KR101778411B1 - 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비 및 방법 - Google Patents
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Abstract
클로-알칼리 반응기, 중조 반응기, 염화수소 반응기, 전기분해 반응기, 및 이산화염소 반응기를 포함하는 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비; 및 물과 염화나트륨 수용액에 전기를 가하여 클로-알칼리 공정에 의해 수산화나트륨, 염소가스 및 수소가스를 생성하는 단계; 상기 수산화나트륨과 이산화탄소 가스를 반응시켜 중조를 생성하는 단계; 상기 염소가스와 상기 수소가스를 버닝(burning)하여 염화수소 가스를 생성하고, 염화수소 가스를 물에 포집하여 염화수소 용액을 생성하는 단계; 60 ℃ 내지 80 ℃의 온도에서 염화나트륨 수용액에 전기를 가하여 전기분해 공정에 의해 소디움 클로레이트와 수소가스를 생성하는 단계; 및 상기 소디움 클로레이트와 상기 염화수소 용액의 반응으로 이산화염소 가스, 염화나트륨 수용액 및 염소가스가 생성되고 이산화염소 가스를 물에 포집하여 이산화염소 용액을 생성하는 단계를 포함하는 중조와 이산화염소의 동시 제조 방법 및 가 제공된다. 상기 방법 및 설비에 의해 중조와 이산화염소가 동시에 제조된다.
Description
본 발명은 중조(탄산수소나트륨, NaHCO3)와 이산화염소(ClO2)를 동시에 제조하는 설비 및 방법에 관한 것이다.
종래 중조와 이산화염소를 생산하는 공정은 각각 독립적으로 운영되어 왔다. 중조는 예를 들어, Solvay 사의 중조 생산 공정으로 제조되어 왔다. 이 공정에서는 석회석(CaCO3)을 소성시키는 경우에 발생하는 CO2와 염수를 이용하여 중조를 생산하며, 부가적으로 CaCl2 용액이 얻어진다.
한편, 종래 ClO2를 생산하는 공정으로는 R8 ClO2 공정이 있다. R8 ClO2 공정에서는 냉수, CH3OH, H2SO4, NaClO3 등을 이용하여 ClO2를 생산한다.
최근에는 미국의 Skyonic 사에서 SkyMine이라는 공정을 개발하고 있다. 이는 소금, 물 그리고 발전소 배가스(CO2 포함)를 활용하여, 중조, Cl2, H2 등을 생산하는 공정으로 현재 파일럿 단계 연구가 진행중이다.
캐나다의 Chemetics 사에서는 통합된 이산화염소 기술(Integrated chlorine dioxide technology)을 개발하여 NaClO3를 수입하지 않으면서 ClO2를 생산하고 있다.
이와 같이, 종래 중조와 이산화염소는 각각 별개의 공정으로 제조되어 왔으나, 이들을 보다 경제적으로 동시에 생산할 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명은 단일 공정으로 중조와 이산화염소를 동시에 제조하는 설비 및 방법을 제공하는 것이다. 구체적으로, 본 발명은 염화나트륨 수용액, 물, 이산화탄소 가스와 전기를 사용하여 고순도의 중조와 이산화염소를 동시에 효율적이고 경제적으로 제조하는 설비 및 방법을 제공한다.
본 발명은 물과 염화나트륨 수용액에 전기를 가하여 클로-알칼리 공정에 의해 수산화나트륨, 염소가스 및 수소가스가 생성되는 클로-알칼리 반응기;
상기 수산화나트륨과 이산화탄소 가스를 반응시켜 중조를 생성하는 중조 반응기;
상기 염소가스와 수소가스를 버닝(burning)하여 염화수소 가스가 생성되고, 염화수소 가스를 물에 포집하여 염화수소 용액을 생성하는 염화수소 반응기;
60 ℃ 에서 80 ℃의 온도에서 물과 염화나트륨 수용액에 전기를 가하여 전기분해 공정에 의해 소디움 클로레이트와 수소가스를 생성하는 전기분해 반응기; 및
상기 소디움 클로레이트와 염화수소 용액의 반응으로 이산화염소 가스, 염화나트륨 수용액 및 염소가스가 생성되고 이산화염소 가스를 물에 포집하여 이산화염소 용액을 생성하는 이산화염소 반응기를 포함하는 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비를 제공한다.
상기 전기분해 반응기에서 생성된 수소가스는 염화수소 반응기에 투입될 수 있다.
상기 이산화염소 반응기에서 생성되는 염화나트륨 수용액은 상기 클로-알칼리 반응기 및 상기 전기분해 반응기 중 적어도 하나의 반응기에 투입될 수 있다.
상기 이산화염소 반응기에서 생성되는 염소가스는 염화수소 반응기에 투입될 수 있다.
본 발명의 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비는 상기 중조를 하소하여 탄산 나트륨을 생성하는 반응기를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비에 투입되는 상기 염화나트륨 수용액은 해수담수화 공정에서의 농축수, 광석 용출 공정에서 발생하는 산업용 염화나트륨 농축수, 염수, 및 해수로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
상기 전기분해 반응기에서 전기분해는 pH 6 내지 8에서 행하여질 수 있다.
본 발명은 물과 염화나트륨 수용액에 전기를 가하여 클로-알칼리 공정에 의해 수산화나트륨, 염소가스 및 수소가스를 생성하는 단계;
상기 수산화나트륨과 이산화탄소 가스를 반응시켜 중조를 생성하는 단계;
상기 염소가스와 상기 수소가스를 버닝(burning)하여 염화수소 가스를 생성하고, 염화수소 가스를 물에 포집하여 염화수소 용액을 생성하는 단계;
60 ℃ 에서 80 ℃의 온도에서 물과 염화나트륨 수용액에 전기를 가하여 전기분해 공정에 의해 소디움 클로레이트와 수소가스를 생성하는 단계;
상기 소디움 클로레이트와 상기 염화수소 용액의 반응으로 이산화염소 가스, 염화나트륨 수용액 및 염소가스가 생성되고 이산화염소 가스를 물에 포집하여 이산화염소 용액을 생성하는 단계를 포함하는 중조와 이산화염소의 동시 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 상기 전기분해 공정에 의해 생성된 수소가스를 상기 염소가스와 상기 수소가스의 버닝에 투입하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 중조와 이산화염소의 동시 제조 방법은 상기 소디움 클로레이트와 염화수소 용액의 반응으로 생성되는 염화나트륨 수용액은 상기 클로-알칼리 공정과 상기 소디움 클로레이트의 생성 중 적어도 하나의 단계에 재사용하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 중조와 이산화염소의 동시 제조 방법은 상기 소디움 클로레이트와 염화수소 용액의 반응으로 생성되는 염소가스를 상기 염소가스와 상기 수소가스의 버닝에 투입하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 중조와 이산화염소의 동시 제조 방법은 상기 중조를 하소하여 탄산 나트륨을 생성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 염화나트륨 수용액은 농도가 3 wt% 내지 35 wt%일 수 있다.
상기 염화나트륨 수용액은 해수담수화 공정에서의 농축수, 광석 용출 공정에서 발생하는 산업용 염화나트륨 농축수, 염수, 및 해수로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
상기 전기분해 공정은 pH 6 내지 8에서 행하여질 수 있다.
본 발명에 의한 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비 및 방법에 의해 물, 염화나트륨 수용액, 이산화탄소와 전기를 이용하여 단일 공정으로 중조와 이산화염소를 연속적으로 생산할 수 있다. 따라서, 중조와 친환경 소독제인 이산화염소를 효율적이고 경제적으로 제조할 수 있다. 또한, 상기 염화나트륨 수용액 및 이산화탄소 가스로는 다른 공정에서 얻어지는 부산물이 사용될 수 있으므로 부산물의 재활용 측면에서 또한 이롭다. 나아가, 본 발명의 방법에서는 추가적으로 필요로 하는 화학물질이 없고 부산물로 얻어지는 염소, 수소, 및 염화나트륨 수용액이 본 발명의 제조방법에 재사용된다.
도 1은 본 발명에 의한 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비의 개요를 나타내는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 견지는 물과 염화나트륨 수용액에 전기를 가하여 클로-알칼리 공정에 의해 수산화나트륨, 염소가스 및 수소가스가 생성되는 클로-알칼리 반응기; 상기 수산화나트륨과 이산화탄소 가스를 반응시켜 중조를 생성하는 중조 반응기; 상기 염소가스와 수소가스를 버닝(burning)하여 염화수소 가스가 생성되고, 염화수소 가스를 물에 포집하여 염화수소 용액을 생성하는 염화수소 반응기; 60 ℃ 에서 80 ℃의 온도에서 물과 염화나트륨 수용액에 전기를 가하여 전기분해 공정에 의해 소디움 클로레이트와 수소가스를 생성하는 전기분해 반응기; 및 상기 소디움 클로레이트와 염화수소 용액의 반응으로 이산화염소 가스, 염화나트륨 수용액 및 염소가스가 생성되고 이산화염소 가스를 물에 포집하여 이산화염소 용액을 생성하는 이산화염소 반응기를 포함하는 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비를 제공한다.
도 1은 본 발명에 의한 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비의 개요를 나타내는 개략도이다. 본 발명의 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비는 클로-알칼리 반응기, 중조 반응기, 염화수소 반응기, 전기분해 반응기 및 이산화염소 반응기를 포함할 수 있다.
클로-알칼리 반응기에서는 물과 염화나트륨 수용액에 전기를 가함으로써 클로-알칼리 공정에 의해 수산화나트륨, 염소가스 및 수소가스가 생성되며, 이 반응은 하기 반응식 (1)과 같이 진행된다.
NaCl + H2O + 전기 → NaOH + H2(g) + Cl2(g) ------ (1)
상기 염화나트륨 수용액으로는 염소 이온, 나트륨 이온 및 물 분자를 포함하는 어떠한 용액이 사용될 수 있다. 염화나트륨 수용액으로는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 해수 담수화 처리공정에서 부산물로 발생하는 농축수, 광석 용출 공정에서 발생하는 산업용 염화나트륨 농축수, 염수, 해수 등이 사용될 수 있다. 이들은 단독으로 또는 다른 근원의 염화나트륨 수용액이 함께 사용될 수도 있다. 상기 염화나트륨 수용액은 염화나트륨의 농도가 3.5 wt% 에서 35 wt% 인 것이 사용될 수 있다. 농도가 3.5 wt% 미만이면, 공정 효율이 낮아지고, 35 wt%를 초과하면, NaCl이 고체로 석출될 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 염화나트륨의 농도가 낮아지면, 애노드(anode)의 부식이 증가되고 pH가 높아지므로, 염화나트륨을 지속적으로 투입하여 염화나트륨의 적정 농도를 유지하는 것이 바람직하다. 상기 클로-알칼리 공정은 대기압의 상온 (예를 들어, 약 15℃ 내지 25℃)에서 행하여질 수 있다.
중조 반응기에서는 상기 클로-알칼리 반응기에서 생성된 수산화나트륨과 이산화탄소 가스의 반응에 의해 중조(NaHCO3)가 생성된다. 중조는 하기 반응식 (2)의 반응으로 생성된다. 하기 중조 생성 반응은 자발적으로 일어난다.
NaOH + CO2(g) → NaHCO3 ----------------------- (2)
상기 반응에서 얻어지는 중조는 하소하여 탄산나트륨으로 전환시킬 수 있다. 하소에 의한 중조의 탄산나트륨으로의 전환반응은 하기 반응식 (3)과 같이 일어난다. 중조의 하소에 의한 탄산나트륨의 생성은 일반적인 알려져 있으며, 일반적으로 100℃ 내지 200℃의 범위에서 하소함으로써 중조를 탄산나트륨으로 전환시킬 수 있다. 100℃ 미만이면 탄산나트륨으로의 전환에 필요한 열이 불충분하며, 200℃를 초과하는 것은 비경제적이다.
2NaHCO3 -> Na2CO3 + CO2 + H2O -------------------(3)
상기 이산화탄소 가스로는 이산화탄소를 포함하는 어떠한 가스가 사용될 수 있으며 특별히 한정되는 것은 아니다. 이산화탄소 가스로는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 순수한 이산화탄소 가스가 사용될 수도 있고, 이산화탄소를 함유하는 가스라면 산업 부생 가스 또는 발전소 배가스 등도 적합하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 이산화탄소 함유 가스는 순수한 이산화탄소, 파이넥스 오프 가스(FOG, FINEX off gas), 파이넥스 테일 가스(FTG, FINEX tail gas), 고로 가스(BFG, Blast furnace gas), 전로 가스, 석탄 발전소 배가스, 가스 발전소 배가스, 소각로 배가스, 유리용해 배가스, 열설비 배가스, 석유화학공정 배가스, 석유화학공정 공정가스, 연소전 배가스 및 가스화기 배가스 중 하나 이상일 수 있다.
염화수소 반응기에서는 염소 가스와 수소 가스의 버닝(burning)에 의해 염화수소 가스가 생성된다. 염화수소 가스는 하기 반응식 (4)의 반응으로 생성된다. 상기 염소 가스와 수소 가스는 상기 클로-알칼리 반응기에서 생성된 것이 사용될 수 있다. 즉, 염소 가스와 수소 가스는 UV하에서 HCl로 전환되며, 이는 발열반응이다. 한편, 생성되는 HCl 가스는 증류수에 흡수되어 순수한 염산으로 회수될 수 있다.
Cl2 (g) + H2 (g) → 2HCl (g) ------------ (4)
전기분해 반응기에서는 물과 염화나트륨 수용액에 전기를 가하여 전기분해 공정에 의해 소디움 클로레이트와 부산물로 수소가스가 생성된다. 소디움 클로레이트(NaClO3)와 수소가스는 하기 반응식 (5)의 반응에 따라 생성된다.
NaCl + 3H2O + 전기 → NaClO3 + 3H2 ↑ ------------ (5)
상기 전기 분해 공정에 사용되는 염화나트륨 수용액은 상기 클로-알칼리 공정에서와 마찬가지로 염소 이온, 나트륨 이온 및 물 분자를 포함하는 어떠한 용액이 사용될 수 있다. 염화나트륨 수용액으로는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 해수담수화 공정에서의 농축수, 광석 용출 공정에서 발생하는 산업용 염화나트륨 농축수, 염수, 및 해수 등이 사용될 수 있다. 이들은 필요에 따라, 단독으로 또는 다른 근원의 염화나트륨 수용액이 함께 사용될 수 있다.
상기 전기 분해 공정에 사용되는 염화나트륨 수용액은 염화나트륨의 농도가 3.5 wt% 에서 35 wt% 인 것이 사용될 수 있다. 농도가 3.5 wt% 미만이면, 공정 효율이 낮아지고, 35 wt%를 초과하면, NaCl이 고체로 석출될 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 염화나트륨의 농도가 낮아지면, 애노드(anode)의 부식이 증가되고 pH가 높아지므로, 염화나트륨을 지속적으로 투입하여 염화나트륨의 적정 농도를 유지하는 것이 바람직하다.
상기 전기 분해 공정은 60 내지 80℃의 온도에서 행하여지는 것이 바람직하다. 온도가 60℃ 미만이면, 부반응이 일어나 NaClO가 생성되는 점에서 바람직하지 않으며, 80℃를 초과하면 부반응이 일어나고 소재가 부식될 우려가 있다. 나아가, 상기 전기 분해 공정은 pH 6 내지 8 범위에서 행하여지는 것이 바람직하다. 클로레이트 이온의 농도가 높아지기 위해서는 약 산성인 조건이 유리함으로 상기 pH 범위에서 행하는 것이 바람직하다.
부산물로 생성된 수소 가스는 염화수소 반응기에 투입되어 재사용될 수 있다.
이산화염소 반응기에서는 상기 소디움 클로레이트와 염화수소의 반응으로 인산화염소 가스가 생성된다. 소디움 클로레이트는 상기 전기분해 반응기에서 생성된 것이 그리고 염화수소는 상기 염화수소 반응기에서 생성된 것이 이산화염소 반응기에 도입되어 사용된다. 이산화염소는 하기 반응식 (6)의 반응에 따라 생성된다. 또한, 본 반응에서는 부산물로 염화나트륨, 물, 및 염소 가스가 생성된다. 하기 반응은 수용액상에서 자발적으로 일어난다.
2 NaClO3 + 4.8 HCl → 1.8 ClO2 + 2 NaCl + 2.4 H2O + 1.5 Cl2 ↑ --- (6)
상기 이산화염소는 기상으로 생성됨으로 이산화염소 반응기에 별도의 증류수를 투입하여 이산화염소를 포집하여 이산화염소를 액상으로 얻을 수 있다. 이산화염소는 폭발성으로 인하여, 일반적으로 물에 용해된 상태로 취급된다. 이로써 한정하는 것은 아니며, 이산화염소의 용도 등에 따라, 달라질 수 있으나, 약 0.5 g/L 내지 10 g/L 정도의 수용액 상태가 취급 등에 있어서 바람직하다. 상기 부산물로 생성되는 염화나트륨, 및 물은 상기 클로알칼리 반응기 및/또는 소디움 클로레이트 반응기에 투입하여 재사용할 수 있다. 염소 가스 부산물은 상기 염화수소 반응기에 투입하여 재사용할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의한 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비 및 중조와 이산화염소의 동시 제조 방법에 의해, 의해 물, 염화나트륨 수용액, 이산화탄소와 전기를 이용하여 단일 공정으로 중조와 이산화염소를 연속적으로 생산할 수 있다.
Claims (15)
- 물과 염화나트륨 수용액에 전기를 가하여 클로-알칼리 공정에 의해 수산화나트륨, 염소가스 및 수소가스가 생성되는 클로-알칼리 반응기;
상기 수산화나트륨과 이산화탄소 가스를 반응시켜 중조를 생성하는 중조 반응기;
상기 염소가스와 수소가스를 버닝(burning)하여 염화수소 가스가 생성되고, 염화수소 가스를 물에 포집하여 염화수소 용액을 생성하는 염화수소 반응기;
60 ℃ 내지 80 ℃의 온도 및 pH 6 내지 8에서 물과 염화나트륨 수용액에 전기를 가하여 전기분해 공정에 의해 소디움 클로레이트와 수소가스를 생성하는 전기분해 반응기; 및
상기 소디움 클로레이트와 염화수소 용액의 반응으로 이산화염소 가스, 염화나트륨 수용액 및 염소가스가 생성되고 이산화염소 가스를 물에 포집하여 이산화염소 용액을 생성하는 이산화염소 반응기를 포함하는 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비.
- 제1항에 있어서,
상기 전기분해 반응기에서 생성된 수소가스는 염화수소 반응기에 투입되는 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비.
- 제1항에 있어서,
상기 이산화염소 반응기에서 생성되는 염화나트륨 수용액은 상기 전기분해 반응기에 투입되는 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비.
- 제1항에 있어서,
상기 이산화염소 반응기에서 생성되는 염소가스는 염화수소 반응기에 투입되는 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비.
- 제1항에 있어서,
상기 중조를 하소하여 탄산 나트륨을 생성하는 반응기를 추가로 포함하는 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비.
- 제1항에 있어서,
상기 염화나트륨 수용액은 해수담수화 공정에서의 농축수, 광석 용출 공정에서 발생하는 산업용 염화나트륨 농축수, 염수, 및 해수로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 중조와 이산화염소의 동시 제조 설비.
- 삭제
- 물과 염화나트륨 수용액에 전기를 가하여 클로-알칼리 공정에 의해 수산화나트륨, 염소가스 및 수소가스를 생성하는 단계;
상기 수산화나트륨과 이산화탄소 가스를 반응시켜 중조를 생성하는 단계;
상기 염소가스와 상기 수소가스를 버닝(burning)하여 염화수소 가스를 생성하고, 염화수소 가스를 물에 포집하여 염화수소 용액을 생성하는 단계;
60 ℃ 내지 80 ℃의 온도 및 pH 6 내지 8에서 염화나트륨 수용액에 전기를 가하여 전기분해 공정에 의해 소디움 클로레이트와 수소가스를 생성하는 단계;
상기 소디움 클로레이트와 상기 염화수소 용액의 반응으로 이산화염소 가스, 염화나트륨 수용액 및 염소가스가 생성되고 이산화염소 가스를 물에 포집하여 이산화염소 용액을 생성하는 단계를 포함하는 중조와 이산화염소의 동시 제조 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 전기분해 공정에 의해 생성된 수소가스를 상기 염소가스와 상기 수소가스의 버닝에 투입하는 단계를 추가로 포함하는 중조와 이산화염소의 동시 제조 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 소디움 클로레이트와 염화수소 용액의 반응으로 생성되는 염화나트륨 수용액은 상기 소디움 클로레이트가 생성에 재사용하는 단계를 추가로 포함하는 중조와 이산화염소의 동시 제조 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 소디움 클로레이트와 염화수소 용액의 반응으로 생성되는 염소가스를 상기 염소가스와 상기 수소가스의 버닝에 재사용하는 단계를 추가로 포함하는 중조와 이산화염소의 동시 제조 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 중조를 하소하여 탄산 나트륨을 생성하는 단계를 추가로 포함하는 중조와 이산화염소의 동시 제조 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 염화나트륨 수용액은 농도가 3.5 wt% 내지 35 wt%인 중조와 이산화염소의 동시 제조 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 염화나트륨 수용액은 해수담수화 공정에서의 농축수, 광석 용출 공정에서 발생하는 산업용 염화나트륨 농축수, 염수, 및 해수로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 중조와 이산화염소의 동시 제조 방법.
- 삭제
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| KR102305656B1 (ko) * | 2019-11-26 | 2021-09-29 | 한국에너지기술연구원 | 저전력 통합공정 기반 이산화탄소 광물화 장치 및 방법 |
| KR102305659B1 (ko) * | 2019-11-26 | 2021-09-29 | 한국에너지기술연구원 | 통합 공정 기반 이산화탄소 광물화 장치 및 방법 |
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| KR101549980B1 (ko) | 2014-01-02 | 2015-09-03 | 한국과학기술연구원 | 전기분해 시스템을 이용한 알칼리이온의 탄산염 제조방법 |
-
2015
- 2015-12-24 KR KR1020150186262A patent/KR101778411B1/ko active IP Right Grant
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| KR101549980B1 (ko) | 2014-01-02 | 2015-09-03 | 한국과학기술연구원 | 전기분해 시스템을 이용한 알칼리이온의 탄산염 제조방법 |
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