KR101291507B1 - 6가 크롬의 환원 방법 - Google Patents

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KR101291507B1
KR101291507B1 KR1020110077508A KR20110077508A KR101291507B1 KR 101291507 B1 KR101291507 B1 KR 101291507B1 KR 1020110077508 A KR1020110077508 A KR 1020110077508A KR 20110077508 A KR20110077508 A KR 20110077508A KR 101291507 B1 KR101291507 B1 KR 101291507B1
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Abstract

6가 크롬의 환원 방법에 관한 것으로, 6가 크롬을 포함하는 용액을 준비하는 단계; 상기 용액에 유기산을 투입하는 단계; 및 상기 유기산이 투입된 용액을 냉각하는 단계를 포함하는 6가 크롬의 환원 방법을 이용하여, 간단한 공정으로 독성이 강한 6가 크롬을 독성이 덜한 3가 크롬으로 환원시킬 수 있다.

Description

6가 크롬의 환원 방법{METHOD FOR REDUCTION OF HEXAVALENT CHROMIUM}
6가 크롬의 환원 방법에 관한 것이다.
중금속에 의한 수질 및 토양의 오염문제가 날로 심각해져 가고 있다.
그렇기 때문에 중금속들의 산화·환원 반응을 이해하는 것은 공공위생 및 환경 정화를 위해서 매우 중요하게 여겨진다.
그 중 6가 크롬은 자연계에 널리 분포하고 크롬산 제조업; 크롬 도금업; 크롬합금 및/또는 스테인레스강 등을 생산하는 금속 제품 제조업; 스테인레스강 용접업; 도료 및/또는 색소 제조/취급업; 목재보존재 제조 및/또는 취급업; 피혁제품 제조업 등 여러 산업에서 널리 사용되고 있다.
다만, 6가 크롬은 환경 문제를 야기할 수 있는 중금속이다. 따라서 상기 6가 크롬을 처리하는 방법이 주목을 받고 있다.
관련 선행문헌: KR2000-0039151
본 발명의 일 구현예는 상기 6가 크롬의 처리를 위한 하나의 방법으로 6가 크롬의 환원 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서는, 6가 크롬을 포함하는 용액을 준비하는 단계; 상기 용액에 유기산을 투입하는 단계; 및 상기 유기산이 투입된 용액을 냉각하는 단계를 포함하는 6가 크롬의 환원 방법을 제공한다.
상기 유기산이 투입된 용액을 냉각하는 단계의 냉각 온도는 -10 내지 -196℃일 수 있다.
상기 용액에 유기산을 투입하는 단계에서, 상기 유기산의 투입 농도는 60mM 이하인 것일 수 있다.
상기 유기산은 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 옥살릭산(oxalic acid), 구연산(citric acid), 에틸렌다이아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 부식산(humic acid), 풀브산(fulvic acid) 또는 이들의 조합인 것일 수 있다.
상기 유기산은 상기 6가 크롬을 환원시키는 환원제인 것일 수 있다.
상기 6가 크롬의 환원 방법에 의해 상기 6가 크롬은 3가 크롬으로 환원될 수 있다.
상기 6가 크롬의 총량 중 10mol% 이상의 6가 크롬이 상기 3가 크롬으로 환원될 수 있다.
상기 유기산은 옥살릭산(oxalic acid), 구연산(citric acid), 에틸렌다이아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA) 또는 이들의 조합일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 6가 크롬을 포함하는 용액을 준비하는 단계; 상기 용액의 pH를 3이하로 조절하는 단계; 및 상기 pH가 3이하로 조절된 용액을 냉각하는 단계;를 포함하는 6가 크롬의 환원 방법을 제공한다.
상기 pH가 3이하로 조절된 용액을 냉각하는 단계의 냉각 온도는 -10 내지 -196℃일 수 있다.
상기 6가 크롬의 환원 방법에 의해 상기 6가 크롬은 3가 크롬으로 환원될 수 있다.
상기 6가 크롬의 총량 중 10mol% 이상의 6가 크롬이 상기 3가 크롬으로 환원될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 6가 크롬의 환원 방법을 이용하는 경우, 간단한 공정으로 독성이 강한 6가 크롬을 독성이 덜한 3가 크롬으로 환원시킬 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 6가 크롬의 환원 방법을 이용할 경우, 공정 상의 기타 부산물이 발생하지 않는다.
따라서, 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 6가 크롬의 환원 방법은 6가 크롬을 포함하는 폐수, 지하수, 토양 정화 등의 분야에 광범위하게 적용될 수 있다.
도 1은 실험예 1 내지 6의 결과 그래프이다.
도 2는 비교 실험예 1 내지 6의 결과 그래프이다.
도 3은 실험예 7 내지 13, 비교 실험예 7 내지 13, 실험예 a 및 비교 실험예 a의 결과 그래프이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예에서는, 6가 크롬을 포함하는 용액을 준비하는 단계;
상기 용액에 유기산을 투입하는 단계; 및 상기 유기산이 투입된 용액을 냉각하는 단계를 포함하는 6가 크롬의 환원 방법을 제공한다.
상기 6가 크롬은 독성이 강한 중금속으로 많은 환경 문제를 야기할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 6가 크롬을 환원하여 상기 환경 문제를 보다 줄일 수 있다.
구체적인 예를 들어, 상기 6가 크롬을 3가 크롬으로 환원할 수 있다. 상기 3가 크롬은 상기 6가 크롬에 비해 독성이 덜하고 흡착 제거가 용이하다.
따라서, 상기 6가 크롬을 본 발명의 일 구현예에 따른 환원 방법에 의해 3가 크롬으로 환원시킨 후 수산크롬으로 침전 시키는 방법 등에 의해 6가 크롬을 폐수, 토양 등으로부터 효과적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 6가 크롬의 환원 방법은 6가 크롬을 포함하는 용액에 유기산을 투입하고 이를 냉각하는 단계에 의해 상기 6가 크롬을 효과적으로 환원할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 환원 방법은 상기 냉각 단계를 거치게 되면 상기 용액이 얼게 될 수 있다. 상기 용액이 얼 때 대부분의 유기물과 무기물은 얼음의 결정 주위에 존재하는 준-액체층에 농축되게 된다.
또한 상기 준-액체층에는 수소이온도 농축될 수 있으며, 상기 수소이온의 농축에 의해 상기 준-액체층의 pH가 변화될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 6가 크롬의 환원 방법은 산성 조건 및/또는 환원제(예를 들어, 유기산)의 농도가 증가하는 조건에서 효과적일 수 있다.
상기와 같이 냉각 단계에 의해 준-액체층에 무기물(예를 들어, 6가 크롬), 유기물(예를 들어, 유기산) 및/또는 수소이온이 농축되게 되는 경우 6가 크롬의 환원 반응은 효과적으로 일어날 수 있게 된다.
상기 유기산이 투입된 용액을 냉각하는 단계의 냉각 온도는 -10 내지 -196℃일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 용액이 동결하게 되면서 준-액체층 내 무기물, 유기물 및 수소의 농축이 효과적으로 일어날 수 있다.
상기 용액에 유기산을 투입하는 단계에서, 상기 유기산의 투입 농도는 60mM 이하일 수 있다. 보다 구체적으로는 600μM 이하, 60μM 이하 또는 6μM 이하 일 수 있다. 유기산을 미량만 투입해도 무방하기 때문에, 유기산의 투입 농도의 하한은 특별히 규정할 수는 없다. 상기 범위를 만족하는 경우 효과적으로 6가 크롬을 환원시킬 수 있다.
상기 유기산은 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 옥살릭산(oxalic acid), 구연산(citric acid), 에틸렌다이아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 부식산(humic acid), 풀브산(fulvic acid) 또는 이들의 조합일 수 있다.
보다 구체적으로 상기 유기산은 옥살릭산(oxalic acid), 구연산(citric acid), 에틸렌다이아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA) 또는 이들의 조합일 수 있다. 다만, 상기 예시된 유기산에 제한되지는 않는다.
상기 유기산은 상기 6가 크롬을 환원시키는 환원제의 역할을 할 수 있다.
또한, 상기 6가 크롬의 환원 방법에 의해 상기 6가 크롬은 3가 크롬으로 환원될 수 있다. 이에 대한 설명은 전술한 바와 동일하기 때문에 생략하도록 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 6가 크롬의 환원 방법에 의하면, 상기 6가 크롬의 총량 중 10mol% 이상의 6가 크롬이 3가 크롬으로 환원될 수 있다. 보다 구체적으로는 20mol%, 30mol%, 40mol%, 50mol%, 60mol%, 70mol%, 80mol% 또는 90mol% 이상의 6가 크롬이 3가 크롬으로 환원될 수 있다. 상기 환원되는 6가 크롬의 양은 사용되는 유기산의 종류, 반응 조건 등에 의해 조절될 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 6가 크롬을 포함하는 용액을 준비하는 단계; 상기 용액의 pH를 3이하로 조절하는 단계; 및 상기 pH가 3이하로 조절된 용액을 냉각하는 단계;를 포함하는 6가 크롬의 환원 방법을 제공한다.
전술한 본 발명의 일 구현예에 따른 6가 크롬의 환원 방법에서는 유기산을 이용하여 6가 크롬을 환원하였으나, 본 발명의 다른 일 구현예에서는 유기산 대신 용액의 pH를 조절하여 6가 크롬을 환원시킬 수 있다.
이 때, pH는 3이하로 조절될 수 있다.
상기 pH가 3이하로 조절된 용액을 냉각하는 단계의 냉각 온도는 -10 내지 -196℃일 수 있으며, 이에 대한 설명은 전술한 본 발명의 일 구현예에 따른 6가 크롬의 환원 방법에서 기술한 바와 동일하다.
상기 6가 크롬의 환원 방법에 의해 상기 6가 크롬은 3가 크롬으로 환원될 수 있으며, 이에 대한 설명은 전술한 본 발명의 일 구현예에 따른 6가 크롬의 환원 방법에서 기술한 바와 동일하다.
상기 6가 크롬의 총량 중 10mol% 이상의 6가 크롬이 상기 3가 크롬으로 환원될 수 있으며, 이에 대한 설명은 전술한 본 발명의 일 구현예에 따른 6가 크롬의 환원 방법에서 기술한 바와 동일하다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
(유기산의 투입량 및 상( phase )에 따른 6가 크롬의 환원 실험)
실험예 1: 6μM 구연산
20μM 6가 크롬 수용액에 구연산 6μM을 코니칼 튜브에 주입하고 혼합하였다.
상기 혼합물을 저온 냉각 수조 및 액체 질소를 사용하여 -10 내지 -196℃로 동결하였다.
디페닐-카바자이드(diphenyl-carbazide, DPC)방법으로 UV/vis-분광 광도계(spectrophotometer, UV-2401PC Shimadzu or Libra S22)를 이용하여 540nm에서 흡광도를 측정하여 6가 크롬의 함량을 계산하였다.
실험예 2: 60μM 구연산
상기 실험예 1에서, 상기 구연산 6μM을 대신하여 구연산 60μM을 이용한 점을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
실험예 3: 600μM 구연산
상기 실험예 1에서, 상기 구연산 6μM을 대신하여 구연산 600μM을 이용한 점을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
실험예 4: 6μM 옥살릭산
상기 실험예 1에서, 상기 구연산 6μM을 대신하여 옥살릭산 6μM을 이용한 점을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
실험예 5: 60μM 옥살릭산
상기 실험예 1에서, 상기 구연산 6μM을 대신하여 옥살릭산 60μM을 이용한 점을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
실험예 6: 600μM 옥살릭산
상기 실험예 1에서, 상기 구연산 6μM을 대신하여 옥살릭산 600μM을 이용한 점을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
비교 실험예 1
상기 실험예 1에서, 상기 혼합물을 저온 냉각 수조 및 액체 질소를 사용하여 -10 내지 -196℃로 동결하는 과정을 생략한 점을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
비교 실험예 2
상기 실험예 2에서, 상기 혼합물을 저온 냉각 수조 및 액체 질소를 사용하여 -10 내지 -196℃로 동결하는 과정을 생략한 점을 제외하고는 상기 실험예 2과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
비교 실험예 3
상기 실험예 3에서, 상기 혼합물을 저온 냉각 수조 및 액체 질소를 사용하여 -10 내지 -196℃로 동결하는 과정을 생략한 점을 제외하고는 상기 실험예 3과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
비교 실험예 4
상기 실험예 4에서, 상기 혼합물을 저온 냉각 수조 및 액체 질소를 사용하여 -10 내지 -196℃로 동결하는 과정을 생략한 점을 제외하고는 상기 실험예 4와 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
비교 실험예 5
상기 실험예 5에서, 상기 혼합물을 저온 냉각 수조 및 액체 질소를 사용하여 -10 내지 -196℃로 동결하는 과정을 생략한 점을 제외하고는 상기 실험예 5와 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
비교 실험예 6
상기 실험예 6에서, 상기 혼합물을 저온 냉각 수조 및 액체 질소를 사용하여 -10 내지 -196℃로 동결하는 과정을 생략한 점을 제외하고는 상기 실험예 6과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
실험 결과
도 1은 상기 실험예 1 내지 6의 결과 그래프이다.
도 2는 상기 비교 실험예 1 내지 6의 결과 그래프이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 유기산의 농도가 높을수록 6가 크롬의 환원 속도가 빠른 것을 알 수 있다.
또한 도 2와 도 1을 비교해 보면 알 수 있듯이, 냉각 단계를 전혀 수행하지 않은 비교 실험예에서는 6가 크롬의 환원 반응이 일어나지 않은 것을 알 수 있다.
(유기산의 종류에 따른 6가 크롬의 환원 실험)
실험예 7: 아세트산
20μM 6가 크롬 수용액에 아세트산 600μM을 코니칼 튜브에 주입하고 혼합하였다.
상기 혼합물을 저온 냉각 수조 및 액체 질소를 사용하여 -10 내지 -196℃로 동결하였다.
디페닐-카바자이드(diphenyl-carbazide, DPC)방법으로 UV/vis-분광 광도계(spectrophotometer, UV-2401PC Shimadzu or Libra S22)를 이용하여 540nm에서 흡광도를 측정하여 6가 크롬의 함량을 계산하였다.
상기 반응 후 3시간 후의 상태를 기준으로 6가 크롬의 함량을 측정하였다.
실험예 8: 포름산
상기 실험예 7에서, 아세트산을 대신하여 포름산을 사용한 점을 제외하고는 상기 실험예 7과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
실험예 9: 구연산
상기 실험예 7에서, 아세트산을 대신하여 구연산을 사용한 점을 제외하고는 상기 실험예 7과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
실험예 10: 옥살릭산
상기 실험예 7에서, 아세트산을 대신하여 올살릭산을 사용한 점을 제외하고는 상기 실험예 7과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
실험예 11: 에틸렌다이아민테트라아세트산
상기 실험예 7에서, 아세트산을 대신하여 에틸렌다이아민테트라아세트산을 사용한 점을 제외하고는 상기 실험예 7과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
실험예 12: 풀브산
상기 실험예 7에서, 아세트산을 대신하여 풀브산을 사용한 점을 제외하고는 상기 실험예 7과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
실험예 13: 부식산
상기 실험예 7에서, 아세트산을 대신하여 부식산을 사용한 점을 제외하고는 상기 실험예 7과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
실험예 a: pH 변화
20μM 6가 크롬 수용액을 코니칼 튜브에 주입하였다.
이후, 상기 수용액의 pH를 3이하고 조절하였다.
상기 수용액을 저온 냉각 수조 및 액체 질소를 사용하여 -10 내지 -196℃로 동결하였다.
디페닐-카바자이드(diphenyl-carbazide, DPC)방법으로 UV/vis-분광 광도계(spectrophotometer, UV-2401PC Shimadzu or Libra S22)를 이용하여 540nm에서 흡광도를 측정하여 6가 크롬의 함량을 계산하였다.
상기 반응 후 3시간 후의 상태를 기준으로 6가 크롬의 함량을 측정하였다.
비교 실험예 7
상기 실험예 7에서, 상기 혼합물을 저온 냉각 수조 및 액체 질소를 사용하여 -10 내지 -196℃로 동결하는 과정을 생략한 점을 제외하고는 상기 실험예 7과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
비교 실험예 8
상기 실험예 8에서, 상기 혼합물을 저온 냉각 수조 및 액체 질소를 사용하여 -10 내지 -196℃로 동결하는 과정을 생략한 점을 제외하고는 상기 실험예 8과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
비교 실험예 9
상기 실험예 9에서, 상기 혼합물을 저온 냉각 수조 및 액체 질소를 사용하여 -10 내지 -196℃로 동결하는 과정을 생략한 점을 제외하고는 상기 실험예 9와 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
비교 실험예 10
상기 실험예 10에서, 상기 혼합물을 저온 냉각 수조 및 액체 질소를 사용하여 -10 내지 -196℃로 동결하는 과정을 생략한 점을 제외하고는 상기 실험예 10과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
비교 실험예 11
상기 실험예 11에서, 상기 혼합물을 저온 냉각 수조 및 액체 질소를 사용하여 -10 내지 -196℃로 동결하는 과정을 생략한 점을 제외하고는 상기 실험예 11과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
비교 실험예 12
상기 실험예 12에서, 상기 혼합물을 저온 냉각 수조 및 액체 질소를 사용하여 -10 내지 -196℃로 동결하는 과정을 생략한 점을 제외하고는 상기 실험예 12와 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
비교 실험예 13
상기 실험예 13에서, 상기 혼합물을 저온 냉각 수조 및 액체 질소를 사용하여 -10 내지 -196℃로 동결하는 과정을 생략한 점을 제외하고는 상기 실험예 13과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
비교 실험예 a
상기 실험예 a에서 상기 수용액의 pH를 5.6으로 조절한 점을 제외하고는 상기 실험예 a와 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
실험 결과
도 3은 상기 실험예 7 내지 13, 비교 실험예 7 내지 13, 실험예 a 및 비교 실험예 a의 결과 그래프이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 유기산의 종류에 상관없이 냉각 과정을 거친 본 발명의 일 구현예에 따른 실험예에서 6가 크롬의 환원 반응이 효과적으로 일어나는 것을 알 수 있었다.
또한 유기산 중 구연산 및/또는 옥살릭산의 경우, 6가 크롬을 환원하는 능력이 보다 우수한 점을 확인 할 수 있었다.
또한, 유기산을 사용하지 않은 실험예 a의 경우 단순히 pH의 조절만으로도 6가 크롬의 환원 반응이 효과적으로 일어날 수 있음을 알 수 있었다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (12)

  1. 6가 크롬을 포함하는 용액을 준비하는 단계;
    상기 용액에 유기산을 투입하는 단계; 및
    상기 유기산이 투입된 용액을 냉각하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 유기산이 투입된 용액을 냉각하는 단계의 냉각 온도는 -10 내지 -196℃인 것인 6가 크롬의 환원 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용액에 유기산을 투입하는 단계에서,
    상기 유기산의 투입 농도는 60mM 이하인 것인 6가 크롬의 환원 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유기산은 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 옥살릭산(oxalic acid), 구연산(citric acid), 에틸렌다이아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 부식산(humic acid), 풀브산(fulvic acid) 또는 이들의 조합인 것인 6가 크롬의 환원 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유기산은 상기 6가 크롬을 환원시키는 환원제인 것인 6가 크롬의 환원 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 6가 크롬의 환원 방법에 의해 상기 6가 크롬은 3가 크롬으로 환원되는 것인 6가 크롬의 환원 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 6가 크롬의 총량 중 10mol% 이상의 6가 크롬이 상기 3가 크롬으로 환원되는 것인 6가 크롬의 환원 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유기산은 옥살릭산(oxalic acid), 구연산(citric acid), 에틸렌다이아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA) 또는 이들의 조합인 것인 6가 크롬의 환원 방법.
  9. 6가 크롬을 포함하는 용액을 준비하는 단계;
    상기 용액의 pH를 3이하로 조절하는 단계; 및
    상기 pH가 3이하로 조절된 용액을 냉각하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 pH가 3이하로 조절된 용액을 냉각하는 단계의 냉각 온도는 -10 내지 -196℃인 것인 6가 크롬의 환원 방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 6가 크롬의 환원 방법에 의해 상기 6가 크롬은 3가 크롬으로 환원되는 것인 6가 크롬의 환원 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 6가 크롬의 총량 중 10mol% 이상의 6가 크롬이 상기 3가 크롬으로 환원되는 것인 6가 크롬의 환원 방법.
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