CN114054028B - 一种Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的制备方法及其应用 - Google Patents

一种Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的制备方法,包括以下步骤:将铁酸钴超声分散在蒸馏水中,超声后加入一定量浓度为0.5mol/L的硫酸铜溶液,室温搅拌60 min;在持续搅拌的状态下,逐滴滴入氢氧化钠溶液,之后逐滴滴入抗坏血酸溶液;20℃下搅拌反应2h,得到氧化亚铜/铁酸钴分散液;将分散液抽滤并用无水乙醇和蒸馏水反复洗涤3‑5次,去除杂质,80℃烘干后得到Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂。工艺简单,制备的Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂纯度高,稳定性强,回收方便,可以循环利用,且其对四环素具有很高的降解率。

Description

一种Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及光催化剂技术领域,尤其是涉及一种Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的制备方法及其应用。
背景技术
现阶段,环境污染问题成为各个国家关注的问题和挑战。水是我们的生命之源,地球上的水资源覆盖率达到了70%,但是人们可使用的淡水资源却少之又少,再加上科学技术的发展,许多工厂将未处理的废水直接排入河道中,导致大面积的水资源遭到污染。在众多环境污染问题中,水污染问题也是最严峻的问题之一。而抗生素带来的水体污染危害极大,特别是制药工厂排除来的抗生素废水比如四环素等不容易被降解,而处理河道中的抗生素废水更是难上加难。抗生素污水排放不仅会让细菌、病毒通过自来水进入人体,也会影响到养殖的家禽和种植的农作物,使蔬菜、肉类受到污染,严重地危害到了人类健康。
光催化技术在处理水污染研究方向中是一种重要技术、也是目前较为有效的技术。我国在光催化技术方面起步比较晚,最开始是青岛海洋大学和中科院海洋研究所与澳大利亚的学者合作,在光催化方面进行了一些研究。在1994年吴继星发现光解反应可以处理的有毒物质多达八十多种,其中包括工业有毒溶剂、化学杀虫剂、染料等。
在国内,许多学者以Cu2O作为催化剂进行光催化实验研究,发现Cu2O在水污染处理项目中有着很大的优势,2000年李家麟等人发现将Cu2O制作成纳米颗粒,可以作为光催化反应中的催化剂,并且在降解燃料亚甲基蓝的实验中展示出了极高的催化降解能力。陈金毅等人和肖国林等人通过在被降解的有机污染物中加入过氧化氢溶液,和提高溶液pH值来研究降解亚甲基蓝的最佳条件,从实验结果可以看出,加入过多的过氧化氢溶液并没有为降解实验带来很大的优势,调节pH值为13时催化效果是最好的,因此在碱性条件下,降解亚甲基蓝的效果最好。2004年刘洪禄等人对用氧化亚铜作为光催化剂降解硝基苯酚实验中,发现可以通过增加光催化剂的用量,从而提高降解硝基苯酚的效率,但是在光催化剂增加到一定程度的时候,催化效率的增加幅度会减少。随着越来越多的光催化材料被发现,大量的学者也开始研究起了将多种光催化材料复合起来的催化效果。2020年檀苗苗等人运用原位还原方法将Cu2O与PTCDI复合起来,研究复合材料对有机污染物的降解效果,该实验通过改变复合物中Cu2O与PTCDI的含量来进行光催化性能研究,实验表明当复合物中Cu2O含量达到90%是光催化效果是最好的,通过对比,Cu2O单独做催化剂时,催化效果远远不如Cu2O与PTCDI的复合的催化效果。
由此可见Cu2O作为光催化剂材料具有无毒、对环境友好、可见光吸收能力较好的优点,但是其禁带宽度小,光激发电子和表面空穴容易复合,会使得光催化能力降低,因此探索Cu2O复合催化剂,提高其光催化效率以及在光降解抗生素方面的应用具有极大的现实意义。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的制备方法,工艺简单,制备的Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂纯度高,稳定性强,可以循环利用,且其对四环素具有很高的降解率。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将铁酸钴超声分散在蒸馏水中,超声后加入一定量浓度为0.5mol/L的硫酸铜溶液,室温搅拌60 min;
(2)在持续搅拌的状态下,逐滴滴入氢氧化钠溶液,之后逐滴滴入抗坏血酸溶液;
(3)20℃下搅拌反应2h,得到氧化亚铜/铁酸钴分散液;
(4)将分散液抽滤并用无水乙醇和蒸馏水反复洗涤3-5次,去除杂质,80℃烘干后得到Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂。
进一步的,所述铁酸钴、硫酸铜、氢氧化钠和抗坏血酸的重量比为0.2385-0.7154:1.6:1.6:1.7613。
进一步的,所述步骤(2)中氢氧化钠溶液的滴加速度为30滴/min,抗坏血酸溶液滴加速度为30滴/min。
进一步的,所述步骤(1)中的铁酸钴由以下步骤制备而成:
(1)六水合氯化钴和六水合氯化铁溶解在水体中形成溶液;
(2)氢氧化钠溶液加热至90℃,然后快速滴入步骤(1)中的溶液,搅拌2h,形成沉淀,抽滤洗涤干燥,100℃烘5h,然后800℃焙烧10h,制备得到铁酸钴,所述六水合氯化钴、六水合氯化铁和氢氧化钠的摩尔比为1:2:8。
进一步的,所述步骤(2)中六水合氯化钴和六水合氯化铁混合液的滴加速度为120滴/min。
一种Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂光降解四环素的应用方法,包括以下步骤:将复合催化剂按0.25-2g/L的添加量添加在初始浓度为5-25mg/L四环素溶液中进行光催化降解试验,所述四环素溶液中添加0.1-0.5mM过一硫酸氢钾。
进一步的,包括以下步骤,将复合催化剂按1g/L的添加量添加在初始浓度为15mg/L四环素溶液中进行光催化降解试验,所述四环素溶液中添加0.2mM过一硫酸氢钾。
本发明的有益效果是:
1、本申请制备一种Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂,首先采用共沉淀法制备CoFe2O4,其反应条件简单,成本低,通过控制具体反应条件,制备出结晶度很高和晶格更为有序的立方尖晶石结构的CoFe2O4
之后采用液相还原法,向盐溶液中加入合适的化学还原剂,通过沉淀反应会沉积出所需要的药品,通过严格控制反应条件,经XRD图谱验证,本申请方法制备出高纯度高稳定性的Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂。
2、经过TEM、HRTEM图像分析,Cu2O与CoFe2O4的叠加关系,即Cu2O相位于CoFe2O4相上,也表明了二组分亲密接触和异质结的形成。
而且制备的样品的饱和磁化强度为15.31emu/g,可以满足磁辅助分离的要求。结合回收Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂XRD图谱以及重复利用率性能检测数据可以看出,Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂具有良好的稳定性和重复利用能力,重复使用五次后,催化降解效率仍然高于94.0%,可以循环使用,分离方便,经济环保。
3、本申请制备的Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的结构中,Cu2O相和CoFe2O4相亲密接触,形成了异质结。由于两种组分的费米能级不同,异质结间将产生内建电场。Cu2O相的电子迁移到CoFe2O4相。因此,Cu2O相和CoFe2O4相中分别累积了更多的电子(负电荷)和更多的正电荷,内建电场促进了电荷的迁移和分离,电子可以激活过一硫酸氢盐产生多活性物种共存体系。Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂通过内建电场分离出来的更多的电子,进而提高了过一硫酸氢盐的活化效率,即在光降解过程中Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂与过一硫酸氢盐具有很强的协同增强降解率的作用。
4、将本申请制备的光催化应用于光降解四环素,申请人对应用试验的反应条件进行了探索,控制复合催化剂用量为1g/L,四环素初始浓度为15mg/L,添加0.2mM过一硫酸氢钾,此时催化剂对过一硫酸氢钾的活化效果最好,逐渐增加过一硫酸氢钾的用量时,会消耗掉硫酸根自由基从而降低催化效率,该条件下,催化剂对四环素的光降解率可以达到98.8%。
附图说明
图1为CoFe2O4、Cu2O以及Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的XRD图谱。
图2为Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的TEM,HRTEM和 EDS 元素分析图。
图3为Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的磁滞回线。
图4为回收Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂XRD图谱。
图5为Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂重复利用性能试验。
图6为实施例1-3制备的Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂光催化性能对比图。
图7为过一硫酸氢钾用量、催化剂用量、四环素碱度、四环素初始浓度优化试验图。
图8为光催化降解对比试验图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
(1)用电子天平称取2.379g六水合氯化钴和5.406g六水合氯化铁放入A烧杯中,向A烧杯中加入150mL蒸馏水并放入搅拌子,运用数显恒温磁力搅拌器A烧杯中的物质搅拌至成为溶液;
(2)称取3.2g氢氧化钠放入B烧杯中,加入150mL蒸馏水溶化,将B烧杯放入水浴锅中90℃水浴加热;将A烧杯中的溶液以120滴/min速度快速滴入B烧杯中,运用增力电动搅拌器搅拌2h,使之发生反应产生铁酸钴沉淀;将搅拌好的溶液抽滤,并用蒸馏水和无水乙醇反复多次交替洗涤样品,去除样品中的杂质;过滤好后放入电热鼓风干燥箱中,100℃烘5h取出进行研磨,将研磨好的样品装入坩锅中,放入马弗炉中800℃焙烧10h,得到结晶度更高的铁酸钴;
(3)将0.7154g铁酸钴放入到300mL烧杯中,往烧杯中加入150mL蒸馏水,放入超声机中超声分散30min;超声后加入20mL浓度为0.5mol/L的硫酸铜溶液,室温搅拌60 min;
(4)然后在持续搅拌的状态下,称取1.6g氢氧化钠用30mL蒸馏水溶化,同时称取1.7613g抗坏血酸用25mL蒸馏水溶化,将氢氧化钠溶液倒入分液漏斗,控制好分液漏斗的速度,将氢氧化钠溶液以30滴/min的速度滴入之前的烧杯中,最后以30滴/min的速度缓慢滴加抗坏血酸溶液;
(5)放入水浴锅中,水浴加热20℃搅拌反应2h后可以得到氧化亚铜/铁酸钴分散液;
(6)将分散液抽滤并用无水乙醇和蒸馏水反复洗涤3-5次,去除杂质;再放入干燥箱中设置80℃温度烘干后得到Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂。
实施例2
实施例2中CoFe2O4的质量为0.3577g。
实施例3
实施例3中CoFe2O4的质量为0.2385g。
对比例1
对比例1与实施例1区别在于去掉步骤(1)-(2),步骤(3)中不添加铁酸钴,其制备的产品是Cu2O。
Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂性能检测和应用试验
(1)Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的化学性能检测
实施例1中制备的CoFe2O4、对比例1中制备的Cu2O以及实施例3中制备的Cu2O/CoFe2O4复合催化剂的XRD图谱见图1所示,由图1可知,复合物的峰在29.747度、36.516度、42.419度、61.426度、73.718度处与Cu2O的峰值近乎相等,且在29.747度、36.516度、42.419度处的峰型尖锐,说明在制备Cu2O/CoFe2O4复合物中,含有的Cu2O的纯度较高。除此之外,制备出的Cu2O/CoFe2O4复合物中可以明显检测到CoFe2O4的特征峰峰,峰型一致,因为CoFe2O4自身特征峰的衍射强度较低,所以复合物中峰强也较低。
通过对比Cu2O单体XRD图谱和CoFe2O4单体XRD图谱,制备出来的Cu2O/CoFe2O4复合物的峰与Cu2O单体和CoFe2O4单体的峰几乎一致,说明本申请的制备方法制备出了高纯度的光复合催化剂。
图2为实施例3制备的Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的TEM,HRTEM和 EDS 元素分析图,结合图2可以看出,Cu2O和CoFe2O4样品的SEM图像显示出立方晶体形态。与CoFe2O4相比,Cu2O的立方晶体相对规则。SEM图像显示,Cu2O/CoFe2O4为两个紧密接触并叠加在一起的立方晶体。通过TEM试验进一步确认了接触关系,这促进了异质结的形成。0.2436nm和0.2540nm的晶格间距归因于Cu2O的(111)晶面和CoFe2O4的(311)晶面,分别表明Cu2O的(111)面和CoFe2O4的(311)面暴露。此外,元素成像进一步证实了Cu2O与CoFe2O4的叠加关系,即Cu2O位于CoFe2O4上。此外,Cu2O/CoFe2O4复合材料的EDS能谱有力地证明了所需元素的存在。总之,上述相结构表征分析可以证明Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的制备是成功的。
图3为Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的磁滞回线。由图3可以看出,样品的饱和磁化强度为15.31emu·g-1,可以满足磁辅助分离的要求。因此,在降解反应后,Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂可以使用外部磁铁完全分离和回收,同时避免二次污染。与传统的过滤方法相比,该分离方法简单、经济,有利于其实际应用。
图4为一次反应前后的Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂XRD图谱,由图4可以看出,经过回收利用的Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的峰值与未经过回收利用Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂峰值完全一致。说明Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂经过回收利用后,其本身的物质没有发生变化,因此Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂具有良好的稳定性和重复利用能力,可以循环利用。
Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂重复利用性能试验参见图5,试验方法是:将之前实验剩下的催化剂进行过滤、洗涤、干燥后再次进行光催化,观察其光催化降解效率具体如下:量取100mL 15mg/L不调pH的四环素溶液,称取0.1 gCu2O/CoFe2O4催化剂、0.2mM的过一硫酸氢钾进行实验。实验反应30min后,将使用的催化剂进行磁辅助分离、洗涤、干燥;将干燥后的催化剂再一次进行降解实验,一共重复四次实验。由图5可以看出,重复使用五次后,催化降解效率仍然高于94.0%。结合图4可以看出,本申请制备的Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂作为光催化剂具有较好的稳定性和循环利用的能力,在一定程度上能节约光催化实验的成本。
(2)Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的应用试验
1)实施例1-3制备的Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂光催化性能检测
分别称取0.1g实施例1-3制备的Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂,量取100mL 15mg/LpH=7的四环素溶液,同时加入0.3mM的过一硫酸氢钾,检测光催化效率,其中实施例1-3分别对应的是氧化亚铜与铁酸钴的质量比为1:1、2:1和3:1的复合催化剂,结果见图6所示。
从图6可以看出,实施例3制备的Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂的降解效率相较于实施例1和实施例2的要好,其30min时的降解效率达到了97.3%,可见实施例3制备的氧化亚铜与铁酸钴的质量比为3:1的复合催化剂催化效率最优。
2)催化剂用量优化
称取0.2mM的过一硫酸氢钾,量取100mL 15mg/L pH=7的四环素溶液,重复五次,五次实验分别加入0.025g、0.05g、0.1g、0.15g、0.2g实施例3中的催化剂,检测人其催化效率,结果见图7a所示。
由图7a可以看出,在5min时,加入的催化剂含量越高四环素的降解效率越好,随着反应时间的增加,降解效率增加趋于平缓。从15min开始,加入0.1g、0.15g、0.2g催化剂降解率变化缓慢,趋于饱和,考虑到经济适用性的原则,因此,Cu2O/ CoFe2O4磁性复合催化剂的最优用量是1g/L。
3)四环素初始浓度优化
称取0.1g实施例3制备的催化剂、0.2mM的过一硫酸氢钾,量取100mL不调pH的四环素溶液,重复五次,五次实验改变四环素的初始浓度,其初始浓度分别为5mg/L、10mg/L、15mg/L、20mg/L、25mg/L,分别检测其催化效率,结果见图7b所示。可以从图表上得知,四环素初始浓度为5mg/L的降解效率最好,降解效率达到了98.8%,其初始吸光度为0.172A;考虑浓度为15mg/L的比较接近常规四环素废水浓度,因此四环素最优的浓度限定为15mg/L。
4)过一硫酸氢钾(PMS)用量优化
称取0.1g实施例3催化剂、量取100mL 15mg/L pH=7的四环素溶液,重复五次,五次实验分别加入0.1mM(0.0615 g)、0.2mM(0.1231 g)、0.3mM(0.1846g)、0.4mM(0.2462g)、0.5mM(0.3077g)的过一硫酸氢钾,检测其催化效率,结果如图7c所示。
由图7c可以看出,0.1mM、0.2mM、0.3mM、0.4mM、0.5mM在同一个时间点下,几乎是以0.2mM为最高点、向两侧逐渐减小的趋势变化的。过一硫酸氢钾虽然有增加降解效率的功能,但显然不是越多降解效率越好。在30min时,加入0.2mM的过一硫酸氢钾和加入0.3mM进行催化时,降解效率差不多,但是从5min、10min、15min、20min、25min这五个时间点来看,加入0.2mM的降解效率都要大于加入0.3mM的降解效率,且在30min是其降解效率达到97.9%。因此,确定选择加入的过一硫酸氢钾最优用量是0.2mM。
5)四环素酸碱度优化
称取0.1g实施例3催化剂、0.2mM的过一硫酸氢钾,量取100mL 15mg/L的四环素溶液,重复六次,六次实验改变四环素的酸碱度,其pH值分别为3、5、7、9、11和不调pH值,不调pH时值为3.69,分别检测催化效率,结果见图7d。
从图7d可以看出,pH值为3、5、7、9、11和不调pH的30min降解效率变化相差并不大,在5%之间,其中最好的pH=11的降解效率,在25min时,其降解效率就达到了100%。但是由于需要利用NaOH溶液和HCl溶液调节四环素溶液的pH值,在这一过程中,会导致四环素的浓度降低,初始吸光度会受影响跟着变小,pH=11的四环素溶液初始吸光度为0.380A,而不调pH的四环素溶液初始吸光度为0.477A。并且,pH为3.69的降解效率与其他不同pH的降解效率相差不大,因此不调pH在一定程度上可以减少实验误差。
经过上述试验可知,将实施例3中的复合催化剂按1g/L的添加量添加在初始浓度为15mg/L四环素溶液中进行光催化降解试验,四环素溶液中添加0.2mM过一硫酸氢钾时,其误差最少,实验条件最容易实现,是光催化应用最优催化条件。
6)光催化降解对比试验
量取100mL、15mg/L、pH=7的四环素溶液置于烧杯中,分别检测催化剂为Cu2O+过一硫酸氢钾、CoFe2O4+过一硫酸氢钾、空白、空白+过一硫酸氢钾、Cu2O/CoFe2O4+过一硫酸氢钾条件下的的各个时间点的降解效率,结果参加图8。
由图8可知,在不加任何催化剂和过一硫酸氢钾的时候,四环素在自然光照下几乎不能自己降解,其30min时的降解效率只有6.6%,因此,降解四环素需要通过光催化剂的辅助。
CoFe2O4是一种磁性物质,也可以作为光催化剂用,但是在单独降解四环素溶液时,其降解效率远不如Cu2O降解的效果好,在30min时降解效率达到17.9%;但是将CoFe2O4和Cu2O复合使用,其催化效率远远优于单纯的Cu2O或CoFe2O4,说明本申请制备的磁性复合催化剂能够协同增加催化效率。
在之前加入催化剂的情况下又加入过一硫酸氢钾,降解效率相较于之前没加的时候有明显提高,说明本申请制备的催化剂与过一硫酸氢钾在光催化应用方面具有极大的协同增效的作用,说明本申请制备的催化剂异质结的形成,促进了内建电场产生,内建电场产生促进了电荷的分离,提高过一硫酸氢钾的活化效率,进而提高催化活性。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换,只要不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂光降解四环素的应用方法,其特征在于:包括以下步骤:将复合催化剂按0.25-2g/L的添加量添加在初始浓度为5-25mg/L四环素溶液中进行光催化降解试验,所述四环素溶液中添加0.1-0.5mM过一硫酸氢钾;
所述复合催化剂是Cu2O相和CoFe2O4相亲密接触形成的异质结,其制备方法包括以下步骤:
(1)将铁酸钴超声分散在蒸馏水中,超声后加入一定量浓度为0.5mol/L的硫酸铜溶液,室温搅拌60 min;
(2)在持续搅拌的状态下,逐滴滴入氢氧化钠溶液,之后逐滴滴入抗坏血酸溶液;
(3)20℃下搅拌反应2h,得到氧化亚铜/铁酸钴分散液;
(4)将分散液抽滤并用无水乙醇和蒸馏水反复洗涤3-5次,去除杂质,80℃烘干后得到Cu2O/CoFe2O4复合催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂光降解四环素的应用方法,其特征在于:所述铁酸钴、硫酸铜、氢氧化钠和抗坏血酸的重量比为0.2385-0.7154:1.6:1.6:1.7613。
3.根据权利要求1所述的一种Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂光降解四环素的应用方法,其特征在于:所述步骤(2)中氢氧化钠溶液的滴加速度为30滴/min,抗坏血酸溶液滴加速度为30滴/min。
4.根据权利要求1所述的一种Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂光降解四环素的应用方法,其特征在于:所述步骤(1)中的铁酸钴由以下步骤制备而成:
(1)六水合氯化钴和六水合氯化铁溶解在水体中形成溶液;
(2)氢氧化钠溶液加热至90℃,然后快速滴入步骤(1)中的溶液,搅拌2h,形成沉淀,抽滤洗涤干燥,100℃烘5h,然后800℃焙烧10h,制备得到铁酸钴,所述六水合氯化钴、六水合氯化铁和氢氧化钠的摩尔比为1:2:8。
5.根据权利要求4所述的一种Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂光降解四环素的应用方法,其特征在于:所述步骤(2)中六水合氯化钴和六水合氯化铁混合液的滴加速度为120滴/min。
6.根据权利要求1所述的一种Cu2O/CoFe2O4磁性复合催化剂光降解四环素的应用方法,其特征在于:包括以下步骤:
将复合催化剂按1g/L的添加量添加在初始浓度为15mg/L四环素溶液中进行光催化降解试验,所述四环素溶液中添加0.2mM过一硫酸氢钾。
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