JPH01164402A - ポリ尿素膜及び芳香族化合物と非芳香族化合物との分離のためのその用途 - Google Patents

ポリ尿素膜及び芳香族化合物と非芳香族化合物との分離のためのその用途

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JPH01164402A
JPH01164402A JP63259238A JP25923888A JPH01164402A JP H01164402 A JPH01164402 A JP H01164402A JP 63259238 A JP63259238 A JP 63259238A JP 25923888 A JP25923888 A JP 25923888A JP H01164402 A JPH01164402 A JP H01164402A
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aromatic
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polymer
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Chiyaaruzu Shiyutsukaa Robaato
ロバート チャールズ シュッカー
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Exxon Research and Engineering Co
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の産業上の利用分野 芳香族化合物と非芳香族化合物との分離用のポリ尿素ポ
リマーからつくられた芳香族の非多孔質膜が開示される
。このような芳香族のポリ尿素ポリマー膜は透析蒸発条
件またはパーストラクション(perstraCt 1
nn)条件下で利用される。
従来の技術 飽和化合物から芳香族化合物を分離するために膜を使用
することは、長年にわたり科学界及び工業界により探求
されてきており、多数の特許の主題である。
米国特許第3.370.102号は供給材料を透過流及
びリチンテート(retentate)流中に分離する
ための一般的な方法を記載でおり、スイープ液体を利用
して膜の面から透過物を除去しこれにより濃度勾配駆動
力を維持する。この方法は種々の石油留分、ナフサ、油
、炭化水素混合物を含む多種の混合物を分離するのに使
用し得る。特にケロシンから芳香物化合物の分離が記載
されている。
米国特許第2,958,656号は、混合物の一部を非
多孔質のセルロースエーテル膜に透過しスイープガスま
たはスイープ液体を用いて膜の透過側から透過物を除去
することによる、芳香族系、不飽和系、飽和系の炭化水
素の分離を教示する。供給材料は炭化水素混合物、ナフ
サ(バージンナフサ、熱タラソキングまたは接触タラソ
キングからのナフサ等を含む)を含む。
米国特許第2.930,754号は、或種のセルロース
エステルの非孔質膜中の芳香族化合物の選択的透過によ
るガソリン沸点範囲の混合物から炭化水素、例えば芳香
族化合物及び/またはオレフィンを分離する方法を教示
する。透過された炭化水素はスイープガスまたはスイー
プ液体を用いて透過領域から連続的に除去される。
米国特許第4,115.465号は透析蒸発により飽和
化合物から芳香族化合物を選択的に分離するためにポリ
ウレタン膜を使用することを教示する。
又更立圧狙星巣凱 非芳香族化合物から芳香族化合物を、特に透析蒸発条件
またはバースドラクチイブ(perstractive
)条件下に分離するのに有用な芳香族ポリ尿素ポリマー
膜が記載される。芳香族化合物と非芳香族化合物との分
離は、特にナフサの品質向上及び化学工業に有用である
芳香族ポリ尿素ポリマー膜は、通常の出発原料を用いて
当業界で公知の技術により製造される相当する芳香族ポ
リ尿素ポリマーから製造される。
それ故、ポリ尿素ポリマーは樹脂族、アルキル芳香族ま
たは芳香族のジイソシアネートまたはポリイソシアネー
トをジアミンまたはポリアミンと一緒に反応させること
により製造し得る。同様に脂肪族、アルキル芳香族また
は芳香族のカルボン酸を脂肪族、アルキル芳香族または
芳香族のジイソシアネートまたはポリイソシアネートと
反応させてポリ尿素ポリマーを製造し得る。更に、アミ
ン末端ポリオールをジイソシアネートと反応させて、膜
を製造するのに使用し得るポリ尿素ポリマーを製造し得
る。この技術を用いてポリ尿素ポリマーを製造する場合
には、ポリオールはポリエーテルまたはポリエステルの
いずれであってもよい。低分子量(例えば約2(10〜
約2(100MW)のポリエステルが好ましい。低分子
量は使用されるイソシアネートの芳香族性により支配さ
れる殆どの部分に関する最大芳香族炭素含量を保証する
のに重要である。前記の材料の混合物が、複雑なポリ尿
素ポリマー混合物を製造するのに使用し得る。
得られるポリ尿素ポリマーの合計芳香族炭素含量は約1
0〜約86%、好ましくは約35〜約75%、最も好ま
しくは約50〜約75%であるべきである。その理由は
非常に多い芳香族炭素含量をもつポリ尿素ポリマーは性
質が弾性よりもむしろ極めてガラス質になる傾向がある
からであり、本発明の実施に於いてポリ尿素膜は芳香族
化合物と非芳香族化合物との分離方法に使用される温度
でその性質が若干弾性であることが望ましい。約50%
の芳香族炭素含量を有するポリ尿素ポリマー膜は一層少
ない炭素含量のポリ尿素ポリマー膜よりも芳香族化合物
と非芳香族化合物との分離に関し極めて選択的である。
溶媒が用いられて膜の注型を容易にすることが好ましい
。使用し得る典型的な溶媒はジメチルホルムアミド及び
ジメチルスルホキシドである。その他の溶媒が尿素化学
に精通する者に知られている。
ジイソシアネートは、 一般構造式 %式% (式中、R′及びR#は同種または異種であり、H,C
,〜C2及びCh Hsからなる群から選ばれ、nは0
〜4の範囲である) を有する芳香族ジイソシアネートであることが好ましい
尿素ポリマーの製造に有用なジアミンは一般式Hz N
 RN Ht C式中、Rは− (CHz)、l 、’
J(式中、nは1〜10である)の如き脂肪族基及び芳
香族基を含む〕を有する。
また、式 %式% (式中、R′及びR″は同種または異種であり、Hまた
はC,−C,またはCh Hsからなる群から選ばれ、
nはθ〜4の範囲である) のジアミンも含まれる。
使用し得る脂肪族ジイソシアネートとしては、例えばヘ
キサメチレンジイソシアネート(MDI)、1.6−ジ
イソシアネートー2.2,4.4−テトラメチルヘキサ
ン(TMDI) 、1.4−シクロへキサニルジイソシ
アネート(CIDI)、イソホロンジイソシアネート(
IPDI)が挙げられ、−万有用なアルキル−芳香族ジ
イソシアネートとしては例えばトルエンジイソシアネー
ト(TDI)及びビトリレンジイソシアネート(TOD
I)が挙げられる。芳香族ジイソシアネートとしては例
えば4,4′−ジイソシアネート−ジフェニルメタン(
MDI)が挙げられる。ポリイソシアネートとしては例
えば重合体MDI(PMDI>及びカルボジイミド変性
MDIであるイソネー) (Isonate) 143
 Lが挙げられる。
有用なポリアミンとしては例えばポリエチレンイミン及
び2.2’、2’  )リアミノトリエチルアミンが挙
げられる。
上記の化合物は単に例示のために示されるものである。
当業者は、本発明の教示をもってすれば、本明細書中に
記載されるような組合せの際に選択性の膜の製造に有用
なポリ尿素ポリマーを製造する種々の出発原料を多数の
人手可能な材料の中から選択し得る。
製造されたポリ尿素ポリマーは、−船釣に約3[)、(
100〜約150,(100、好ましくは約50.(1
00〜約too、oooの範囲の分子量を有する。実際
の最大分子量は膜製造を容易にするため溶媒中にポリ尿
素ポリマーを溶解する必要により決定される。−層高い
分子量のポリマーは所定の溶媒系に一層溶解し難いので
、溶媒和は典型的には熱の適用により増大される。しか
しながら、これらのポリ尿素膜が温度抵抗性であること
がその膜の望ましい特性であるので、−層高い分子量の
ポリマーが膜の製造に好ましいことがまた一般的に真実
である。
かくして、ポリマー分子量に関して折衷案をとる必要が
あることが明らかである。ポリマーは分子量が大きいと
溶媒に不溶性になり、ひいては膜に注型し得なくなるの
でそれ程分子量が大きくあってはならず、しかもその分
子量は注型される膜が高温で安定性を示すように充分大
きくなければならない。このジレンマの一つの解決は注
型操作中に一層小さい分子量のポリマーを使用しそして
膜が一旦製造されるとポリマーの分子量を連続して増大
することである。膜中のポリマーの分子量は後架橋操作
により増大し得る。
後架橋、即ちポリ尿素膜が製造された後に行なわれる架
橋は、当業界で知られる熱的手段または化学的な手段を
用いて達成し得る。化学的な架橋は、ホルムアルデヒド
を使用することにより、あるいは追加のイソシアネート
を添加することにより達成でき、これらは当業者に知ら
れる技術である。
また膜の熱安定性はポリマーの芳香族の程度により、及
び水素結合の程度により影響される。しかしながら、ポ
リマーの芳香族性は一般に重合の時間で決定されること
から、しかも高い芳香族性はガラス質の性質の膜を生成
することから、高温安定性の膜を製造するための最も簡
単な方法は後架橋工程を伴なうことが明らかである。
前記の如く、膜は注入可能なまたは散布可能な溶液を製
造するのに適した溶媒、例えばジメチルホルムアミド(
DMF)中で相当するポリ尿素ポリマーを調製すること
により製造される。注型溶液は典型的には約10〜約2
0重量%、好ましくは約15〜約20重量%のポリマー
濃度を有している。ついで、この溶液は金属板またはガ
ラス板の如き適当な支持媒体上に注入あるいは散布(ド
クターナイフを用いて)され、あるいは所望により織物
繊維ガラス、ナイロン、ポリエステル等の如き織物繊維
裏材、好ましくは孔質ポリプロピレンまたは孔質テフロ
ンの如き不織裏材が使用される。使用される裏材はポリ
尿素ポリマー溶液を生成するのに使用される溶媒により
侵蝕されないものである。
膜はいずれの厚さで注型されてもよく、約0.1〜約5
0ミクロンの厚さの範囲の膜が好ましい。
また、ポリ尿素ポリマーの極めて薄い層が高度に透過性
の非選択性のポリウレタン層に付着されて透過性の非選
択性のポリウレタン裏材上に約0.1〜約5ミクロンの
厚さのポリ尿素膜の薄い緻密な層を含む複合膜を製造し
てもよい。ポリウレタンの層(約20〜約1(10ミク
ロンの厚さ)はポリ尿素の薄い緻密な選択性の層を製造
することを可能にする支持層として作用し、それがなけ
ればポリ尿素の層はそれらの薄さのために機械的に処理
し得ないであろう。ポリウレタン支持層とポリ尿素の選
択性の層との化学的な類似性により、こ\の層は水素結
合を介して相互作用して極めて強い接着を生じる。
この技術を用いてシート材を製造する際に、厚い透過性
のウレタン層は多孔質のガラス繊維、ポリエチレン、ポ
リプロピレン、ナイロン、テフロン等の好適な裏材に付
着され、その後に薄い緻密な選択性のポリ尿素層がポリ
ウレタン層に付着される。好適なポリウレタン支持層は
米国特許第4.115,465号に略述されるポリマー
及び技術を用いて製造し得る。
この複合膜技術を用いて中空繊維または管を製造するに
際し、まず透過性のポリウレタンの管または繊維が製造
され、その後に選択性のポリ尿素/ウレタン材料の藩い
緻密な層が管または繊維の支持体の外面または内面のい
ずれかに付着される。
緻密な選択性のポリウレタン層の薄さにより、複合層は
極めて高い選択性を維持しつつ高いフラックス(flu
x)を示す。
溶媒を追い出すことが必要な場合、溶媒は熱または減圧
の適用により蒸発させられる。低い充分な蒸気圧の溶媒
が使用される場合には、熱の適用が省略し得る。
またポリ尿素の薄膜複合膜はロバートC,シュツカ−(
Robert C,5chucker)の名義で198
7年10月4日に出願された米国特許出願第108,8
19号に教示されているような懸濁分散付着により製造
し得る。
米国特許出願第108.819号に於いて、厚い透過性
の支持層に付着されたポリマーの薄層を構成する薄膜の
複合膜は選択された厚い透過性の支持層と反応または溶
解しない溶媒中で別個のポリ尿素ポリマー粒子の微細懸
濁物を調製することにより製造される。この懸濁物は支
持層の一つの面のみと接触される。溶媒が蒸発され複合
膜が生じる。支持層は一般には0.(105〜0.5ミ
クロンの範囲の細孔を有している。典型的な支持体はポ
リアミド、ポリイミド、ポリアクリロニトリル、ポリベ
ンズイミダゾール、テフロン、セルロースアセテート及
びポリエチレン及びポリプロピレンの如きポリオレフィ
ンを含む。
ポリマー懸濁物は支持構造体上に薄層(約2ミクロン以
下)として付着される。懸濁分散物中のポリマー濃度は
約0.5〜約10%、好ましくは約1%〜約5%、最も
好ましくは約2%の範囲であってもよい。非溶解性溶媒
は1,4−ジオキサン、セルロースアセテート、テトラ
ヒドロフラン、ケトン(例えばアセトン)、及びトルエ
ンまたはキシレンの如き芳香族溶媒である。
膜は石油流及び化学薬品流中の飽和化合物から芳香族化
合物の分離、特に重質留分(cat)ナフサ流中に見ら
れるような飽和化合物から多量の置換芳香族化合物の分
離に有用である。本発明の分離方法に供給し得るその他
の芳香族化合物を含有する流れは2(10〜3206F
(93,3℃〜160℃)の範囲の沸点の中間留分ナフ
サ、C9〜3(10’F(149℃)の範囲の沸点の軟
質芳香族化合物/飽和化合物流、4(10°F〜650
°F(204℃〜343’C)の範囲の沸点の軟質留分
サイクルオイル並びにベンゼン、トルエン、キシレンま
たは化学プラント法に通常みられるその他の芳香族化合
物を含有する流れを含む。本発明の膜を成功して使用し
得る分離技術はパーストラクション及び透析蒸発である
パーストラクションは混合物中に含まれる特別な成分の
膜中への選択的な溶解、これらの成分の膜中の拡散及び
液体スィーブ流の使用による膜の下流側から拡散成分の
除去を伴なう。
石油流または化学薬品流(特に重質留分ナフサ流)中の
飽和化合物から芳香族化合物のバースドラクチイブ分i
9 (perstractive 5eparatio
n)に於いて、供給流中に存在する芳香族化合物分子は
膜の溶解パラメーターと供給材料中の芳香族化合物種の
溶解パラメーターとの間の類似性により膜中に溶解する
。ついで芳香族化合物は膜中に透過(拡散)し芳香族化
合物含量の少ないスイープ液体により押し流される。こ
れは膜の透過側で芳香族化合物の濃度を低く保ち、しか
も膜中の芳香族化合物の透過に応答性である濃度勾配を
維持する。
スイープ液体はそれ自体が濃度勾配を減少しないように
芳香族化合物含量が少ない。スィーブ液体は透過された
芳香族化合物の沸点よりも非常に低いか、あるいは非常
に高い沸点をもつ飽和炭化水素液体であることが好まし
い。これは簡単な蒸留のような分離を容易にするためで
ある。それ故、好適なスイープ液体は、例えば03〜C
6の飽和炭化水素及び潤滑原料油(C1,〜C2゜)を
含む。
パーストラクション法は便宜な温度、好ましくは出来る
だけ低温で行なわれる。
パーストラクション法は圧力に依存しないが供給材料中
の芳香族化合物成分が濃度駆動力下に膜中に溶解し移行
する能力に依存するので、圧力の選択は重要ではない。
従って、便宜な圧力が使用でき、膜の破損を避けるには
低い程良い。
C3またはC4のスイープ液体が液状で25℃以上で使
用される場合には、圧力は液相に保つために増大される
必要がある。
これと比較して、透析蒸発は一般にパーストラクション
よりも高い温度で行なわれ、膜の表面から透過物を蒸発
し分離方法を駆動する濃度勾配駆動力を維持するために
は透過側の減圧にたよる。
パーストラクションに於けるように、供給材料中に存在
する芳香族化合物分子は膜中に溶解し、該膜中を移行し
て濃度勾配の影響下に透過側に再び現れる。飽和化合物
から芳香族化合物の透析蒸発分離はヘキサンからベンゼ
ンの分離に関しては約25℃の温度で行なうことができ
るが、ナフサ及び重質留分ナフサの如き一層重質の芳香
族化合物と飽和化合物との混合物の分離に関しては少く
とも80℃以上、好ましくは少くとも1(10℃以上、
更に好ましくは120℃以上の一層高い温度が使用され
るべきであり、最高上限値は膜が物理的に損傷される温
度である。1〜5 Q ++n11g程度の減圧が透過
側で引かれる。透過物を含有する減圧流は冷却されて高
度に芳香族の透過物を凝縮する。凝縮温度は所定の減圧
水準で透過物の露点よりも低くあるべきである。
膜そのものは便宜なモジュール設計を用いて便宜な形態
であってもよい。かくして、膜材料のシートは渦巻モジ
ュール、または板モジュール、及びフレーム透過セルモ
ジュールで使用し得る。膜の管及び中空繊維が管または
繊維中の内部空間中に供給材料またはスイープ液体(ま
たは減圧)のいずれかで包まれた形態で使用されてもよ
く、その他の物質または条件は明らかに他の側にある。
最も便宜には、膜は中空繊維形態で使用され、供給材料
が繊維の外側に導入され、スイープ液体または減圧が中
空繊維の内側にあり透過された高度に芳香族の種を押し
流し、これにより所望の濃度勾配を維持する。スイープ
液体はその中に含有された芳香族化合物と一緒に分離手
段、典型的には蒸留手段に通されるが、充分低い分子量
のスイープ液体、例えば液化プロパンまたはブタンが使
用される場合には、スイープ液体は単に蒸発させるだけ
でよく、液体の芳香族化合物が回収され(例えば)気体
のプロパンまたはブタンが回収され圧力の適用または温
度の低下により再度液化される。
本発明は以下の実施例により一層よく理解されよう。こ
れらの実施例は説明のために示されるものであり、本発
明を制限するものではない。
尖施災土 攪拌機及び乾燥管を備えた1(10m1のフラスコ中で
20mj!のジメチルホルムアミドに4,4′−ジアミ
ノ−ジフェニルメタン1.98 g (0,01モル)
を溶解する。この溶液に、20mj!のジメチルホルム
アミド中の4.4′−ジイソシアネート−ジフェニルメ
タン2.50 g (0,01モル)を含む溶液を攪拌
しながら添加する。反応は発熱性であり迅速に進行する
。得られた粘稠なポリ 〔メチレンビス(4−フェニル
尿素)〕の溶液はガラス板上に注型でき、60〜80℃
の減圧炉中または1(10℃の対流炉中で一夜乾燥する
。ついで膜は透析蒸発またはパーストラクションに於い
て芳香族化合物と飽和化合物との分離用膜として使用し
得る。
尖J劉井り 無水のジメチルスルホキシド30mff中に乾燥した安
息香酸1;22 g (0,01モル)を溶解する。
4.4′−ジイソシアネート−ジフェニルメタン2.5
g(0,01モル)を固体として添加し攪拌する。二酸
化炭素ガスが生成され反応は発熱性である。ガス発生が
遅くなった時に、反応を50℃に温め、攪拌しながら5
0℃に3時間保つ。ガラス板上で溶液を膜に注型し、6
0〜80℃の減圧炉中で一夜乾燥する。ついで膜は透析
蒸発またはパーストラクションに於いて芳香族化合物と
飽和化金物との分離用膜として使用し得る。
↑ 実m 下記に示されるようなジアミン(テキサコ(Texac
o) DU −7(10) 7.1 g (約0.(1
087モル)をジメチルホルムアミド7.3gに溶解し
た。
これにトルエンジイソシアネート1.91 g (0,
011モル)を攪拌しながら添加した。混合物を室温で
一夜攪拌し、ひき続いて5ミルの注型ナイフを用いてセ
ルガード(Celgard、登録商標)孔質ポリプロピ
レン上に膜に注型した。これを空気中室温で一夜乾燥し
透過の検討のためにその形態で使用した。
(式中、n=5.6) この物質の芳香族炭素含量は14.6モル%であった。
透過はp−キシレン14.9重量%、メシチレン27.
9重量%、1−デセン13重量%及びn−デカン44.
2重量%を含有するモデルの供給材料混合物のパースト
ラクションにより測定した。試験はスイープ流体として
れ−へブタンを用いて50℃で行なった。この試験の結
果を表1に示す。
表  1 ポリ尿素膜を用いるパーストラクションフラックス(k
g/rrr/d)      1.2選)尺率(n−デ
カンに火して) p−キシレン         4.61メシチレン 
         2.091−デセン       
  1.22従って、膜は脂肪族炭化水素から芳香族炭
化水素の分離に関して選択的である。
尖施炭↓ 構造が下記の式で示されるBAPP約0.025モル(
10,25g)及び実施例1で使用されたジアミン0.
025モルをジメチルホルムアミド92、25 gに溶
解して25重量%の溶液をつくった。これにDMF37
.5g中に溶解されたメチレンジイソシアネート(MD
I)0.05モル(12,5g)を添加した。この溶液
を室温で2時間IH↑して10ミルの注型ナイフを用い
て離型紙上で膜に注型した。この膜を1(10℃で0.
5時間乾燥し、実施例1で使用されたのと同じモデルの
供給材料を用い若干高い温度75℃でパーストラクショ
ンすることにより評価した。
このポリマーの芳香族炭素含量は約49モル%である。
その試験の結果を表2に示す。
表  2 ポリ尿素膜を用いるパーストラクションフラックス(k
g/rrr/d)      0.647・選択率(n
−デカンに・して) p−キシレン         7.9メシチレン  
        2.71−デセン         
 1.4見られるように、この膜は一層少ない芳香族炭
素含量を有する膜よりも一層選択的である。
実籐拠工 実施例2の膜を用いて、1(10℃、1mt1gM圧の
透析蒸発によりイソオクタン(トルエン5o容量%及び
イソオクタン50容量%)からトルエンを分離した。こ
の試験の結果を表3に示す。
表3 ポリ尿素膜を用いる透析蒸発 フラックス(kg/ n?/ d )     10.
1見られるように、この膜は一層重質の成分のパースド
ラクチイブ分離に於けるよりも軽質成分の透析蒸発分離
に於いて一層選択的である。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)芳香族炭化水素と非芳香族炭化水素との混合物の
    芳香族成分を高度に芳香族の非多孔質ポリ尿素膜中に選
    択的に透過することを特徴とする、上記混合物から芳香
    族炭化水素を分離する方法。
  2. (2)透過が透析蒸発条件下に行なわれる、請求項(1
    )記載の方法。
  3. (3)透過がパーストラクション条件下に行なわれる、
    請求項(1)記載の方法。
  4. (4)ポリ尿素膜を構成するポリ尿素ポリマーの芳香族
    炭素含量が約10%〜約86%である、請求項(1)記
    載の方法。
  5. (5)芳香族の非多孔質ポリ尿素膜がポリウレタンの高
    度に透過性の非選択性層の上に付着されたポリ尿素ポリ
    マーの層を含む、請求項(1)記載の方法。
  6. (6)ポリ尿素ポリマーの層が約0.1〜約5ミクロン
    の厚さである、請求項(5)記載の方法。
  7. (7)芳香族の非多孔質ポリ尿素膜の合計芳香族炭素含
    量が約10%〜約86%であることを特徴とする、芳香
    族化合物と非芳香族化合物との混合物から芳香族化合物
    を分離するのに使用するための芳香族の非多孔質ポリ尿
    素膜。
  8. (8)ポリ尿素膜の芳香族炭素含量が約50%〜約75
    %である、請求項(7)記載の膜。
  9. (9)芳香族の非多孔質ポリ尿素膜がポリウレタンの高
    度に透過性の非選択性層に付着されたポリ尿素ポリマー
    の層を含む、請求項(7)記載の膜。
  10. (10)ポリ尿素ポリマーの層が約0.1〜約5ミクロ
    ンの厚さである、請求項(9)記載の膜。
JP63259238A 1987-10-14 1988-10-14 ポリ尿素膜及び芳香族化合物と非芳香族化合物との分離のためのその用途 Pending JPH01164402A (ja)

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