JP6218422B2 - 中和装置 - Google Patents

Description

本発明は、セメントと水とを接触させた結果生じる廃水を中和する中和装置に関する。

コンクリートで構造物を建設する場合、砂、砂利等と、セメントおよび水とを混合する。そうすると、セメントと水が反応（水和反応）して、反応生成物が糊として機能し、砂や砂利等を固定する。このような、一連の工程を経て、コンクリートで構造物を建設する処理を、一般的に「コンクリートを打つ」という。

打ち終わった直後のコンクリートには、未反応のセメントが含まれるため、強度が低い。そこで、コンクリートを打ち終わった後、散水を行うことで、未反応のセメントを水と反応させ、強度を向上させることが一般的に行われている（所謂、養生）。

養生を行った後に生じる廃水（養生水）は、ｐＨ１２程度と高アルカリ性の水溶液であるため、中和を行い、ｐＨを放流基準値まで下げた後に、放流することとなる。

セメントと水とを接触させた結果生じる養生水等の廃水（以下、単に廃水と称する）を中和する技術として、廃水中に希硫酸を導入することで、廃水を中和する技術が開発されている。

しかし、希硫酸は、相対的に粘性が高く、拡散速度が遅いため、高機能な攪拌装置が必要であったり、特定化学物質等作業主任者といった資格が必要であったり、労働基準監督署への届出が必要であったり、貯留量によっては消防署への届出が必要であったりと、使用者にとって制約が多い。

そこで、エジェクタを用いて廃水に二酸化炭素を導入することで、廃水と二酸化炭素とを接触させる技術が開示されている（例えば、特許文献１）。特許文献１の技術によれば、取り扱いに特別な資格や届出が不要である二酸化炭素を用いることができるため、使用者は煩わしい手続きを経ずとも、廃水を中和することができる。また、二酸化炭素は、常温常圧下（例えば、２５℃、１気圧）において、気体であるため、希硫酸と比較して拡散速度が速く、攪拌装置が不要となり、装置自体のコストを低減することができる。

特許第４４３０２０４号

特許文献１の技術では、エジェクタによって、アルカリ性水溶液中に二酸化炭素の気流が生じ、アルカリ性溶液が二酸化炭素の気流によって攪拌されることとなる。この場合、二酸化炭素とアルカリ性水溶液の接触時間が短く、アルカリ性水溶液に二酸化炭素が十分に溶解せずに、二酸化炭素が大気に放出されてしまう。

そうすると、放流基準値まで中和するには、長時間を要することとなる。また、放流基準値まで中和するには、二酸化炭素を大量に導入しなければならない。したがって、二酸化炭素を導入するためのポンプの駆動に要するコストや、二酸化炭素自体のコストが高くなってしまっていた。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、二酸化炭素の導入態様を工夫することで、使用する二酸化炭素量を低減するとともに、中和に要する時間を短縮することが可能な中和装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の中和装置は、セメントと水とを接触させた結果生じる廃水を収容する貯水槽と、廃水に、平均粒径が０．２ｍｍ以上２．５ｍｍ以下の二酸化炭素の泡をバブリングすることで、廃水を中和する複数のバブリング部と、バブリング部が設けられバブリング部によって二酸化炭素の泡がバブリングされる領域と、バブリング部が設けられず二酸化炭素の泡がバブリングされない領域とが混在するように、複数のバブリング部を貯水槽の底部に支持する支持機構と、を備え、廃水中には、バブリングによって生成される二酸化炭素の泡が導入されることを特徴とする。

大気圧より高圧に圧縮された二酸化炭素を貯留する二酸化炭素ボンベをさらに備え、バブリング部には、二酸化炭素ボンベから二酸化炭素が圧送されるとしてもよい。

廃水のｐＨを測定するｐＨセンサと、測定されたｐＨが予め定められた閾値を上回る値である間、バブリング部を制御して二酸化炭素をバブリングさせ、測定されたｐＨが閾値以下となると、バブリング部を制御して二酸化炭素のバブリングを停止させる制御部と、をさらに備えるとしてもよい。

予め定められた閾値は、ｐＨ８．６〜ｐＨ５．８の間から選択された数値であるとしてもよい。

バブリング部を、廃水内に位置させた状態に維持する係止部をさらに備えるとしてもよい。
バブリング部とともに、ｐＨセンサを廃水内に位置させた状態に維持する係止部をさらに備えるとしてもよい。

本発明によれば、二酸化炭素の導入態様を工夫することで、使用する二酸化炭素量を低減するとともに、中和に要する時間を短縮することが可能となる。

第１の実施形態にかかる中和装置の斜視図である。 第１の実施形態にかかる中和装置を説明するための図である。 （ａ）は、「気泡・分散工学−基礎と応用 槙書店 １９８２年発行」を出典とする気泡の平均粒径に対する上昇速度を示すグラフであり、（ｂ）は、「気泡・分散工学−基礎と応用 槙書店 １９８２年発行」を出典とする気泡の鉛直断面を示す図である。 第２の実施形態にかかる中和装置を説明するための図である。 変形例１の中和装置を説明するための図である。 変形例２の中和装置を説明するための図である。 二酸化炭素の粒径と、アルカリ水溶液のｐＨ変化とを説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（第１の実施形態：中和装置１００）
図１、図２は、第１の実施形態にかかる中和装置１００を説明するための図であり、図１は、中和装置１００の斜視図を、図２（ａ）は、中和装置１００を上面視した図、図２（ｂ）は、図１のＸＺ断面図を示す。本実施形態の図１では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。これらの図に示すように、中和装置１００は、貯水槽１１０と、ガス導入部１２０と、支持部材１２８（図１では、図示を省略する）と、バブリング部１３０と、ｐＨセンサ１４０と、制御部１５０とを含んで構成される。

貯水槽１１０は、廃水１０２を収容する。ここで、廃水１０２は、セメントと水とを接触させた結果生じる、コンクリートの養生水、コンクリートの洗浄水等の水溶液である。

ガス導入部１２０は、ガス供給管１２２と、ガス圧送管１２４とを含んで構成される。

ガス供給管１２２は、例えば、可撓性を有する樹脂製の管で構成され、二酸化炭素供給源１０４とガス圧送管１２４とを連通する。

二酸化炭素供給源１０４は、例えば、二酸化炭素ボンベ等で構成される。本実施形態では、二酸化炭素供給源１０４として、高圧圧縮された二酸化炭素を貯留した二酸化炭素ボンベを用いているため、ポンプを用いずとも二酸化炭素を圧送することができる。しかし、大気圧の二酸化炭素、または、圧縮率の低い二酸化炭素を貯留した貯留槽や、大気圧の二酸化炭素、または、圧縮率の低い二酸化炭素を生成する生成装置を二酸化炭素供給源１０４とする場合、ガス導入部１２０は、ポンプを含んで構成され、ポンプを駆動して、二酸化炭素供給源１０４からガス供給管１２２へ二酸化炭素を圧送するとよい。

ガス圧送管１２４は、環状に形成されており、一部がガス供給管１２２に接続され、他部の一部がバブリング部１３０に接続された管である。また、図２に示すように、ガス圧送管１２４は、支持部材１２８によって貯水槽１１０の底部近傍に支持されている。

したがって、二酸化炭素供給源１０４から供給された二酸化炭素は、ガス供給管１２２、ガス圧送管１２４を通じて、バブリング部１３０に供給される。

バブリング部１３０は、ガス圧送管１２４と連通するとともに、ガス供給管１２２、ガス圧送管１２４を通じて二酸化炭素供給源１０４から供給された二酸化炭素を廃水１０２にバブリングする。

バブリング部１３０は、例えば、樹脂で形成された多孔質体、ガラスで形成された多孔質体、セラミックで形成された多孔質体、金属で形成された多孔質体、軽石等の多孔質体で形成され、廃水１０２中に、平均粒径（平均の気泡径）が２．５ｍｍ未満の二酸化炭素の泡（気泡）、好ましくは、平均粒径が１ｍｍ未満の二酸化炭素の泡（図１、図２においては、理解を容易にするために、実際よりも大きく示している）を導入する。

平均粒径が２．５ｍｍ未満の泡は、上昇速度が極めて遅い。例えば、粒径が１０μｍの泡（気泡）の上昇速度は、３ｍｍ／ｍｉｎ程度である。

図３（ａ）は、「気泡・分散工学−基礎と応用 槙書店 １９８２年発行」を出典とする気泡の平均粒径に対する上昇速度を示すグラフであり、図３（ｂ）は、「気泡・分散工学−基礎と応用 槙書店 １９８２年発行」を出典とする気泡の鉛直断面を示す図である。図３（ａ）中、実線で示すように、精製水において、平均粒径が１．５ｍｍ程度になるまでは、気泡の平均粒径が大きくなるほど、精製水中の気泡の上昇速度は大きくなるが、平均粒径が１．５ｍｍを超えると、上昇速度は一旦徐々に低下し、平均粒径が６ｍｍ以上となると、平均粒径が大きくなるほど、上昇速度が大きくなる。

一方、図３（ａ）中、破線で示すように、実際の廃水としてみなすことができる汚染水では、平均粒径が４ｍｍ程度になるまでは、気泡の平均粒径が大きくなるほど、汚染水中の気泡の上昇速度は徐々に大きくなり、４ｍｍを超えると上昇速度は２０ｃｍ／秒と一定値となり、さらに、平均粒径が１０ｍｍを超えると、また、平均粒径が大きくなるほど、上昇速度が徐々に大きくなる。

このように、実際の廃水としてみなすことができる汚染水では、気泡の平均粒径が１０ｍｍ未満であれば、気泡の上昇速度を１８ｃｍ／秒未満とすることができ、気泡の滞留時間を長くすることが可能となることが分かる。

また、水中において、気泡の粒径が１ｍｍ未満であると、気泡の形状は球状になり（図３（ｂ）参照）、気泡の粒径が１ｍｍ以上２０ｍｍ未満であると、気泡の形状は楕円体状になり（図３（ｃ）、（ｄ）参照）、気泡の粒径が２０ｍｍ以上であると、気泡の形状は半球状になる（図３（ｅ）、（ｆ）参照）。したがって、気泡の粒径を１ｍｍ未満とすることで、気泡の形状を均一化することができ、安定的に気泡を水中に溶解させることができる。

このように、バブリング部１３０が、後述する制御部１５０による制御に応じて、平均粒径が１０ｍｍ未満の泡の状態で二酸化炭素を導入することで、エジェクタによって二酸化炭素を導入する従来と比較して、廃水１０２における二酸化炭素の滞留時間を長くすることができる。つまり、廃水１０２と二酸化炭素の接触時間を長くすることができ、廃水１０２への二酸化炭素の溶解効率を向上させることが可能となる。

また、同じ量の二酸化炭素を導入する場合、二酸化炭素を平均粒径が１０ｍｍ未満の泡とすることで、平均粒径が１０ｍｍ以上の泡とした場合と比較して、二酸化炭素の比表面積を大きくすることができるため、これによっても、廃水１０２への二酸化炭素の溶解効率を向上させることが可能となる。さらに、詳しくは後述するが、二酸化炭素の平均粒径が２．５ｍｍ未満の泡とすることで、廃水１０２の中和に要する時間を著しく短縮することが可能となる。

また、二酸化炭素を平均粒径が１ｍｍ未満の泡とすることで、泡の形状を球状とすることができ、気泡の形状を均一化することが可能となり、二酸化炭素を安定的に廃水１０２に溶解させることができる。

そうすると、下記反応式（１）、（２）に示す中和反応が進行して、廃水１０２中の水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）が中和される。
Ｃａ（ＯＨ）_２＋ＣＯ_２→ＣａＣＯ_３＋Ｈ_２Ｏ
…反応式（１）
ＣａＣＯ_３＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ→Ｃａ（ＨＣＯ_３）_２
…反応式（２）

したがって、従来と比較して、少量の二酸化炭素で上記中和反応を行うことができ、二酸化炭素自体のコストを低減することが可能となる。また、従来と比較して、短時間で上記中和反応を行うことができる。

なお、図１に戻って説明すると、本実施形態の中和装置１００では、バブリング部１３０を４つ備える構成を例に挙げて説明したが、バブリング部１３０の数に限定はない。

ｐＨセンサ１４０は、廃水１０２と接触する位置に設けられ、廃水１０２のｐＨを測定する。

制御部１５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して中和装置１００全体を管理および制御する。本実施形態において制御部１５０は、ｐＨセンサ１４０によって測定されたｐＨが予め定められた閾値（例えば、放流基準値であるｐＨ８．６〜ｐＨ５．８の間から選択された数値）を上回る値である間、バブリング部１３０を制御して二酸化炭素をバブリングさせ、閾値以下となると、バブリング部１３０を制御して二酸化炭素のバブリングを停止させる。

ｐＨセンサ１４０、制御部１５０を備える構成により、廃水１０２のｐＨを過剰に下げてしまい、そのまま放流できなくなってしまう事態を回避することができる。

以上説明したように、本実施形態にかかる中和装置１００によれば、使用する二酸化炭素量を低減するとともに、中和に要する時間を短縮することが可能となる。

（第２の実施形態：中和装置２００）
上述した第１の実施形態では、貯水槽１１０を備えた中和装置１００について説明した。しかし、必ずしも貯水槽１１０は必要ではない。第２の実施形態では、貯水槽１１０を有しない中和装置２００について説明する。

図４は、第２の実施形態にかかる中和装置２００を説明するための図であり、図４（ａ）は、中和装置２００の斜視図を、図４（ｂ）は、中和装置２００の使用形態を説明するための図を示す。本実施形態の図４では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。

図４（ａ）に示すように、中和装置２００は、ガス導入部１２０と、バブリング部１３０と、ｐＨセンサ１４０と、制御部１５０と、係止部２１０と、を含んで構成される。なお、上述した第１の実施形態において、すでに説明した、ガス導入部１２０、バブリング部１３０、ｐＨセンサ１４０、制御部１５０は、実質的に機能が等しいため、重複説明を省略し、ここでは、係止部２１０について詳述する。

係止部２１０は、例えば、図４中、ＸＺ断面がＬ字形状の平板で構成され、制御部１５０に接続されるとともに、既存の貯水槽２５０に係止可能に形成されている。そして、制御部１５０からガス圧送管１２４が延伸し、ガス圧送管１２４における制御部１５０に接続される端部と反対側の端部にバブリング部１３０が接続されている。

図４（ｂ）に示すように、既存の貯水槽２５０に収容された廃水１０２を中和する場合、係止部２１０を貯水槽２５０の側壁の上端に係止する。そうすると、ガス圧送管１２４、バブリング部１３０が貯水槽２５０内に配されることとなる。そして、ガス導入部１２０から二酸化炭素が導入されると、バブリング部１３０が廃水１０２に二酸化炭素をバブリングすることとなる。

以上説明したように、本実施形態にかかる中和装置２００によれば、係止部２１０を係止するだけで、既存の貯水槽２５０にバブリング部１３０を設置することができ、貯水槽２５０に収容された廃水１０２を中和することが可能となる。

また、中和装置２００は、ガス導入部１２０、バブリング部１３０、ｐＨセンサ１４０、制御部１５０、係止部２１０のみで構成されるため、可搬性（容易に運搬できること）を向上することができる。建設現場等においては、貯水槽２５０や、二酸化炭素供給源１０４が設置されていることが多いため、建設現場には、中和装置２００のみを運搬するだけで、廃水１０２を中和することができる。

（変形例１）
図５は、変形例１の中和装置３００を説明するための図である。本実施形態の図５では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。図５に示すように、中和装置３００は、貯水槽１１０と、ガス導入部１２０と、支持部材１２８（図５では、図示を省略する）と、バブリング部１３０と、ｐＨセンサ１４０と、制御部１５０と、蓋部３１０とを含んで構成される。なお、上述した第１の実施形態において、すでに説明した、貯水槽１１０、ガス導入部１２０、支持部材１２８、バブリング部１３０、ｐＨセンサ１４０、制御部１５０は、実質的に機能が等しいため、重複説明を省略し、ここでは、蓋部３１０について詳述する。

蓋部３１０は、貯水槽１１０の開口部を封止する。蓋部３１０を備える構成により、貯水槽１１０の内部を密閉することができ、ガス導入部１２０による二酸化炭素の供給が遂行されることで、貯水槽１１０内を加圧状態にすることができる。これにより、二酸化炭素の廃水１０２への溶解を促進することができ、二酸化炭素の溶解効率をさらに向上させることが可能となる。

（変形例２）
図６は、変形例２の中和装置４００を説明するための図である。本実施形態の図６では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。図６に示すように、中和装置４００は、貯水槽１１０と、ガス導入部１２０と、バブリング部４３０と、ｐＨセンサ１４０と、制御部１５０とを含んで構成される。なお、上述した第１の実施形態において、すでに説明した、貯水槽１１０、ガス導入部１２０、ｐＨセンサ１４０、制御部１５０は、実質的に機能が等しいため、重複説明を省略し、ここでは、バブリング部４３０について詳述する。

変形例２において、バブリング部４３０は、焼結金属や、図６中Ｚ軸方向（鉛直方向）に複数枚重畳された複数枚の金属メッシュで構成されており、貯水槽１１０におけるＸＹ断面に亘って板状に形成されている。したがって、バブリング部４３０は、貯水槽１１０を鉛直方向に２分割する機能を有し、バブリング部４３０の鉛直上方には、廃水１０２が収容され、鉛直下方には、空間４１０が形成されることとなる。

なお、バブリング部４３０は、平均粒径が２．５ｍｍ未満の二酸化炭素の泡を廃水１０２に導入するため、バブリング部４３０に形成された孔は、極めて小さい。したがって、廃水１０２は、バブリング部４３０の鉛直上方に収容されたとしても、水の表面張力によって、孔を通過できず、空間４１０まで廃水１０２が到達する事態を回避することができる。

そして、ガス導入部１２０のガス圧送管１２４は、一端がガス供給管１２２に接続され、他端がバブリング部４３０の鉛直下方に形成された空間４１０に接続された管である。したがって、二酸化炭素供給源１０４から供給された二酸化炭素は、ガス供給管１２２、ガス圧送管１２４、空間４１０、バブリング部４３０の孔を通じて、廃水１０２に供給される。

なお、バブリング部４３０に形成された微細な孔の閉塞を防ぐために、バブリング部４３０を通じて二酸化炭素を常時流したり、バブリング部４３０を傾けたりするとよい。

以上説明したように、本実施形態にかかる中和装置４００によれば、使用する二酸化炭素量を低減するとともに、中和に要する時間を短縮することが可能となる。

（実施例）
図７は、二酸化炭素の粒径と、アルカリ水溶液のｐＨ変化とを説明するための図である。実施例では、アルカリ水溶液として、ｐＨ１２．４０〜ｐＨ１２．４１のＮａＯＨ水溶液を作成した。そして、４００ｍｌのＮａＯＨ水溶液（ｐＨ１２．４０〜ｐＨ１２．４１）に流量５ｍｌ／分で、実施例として０．２ｍｍの粒径の二酸化炭素を、比較例として５ｍｍの粒径の二酸化炭素、および、１０ｍｍの粒径の二酸化炭素をそれぞれ３０分間バブリングした。その結果を表１に示す。

表１および図７（ａ）に示すように、二酸化炭素の粒径が５ｍｍである場合（図７中黒四角で示す）や、１０ｍｍである場合（図７中白丸で示す）には、ｐＨ１２程度までしかｐＨの低下が見られなかった。すなわちｐＨが０．４程度しか低下しなかった。

一方、二酸化炭素の粒径が０．２ｍｍである場合（図７中、白三角で示す）、ｐＨ１０程度まで低下することが分かった。すわなち、ｐＨを２程度低下させることができることが確認された。

以上の結果から、アルカリ水溶液にバブリングする二酸化炭素の粒径が小さいほど、短時間でｐＨを低下することができることが分かった。

また、上記結果に基づいて、二酸化炭素の粒径それぞれについて、バブリング時間に対するｐＨ値変化を線形近似し、ｐＨ８に達する時間を求めた。その結果を表２に示す。

そうすると、表２に示すように、実施例である粒径が０．２ｍｍである場合、ｐＨ８にするまでの時間は、５８分（約１時間）であった。一方、従来行われていたエジェクタによって二酸化炭素を導入する場合の二酸化炭素の泡の粒径であると考えられる粒径１０ｍｍである場合、ｐＨ８にするまでには、３６７分（約６時間）を要し、粒径５ｍｍである場合には、２９９分（約５時間）を要することが分かった。

したがって、図７（ｂ）に示すように、粒径が２．５ｍｍの二酸化炭素の泡を導入すれば、従来行われていたエジェクタによって二酸化炭素を導入する場合の約半分の時間（３時間）でｐＨ１４のアルカリ水溶液をｐＨ８にまで低下させることができることが確認できた。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した第２の実施形態において、係止部２１０がＬ字形状の平板で構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、係止部２１０は、バブリング部１３０およびｐＨセンサ１４０を廃水１０２に接触できるように、既存の貯水槽２５０に係止できれば、形状に限定はない。

また、二酸化炭素供給源１０４を二酸化炭素ボンベで構成する場合、二酸化炭素ボンベの残量が予め定められた閾値を下回った場合に、警報を発する報知部を備えるとしてもよい。

本発明は、アルカリ性水溶液を中和する中和装置に利用することができる。

１００、２００、３００、４００ …中和装置
１３０ …バブリング部
１４０ …ｐＨセンサ
１５０ …制御部

Claims (6)

1. セメントと水とを接触させた結果生じる廃水を収容する貯水槽と、
   前記廃水に、平均粒径が０．２ｍｍ以上２．５ｍｍ以下の二酸化炭素の泡をバブリングすることで、該廃水を中和する複数のバブリング部と、
   前記バブリング部が設けられ該バブリング部によって前記二酸化炭素の泡がバブリングされる領域と、該バブリング部が設けられず該二酸化炭素の泡がバブリングされない領域とが混在するように、前記複数のバブリング部を前記貯水槽の底部に支持する支持機構と、
   を備え、
   前記廃水中には、バブリングによって生成される二酸化炭素の泡が導入されることを特徴とする中和装置。
2. 大気圧より高圧に圧縮された二酸化炭素を貯留する二酸化炭素ボンベをさらに備え、
   前記バブリング部には、前記二酸化炭素ボンベから二酸化炭素が圧送されることを特徴とする請求項１に記載の中和装置。
3. 前記廃水のｐＨを測定するｐＨセンサと、
   測定された前記ｐＨが予め定められた閾値を上回る値である間、前記バブリング部を制御して二酸化炭素をバブリングさせ、測定された前記ｐＨが該閾値以下となると、前記バブリング部を制御して二酸化炭素のバブリングを停止させる制御部と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の中和装置。
4. 前記予め定められた閾値は、ｐＨ８．６〜ｐＨ５．８の間から選択された数値であることを特徴とする請求項３に記載の中和装置。
5. 前記バブリング部を、前記廃水内に位置させた状態に維持する係止部をさらに備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の中和装置。
6. 前記バブリング部とともに、前記ｐＨセンサを前記廃水内に位置させた状態に維持する係止部をさらに備えたことを特徴とする請求項３または４に記載の中和装置。

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