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(环境科学专业论文)feti分子筛催化剂的制备及其光催化性能研究.pdf.pdf 免费下载
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崔洲,“t 习l 士掌位爿 戋f e t i 口子一催化期的御a 其竟雕化性麓研究 a b s t r a c t t h i se s s a yf o c u s e so nt h el a d e nz e o l i t ec a t a l y s tp r e p a r e db yu s as e r i e so f l a d e n z e o l i t ec a t a l y s t sa r cp r e p a r e du s i n gs e l - g e l w es t u d i e d * t h ep r o p e r t i e so ft h e s e c 划y s c sa n d t h ep h o t o c a t a l y t i cd e g r a d a t i o n o f d i a z o d y e ss u c ha sc o n g or e d i nt h ef i r s tc h a p t e r , w er e v i e w e dt h es t r u c t u r e , c h a r a c t e r i s t i c sa n dg r e a tr o l e so f z e o l i t e si np h o t o c a t a l y t i ca n do t h e r 丘e 地t h em e c h a n i s m sf o rt h ep h o t o c a t a l y t i c o x i d a t i o na n dt h ep r e s e n ta p p l i c a t i o n si nd e a l i n gw i t hw a s t ew a t e ro ft h e s ec a t a l y s t s w e r ed e s c r i b e d i na d d i t i o n , w ed e m o n s t r a t e dt h ed e v e l o p m e n t , p r e p a r a t i o na n d c h a r a c t e d s t i c so f t h e s el a d e nz e o l i t ec a t a l y s t si nt h i sp a r t i n t h es e c o n dc h a p t e r , t h em a r er e s e a r c h e s i n v o l v i n g t h ee v i d e n c ea n d i m p o r t a n c eo f t h ep r e s e n ts t u d i e sw e r ed e s c r i b e d w ea l s od e p i c t e dt h ei n s t r u m e n t s , r e a g e n t s ,e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s e s a n dm e t h o d so f c a t a l y s ta n a l y s i s a n d c h a r a c t e r i z a t i o ni nd e t a i l s t h ee x p e r i m e n t sa n dr e s u l t sw e r ed i s e a s s e di nt h i ss e c t i o n as e r i e so fl a d e n z e o l i t ec a t a l y s t ss u c ha sf e - t i - z e o l i t e ,t i - z e o l i t ea n df e - z e o l i t el o a d i n gw i t hv a r i o u s z e o l i t e ss u c ha sz s m - 5 ,r d s y , r e y , h ya n dr e h ya sc a r r i e r sw e r ep r e p a r e du s i n g s o l - g e li nt h i sw o r k w eh a v ee v a l u a t e dt h ep h o t o c a t a l y t i cp r o p e r t i e so f t h e s ec a t a l y s t s b yt o cr e m o v a lr a t i oa n dc o l o rr e m o v a lr a t i ou s i n gd i a z o d y ec o n g or e da sm o d e l c o m p o u n do fp h o t o c a t a l y s ta c t i v i t ya s s e s s m e n ti nt h ee x p e r i m e n t c o m p a r e db yt h e t o cr e m o v a lr a t i oa n dc o l o rr e m o v a lr a t i oo ft h e s ec a t a l y s t s ,w ef o u n dt h a tt h e z s m - 5z e o l i t el a d e nc a t a l y s tw a ss u p e r i o rt oo t h e r s i nt h ec a t a l y t i ce x p e r i m e n t s f i n a l l y , t h em u c hm o r ee x c e l l e n tc a t a l y s tf c ( n 0 3 ) 3 - t i - z s m - 5w a ss e l e c t e do u ti n t h e s es e r i e so f z s m 5l a d e nc a i a l y s t s t h es t r u c u n eo ft h ec a t a l y s tf e ( n 0 3 ) 3 - t i z s m - 5w a sd e t e r m i n e db yx r da n d 乙a sar e s u l t , t h ei o n so f f e 3 + a n dt i 2 + h a v eb e e ni n l r o d u c e di n t ot h e 臻o l i t c c o m p a r e db yi t st o cr e m o v a lr a t i oa n dc o l o rr e m o v a lr a t i oi np h o t o c a t a l y t i c d e g r a d a t i o n o f c o n g or e d ,t h ee x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s u s i n gc a t a l y s t f e ( n 0 3 ) 3 - t i - z s m - 5h a v eb e e no p t i m i z e d a sam a t t e ro ff a c t , t h eo p t i m i z e d c o n d i t i o n si nt h ep h o t o c a t a l y t i c d e g r a d a t i o ni sd e s c r i b e da s f o l l o w i n g :p h = 3 ; f i 分,。眦期的制j r a ,其先催化性| 撕竞 1 :5 0 0 ( v v ) o f h 2 0 2 ;d o s a g e o f t h ec a t a l y s t i s l g l i n t h i sc o n d i t i o n , t h e t o cr e m o v a l r a t i oi s6 7 a n dt h ec o l o rr e m o v a lr a t i oi su pt o1 0 0 b yp h o t o c a t a l y t i cd e g r a d a t i o n f o r9 0m i n u t e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r es u m m a r i z e di nt h el a s tc h a p t e r i na d d i t i o n , w e h a v ed e p i c t e dt h e 缸也e rl - 龉e a r c ha n dd e v e l o p m e n tf o c i l s e do nt h e s ec a t a l y s t si n0 1 1 1 l a b o r a t o r y k e y w o r d s :z e o l i t e ;t i 0 2 ;s o l - g e l ;p h o t o c a t a l y z e ;c o n g or e d i i i 原创性声明 本人郑重声明:本人所呈交的学位论文,是存导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中儿引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等,均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外,不包台任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 一夯文的研究成果做出重要员献的个人和集体,均已在文中以明确方式 标明。 本声明的法律责仃山本人承担。 论文作者签名: 妫叠盛 l 期:业主塑 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品,知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定, 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版, 允许论文被查阅和借阅;本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时,第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名:岛亟选导师签名论文作者签名:向亟煎导师签名日瓣毪曼兰弓u日其睡趔,j :弓u f 订i 翻p 子催化捌的反其冀胜化性能研兜 1 1 引言 第一章文献综述 在能源短缺,环境污染等棘手问题日趋严重,并越来越困扰人类的生存和发 展的今天,纳米材料在环境保护、环境治理和节约能源方面的应用,已呈现出欣 欣向荣的景象。以半导体氧化物为催化剂的多相光催化氧化过程以其室温、深度 反应、无二次污染、可直接利用太阳光来活化催化剂、驱动氧化反应等性能而成 为一种理想的环境污染治理技术,在空气和水的净化与杀菌方面显示出巨大的应 用潜力。由于纳米i i 0 2 具有光化学性质稳定、催化效率高、氧化能力强、无毒 无害、价廉、在实际应用中工艺流程简单、操作条件容易控制、无二次污染等优 点,作为光催化剂在废水处理中的应用正受到人们日益广泛的关注。 但从目前的研究报道来看,大多直接采用纳米t i 0 2 的悬浆体系进行光催化 降解。由于悬浆体系的纳米t i 0 2 比表面积大、分布均匀、光照效果好等原因, 处理效果很好【l l ,但难以分离回收,造成资源浪费,实际上这已经成为以二氧化 钛为基础的光催化方法难以商业化的主要原因之一,因而光催化剂的固载化技术 成为应用中的一个关键问题;使用玻璃等负载面0 2 薄膜的方法,虽然解决了n 0 2 分离回收的问题,却因为负载而减小了n 0 2 的比表面积,与紫外光的接触面积 变小,从而降低了光催化的效率;科学家们尝试了用各种载体固定i i 0 2 【2 】,其中 分子筛具有均匀的、纳米级的多孔结构,在这种结构中可以形成稳定的、分子尺 寸的半导体纳米团簇,因而显示出比其它载体更高的活性,不仅可以解决n 0 2 粉末在应用中分离与回收困难的问题,而且没有降低与紫外光的接触面积,保证 了比较理想的光催化效果。 染料工业是化学工业中环境污染极其严重的产业之一。目前我国的染料产量 为4 2 万吨,约占世界总产量的4 5 ,居世界第一位【3 】。染料种类多,结构复杂, 在全世界范围内每年排放到环境的染料约有6 x1 0 8 k g ,其中偶氮染料占8 0 以 上,大都具有潜在毒性【4 】。含偶氮染料废水c o d 高,色度高,性质稳定,生物可 降解性较差,被公认是难治理的高浓度有机废水之一嘲。目前,染料废水通常采 f e t i 分子l r d t - t g 宪l 的制,覆其光催化蕾l 研j 巴 用活性污泥法、生物膜法、化学絮凝法等处理工艺,由于废水中染料分子结构稳 定,成分复杂,脱色率、有机物去除率都不是很理想。采用光催化氧化法能快速、 高效、彻底地降解水体中各类有机污染物,且不产生二次污染,因此日益受到重 视 6 , 7 1 。 本论文采用溶胶凝胶法和离子交换法制得一系列f e 、瓢负载型分子筛催化 剂,对其进行了表征,分析比较其催化性能,并在自制光反应器上进行光催化试 验研究,降解偶氮染料刚果红时取得了较好的催化效果,同时考察了不同p h , h 2 0 2 用量,催化剂投加量等因素对刚果红光催化降解的影响。 1 2 分子筛概述 1 2 1 分子筛结构 1 2 1 1 骨架基本单元结构 1 一级结构单元 分子筛是一类具有骨架结构的微孔晶体材料,构成其骨架的最基本结构单元 为t 0 4 四面体,四面体的中心原子t ,最常见的是s i 和a l ,也可以是p 、g - a 、 b e 、b 、g e 、n 、f e 、v 等元素。在这些四面体中,t 原子与周围的4 个氧原子 以s p 3 杂化轨道成键。这些键键长分别为:s i o 键1 6 1 a ,a 1 o 键1 7 5 a ,p o 键1 5 4 a 。由于硅或铝的原子半径比氧原子半径小得多,因此,它们处于氧原子 组成的四面体的包围之中,见图1 1 、1 - 2 : o l o a l o i o 图1 - 1t 0 4 四面体的堆积情况图1 - 2t 0 4 四面体的平面结构式 1 0 4 可以通过顶点相互连接,形成各式各样的骨架结构。写成平面结构式, 旬表示为图1 - 3 : 2 f e t i 分子冀眦封的徊鲁a 喜先催化性奠所竞 图l 一3t 0 4 顶点相连形成骨架的平面结构式 由上述形式构成的分子筛具有如下特点: ( 1 ) 在分子筛骨架结构中形成许多有规则的孔道和空腔。 ( 2 ) 在孔道和空腔中的阳离子是可以交换的。经某些阳离子交换后,可以使 分子筛的催化及吸附性能有较大的变化。a 型分子筛骨架中的n a ? 可以被k + 、 c a 2 + 等离子交换,不同离子交换后的a 型分子筛的吸附有效孔径会发生变化。 这些四面体结构单元通过氧桥相互连接成各种形式的环,进而又可以连接成 具有三维结构的多面体空腔一笼。分子筛的各种笼之间,可以通过各种形式的多 面体环形成的孔道而相互贯通,这些孔道也是在吸附与反应过程中的气体分子以 及交换过程中的离子出入的孔道。因此研究分子筛结构中的笼及其相连的孔道结 构,对研究分子筛的催化、吸附及离子交换性能都有特殊意义【唧。 2 二级结构单元 t 0 4 四面体通过过顶点的氧原子互相联结,形成种类繁多的二级结构单元, 见图1 - 4 : 早9 oee j o | o o f e - t i 一2 子弗催化期的鲁磊萁光催化t 麓研毫 膜过滤后测定吸光度和t o c 值,处理后结果见图3 - 1 8 、3 - 1 9 : 0 2 04 06 08 01 0 0 图3 1 8h 2 0 2 投加量对光催化降解刚果红t o c 去除率的影响 1 0 0 9 0 0 2 04 0801 0 0 t i m e ( r a i n ) 图3 1 9h 2 0 2 投加量对光催化降解刚果红脱色率的影响 i - 1 2 0 2 列 染料的降解效果是显著的,极少量的h 2 0 2 就能产生很好的降解作用, 这主要是因为h 2 0 2 在紫外光照射下能分解成具有强氧化性的o h 。从图3 1 9 中 6 0 阳 柏 一葶一o;巴一8oeoof 柏 一)o一蕾一要oejolou f e - t i 骨子姊催化帮的翻a 其光催化性j l 研兜 可以看出,在h 2 0 2 用量较低时,脱色率随着h 2 0 2 用量的增加而增加,但继续增 大h 2 0 2 的浓度,其脱色率却呈下降趋势。因此h 2 0 2 的用量存在一个最佳值。 在h 2 0 2 浓度较低时,光催化性能的提高归因于羟基自由基( o h ) 生成量的增 加。首先,h 2 0 2 可以直接或者间接充当光致电子的俘获体,其次,过氧化氢光 解可以直接产生o h ,在h 2 0 2 浓度较高时,吸附于光催化剂表面的过氧化氢不 仅可能造成h 2 0 2 与有机污染物在催化剩表面的竞争,而且可以减少生成于光催 化剂表面上的o h 或俘获光致空穴,进而抑制o h 的生成,即过量的h 2 0 2 会 与o h 反应生成h 2 0 和0 2 ”。因此,对于复合光催化剂,适量的过氧化氢可以 加速光催化氧化反应速率。为了保持较好的h 2 0 2 的利用率,需要根据污染物的 种类、浓度等实际清况来确定碣0 2 的用量。 综合考虑去除率和经济效益,本实验选择h 2 0 2 的最佳投加量为1 :5 0 0 ( v v ) 。 3 2 4 3 催化剂用量对光催化降解效率的影响 配制5 0 m g l 的刚果红反应液1 0 0 m l ,调节使p h = 3 ,加入0 2 m lh 2 0 2 , f e t i - z s m - 5 催化剂的用量分别为0 0 5 9 ,o 1 0 9 ,0 1 5 9 ,在自制的光催化反应器 中进行光催化降解,在降解时间为1 0 m i n ,3 0 m i n ,6 0 r a i n 和9 0 m i n 时取样,用 0 4 5 1 m a 的滤膜过滤后测定吸光度和t o c 值,处理后结果见图3 2 0 、3 - 2 1 : o6 08 0 图3 - 2 0 催化剂投加量对光催化降解刚果红t o c 去除率的影响 6 l 阳酌:f;12帅笛幅伸5 o 一掌一o;巴一)oe乏oo上 f t i 一身- 争斗俄化封的制r a 其冀膻化,佳麓捌需 4 01 t i m e ( r a i n ) 图3 - 2 1催化剂投加量对光催化降解刚果红脱色率的影响 从图3 - 2 0 、3 - 2 1 中可以看出,随着催化剂用量的增大,t o c 去除率和脱色 率均增加,催化剂用量达到l g ,l 脱色率和t o c 去除率最高,1 5 9 l 时反而下降。 当催化剂用量超过一定值时,即使增加催化剂量,催化效果也不是很明显,反而 t o c 去除率和脱色率都有所降低。 理论上,光催化剂投加量越大,其光生空穴的总数就越大,光催化氧化活性 将越高,因此降解速率就越高。在增加催化剂用量的初期,尽可能多的催化剂意 味着有尽可能多的有效光子生成,然而实验中的光源光照强度一定,光催化产生 的o h 的量一定。当催化剂用量增加到一定程度时,溶液中光催化剂颗粒的增加 将会使光散射增强,催化剂颗粒相互之间对光的掩蔽作用也使有效光子的产生率 降低,光损失增大,光的利用率下降,导致光催化反应速率的下降。 在本实验条件下,在f e t i - z s m - 5 光催化剂的用量为1 9 l 时处理效果最好, 在光催化降解时间为9 0 m i n 时,t o c 的去除率可达6 7 ,脱色率可达1 0 0 。 阳 弓 伸o _【孚)。o芒一鐾罢每ioo f 川i 2 子姊催化帮的制a 善光憎0 慷麓日完 4 1 总结 第四章总结与展望 1 催化剂的制备与光催化实验 本论文利用溶胶凝胶法和离子交换法制备了一系列负载型分子筛催化剂, 光催化降解偶氮染料刚果红,通过对t o c 去除率和脱色率的考察,得到以下结 论: ( 1 ) 以z s m - 5 型分子筛为载体的一系列分子筛催化剂,对偶氮染料刚果红的光催 化降解效果好于以r d s y 型、r e y 型、h y 型、r e h y 型分子筛为载体的催 化剂。 ( 2 ) f e t i z s m 5 型分子筛催化剂对偶氮染料刚果红的光催化降解效果好于 f e z s m - 5 型、t i - z s m - 5 型、z s m 5 型分子筛催化剂。 ( 3 ) 在本实验条件下,f e - t i z s m - 5 型分子筛催化剂光催化降解偶氮染料刚果红的 最佳条件为:p h = 3 ,h 2 0 2 用量为l :5 0 0 ( v v ) ,催化剂的投加量为l g l ,9 0 m i n 时t o c 的去除率可达6 7 ,脱色率可达1 0 0 。 2 催化剂的表征研究 本论文利用x r d ,i r 对f e - t i - z s m - 5 型分子筛催化剂进行了表征研究,结 果表明f e 、n 已经被成功引入分子筛内。 4 2 展望 n 0 2 光催化氧化技术是环境水污染控制科学中的前沿领域和研究热点,在处 理有机物,尤其是处理难生物降解有机物方面具有广阔的应用前景。但同时在催 化剂的活性、分离回收、反应机理等方面,还存在一些问题,限制了光催化技术 的实际应用。 ( 1 ) t i 0 2 是一种宽带隙半导体材料,吸收阈小于4 0 0 n m ,它只能利用太阳光中的 紫外光( 约占太阳光谱4 ) ,太阳能利用率低,因此如何延伸催化剂的激发波 长,成为光催化研究的一项重要内容。 f e t i 分子催化捌的n a 击先催化隹麓研完 ( 2 ) 应加大对广泛可见光具有高效吸收作用的光催化剂的开发及研制。可见光催 化较紫外光催化有更大的利用太阳能的潜力,有着紫外光催化不可比拟的优 势。但由于可见光不能激发无色物质,所以其对染料的光催化研究显得尤其 重要。 ( 3 ) 光催化机理的研究,特别是中间产物的鉴定和测定。 ( 4 ) 研制高效、经济、价廉、易得的催化剂载体用于开发低成本的催化剂是目前 重要的研究课题。 ( 5 ) 催化剂固定化的研究。研究新型的催化剂载体、粘连剂、操作条件等,以保 持催化剂的活性,提高其粘结牢固度,减少催化剂在反应过程中的脱落,避 免部分离子产生二次污染。 ( 6 ) 催化剂的寿命的延长及循环利用。催化剂的多次有效使用及其再生。 ( 7 ) 光催化与其他水处理技术( 生物降解法) 的结合。 ( 8 ) 高效、实用、透光性好、运行方便光反应器的设计、优化。 洲夫攀硬士掌口| 论文 f e t i 分子韩催化捌的相r 墨其光催化佳麓研鼻 参考文献 1 】王怡中,察y , i i ,汤鸿霄- - 睾t g 钛悬浆体系太阳光催化降解甲基橙研究啊茚努群学鳓:1 9 9 9 , 0 9 ) : 6 3 - 6 7 2 】程沧沧,肖忠海等玻璃负载 h 0 2 薄膜光降解制药废承的研究习搿裤掣与发术2 d t 5 - 7 【3 1 螽江百私全书化学工业出版社1 9 9 7 【4 】c h u m gk i n g - t h o r ne la 1 d e g r a d a t i o no f a z od y e s b ye n v i r o n m e n t a lm i e r o o r i g a n i m ba n db c l m i n t h e s 跏谛m t a x t c a lc h e m ,1 9 9 3 ,j 3 ( 1 1 ) :2 1 2 1 - 2 1 3 2 【5 1 王爱民,杨立红,张素娟等电化学方法治理舍染料废水的现状与进展饥工:业衣描 罨l o o t ,2 1 ( 8 ) :4 - 7 嘲李琳多相光催化氧化在水污染治理中的应用习:磐群髯1 9 9 4 , 2 ( 酌:2 3 2 9 川王连生,孔令仁,常城1 7 种多环芳烃在水溶液中的光解野i 鸷让芳1 9 9 1 ,j 优2 ) :1 5 - 2 0 1 8 】柯明,汪燮卿,张风美分子筛孔结构和硅铝比对催化裂化产品中乙烯选挺性的影响阴石描蔗葶扩与玷 工2 0 0 3 , 残9 ) :5 3 孤 1 9 】h uj i a a , w a n gy i a n - w e i , t w a ls o n g - b a i , 2 7 a a n gx i ni m m e r i z a t i o no f 地谨如co v 口s a p om o l e c u l a rs i e v e f f t so f a c i d i t ya n dp o r es u t t c l u r eo nc a u a y e cp c 响m c e 阴j o u r n a lo f f u e lc h e m i s r f a n dt e c h n o l o g y , 2 0 0 6 ,爿6 ) :7 4 0 - 7 4 4 1 1 0 王亚明,夏为龙择形催化剂失括原因初步分析们张世纪z 援穰1 9 9 9 , 3 6 ( 4 ) :6 - 9 【1 i 】曾昭槐痒饨珞掌纪北京:中国石化出版社,1 9 9 4 , 【1 2 j q l = k o k o t a i l o ,e ta i n a t u r e ( l o n d o n ) , 2 7 2 , 4 3 7 ( 1 9 7 8 1 1 3 】田中启一p p m , 1 9 9 6 , 2 7 1 :1 0 ) :6 8 【1 4 1o h m w c ta l ,仇m 跏瓤,1 9 8 5 ,媳2 0 2 3 - 2 0 2 7 【l 习r w m a t t h c w s , w a s t e r e s ,1 9 8 6 , 2 0 ( 5 ) :5 6 9 - 5 7 8 【1 6 】r i c h a r d j p p a c 1 9 9 2 ,6 6 , 2 2 5 - 2 3 4 【t 7 1o i l i se ta l , j o f c 4 t o l ,1 9 8 4 , 8 8 ( i ) :8 9 - 9 6 【1 8 】b a r d a h e l e c o a c h e m ,1 9 7 9 , 1 0 ( 1 ) :5 9 一 【1 9 1 r i c h a r dc ta l ,e n v i r o n 琵c h n o l ,1 9 8 4 ,1 8 , 3 8 5 1 2 0 l 周璇改性m 0 2 光催化剂光催化氧化难降解有机污染物的研究硕士学位论文2 咐 1 2 1 】胡将军光催化氧化处理有机废水昂- 搿挎势茸劳端2 m 刀( 1 ) :3 0 - 3 2 1 2 2 h u c h i n , 吐a 1 i ) c c o l o r i z a f i o na n d b i o d e g r a d a b i t i t yo f 曲m d c 砒a l 舛c 台c 啦c d 配o d y 笛a n d w o o l l e x l i l e w a s t e w a t e rc h e m o s p h e r e ,1 9 9 9 , 3 纠1 2 ) :2 1 0 2 1 1 5 2 3 】c h u n m e iz h u , e ta 1 p l i i o 喇a j y 吐cd e g r a d a t i o no fa z od y e sb ys u p p o r t e dt i 0 2 + u vi na q a c o ms o l u t i o n c h e m o s p h e r e , 铷帅,4 1 3 0 3 - 3 0 9 【卅霍爱群纳米豇0 2 膜光催化降解废水中阿特拉津的研究z 此吠掰毫1 9 9 8 , 借( 3 ) :2 5 - 2 9 【2 5 】陈士夫光催化降解有机磷农药的研究碍剪殍髯1 9 9 5 ,埘( 5 ) :6 1 - 6 3 1 2 6 赵进才二氧化钛徽粒存在下表面活性剂倦化分界机理的研究艘踏群学粤老纪芳1 9 9 6 , ,邪) : 2 6 9 - 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