KR100628663B1 - 석탄폐광지 지하수를 이용한 친환경 벽지 도배용 접착제를제조하는 방법 - Google Patents

석탄폐광지 지하수를 이용한 친환경 벽지 도배용 접착제를제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탈취, 방부 및 항균성을 갖는 석탄폐광지 지하수를 여과 가열 농축시킨 지하수농축액에 해조류(곰피)를 알카리성 수용액으로 가열하여 농축시킨 농축액, 밀크카제인 및 칼복시메칠셀루로스를 첨가 교반하여 균질화된 상태에서 기능성물질인 전기석(Tourmaline) 미세분말을 첨가 재차 교반하고 숙성 안정화시킨 접착제로서 벽지 도배후 곰팡이가 발생하지 않고 다습한 조건에서도 접착성을 유지하는 우수한 내수성을 가지고 있으며 유해한 벌레나 곤충 등의 접근을 방지할 뿐 아니라 음이온 발생의 기능성을 가지므로서 실내 분위기를 항상 쾌적한 상태로 유지할 수 있는 석탄폐광지 지하수를 이용한 친환경 무공해 벽지 도배용 접착제의 제조방법에 관한 것임.

Description

석탄폐광지 지하수를 이용한 친환경 벽지 도배용 접착제를 제조하는 방법{THE METHOD OF PREPARING THE ADHESIVES WITHOUT ENVIROMENTAL POLLUTION FOR WALL PAPER'S BINDER USING UNDERGROUND WATER OF AN ABENDONED COAL'S MINE}
본 발명은 석탄폐광지의 지하수를 이용한 친환경 벽지 도배용 접착제의 제조방법에 관한 것으로 구체적으로는 다량으로 용해된 명반성분과 각종 유익한 미량금속성분이 함유된 석탄폐광지의 지하수를 여과하고 가열하여 농축시킨 용액에 해초(곰피 또는 기타 해초)로부터 추출된 알긴산추출액 및 기타 천연 접착제를 조성해서 얻어지는 석탄폐광지 지하수를 이용한 친환경 벽지 도배용 접착제를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 아파트, 단독주택, 사무실의 실내장식용으로 사용되는 벽지, 페인트, 바닥재, 벽재 등의 내장재와 이를 시공하는 단계에서 사용되는 접착제 등의 대부분이 합성수지를 주성분으로 하여 용재 등이 포함되는 재료들로 구성되어 있으며 예를 들어 PVC발포 벽지인 경우 종이 위에 프라스티졸을 코팅하여 발포시키고 유용성잉크로 색상을 표현한 벽지라 할 수 있는바 가소제가 포함된 프라스티졸이나 색상을 표현하는 유용성잉크 등은 다양한 종류의 유기성화합물 즉 VOC를 발생시키는 원 인이 되기도 하며 페인트 역시 건성유, 반건성유, 불건성유 등의 유지계 도료는 지방산 특유의 악취를 발생하고 합성수지계 도료는 대부분이 알콜, 에스테르류, 케톤류, 방향족류, 석유류 등의 용재에 용해하여 도장하므로서 악취발생, VOC의 발생, VOC에 의한 포름알데히드의 발생으로 인체에 유해한 것은 말할 것도 없다.
특히 접착제 분야의 접착제 역시 합성수지계 접착제나 고무계 접착제 등의 거의가 유기용제에 주재를 용해하므로서 접착성을 갖는 접착제를 얻게 된다. 여기에서 주재가 되는 합성수지나 고무자체가 유해성을 갖는 것도 있을 수 있고 이를 용해하는 용재인 경우에는 대부분이 인체에 유해성 물질로서 예를 들면 본드라는 상품명의 접착제는 청소년들에게 문제가 되고 있는 접착제로서 흡입하면 몽롱해져 환각상태에 이르게 되며 상습적으로 장기간 흡입하면 신경이 마비되고 뇌손상에까지 이르게 된다.
이와 같은 심각한 공해 문제때문에 접착제, 페인트 벽지, 천정재, 바닥부재, 벽부재 등 건자재 분야에서도 인체에 무해한 합성수지의 선택 이에 첨가되는 가소제, 안정제, 용재 등에 있어서 유해한 것으로부터 안전한 재료들의 선택쪽으로 지향하는 노력을 경주하고 있는 실정이다.
이와 때를 같이하여 최근까지 사양화 되어오던 천연접착제들도 근간 사용량이 늘어나기 시작하고 기능성의 문제점을 개량시도하는 노력을 하고 있다.
천연접착제로서 인체에 무해한 밀가루풀은 밀가루에 가성소다를 첨가하여 호화시킨것이나 밀가루에 물을 첨가교반하여 가열하여 호화시킨 것으로 예로부터 도배용으로 사용되어온 접착제라 할 수 있으나 건조가 느리고 접착력이 약하며 쉽게 변질 부식되기 쉽고 물에 약한 문제점이 있다.
다른 천연접착제로서 인체에 무해한 녹말을 190℃~200℃로 가열하여 얻은 덱스트린에 미량의 붕사, 아황산소다, 주석산소다를 첨가해서 제조된 덱스트린 접착제가 있으나 접착력이 낮고 용액으로 상품화할시 변질 부폐등 보관성이 극히 불량하다.
그밖의 천연접착제로서 많은 아미노산이 펩티드와 결합해서 사상(fiber type)으로 연이은 고분자 단백질인 아교를 물에 1.5~2배의 비율로 혼합하여 충분히 침지하였다가 60~70℃에서 가온용해시킨 아교접착제가 있으나 굳어지는 속도가 빨라 교정전면 도포하는 도배지 접착용으로는 적합하지 않으며 내수성이 나쁘고 고습조건하에서는 곰팡이가 나서 접착력이 상실하게 되며 변질부패되는 문제점이 있다.
이상과 같이 밀가루 전분 접착제나 데스트린 또는 아교접착제 등의 무공해 천연접착제들을 일반적으로 접착력이 낮고 내수성이 약하며 변질 부패될 뿐 아니라 도배후 세균이나 곰팡이가 발생하고 도배지가 쉽게 변색될 뿐 아니라 특히 수분의 존재하에서 좋지 않은 냄새가 나는 결점을 갖고 있다.
본 발명은 항균성과 탈취성을 갖고 있는 다량의 명반성분과 각종 금속성분 및 미량금속성분이 용해되어 있는 석탄폐광지 지하수를 여과가열 농축하여 접착제의 분산매 또는 용매로서 이용하고 여기에 접착성을 갖는 주재로서 해초 추출로 얻어지는 알긴산 농축액과 밀크카제인, CMC(가르복실 메칠셀루로스)와 기능성물질을 첨가시킨 접착제를 얻으므로서 접착력이 우수하고 다습한 상태에서는 접착력을 유 지하는 내수성을 가지며 인체에 무해할 뿐 아니라 음이온의 발생과 탈취성을 가지므로서 쾌적한 실내분위기를 유지할 수 있으며 항균성이 있어 접착제 자체에 변질이나 부패되는 일이 없고 도배후에도 벽지에 곰팡이가 발생하지 않으며 벽지의 색상변질이 없고 개미, 바퀴벌레, 좀 등의 유해곤충 벌레가 서식할 수 없는 친환경 벽지 도배용 접착제 제조방법을 제공함에 목적이 있다 하겠다.
본 발명에 의한 접착제는 종래 인체에 유해한 접착제를 탈피하여 인체에 무해하고 친환경적일 뿐만 아니라 접착제로서 기능 또한 우수한 접착제 제조방법에 관한 것으로 이를 공정별로 설명하면
1단계 공정 : 석탄폐광지 지하수 농축공정
석탄폐광지 지하수를 여과수단(여과지, 부직포, 광물성흡착여과상)을 이용하여 부유물 및 유기물을 제거한 다음 이를 가열 농축하여 최초 지하수 량의 1/4(25%)되게 농축시킨 지하수 농축액을 얻는다.
2단계 공정 : 해초(곰피)로부터 알긴산 추출 및 농축공정
해조류는 녹조류, 갈조류, 홍조류 중 어느 것을 사용해도 가능하지만 경제성, 알긴산의 함유량을 고려하여 갈조류인 곰피(종래 회벽바를때 이를 삶은 물을 접착제로 사용한 갈조류의 일종으로 지금은 식용으로 거의 이용되지 않고 폐기되고 있다) 20~30wt% 탄산나트륨 3~5%을 용해시킨 알카리 수용액 70~80wt% 첨가하고 증비하여 물의 량이 약 1/5(20%)이 되도록 하여 알긴산을 추출함과 동시에 알긴산 농축액을 얻는다.
3단계 공정 : 접착제 조성공정
지하수 농축액 50wt%에 접착성 물질인 곰피(알긴산) 농축액 35wt% 밀크카제인 10~12wt%, 칼복시메칠셀루로우스(CMC) 1~2wt%를 첨가하여 20~30분간 충분히 교반한 다음 기능성물질인 토루마린(Tourmarine) 미세분말 2~3wt%를 첨가하여 재차교반하여 숙성 및 안정화시키므로서 도배용 접착제를 얻게 된다.
상기 공정에서 사용되는 석탄폐광지(강원도 함백 폐광지)에서 분출되는 지하수의 성상과 수질은 표 1과 같다.
석탄폐광지(강원도 함백 폐광지) 지하수의 수질분석표
시험항목 수질기준 시험결과
색도 5 2
탁도 2 1.2
냄새 무취 -
무미 +
증발잔유물(㎎/ℓ) 500 3360
수소이온농도(pH) 5.8~8.5 4.2
경도(mgCaCo3/ℓ) 300 800
암모니아성질소(NH2-N) 0.5 0.164
질산성질소(NO3 --N) 10 0.710
염소이온(Cl-) 150 10
잔류염소 0.2 NO
시안(CN-) NO NO
불소(F_) 1 7.7
황산이온(SO4 2-) 200 1910
비소(As) 0.05 NO
카드뮴(Cd) 0.01 0.021
6가크롬(Cra-6) 0.05 0.01
구리(Cu) 1 0.5
철(Fe) 0.30 0.26
수은(Hg) NO NO
망간(Mn) 0.3 49.94
납(Pb) 0.1 NO
세레늄(Se) 0.01(ppm) 57.571(ppb)
아연(Zn) 1 8.22
칼슘(Ca) - 254.40
마그네슘(Mg) - 392.38
칼륨(K) - 21.88
나트륨(Na) - 4.73
알루미늄(Al) 0.2 244.95
KMINO4소비량 10 4.84
세제(ABS) 0.5 NO
말라치온 0.25 NO
파라치온 0.06 NO
페나트로치온 0.04 NO
다이어저는 0.02 NO
패늘 0.005 NO
트리할로메탄 0.1 NO
일반세균 100/1㎖ NO
대장군균 NO/50㎖ -
게르마늄(Ge) - 133.16(ppb)
이상의 시험분석 결과에서처럼 이 지하수에는 일반세균이나 대장균 유기물이 전혀 검출되지 않는 것이 특징이고 중금속으로는 철, 비소, 카드뮴, 크롬, 수은, 납, 망간, 아연, 알루미늄 등으로 아연, 망간, 카드뮴은 수질기준 이상으로 존재하고 납, 수은 및 비소 등은 검출되지 않고 있으며 미네랄성분으로는 칼슘, 마그네슘, 나트륨 등이 상당량 포함되어 있고 그밖에 게르마늄과 세레늄이 미량함유되어 있다.
또한 지하수에 용존된 물질의 분자구조를 알아보기 위하여 X-Ray 회절분석을 실시하였다. 우선 40~50℃로 조절된 가열판에서 일정양의 지하수를 증발시켜 백색고체의 증발잔유물을 얻고 이를 110℃ 전기오븐에서 완전히 건조한 후 X-Ray 회절분석을 한 결과 그림 1 및 그림 2를 얻었다.
그림 1 석탄폐광지 지하수의 증발잔유물에 대한 X-Ray 회절분석
Figure 112005022997086-pat00001
(주) (1) X-Ray 회절분석기는 일본 리가꾸(RIGAKU) 분석기로서
ModeNO:Geiger flex ⅢA
(2) X-Ray 회절분석은 시료의 특성을 검토하기 위하여 target는 Cukx를
필타는 mono chro를 사용하였고 전압은 30Kv, 전류는 10mA이고
스케닝스피드(Scanning speed)는 2°/분으로 조절하였다.
그림 2 석탄폐광지 지하수의 증발잔유물에 대한 X-Ray 회절분석
Figure 112005022997086-pat00002
(주) 이는 X-Ray 회절각도(2θ)를 80℃까하여 분석한 결과이다.
상기 그림 1에서 X-Ray 회절피크상의 A로 표시된 구조식은 수산화 황산알미늄 수화물[(Al4SO4(OH)4ㆍ5H2O]로 추정되고 이는 바사루미나이트(Basaluminite)라는 광석으로부터 비롯된 물질임이 확인되고 X-Ray 회절피크상의 B로 표시된 물질의 구조식은 명반석(Natroalunite)로 확인되었으며 이는 6방 결정체의 광물로서 백색투명에서 반투명이며 화산암에 화산개스의 황이 작용하거나 지하수 속에 들어있는 황산이 알루미나 질 암석에 작용하여 이루어진 것으로 보고되고 있다.
그림 2에서 A로 표시된 물질은 황산알루미늄[Al4(SO4)]이며 B로 표시된 물질은 황산알루미늄수화물 밝혀졌으며, 이중 특이한 구조는(NH4Al(SO4)2ㆍ12H2O)로 표시되는 암모늄과 알루미늄의 황산염으로 12수염으로 존재하는 것이 대부분이며 암모니아성 명반물질이다.
또 C로 표시되는 알루미늄 슬파이드 실리케이트 소디움(Aluminum Salfide Silicate Sodium)으로서 Na4Al6Si8S4의 구조식 갖는 물질이며 D로 표시된 물질은(MgAl2(SO4)4ㆍ22H2O)의 구조식을 갖는 것으로 확인된다.
따라서 본 실험결과의 분자구조를 정리해보면 다음과 같다.
(1)알루미늄슬페이트(Aluminum Sulfate) (2)알루미늄슬페이트하이드레이트(Aluminum Sulfate Rydrato) (3)암모니움알루미늄슬페이트(Ammonium Aluminum Sulfate) (4)알미늄슬파이드실리케이트소디움(Aluminum Sulfide Silcate Sodium) (5)마그네슘알루미늄슬페이트(Magnesium Aluminum Sulfate) (6)칼리움나트륨 명반이다. 이상의 물질이 본 발명에서 이용하는 석탄폐광지 지하수의 주성분임을 알 수 있고 이들 중에서도 명반의 성질을 지닌 물질이 주종을 이루고 있다.
이상의 물질중에서 특히 명반의 성질을 지닌 물질이 얼마나 용존되어 있는가를 알아보기 위하여 대한 약전의 알룸(Alum)의 정량분석 방법에 의하여 분석한 결과 용액에 용해되어 있는 명반성분의 비율은 0.389%(w/v)이며 증발잔유물 중의 성분비율은 77.8%에 상당하는 것으로 나타났다.
그밖에도 이상의 물질들의 성분중 황산알미늄은 수용액이 산성을 나타내며 떫은 맛이 있고 의약품으로 수렴제로 이용되고 있고 명반(Alum)은 수렴제, 지혈, 방부작용을 하며 피부에 발생한 염중 수렴제로 특효가 있으며 규산 알루미늄 성분(Aluminum Sulfide silicate Sodium)은 위산분비과다조절, 위궤양, 십이지장궤양에 특효가 있다고 학술적으로 보고되고 있다.
이상의 성분들과 각종 금속성분을 포함한 지하수는 그자체만으로서 탈취성, 살균성, 방부기능이 있으며 이를 20%(무게비로 1/5)로 농축한 지하수 농축용액으로 축사, 어시장의 배수로, 쓰레기매립장, 가정용하수구에 살포하면 악취가 깨끗하게 없어지고 벌레에 물리거나 곤충의 독에 접촉되었을 때 1~3회 바르면 치유효과가 클 뿐만 아니라 일반세균, 대장균, 녹녹균을 농축액에 투입하면 1시간이내에 사멸되어 버려 현지에서는 신비의 약수라고 일컫는다.
이상과 같은 폐광지 지하수의 기능과 작용때문에 본 발명의 수용성 접착제의 용매로 이용하게 된 것이다.
또 본 발명 접착제 제조공정의 2단계 공정에 있어서 농축이 완료되면 곰피는 착수하여 제거하고 여과하여 점조한 농축액을 사용하게 되는데 여기에서 갈조류인 곰피로부터 알긴산을 추출함에 있어서 본래 알긴산 자체는 물에 쉽게 용해되지 않으나 알카리성 수용액에는 쉽게 용해됨과 동시에 추출효과를 높이기 위해서 탄산소다를 첨가하게 되며 곰피추출용액에는 알긴산소다가 다량 용해되어 있어 점도가 큰 점조한 농축액으로 녹말풀에 비해 접착력과 내수성이 비교적 양호하다 할 수 있다.
그리고 밀크카제인은 우유중에 3%의 단백질을 함유하고 있는데 이것에 산을 가해서 단백질을 응고하여 분별하고 저온으로 건조해서 입상으로 한 것이다. 이는 내수성이 강한 접착력을 갖고 있으며 물에 용해시킨 카제인 단독의 접착제는 도배후 습한 상태에서도 전분풀과는 달리 접착력이 유지되는 특징이 있으나 많은 량을 사용하면 도배후 벽지가 딱딱하게 되고 특히 모서리부분 등에서 파열되는 경향이 나타난다.
첨가물의 하나인 카르복실 메출셀루로우스는 아래식 표시된 셀룰로우스유도체 중
Figure 112005022997086-pat00003
X = -NO2일 경우에는 니트로 셀루로우스이며 이는 초산에틸이나, 아세톤의 유기용제로 용해해서 접착제를 얻게되고 X가 메칠이나 카르복시메틸의 경우는 수용성의 접착제가 되며 본 발명에서 사용되는 카르복시메칠셀루로우스로서 유기물질이나 자체로서 인체에 무해하며 용제 또한 수용이여서 무해성 접착제라 할 수 있고 강력한 접착력이 있어 천연접착제의 부족한 접착력향상을 위해서 첨가되는 것이다. 토루마린 미세분말은 음이온 발생효과와 충진재 기능의 목적으로 첨가되며 지하수에 용존된 광물과 함께 음이온 발생효과를 향상시키며 이는 충진기능으로서 초기점착을 증가하며 종이와 같은 다공질재료에 접착제의 과량 침투를 적게할 수 있으며 접착제 건조막의 점착(블로킹)을 적게하고 접착막의 응집력을 높이는 효과가 있다.
그밖에 본 발명에 의한 접착제 조성의 상호관계에 있어서 접착제에 우수한 탈취성, 항균성, 방부성을 얻기 위해서는 본 방법에서 실시한 농축정도가 필요하고 더 농축하거나 지하수의 농축액의 량을 늘리면 지하수 농축액이 산성쪽으로 치우쳐 단백질이 포함된 카제인이나 알긴산이 잘 용해되지 않고 단백질의 응고가 일어나며 이와 관련하여 알긴산이 용해된 곰피 농축액 배합량이 적어지면 상기와 같은 현상이 더욱 심하게 나타난다. 여기에서 탄산소다를 곰피추출액에 첨가하므로서 알긴산의 추출효율을 향상시킴은 전술한 바 있고 곰피 추출용액을 알카리성으로 용액화하므로서 지하수 농축액과 혼합시 혼합액의 pH를 높일 수 있으며 이와 같이 할 수 있는 곰피 농축액의 량은 본 발명 접착제에 사용되는 곰피 농축액의 양으로 가능하다.
또한 밀크가제인이나 곰피 농축액은 전분을 주재로 하는 풀(접착제)에 비해 양호한 내수성과 접착성을 갖는 물질로서 특히 곰피 농축액의 알긴산(C6HO6)n은 유화성이 있어 전체 구성성분을 안전한 상태로 유지하고 방수성이 있어 내수성이 우수하여 습한상태에서도 접착력을 유지할 수 있다. 그리고 칼복시메칠셀루로스(CMC)는 수용성이면서 우수한 접착력을 갖고 있어 천연접착제의 부족한 접착력을 보강시키며 기능성물질로 첨가되는 전기석(Tourmaline)은 기성광상, 열수광상의 모암페그마이트 중에 존재하며 화학성분은 (Na, Ca)(Mg, Fe+2, Li)3(Al, Fe+3, Mn, Cr, Ti)6(B3Si2O27)ㆍ(O, OH, F)4으로 나타낼 수 있고 광석자체로 음이온 발생량이 800~1000 ION/cc 이르며 음이온이 발생되면 생리학적으로 세포의 신진대사를 촉진하고 활력을 증진시키며 신경안정과 피로회복의 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
그이외에도 접착제에 있어서 충진제로서의 기능이 좋고 폐광지하수 농축액의 용존물질과 함께 흡착에 의한 탈취성을 갖고 있다.
본 발명에 의한 접착제 제조방법을 좀더 구체적으로 알아보기 위해 아래와 같이 실시예로 나타내었다.
실시예(1)
함백 탄광지하수 800㎏을 내수성 여과지를 사용하여 지하수 중의 부유물 및 불순물을 제거한 다음 경유 버너로 가열 농축하여 200㎏의 지하수 농축액을 얻었다. 여기에 정선한 생 곰피 200㎏에 탄산소다 4%의 탄산용액 800㎏을 첨가하여 충분히 증비(끓임)하여 곰피를 착수여과한 농축액 160㎏ 얻어 이중 곰피 농축액 140㎏, 밀크카제인 40㎏, 칼복시메칠셀루로스 6㎏을 함께 투입 충분히 교반한 다음 토루마린(전기석) 미세분말(400~500메쉬)10㎏을 첨가 재차 교반하여 균질화시킨 다음 숙정 안정화시켜 본 발명에 의한 접착제 390㎏(교반시 증발감량 6㎏)을 얻었다.
실시예(2)
실시예(1)에 의해 제조된 접착제 이용하여 개인주택단층(40평형) 내부를 종이벽지로 도배하여 상태를 조사한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
(1) 도배하기 전에 출몰하던 개미, 바퀴벌레 등이 사라져 버렸다.
(2) 화장실겸 욕실과 접하는 외벽(다습한 벽)에 도배한 도배지에 6개월이 경과한 후에도 곰팡이가 발생하지 않았으며 도배지의 변질이나 들뜸현상이 발생하지 않았다.
(3) 음이온 측정기로 벽지로부터 발생되는 음이온을 측정한 결과 160±20 ION/cc 의 음이온이 발생되었다.
(4) 도배 이전에 벽장에서 쾌쾌한 냄새가 나던 것이 도배후 6개월이 지나도 쾌쾌한 냄새가 발생하지 않았다.
본 발명에 의한 방법으로 제조된 접착제는 친환경 무공해 접착제로서 기능적으로 탈취, 방부 및 항균성을 가지며 음이온을 발생하므로서 도배후 실내에서 발생되는 악취를 줄일 수 있고 높은 습도 조건하에서도 내수성이 좋와 접착력을 그대로 유지할 수 있으며 곰팡이나 벽지의 변질이 발생하지 않고 바퀴벌레, 개미, 노레기 등 유해한 벌레나 곤충들이 석식할 수 없으며 더욱이 상당량의 음이온이 발생하므로서 항상 쾌적한 실내분위기를 유지할 수 있어 최근 악화 일로에 있는 실내공기 정화차원에서 일익을 담당할 수 있는 석탄폐광지 지하수를 이용한 친환경 도배용 접착제라 할 수 있다.

Claims (2)

  1. 다량의 명반, 명반성물질 및 금속성분이 용존되어 있는 석탄폐광지 지하수를 여과 가열하여 ¼로 농축한 지하수 농축액 50wt%에 곰피추출 농축액 35wt% 밀크카제인 10~12wt%, 칼복시메칠셀루로스 1~2wt%를 첨가하여 20~30분간 충분히 교반한 다음 기능성 물질인 400~500메쉬의 토루마린(Tourmaline)미세분말 2~3wt%를 첨가 재차교반하여 숙성 안정 정화시킴을 특징으로 하는 석탄폐광지 지하수를 이용한 친환경 도배용 접착제의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서 곰피추출 농축액은 정선한 곰피 20~30wt%에 탄산나트륨 3~5wt% 용해시킨 알카리수용액 70~80wt%를 첨가하여 증비(끓임)하면서 알킨산을 추출함과 동시에 최초알카리 수용액의 1/5이 되도록 농축시킨 곰피추출액임을 특징으로 하는 1항의 제조방법.
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