KR101351513B1 - 물과 기름을 선택적으로 분리할 수 있는 극소수성 여과 구조물 - Google Patents

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Abstract

젖음성을 이용하여 물과 기름을 효율적으로 분리할 수 있는 여과 구조물을 제공한다. 여과 구조물은 복수의 개구부를 형성하는 제1 여과층과, 복수의 개구부를 형성하며 제1 여과층과 거리를 두고 제1 여과층과 중첩되어 위치하는 제2 여과층과, 제1 여과층과 제2 여과층의 표면에 형성된 소수성 고분자층을 포함한다. 제1 여과층과 제2 여과층은 그 표면에 마이크로 스케일과 나노 스케일이 조합된 듀얼 스케일의 요철 구조를 형성하고, 소수성 고분자층은 요철 구조의 굴곡을 따라 형성된다.

Description

물과 기름을 선택적으로 분리할 수 있는 극소수성 여과 구조물 {SUPERHYDROPHOBIC FILTER STURCTURE FOR SELECTIVE SEPARATION OF WATER AND OIL MIXTURES}
본 발명은 물과 기름을 선택적으로 분리할 수 있는 여과 구조물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 젖음성을 이용하여 물과 기름을 효율적으로 분리할 수 있는 여과 구조물에 관한 것이다.
기름을 다량 포함하는 산업용 폐수와, 선박에서 사고로 유출된 기름 등으로 인한 수질 오염 문제는 생태계에 치명적인 영향을 끼치며, 오염된 지역의 복원에 막대한 경제적 비용과 시간이 소요된다. 이러한 이유로 폐수와 해상 유출유 등에서 물과 기름을 분리하는 기술이 제안되었다.
물과 기름을 분리하는 종래의 기술로는 흡착 방식과 비중 분리 방식이 알려져 있다. 흡착 방식은 흡착제를 이용하여 기름만을 선별적으로 흡수하는 방식이다. 이 방식은 한 번에 기름을 제거할 수 있는 양이 제한적이며, 기름을 흡수한 흡착제의 처리 과정에서 추가적인 비용과 2차 환경 오염이 발생할 수 있다.
비중 분리 방식은 물과 기름의 비중 차이를 이용하여 물의 상부에 떠오른 기름을 제거하는 방식으로서, 흡착제와 같은 소모품이 이용되지 않아 비용을 절감할 수 있다. 그러나 기름을 분리하는 효율이 떨어지고, 분리된 기름에 많은 수분이 포함되어 있으므로 기름을 재활용하는데 어려움이 있다.
선행문헌 1: 일본 공개특허 2000-288302 (2000.10.17) (발명의 명칭: 다층 여과 엘리먼트)
본 발명은 구조가 간단하고, 물과 기름의 혼합물로부터 기름을 높은 효율로 분리하여 회수할 수 있는 극소수성 여과 구조물을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 여과 구조물은 복수의 개구부를 형성하는 제1 여과층과, 복수의 개구부를 형성하며 제1 여과층과 거리를 두고 제1 여과층과 중첩되어 위치하는 제2 여과층과, 제1 여과층과 제2 여과층의 표면에 형성된 소수성 고분자층을 포함한다. 제1 여과층과 제2 여과층은 그 표면에 마이크로 스케일과 나노 스케일이 조합된 듀얼 스케일의 요철 구조를 형성하고, 소수성 고분자층은 요철 구조의 굴곡을 따라 형성된다.
제1 여과층과 제2 여과층 각각은 금속 와이어를 메쉬 형태로 직조한 금속 메쉬로 이루어질 수 있다. 요철 구조는 마이크로 스케일의 제1 미세 요철과, 제1 미세 요철의 표면에서 제1 미세 요철의 굴곡을 따라 형성된 나노 스케일의 제2 미세 요철을 포함할 수 있다.
제1 미세 요철은 샌드 블라스트, 숏 블라스트, 플라즈마 에칭, 방전 처리, 및 레이저 처리 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다. 제2 미세 요철은 양극 산화 공정으로 형성될 수 있다.
소수성 고분자층은 불소 수지, 불소계 실란 커플링제, 불소계 이소시안산염 화합물, 알칼디올, 유기실란 화합물, 지방산, 방향족 아지드 화합물, 이들의 혼합물, 및 이들의 중합체로부터 선택되는 적어도 하나의 소수성 물질을 포함할 수 있다.
소수성 고분자층은 소수성 물질을 요철 구조 위에 코팅하는 방법으로 형성될 수 있다. 다른 한편으로, 소수성 고분자층은 소수성 물질이 제1 여과층 및 제2 여과층의 표면과 공유 결합하여 단분자층 또는 다분자층의 형태로 존재할 수 있다.
제1 여과층과 제2 여과층 사이에 기름층이 존재할 수 있다. 기름층은 여과 구조물에 기름만 통과시키거나 여과 구조물을 기름에 담갔다가 꺼내는 방법으로 형성될 수 있다.
제1 여과층과 제2 여과층 가운데 어느 한 여과층의 외측에 스폰지로 형성된 기름 흡수층이 위치할 수 있다. 제1 여과층과 제2 여과층 사이에 기름 흡수층이 위치하며, 기름 흡수층은 하이드로겔, 실리카겔, 활성알루미나, 제오라이트, 활탄, 직물, 및 스폰지로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 여과층과 제2 여과층 사이에 보강재가 위치하며, 보강재는 금속 막대, 금속 메쉬, 고분자 막대, 및 고분자 메쉬 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
여과 구조물은 구조가 간단하고, 개구부의 크기가 기름과 물의 분리에 미치는 영향이 적으며, 기름을 흡수한 여과 구조물로부터 기름을 용이하게 수거하여 재활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 여과 구조물을 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 제1 여과층과 제2 여과층의 표면을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 여과 구조물을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 여과 구조물을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 여과 구조물을 나타낸 개략도이다.
도 6은 전술한 여과 구조물의 적용예를 나타낸 도면이다.
도 7a는 본 실시예의 여과 구조물에 물을 떨어뜨린 후 촬영한 사진이다.
도 7b는 본 실시예의 여과 구조물에 기름을 떨어뜨린 후 촬영한 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 여과 구조물을 나타낸 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시한 제1 여과층과 제2 여과층의 표면을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예에 따른 여과 구조물(100)은 복수의 개구부를 형성하는 제1 여과층(10)과, 복수의 개구부를 형성하며 제1 여과층(10)과 거리를 두고 제1 여과층(10)과 중첩되어 위치하는 제2 여과층(20)과, 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20)의 표면에 형성된 소수성 고분자층(30)을 포함한다.
제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 각각은 금속 와이어를 메쉬 형태로 직조한 금속 메쉬로 이루어질 수 있다. 다른 한편으로, 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 각각은 복수의 개구부를 형성한 금속 판재로 이루어질 수 있다. 금속 메쉬는 유연하게 변형될 수 있고, 높은 강도를 나타내므로 금속 판재보다 유용하게 적용될 수 있다.
제1 여과층(10)과 제2 여과층(20)의 표면에는 마이크로 스케일의 제1 미세 요철(31)이 형성되고, 제1 미세 요철(31)의 굴곡을 따라 나노 스케일의 제2 미세 요철(32)이 형성된다. 따라서 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20)의 표면에는 마이크로 스케일과 나노 스케일이 혼합된 듀얼 스케일의 요철 구조가 형성된다.
여기서, 마이크로 스케일은 1㎛ 이상 1,000㎛ 미만의 범위에 속하는 크기를 의미하고, 나노 스케일은 1nm 이상 1,000nm 미만의 범위에 속하는 크기를 의미한다.
마이크로 스케일의 제1 미세 요철(31)은 샌드 블라스트, 숏 블라스트, 플라즈마 에칭, 방전 처리, 및 레이저 처리 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.
샌드 블라스트는 미세한 모래 입자를 압축 공기로 분사시켜 대상물에 물리적인 충돌을 가함으로써 미세 요철을 형성하는 방법이다. 숏 블라스트는 숏(shot) 또는 그릿(grit)이라고 하는 금속 또는 비금속의 미세 입자를 분사하여 대상물에 미세 요철을 형성한다.
플라즈마 에칭은 에칭액 대신 기체 플라즈마를 이용하여 대상물의 표면을 식각함으로써 대상물의 표면에 미세 요철을 형성한다. 방전 처리는 전기 방전에 의해 발생하는 고열로 대상물의 표면을 용융시킨 후 재응고시키는 처리법으로서, 방전 처리된 대상물의 표면에는 불규칙적인 균열 및 기포로 이루어진 미세 요철이 형성된다. 레이저 처리는 고출력의 레이저 펄스를 대상물에 입사시켜 그 표면을 삭마함으로써 미세 요철을 형성한다.
나노 스케일의 제2 미세 요철(32)은 양극 산화 공정으로 형성될 수 있다.
양극 산화 공정에 사용되는 양극 산화 장치(도시하지 않음)는 냉각수가 순환하는 순환식 수조와, 수조 내부의 전해액을 일정한 속도로 교반하는 자석 교반기를 포함할 수 있다. 수조 내부의 전해액에 제1 및 제2 여과층(10, 20)과 상대 전극을 담그고, 제1 및 제2 여과층(10, 20)과 상대 전극에 각각 양극 전원과 음극 전원을 인가하여 양극 산화 공정을 실시한다.
양극 산화 공정이 진행되면서 제1 및 제2 여과층(10, 20)의 표면에는 산화막이 형성되고, 산화막에 나노 스케일의 미세 홈이 형성된다. 산화막과 미세 홈은 제1 미세 요철(31)의 굴곡을 따라 형성되므로, 제1 및 제2 여과층(10, 20)의 표면에는 제1 미세 요철(31)과 제2 미세 요철(32)이 조합된 듀얼 스케일의 요철 구조가 형성된다.
여과 구조물(100)이 양극 산화 공정으로 제2 미세 요철(32)을 형성하는 경우, 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20)은 양극 산화가 가능한 금속, 예를 들어 알루미늄이나 티타늄 등으로 형성될 수 있다.
소수성 고분자층(30)이 없는 경우 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20)은 요철 구조에 의해 극친수성 표면을 구현한다. 반면 본 실시예에서 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20)은 소수성 고분자층(30)에 의해 극소수성 표면을 구현한다. 젖음성은 고체 표면이 물에 젖기 쉬운 정도를 의미하며, 임의의 액체가 고체 표면에 접촉할 때 고체에 대한 액체의 접촉각으로 측정할 수 있다. 액체의 접촉각이 90°보다 클 때 소수성이라 하고, 150°보다 클 때 극소수성이라 한다.
소수성 고분자층(30)은 불소 수지, 불소계 실란 커플링제, 불소계 이소시안산염 화합물, 알칸티올, 유기실란 화합물, 지방산, 방향족 아지드 화합물, 이들의 혼합물, 및 이들의 중합체로부터 선택되는 적어도 하나의 소수성 물질을 포함할 수 있다.
소수성 고분자층(30)은 소수성 물질을 제1 및 제2 여과층(10, 20)의 요철 구조 위에 코팅하는 방법으로 형성될 수 있다. 이때 코팅은 코팅 용액에 침지시키거나 저압 스프레이를 이용하여 표면에 코팅 용액을 도포한 다음 핵산과 증류수를 통해 세척하고, 고온의 오븐에서 건조하는 방법 등으로 수행될 수 있다.
또한, 소수성 고분자층(30)은 소수성 물질이 제1 여과층(10) 및 제2 여과층(20)의 표면과 화학적 결합을 이루어 형성될 수도 있다. 구체적으로, 소수성 물질은 제1 여과층(10) 및 제2 여과층(20)의 표면과 공유 결합을 통하여 단분자층 또는 다분자층의 형태로 형성될 수 있다.
소수성 고분자층(30)은 재료 자체로 소수성을 나타내며, 제1 여과층(10) 및 제2 여과층(20)의 요철 구조 위에 극히 얇은 두께로 형성됨에 따라 요철 구조와 동일한 패턴을 나타낸다. 즉 소수성 고분자층(30)은 제2 미세 요철(32)을 메우지 않고 제2 미세 요철(32)의 굴곡을 따라 일정 두께로 형성된다. 소수성 고분자층(30)은 단분자층으로서 1Å 내지 5nm의 범위에 속하는 두께를 가질 수 있다.
소수성 고분자층(30)은 봉우리에 해당하는 높은 부분과 골짜기에 해당하는 낮은 부분을 가지며, 봉우리에 해당하는 부분이 소수성 구현을 위한 마이크로 돌기로 기능한다. 그리고 나노 스케일의 제2 미세 요철(32)에 대응하여 소수성 고분자층(30)에 형성된 돌기 구조가 극소수성 구현을 위한 나노 돌기로 기능한다.
이러한 소수성 고분자층(30)은 마이크로 돌기들 사이 및 나노 돌기들 사이로 공기를 함유하여 물과의 접촉 면적을 최소화한다. 따라서 소수성 고분자층(30)을 구비한 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20)은 접촉각이 150°보다 큰 극소수성 표면을 구현한다.
제1 여과층(10)과 제2 여과층(20)이 극소수성을 나타냄에 따라, 여과 구조물(100)은 물을 배척하므로 물은 여과 구조물(100)을 통과하지 못한다. 반면 기름은 물보다 표면 에너지가 낮기 때문에 여과 구조물(100) 내부로 기름이 침투하며, 기름은 여과 구조물(100)을 쉽게 통과한다.
제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 사이에는 공간이 존재하고, 이 공간은 여과 구조물(100) 사용시 일정량의 기름으로 채워진다. 즉, 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 사이에 기름층(40)이 존재한다. 기름층(40)은 여과 구조물(100)을 사용하기 전, 여과 구조물(100)에 기름만을 통과시키거나 여과 구조물(100)을 기름에 담갔다가 꺼내는 방법으로 형성할 수 있다.
도 1에서는 여과 구조물(100)이 두 개의 여과층(10, 20)으로 구성된 경우를 예로 들어 도시하였으나, 여과 구조물(100)은 3개 또는 그 이상의 여과층을 구비할 수도 있다. 모든 경우 각각의 여과층은 이웃한 여과층과 떨어져 위치하며, 이웃한 두 개의 여과층 사이에 기름층이 존재한다.
일정한 압력으로 물과 기름이 혼합된 액체를 여과 구조물(100)로 통과시키면, 기름은 잘 통과하지만 물은 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 사이의 기름층(40)에 의한 척력으로 통과할 수 없다. 따라서 여과 구조물(100)은 물과 기름의 혼합물로부터 기름을 선택적으로 투과시켜 물과 기름을 높은 효율로 분리할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 여과 구조물을 나타낸 개략도이다.
도 3을 참고하면, 제2 실시예의 여과 구조물(110)은 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 중 어느 한 여과층의 외측에 기름 흡수층(51)을 배치한 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 여과 구조물과 동일한 구조로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
기름 흡수층(51)은 스폰지로 형성될 수 있고, 여과 구조물(110)이 분리된 기름이 여과 구조물(110)을 빠져나와 물이 재 오염되는 것을 방지한다. 기름 흡수층(51)은 여과 구조물(110)을 통과한 기름을 머금게 되며, 기름 흡수층(51)을 짜서 기름만 수거할 수 있고, 수거된 기름은 다시 재활용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 여과 구조물을 나타낸 개략도이다.
도 4를 참고하면, 제3 실시예에 따른 여과 구조물(120)은 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 사이에 기름 흡수층(52)이 위치하는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 여과 구조물과 동일한 구조로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
기름 흡수층(52)은 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 사이에 기름층이 잘 유지될 수 있도록 기름을 흡수하여 저장하는 역할을 한다. 따라서 기름 흡수층(52)을 구비한 여과 구조물(120)은 높은 압력에서도 기름층이 이탈하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 기름 흡수층(52)은 압력에 의해 여과 구조물이 변형되는 것을 방지하는 역할도 한다.
기름 흡수층(52)은 하이드로겔, 실리카겔, 활성알루미나, 제오라이트, 활성탄, 직물, 및 스폰지로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 여과 구조물을 나타낸 개략도이다.
도 5를 참고하면, 제4 실시예에 따른 여과 구조물(130)은 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 사이에 보강재(60)가 위치하는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예 내지 제3 실시예 중 어느 한 실시예의 여과 구조물과 동일한 구조로 이루어진다.
도 5에서는 기름 흡수층(52)이 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 사이에 위치하고, 기름 흡수층(52)의 중앙에 보강재(60)가 위치하는 경우를 예로 들어 도시하였다.
보강재(60)는 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20)이 높은 압력에 의해 변형되지 않도록 이들을 지지하는 역할을 한다. 보강재(60)는 금속 막대, 금속 메쉬, 고분자 막대, 고분자 메쉬 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 제4 실시예의 여과 구조물(130)은 보강재(60)에 의해 구조적인 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 전술한 여과 구조물의 적용예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참고하면, 여과 구조물(100)은 사용 목적에 따라 다양한 모양과 크기로 제작되며, 예를 들어 일정한 폭과 너비를 갖는 사각 그물망 형태로 제작될 수 있다. 선박에서 기름이 유출되는 사고가 발생한 경우, 여과 구조물(100)은 해상 유출유 위에 투척될 수 있다.
여과 구조물(100)은 극소수성 표면에 의해 기름만을 통과시키는 특징을 가지므로, 해상 유출유의 기름 성분이 여과 구조물(100)을 투과하여 여과 구조물(100) 내부 또는 기름 흡수층에 저장된다. 따라서 여과 구조물(100)로 기름을 쉽게 모을 수 있고, 여과 구조물(100)을 회수하여 기름을 분리 및 재활용할 수 있다.
도 7a는 본 실시예의 여과 구조물에 물을 떨어뜨린 후 촬영한 사진이고, 도 7b는 본 실시예의 여과 구조물에 기름을 떨어뜨린 후 촬영한 사진이다. 도 7a와 도 7b를 참고하면, 본 실시예의 여과 구조물은 물에 대해 극소수성을 나타내고, 기름에 대해서 극친유성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 110, 120, 130: 여과 구조물
10: 제1 여과층 20: 제2 여과층
30: 소수성 고분자층 31: 제1 미세 요철
32: 제2 미세 요철 40: 기름층
51, 52: 기름 흡수층 60: 보강재

Claims (13)

  1. 복수의 개구부를 형성하는 제1 여과층;
    복수의 개구부를 형성하며 상기 제1 여과층과 거리를 두고 상기 제1 여과층과 중첩되어 위치하는 제2 여과층;
    상기 제1 여과층과 상기 제2 여과층의 표면에 형성된 소수성 고분자층; 및
    상기 제1 여과층과 상기 제2 여과층 사이에 존재하는 기름층
    을 포함하며,
    상기 제1 여과층과 상기 제2 여과층은 그 표면에 마이크로 스케일과 나노 스케일이 조합된 듀얼 스케일의 요철 구조를 형성하고,
    상기 소수성 고분자층은 상기 요철 구조의 굴곡을 따라 형성되는 여과 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 여과층과 상기 제2 여과층 각각은 금속 와이어를 메쉬 형태로 직조한 금속 메쉬로 이루어지는 여과 구조물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 요철 구조는 마이크로 스케일의 제1 미세 요철과, 상기 제1 미세 요철의 표면에서 상기 제1 미세 요철의 굴곡을 따라 형성된 나노 스케일의 제2 미세 요철을 포함하는 여과 구조물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 미세 요철은 샌드 블라스트, 숏 블라스트, 플라즈마 에칭, 방전 처리, 및 레이저 처리 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 여과 구조물.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 미세 요철은 양극 산화 공정으로 형성되는 여과 구조물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소수성 고분자층은 불소 수지, 불소계 실란 커플링제, 불소계 이소시안산염 화합물, 알칼디올, 유기실란 화합물, 지방산, 방향족 아지드 화합물, 이들의 혼합물, 및 이들의 중합체로부터 선택되는 적어도 하나의 소수성 물질을 포함하는 여과 구조물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 소수성 고분자층은 상기 소수성 물질을 상기 요철 구조 위에 코팅하는 방법으로 형성되는 여과 구조물.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 소수성 고분자층은 상기 소수성 물질이 상기 제1 여과층 및 상기 제2 여과층의 표면과 공유 결합하여 단분자층 또는 다분자층의 형태로 존재하는 여과 구조물.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기름층은 상기 여과 구조물에 기름만 통과시키거나 상기 여과 구조물을 기름에 담갔다가 꺼내는 방법으로 형성되는 여과 구조물.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 여과층과 상기 제2 여과층 가운데 어느 한 여과층의 외측에 스폰지로 형성된 기름 흡수층이 위치하는 여과 구조물.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 여과층과 상기 제2 여과층 사이에 기름 흡수층이 위치하며,
    상기 기름 흡수층은 하이드로겔, 실리카겔, 활성알루미나, 제오라이트, 활탄, 직물, 및 스폰지로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 여과 구조물.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 여과층과 상기 제2 여과층 사이에 보강재가 위치하며,
    상기 보강재는 금속 막대, 금속 메쉬, 고분자 막대, 및 고분자 메쉬 중 어느 하나로 형성되는 여과 구조물.
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