミクロ孔を一定レベルに抑えた多孔質体の方が、前記臭気成分の除去性能は向上する。
【0010】
この点を更により詳細に説明すると、多孔質体に存在する細孔は、大中小様々な大きさのものがあるが、一般的にミクロ孔と称される細孔は、IUPAC(国際純正および応用化学連合)の規格により、孔径が2 nm以下のものを言う。そしてこの規格では、細孔の孔径により、細孔径が50nm以上のものをマクロ孔、細孔径が2 〜50nmのものをメソ孔、細孔径が2 nm以下のものをミクロ孔として分類している。
【0011】
この細孔の孔径による3 つの分類に従い、本発明者らは、多孔質体と薬剤を含む空気浄化剤につき、これらの各々の孔径の機能(低級脂肪族アルデヒドや他の臭気成分の除去性能)について調査した。その結果、多孔質体と薬剤を含む空気浄化剤において、薬剤は優先的にマクロ孔およびメソ孔に添着し、前記臭気成分の除去性能を発揮することを見出した。更に、前記多孔質体の細孔に占めるミクロ孔の容積の割合が多い場合には、薬剤は前記マクロ孔およびメソ孔に添着する他に、ミクロ孔にも添着し、このミクロ孔に添着した薬剤はミクロ孔自体を閉塞して、吸着機能を損なわせることを見出した。つまり、多孔質体の細孔に占めるミクロ孔の容積の割合が多い場合には、多量の薬剤を添着しても逆に、前記臭気成分の十分な除去性能が得られない、若しくは除去性能を低下させてしまう結果となる。
【0012】
したがって、多孔質体と薬剤を含む空気浄化剤において、前記臭気成分の除去性能を向上させようとする場合には、多孔質体の細孔の絶対量を増すとともに、薬剤が優先的に添着するマクロ孔およびメソ孔を増やし、ミクロ孔を一定レベルに抑える必要がある。そこで、これらの技術思想を、実際の多孔質体と薬剤を含む空気浄化剤に適用すべく、前記臭気成分の除去性能と多孔質体の細孔の絶対量およびミクロ孔量との関係を定量的に検討を行った。その結果、▲1▼前記臭気成分の十分な除去性能を有するための多孔質体の細孔の絶対量の確保の点からは、多孔質体の全細孔容積を0.90ml/g以上とすべきであること、および▲2▼前記臭気成分の十分な除去性能を有するためのマクロ孔およびメソ孔を増やし、ミクロ孔を一定レベルに抑える点からは、前記多孔質体の細孔のうち孔径が2nm 以下のミクロ孔の容積の、前記全細孔容積に対する割合を20〜60% の範囲とすべきであること、を各々知見して本発明をなしたものである。
【0013】
次に、本発明のうち、多孔質体と薬剤を含む空気浄化剤において、新規な薬剤を用いる点について、以下に説明する。低級脂肪族アルデヒドの除去用に従来から提案されている芳香族アミン類は、ある程度の低級脂肪族アルデヒドの除去性能を有するが、本発明者らは、この芳香族アミン類に、亜鉛化合物を併用すると、低級脂肪族アルデヒドの除去性能を飛躍的に向上させるとともに、他の臭気成分の除去性能も落とさず、除去可能であることを知見した。このメカニズムは定かではないが、亜鉛化合物は、芳香族アミン類とアルデヒドとの反応における触媒としての機能を発揮するためと推考される。
【0014】
【発明の実施の形態】
まず、本発明のうち、多孔質体の特定の細孔構造について、多孔質体の全細孔容積を0.90ml/g以上とするのは、前記した通り、低級脂肪族アルデヒドや他の臭気成分の十分な除去性能を得るためである。多孔質体の全細孔容積が0.90ml/g未満では、多孔質体乃至空気浄化剤の気相吸着量や薬剤の添着量自体が不足するため、前記臭気成分の十分な除去性能を得ることができない。
【0015】
また、多孔質体の細孔のうち孔径が2nm 以下のミクロ孔の容積の、前記全細孔容積に対する割合を20〜60% の範囲とするのは、前記した通り、低級脂肪族アルデヒドや他の臭気成分の十分な除去性能を得るためである。孔径が2nm 以下のミクロ孔の容積割合が20% 未満の場合は、多孔質体乃至空気浄化剤の気相吸着量が小さくなりすぎ、前記臭気成分の十分な除去性能を得ることができない。一方、ミクロ孔の容積割合が60% を越える場合は、前記した通り、前記マクロ孔およびメソ孔に添着すべき薬剤が、マクロ孔およびメソ孔が少ないためにミクロ孔にも添着する。この結果、ミクロ孔自体を閉塞して吸着機能を損なわせるため、やはり前記臭気成分の十分な除去性能を得ることができない。
【0016】
この多孔質体の全細孔容積およびミクロ孔( マクロ孔およびメソ孔も) などの細孔容積の測定には、例えば、「吸着の化学」( 近藤精一、石川達雄、安倍郁夫、共著、丸善株式会社発行) に記載の吸着等温線のt −プロット法により解析する方法を用いる。多孔質体の細孔容積の測定には、他に、分子プローブ法や水銀圧入法などの種々の公知の方法があるが、吸着等温線のt −プロット法により解析する方法が最も精度が高い。その理由は、分子プローブ法は径が1mm 以下の細孔、水銀圧入法は径が5mm 以上の細孔の測定に有効な方法であり、一方、吸着等温線のt −プロット法により解析する方法は、本発明の対象とする細孔径の範囲 (孔径が50nm以上のマクロ孔から細孔径が2 nm以下のミクロ孔) に最も適しているからである。この多孔質体の全細孔容積およびミクロ孔細孔容積を、吸着等温線のt −プロット法により測定する方法は、市販の吸着量測定装置により、まず多孔質体の窒素の吸着等温線を測定する。そして多孔質体の全細孔容積は飽和蒸気圧での窒素吸着量を多孔質体の単位重量当たりの値に換算すれば求められる。一方、ミクロ孔の細孔容積は、標準等温線を用いて前記窒素の吸着等温線をt −プロットに変換し、高圧部の直線部分と縦軸との切片から求められる吸着量を、単位重量当たりの値に換算する。また、ミクロ孔の細孔容積の、全細孔容積に対する割合を求めるためには、前記した通り、吸着等温線のt −プロット法により多孔質体の全細孔容積およびミクロ孔の容積を各々測定して、ミクロ孔の細孔容積の全細孔容積に対する割合(%) を求める。
【0017】
次に、本発明における、低級脂肪族アルデヒドや他の臭気成分の除去のための新規な薬剤について説明する。本発明において、芳香族アミン類とは、アニリンやアミノ安息香酸などの芳香族環とアミノ基を有するものであれば良いが、アニリンは臭気が強いことなどを考慮すると、特にスルファニル酸などのアミノ基とスルフォン基を有する芳香族アミン類が好ましい。芳香族アミン類に、低級脂肪族アルデヒドの除去性能を発揮させるためには、多孔質体100 重量部に対し、芳香族アミン類を3 重量部以上とすることが望ましい。芳香族アミン類が3 重量部未満では、空気浄化剤としての効果の持続時間が短くなり実用的ではない。また、逆に、芳香族アミン類の添着量が50重量部を超えると、多孔質体の単体としての効果が低くなるので、これ以下の添着量とすることが好ましい。
【0018】
また、亜鉛化合物について、本発明においては、亜鉛化合物として塩化亜鉛、、酸化亜鉛、炭酸亜鉛、硝酸亜鉛、硫酸亜鉛、塩化亜鉛アンモニウムなどが適用可能である。しかし、添加量に対する効果の観点からは、塩化亜鉛、、酸化亜鉛、炭酸亜鉛が効果的であり、これらの内から1種または2種以上を選択して用いることが望ましい。
【0019】
この亜鉛化合物に、触媒機能を発揮させるためには、芳香族アミン類100 重量部に対して、3 重量部以上とすることが望ましい。亜鉛化合物が3 重量部未満では、触媒機能が小さく、反応時間が長くなり実用的ではない。また、亜鉛化合物を50重量部を超えて含有しても、触媒機能は飽和し、コストなどの問題で実用的でないので、これ以下の添着量とすることが好ましい。
【0020】
なお、脱臭剤の機能向上のために金属や金属化合物触媒を併用すること自体は公知である。例えば、特公平5 −16299 号にはアルミノシリケートに、鉄や銅などの遷移金属成分を保持させることが開示されている。しかしながら、本発明者らの知見によれば、亜鉛化合物以外の、鉄や銅などの遷移金属金属化合物を用いても、芳香族アミン類とアルデヒドとの反応における触媒としての機能は無かった。
【0021】
更に、本発明における多孔質体について、以下説明する。多孔質体としては、活性炭、ゼオライト、活性アルミナ、シリカ、シリカゲル、ケイソウ土、炭素繊維などが適宜使用できる。これらの多孔質体は、それ自身脱臭性能を有するものが多い。本発明において、低級脂肪族アルデヒド以外の臭気成分の除去も考慮すると、多孔質体それ自身に脱臭性能を有するものが好ましい。特に、活性炭は、低級脂肪族アルデヒド以外の他の多くの臭気成分の除去性能を有するものとして本発明における多孔質体として特に好ましい。
【0022】
多孔質体の形状としては、粒状、球状、ペレット状、粉末状など、使用環境や条件に合わせて、種々の形状が選択される。粉末の多孔質体を用いる場合には、有機物や無機物のバインダーを添加して、ハニカムやシートのモノリス状の脱臭フィルターにすることができる。この脱臭フィルターは、室内や車内の空気清浄器内や通気口に適宜簡便に配置でき、取り替えや保守が簡単であるなどの使用上の利点が多い。また、本空気浄化剤を、目的に合わせ、任意の形状に成型した多孔質基材上に添着させることもできる。多孔質基材としては、多孔性合成樹脂、ポリウレタンフォーム、不織布、ハニカム構造体(セラミックス、金属、紙、樹脂などの)、ループ状積層体などが用いられる。
【0023】
【実施例】
(実施例1)
本発明の細孔構造を有する多孔質体と薬剤を含む空気浄化剤を用いて、実際にアセトアルデヒドを除去した結果を以下に説明する。使用した多孔質体の全細孔容積A と孔径が2nm 以下のミクロ孔の容積B および全細孔容積に対する比A/B を表1 に示す。また、使用した薬剤の種類と量を表2 に示す。空気浄化剤の製造は、多孔質体として粉末状の活性炭、芳香族アミン類としてスルファニル酸、亜鉛化合物として塩化亜鉛を、所定の割合で混合し、さらに、有機バインダーを加えて水で希釈した後に、押出成形により粒状物を作成し、乾燥後切断して粒径2mm の各空気浄化剤を得た。
【0024】
アセトアルデヒド除去率測定のための流通試験は、20ppm の濃度のアセトアルデヒドを混合した空気を、0.2m/sの流速で、各空気浄化剤0.5gが仕込まれたサンプルフォルダー内に流し、入口および出口のアセトアルデヒド濃度を一定時間毎に各々測定して行い、次式を用いてアセトアルデヒド除去率 (脱臭率) を算出した。脱臭率(%)=[(Ci─Co)/Ci] ×100[但し、Ci:アセトアルデヒド (悪臭成分ガス) 入口濃度、Co:アセトアルデヒド (悪臭成分ガス) 出口濃度] 。この測定結果について、各空気浄化剤のアセトアルデヒドの除去率の経時変化を図1 に示す。なお、表2 、図1 のNo. は同じ試験材を示している。
【0025】
表1 の通り、多孔質体No.1〜2 は本発明例で、多孔質体No.3〜6 は多孔質体の全細孔容積A が0.90ml/g未満、または孔径が2nm 以下のミクロ孔の容積B の全細孔容積A に対する割合 (A/B)が20〜60% の範囲からはずれた比較例である。表2 および図1 に示す通り、この比較例多孔質体を用いた空気浄化剤No.5〜8 は、例え薬剤として本発明の低級脂肪族アルデヒド等の臭気成分除去のための新規な薬剤を使用しても、アセトアルデヒドの除去率が、空気浄化剤No.1〜4 に比して劣っている。これに対し、空気浄化剤No.1〜4 は、アセトアルデヒドの除去率自体が高く、しかも除去率の時間的な低下が少なく、空気浄化剤として非常に実用的であることが分かる。
【0026】
【表1】
Figure 0003631353
【0027】
【表2】
Figure 0003631353
【0028】
(実施例2)
次に、薬剤による脱臭性能の差を比較するために、空気浄化剤をウレタンフォームに添着した脱臭フィルターを以下の通り製作した。多孔質体としては粉末状の活性炭、芳香族アミン類としてスルファニル酸、亜鉛化合物として塩化亜鉛、酸化亜鉛、炭酸亜鉛を選択した。これらを所定の割合で混合し、さらに、有機バインダーを加えて水で希釈した溶液に、ウレタンフォームを浸漬したのち、乾燥して脱臭フィルターとした。 また、比較のために、粉末状の活性炭のみの例と、粉末状の活性炭とスルファニル酸のみの例を比較例として用意し、前記実施例と同様にして脱臭フィルターとした。
【0029】
これらの製作条件を表3 に示す。なお、配合量は重量部で表し、含有量は脱臭フィルターの単位体積当たりの空気浄化剤の含有量を示す。また、空気浄化剤をハニカム状モノリスに成型した脱臭フィルターも以下の通り製作した。なお、材料の選定は、前記脱臭フィルターの場合と同じである。活性炭とスルファニル酸、亜鉛化合物 (塩化亜鉛、酸化亜鉛、炭酸亜鉛) を所定の割合で混合し、さらに、有機バインダーおよび水を加えて良く混練した。これを押し出し成型により、ハニカム状モノリスを製作した。これらの製作条件を同じく表3 に示す。なお、カサ密度は単位体積当たりのフィルター重量を示す。
【0030】
【表3】
Figure 0003631353
【0031】
次に、前記表3 のうち、テストNo.1〜3 のウレタンフォーム脱臭フィルターと、No.7〜9 のハニカム状モノリス脱臭フィルターの、アセトアルデヒド、アンモニア、酢酸の3成分に対する、脱臭率の測定を行った。脱臭率測定のための流通試験は、所定濃度の前記悪臭成分ガスを混合した空気を、0.2m/sの流速で脱臭フィルター内に流し、入口および出口の悪臭ガス濃度を各々測定して行い、前記実施例1 と同じ脱臭率の算出式式を用いて脱臭率を算出した。悪臭成分ガス3成分の濃度は、アセトアルデヒド12ppm 、アンモニア50ppm 、酢酸12ppm とした。
【0032】
ウレタンフォームとハニカムタイプの各々のフィルターの脱臭性能を、悪臭成分ガス毎に図2 〜7 に示す。図2 〜4 は各々、アセトアルデヒド、アンモニア、酢酸に対するウレタンフォームの脱臭性能(脱臭率の経時変化)を示し、図5 〜7 は各々、アセトアルデヒド、アンモニア、酢酸に対するハニカムタイプの脱臭性能を示す。図2 〜7 の通り、本発明に係るスルファニル酸と塩化亜鉛化合物とを含む空気浄化剤(図の○、×、+印、表3 のNo.1、7 、10、11、14、15)は、活性炭のみ(図の□印、表3 のNo.2、8 )や、スルファニル酸のみ(図の◇印、表3 のNo.3、9)に比して、アンモニアや酢酸の他の悪臭成分ガスの除去効率を低下させることなく、アセトアルデヒドを効率よく除去することが可能である。しかも除去率の時間的な低下が少なく、空気浄化剤乃至脱臭フィルターとして非常に実用的であることが分かる。
【0033】
次に、前記表3 のうち、テストNo.4〜9 の空気浄化剤について、実際の煙草の燃焼ガスを用いて、脱臭テストを行った。脱臭テストは、体積が1mのアクリルケースの中で、煙草を5 本燃焼させたのち、脱臭フィルターを組み込んだブロワーを0.5m/sの流速で30分間運転してケース内の脱臭を行う条件とした。そして、ブロワーの運転前後のアセトアルデヒド、アンモニア、酢酸の濃度を各々測定して、脱臭率を算出し、すべての悪臭成分の脱臭率が50% 以下に低下するまで、この操作を繰り返して行った。各悪臭成分の脱臭率が50% を割るまでの使用たばこ本数を、その成分に対する脱臭限界本数=耐久本数として、各成分毎にたばこの耐久本数を測定した。性能評価結果を表4 に示す。
【0034】
【表4】
Figure 0003631353
【0035】
この表4 からも明らかな通り、本発明によるスルファニル酸と亜鉛化合物とを含むテストNo.4、7 、12〜15の空気浄化剤は、No.5、8 の活性炭のみや、No.6、9 の活性炭+スルファニル酸の空気浄化剤に比して、アンモニアや酢酸の他の悪臭成分ガスの除去効率を低下させることなく、アセトアルデヒドを効率よく除去していることが分かる。
【0036】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明空気浄化剤によれば、特に、低級脂肪族アルデヒドの除去性能に優れるとともに、他の臭気成分も除去可能である。したがって、低級脂肪族アルデヒドと他の臭気成分を同時に除去可能という、この分野の相矛盾する技術課題を一気に達成したことになり、その工業的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1に係る各空気浄化剤のアセトアルデヒドの除去率の経時変化を示す説明図である。
【図2】実施例2に係るウレタンフォーム空気浄化剤のアセトアルデヒド脱臭率の経時変化を示す説明図である。
【図3】実施例2に係るウレタンフォーム空気浄化剤のアンモニア脱臭率の経時変化を示す説明図である。
【図4】実施例2に係るウレタンフォーム空気浄化剤の酢酸脱臭率の経時変化を示す説明図である。
【図5】実施例2に係るハニカム状空気浄化剤のアセトアルデヒド脱臭率の経時変化を示す説明図である。
【図6】実施例2に係るハニカム状空気浄化剤のアンモニア脱臭率の経時変化を示す説明図である。
【図7】実施例2に係るハニカム状空気浄化剤の酢酸脱臭率の経時変化を示す説明図である。

Claims (9)

  1. 多孔質体と薬剤を含む空気浄化剤において、薬剤が芳香族アミン類および亜鉛化合物とを含み、多孔質体の全細孔容積が0.90ml/g以上であり、そのうち孔径が2nm 以下のミクロ孔の容積の占める割合が20〜60% の範囲にあることを特徴とする空気浄化剤。
  2. 前記薬剤の添着量が、多孔質体100 重量部に対し、3 〜50重量部の範囲である請求項1に記載の空気浄化剤。
  3. 前記薬剤が芳香族アミン類と亜鉛化合物からなる請求項1又は2に記載の空気浄化剤。
  4. 前記亜鉛化合物の含有量が、芳香族アミン類 100 重量部に対し、 3 50 重量部の範囲である請求項1乃至3のいずれか1項に記載の空気浄化剤。
  5. 前記亜鉛化合物が塩化亜鉛、酸化亜鉛、炭酸亜鉛の内から選択された1種または2種以上である請求項1乃至4のいずれか1項に記載の空気浄化剤。
  6. 前記芳香族アミン類がスルファニル酸である請求項1乃至5に記載の空気浄化剤。
  7. 前記多孔質体が活性炭である請求項1乃至6のいずれか1項に記載の空気浄化剤。
  8. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の空気浄化剤を、多孔質基材に添着してなる脱臭フィルター。
  9. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の空気浄化剤を、モノリス状に成形してなる脱臭フィルター。
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