KR20070013664A - 6불화규산을 출발 물질로 한 나노세공 실리카 및불소화합물의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
인산비료공장이나 인산제조공정에서 부산물로서 발생하는 규 불산 과 나트륨함유 화합물 특히 규산
나트륨을 이용하여 나노 기공 실리카와 불화나트륨을 제조하는 신규 제조방법 에 관한 것으로서, 본
발명에서는 규 불산과 규산나트륨 용액이 반응시 당량 비를 제어 할 수 있는 특수한 고속 순간 반응
장치를 이용하여 미시적 관점 즉 국부적인 어느 곳에서도 당량비가 제어되어 목적하는 일정한 pH를
제어할 수 있도록 고안된 특수 제작된 반응 장치를 이용하여 두 물질의 반응에 의해 생성된 하이드로
겔의 물성을 균일하게 제어 할수 있고 하이드로 겔의 분리 후 용액을 역삼투압으로 고농도로 농축후
건조에 의해 실리카와 불화나트륨을 제조하는 6불화규산을 출발 물질로 한 나노세공 실리
카 및 불소화합물의 제조방법 방법 이다.
사불화규소,육 불화 규산, 규산나트륨,규산염,나노세공 실리카,불화나트륨
Description
도1 은 본 발명에서 출발물질인 육불화규산 용액과 규산염용액을 이용한
나노 기공실리카 및 불화나트륨의 제조에 대한 전체 공정 흐름 개략도이다.
도2 는 본 발명에서 신규로 고안한 순간 고속 정량 반응 장치의 개략도이다.
도3은 역 삼투압에 의해 불화나트륨 저농도로 부터 고농도의 불화나트륨으로 농축하는
R/O 멤브레인을 이용한 농축 시스템에 대한 개략도이다.
도4는 는 본 발명에 의해 제조된 불화 나트륨결정의 XRD(X선회절 분석) 패턴이다
도5는 SEM(전자현미경)에 의한 불화나트륨의 결정사진 및 EDS에 의한 성분
원소의 함량분석 결과 이다.
도6은 본 발명에 의해 제조된 나노 기공 실리카의 XRD(X선회절 분석) 패턴을 나타낸다.
도7은 본 발명에 의해 제조된 나노 기공 실리카의 SEM 사진 및 EDS에 의한
원소 분석 함량 분석 결과이다.
본 발명은 인산비료 및 인산 제조 공정에서 발생하는 부산물인 사 불화 규소 및 이를 수용액으로 만든
불화규산를 이용하여 경제적으로 유용한 소재인 나노 기공 실리카 및 불화나트륨의 제조히는 6불화
규산을 출발 물질로 하는 나노세공실리카 및 불소화합물의 제조방법에 관한 것으로,
1960년부터 W. Szmidt and W. Philip, Wasserglass in der Giesserei Technik,Giesserei-
Praxis(1960) №8. - Germany, W. A. Czermiezow and G. Baranow, Chemicz, Promysl 2 (1961) 53. -
USSR,D. Waren, Precept development in silicate based foundary processes, Brit. Foundrumen, t.64
(1971) №12. - UK,A. Krysztafkiewicz, Chemia Stosowana, 28 (1984) 47 -- Poland ,A.
Krysztafkiewicz, B. Rager and M. Maik, Journal of Hazadous aterials, 48 (1996) 31-49. --
Poland,Jeong, S. et al., Journal of Colloid and Interface Science 192(1), 156-161 (1997)-- Korea,
R. Vacassy et al., Journal of Colloid and Interface Science 227, 302-315 (2000)--
Switzerland,Dong-Hyo Yang et al., Korean J. Chem. Eng., 17(4), 401-408 (2000) -- Korea 등의 여
러 연구팀들이 실리카와 불화나트륨의 회수 및 응용에 대해서 연구하였으며 미합중국 특허
4,308,244에서도 같은 목적으로 출원한 적이 있다. 그러나 이와 같은 연구 및 특허 내용을 분석하면
미합중국 특허를 제외한 1960년부터 2000년 까지 연구한 내용들은 모두 상업적인 목적 보다는 단순
히 연구를 위한 연구이고 최종적으로 실리카 및 불화나트륨을 분리한 후 순도를 높이거나 물성제어를
재현성 있고 균일하게 하는 것이 불가능한 내용들이다. 그리고 미합중국의 특허 4,308,244의 경우에
는 불소 화합물 및 비정질 실리카의 제조 공정에서 초기 반응하는 방법이 침전조로 표현되는 용기에
교반기를 가운데 설치하고 육 불화규산과 나트륨함유화합물을 공급함으로써 비정질 실리카 가 슬러
리 상태로 생성되고 용액 속에 불화나트륨이 이온상태로 존재하도록 하여 비정질 실리카와 액상의 불
화나트륨을 분리한 후 비정질 실리카는 회수하고 불화나트륨의 경우에는 증발 농축 후 황산을 투입
하여 최종적으로 불산과 황산나트륨의 형태가 생성하도록 하는 공정이다. 그러나 여기서 육 불화규산
과 나트륨 함유 화합물이 만나는 침전조의 경우 단순히 용기에 교반기만을 설치하여 만나게 할 경우
투입되는 규불산과 나트륨 함유 화합물이 미시적으로 분석 혹은 관찰하면 완전히 섞여서 균일 하게
혼합되기 전까지는 부분적으로 육 불화규소가 많이 존재하는 영역과 나트륨 함유화 합물이 많이 존재
하는 영역으로 불균일한 상태가 된다. 이렇게 될 경우 육불화규산과 나트륨함유 화합물이 당량비에
있어서 불균형으로 인해 과잉산 즉 육불화 규산이 많이 존재하는 영역은 pH가 산성을 나타내며 반대
로 나트륨 함유 화합물 용액이 많이 존재하는 영역에서는 pH가 염기성을 나타내고 또한 거의 비슷한
당량비로 만날 경우 중성에 가까운 액성으로 pH가 7에 가까운 액성을 나타낸다. 이러한 공정에 의해
실리카를 제조할 경우 졸-겔 반응시 초기에 생성되는 Si(OH)4 가 이온으로부터 핵생성 성장 응집 1차
입자로 이어지는 입자의 생성에서 균일한 물성을 제어 할수 있는 조건 즉 pH를 미시적 관점에서 제어
하는 것이 불가능하다. 따라서 생성되는 실리카의 표면적, 세공크기, 세공 용적 , 세공직경등의 제어
가 불가능할 뿐아니라 불화나트륨속의 실리카 성분을 분리하는 것이 불가능하였다. 따라서 상업적으
로 필요한 물성을 갖는 나노기공을 갖는 실리카의 제조가 불가능한 공정이다. 또한 생성된 하이드로
겔을 분리하고 남은 용액 속의 불화나트륨을 제품화하기 위하여 증발 농축에 의해 불화나트륨 슬러리
를 만들기 때문에 에너지 비용이 많이 드는 문제점이 있다. 또한 최종적으로 생성되는 불화나트륨 슬
러리에 황산을 첨가하여 불산과 황산 나트륨을 생성시킴으로서 또다른 폐기물을 생성시키고 불산을
발생함으로서 상업적인 목적의 제품을 만들어도 에너지 비용 및 폐기물 과 폐수 처리 비용 뿐만아니
라 불산에 의한 작업환경 및 생산설비의 부식으로 인해 상업 생산이 불가능하다. 따라서 지난 1960년
부터 1980년까지 수많은 연구 결과들은 이러한 여러 가지 문제점들로 인해 상업 생산이 불가능하므
로 현재 세계 어느 곳에서도 인산 및 인산비료공장의 부산물을 이용한 나노기공실리카 및 불화나트륨
을 상업적으로 생산하는 곳은 없는 실정이다.
본발명에서 이루고자하는 기술적 과제는 인산비료공장이나 인산제조공정에서 부산물로서 발생하
는 규 불산 과 나트륨함유 화합물 특히 규산나트륨을 이용하여 나노 기공 실리카와 불화나트륨을 제
조하는 신규 공정에 관한 것으로서 이 공정 에 의하면 규 불산과 규산나트륨을 용 액 상에서 반응하여
나노 기공 실리카와 불화나트륨을 제조하는 신규 공정으로서, 규산나트륨과 규불산이 반응시 두물질
이 만나는 순간의 당량비 에 따라서 pH가 달라지는 문제점을 해결하기 위해서 기존의 미합중국 특허
US 4,308,244에서와 같이 교반기가 부착된 반응 용기에 규불산과 나트륨 함유 화합물을 투입시 두
물질이 만나는 부위 마다 당량비가 다르며 그에 따른 1차 입자의 생성 및 성장 몰포로지 등이 달라지
며, 이러한 문제는 최종 실리카의 물성제어가 불가능한 단점울 보완, 본 발명은 규 불산과 규산나트
륨 용액이 반응시 당량 비를 제어 할 수 있는 도2의 반응장치를 이용하여 미시적 관점 득 국부적인
어느 곳에서도 당량비가 제어되어 목적하는 일정한 pH를 제어 할 수 있도록 고안되었다. 따라서 특수
제작된 반응 장치를 이용하여 두 물질의 반응에 의해 생성된 하이드로겔의 물성을 균일하게 제어 할
수 있으며 기존의 문제점인 국부적인 겔화 현상, 표면적, 세공 용적, 세공 직경 등의 나노 기공 실리카
의 물성이 일정하게 제어 될 수 있도록 하는 신규한 제조 방법이다. 또한 국부적인 당량비가 다름으로
인해 나노 기공 실리카와 불화나트륨의 분리가 완전히 되지 않는 문제점을 해결할 수 있는 방법이 본
발명에서 이루고자 하는 기술적 과제이다. 또다른 중요한 기술적 과제는 규불산과 규산나트륨에 의
해 생성된 나노기공 실리카 하이드로겔을 분리한후 남은 용액 속의 불화나트륨을 분리 농축하기 위해
기존의 방법인 증발 농축이 아니라 용액 속에 남아있는 불화나트륨을 1차 필터를 통해 불순물인 큰
입자를 제거하고 R/O 멤브레인을 이용하여 고순도의 불화 나트륨을 얻는다. 마지막으로 건조에 의해
99.7% 이상의 블화나트륨 분말상을 제조하는 방법이다. 이러한 방법은 기존의 에너지 비용의 10%
정도만이 소요되는 획기적 방법이다.
한편 본 발명은 인산비료 및 인산 제조 공정에서 발생하는 부산물인 사 불화 규소 및 이를 수용액으
로 만든불화규산를 이용하여 경제적으로 유용한 소재인 나노 기공 실리카 및 불화나트륨의 제조히는
6불화규산을 출발 물질로 하는 나노세공실리카 및 불소화합물을 제조하는데 잇어 규불산과 규산나트륨 용액이 당량비가 제어되어 목적하는 pH를 제어할수 있도록 고속순간반응장치를 이용하여 혼입 분리하게 되는데,
도2 는 습식법에 의한 나노 기공 실리카와 규 불산을 출발 물질로 한 고속 순간 반응장치로서 제
2 도 에서 성분 A 는 규산나트륨 혹은 나트륨 함유 화합물로서 시간별 공급량을 일정하게 제어 할 수
있는 정량 펌프로부터 공급되어 제 2 도의 2번으로 인입되게 되어 있다. 제 2 도의 2 내부는 외부로부
터 인입되는 1kg/㎠ 이상의 압력이 걸리는 규산나트륨이 성분B 의 규 불산 용액과 순간적으로 균일
하게 혼합될 수 있도록 구조상 내부에서 와류가 일어나는 형태로 되어 있으며 제 2 도의 성분 B는 규
불산으로서 외부로부터 정량 펌프에 의해 일정량이 공급되며 제 2 도의 3을 통해 특수한 구조를 갖는
3의 선단에서 A성분과 같이 압력이 1kg/㎠ 이상이 걸리는 액상으로 인입되고 제 2 도의 2번 선단에서
압력이 걸리고 와류가 일어난 상태에서 다시 B 성분인 규불산의 압력이 걸리고 같은 원리에 의해 와
류가 생긴상태에서 순간적으로 균일하게 만남으로서 기존의 총량적으로는 pH 가 제어 되었으나 국부
적인 부위의 당량 비를 맞출 수 없는 문제점을 해결 하였다. 본 발명에 의한 방법은 이러한 특수 반응
장치를 이용하여 반응 시킴으로서 균일하고 연속적인 나노기공 하이드로겔을 생산할수 있으며 제 2
도의 각 숫자는 다음과 같은 구성으로 되어 있다. 여기서 성분 A는 규산나트륨을 의미하며 성분 B는
규산나트륨을 포함한 나트륨 함유 화합물을 의히하나다. 1: 성분 A 즉 규산나트륨 공급장치, 2: 성분
A의 분산와류장치, 3: 성분 B 즉 규불산 공급 장치, 4: 성분 A, B 1차 균일 혼합장치, 5: 성분 A, B 2차
균일 혼합장치로 구성되어 있으며 압력이 걸린 규산나트륨과 압력이 걸린 규 불산이 정확하게 정밀제
어 될 수 있는 정량펌프에 의해 제 2도의 4번에서 반응시 에는 두 물질 모두가 강력한 와류에 의해 만
나게 되므로 순간적으로 균일한 당량비로 반응 시킬 수 있다. 특히 본 발명에서 반응하는 규산나트륨
과 규불산의 반응시 반응후의 당량비에 따라서 pH 가 달라지며, 규불산이 과잉으로 공급될시 반응후
pH가 산성의 액성을 나타내며 규산나트륨이 과잉으로 공급시 반응후의 액성은 염기성을 나타낸다.
따라서 본 연구에서 달성하고자 하는 나노 기공 실리카와 불화나트륨의 제조공정에 있어서 기존의 방
법의 문제점인 두 물질 혼합시의 pH가 국부적으로 변화 하는데에 대한 문제점을 해결 할 수가 있다.
이러한 방법으로 생성된 하이드로 겔은 고상으로서 용액과 분리가 가능하고 분리후의 남은 용액 속
에는 불화나트륨이 용존 하고 있으며 이용액을 기존의 방법인 증발농축에 의한 분리방법의 문제점을
해결하기 위해 제 3 도와 같은 역삼투압 장치를 이용하여 고순도의 불화나트륨으로 농축하고 최종으
로 건조에 의해 불화나트륨을 회수 할 수가 있다.
분리된 실리카 하이드로겔은 내부에 존재하는 나노 기공의 물성을 제어하기 위하 여 나노기공 실리카
중합 장치로 이송하여 pH가 제어된 물 및 온도 제어에 의해 온도는 10-90℃ pH는 3-10 까지, 중합
시간은 0에서 100시간 정도로 제어 하여 각 응용분야에 사용 될 수 있는 나노 기공 실리카의 물성, 특
히 표면적, 세공 용적, 세공 크기 등를 제어 할 수 있다.
(2)[기능 및 작용]
제 2 도에서 규산나트륨과 규불산이 특정의 당량비로 제어될시에 반응후의 pH 조건에 따라 최종 나
노기공 실리카 및 불화나트륨의 순도를 제어 할 수가 있으며 pH가 산성 에서는 나노기공실리카와 불
화나트륨의 분리가 어려운 문제점이 있으며 그 이유는 규불화나트륨의 생성으로 불화나트륨 내에 불
순물로 존재하기 때문이며 본 발명의 목적인 나노기공실리카와 불화나트륨의 생성을 위한 반응 메카
니즘을 아래와 같이 나타낼 수 있으며 이러한 반응기구는 염기성 특히 pH가 7.5-9.8 내에서 이루어
진다.
3(Na2O 3.0 SiO2) + 20 H2O + H2SiF6 → 10 Si(OH)4 + 6NAF + H2O
10 Si(OH)4 →10SiO2 + 20H2O
출발물질인 규산나트륨의 경우 산화나트륨과 산화규소의 몰비가 산화나트륨 1몰에 대해서 산화규소
는 1에서3.5몰비 까지 가능하다. 규불산의 경우 농도는 3% 이상이 가능하다.
[실시예]
실시예 1
정량반응 시스템이 설치된 저장 조로부터 제 2 도의 A 성분으로 18% 의 규산나트륨과 B성분으로
25% 규불산을 공급한다. 정량 펌프에 있는 펌프 회전수를 조절하여 규산나트륨과 규불산이 순간 고
속 정량 반응 장치를 이용하여 두 물질의 당량비 를 제어 하여 순간 고속 반응장치의 내부에 있는 1차
균일 반응부와 2차 균일 반응부에서 혼합된 반응물은 최종 반응후의 pH 가 염기가 되도록 하고 정확
히는 pH 8.5-9.5 정도가 되도록 한다. 콜로이드로부터 3차원 망목구조의 하이드로겔이 생성되면 고
형분의 실리카 하이드로겔과 용액의 불화나트륨을 분리한다. 분리하여 얻어진 하이 드로겔 600kg을
pH 및 온도가 제어 될 수 있는 6㎥중합조로 이송하여 pH는 4, 온도 40℃ 로 제어된 물을 지속적으로
20L /min의 유속으로 하이드로겔이 들어있는 중합조에 공급 및 배출함으로서 나노 기공 실리카 하이
드로겔의 외부 및 내부에 존재하는 실라놀기의 축중합에 의해 표면적, 세공 용적, 세공 직경을 제어하
였다. 물성이 제어된 나노기공 실리카 하이드로겔은 박스형 건조기에서 150℃에서 20시간 건조하여
수분함량이 2%이하로 제어한후 BET 표면적 측정결과 330㎡/gr , 세공 용적이 0.9ml/gr, 평균세공 크
기가 10.9nm 의 물성을 갖는 420kg의 제로젤을 얻을수 있었다.
실시예 2
정량반응 시스템이 설치된 저장 조로부터 제 2 도의 A 성분으로 18% 의 규산나트륨과 B성분으로
25% 규불산을 공급한다. 정량 펌프에 있는 펌프 회전수를 조절하여 규산나트륨과 규불산이 순간 고
속 정량 반응 장치를 이용하여 두 물질의 당량비 를 제어 하여 순간 고속 반응장치의 내부에 있는 1차
균일 반응부와 2차 균일 반응부에서 혼합된 반응물은 최종 반응후의 pH 가 산성이 되도록 하고 정확
히는 pH 2-5 정도가 되도록 한다. 콜로이드로부터 3차원 망목구조의 하이드로겔이 생성되면 고형분
의 실리카 하이드로겔과 용액의 불화나트륨을 분리한다. 분리하여 얻어진 하이드로겔 600kg을 pH
및 온도가 제어 될 수 있는 6㎥중합조로 이송하여 pH는 4, 온도 40℃ 로 제어된 물을 지속적으로 20L
/min의 유속으로 하이드로겔이 들어있는 중합조에 공급 및 배출함으로서 나노 기공 실리카 하이드로
겔의 외부 및 내부에 존재하는 실라놀기의 축중합에 의해 표면적, 세공 용적, 세공 직경을 제어하였
다. 물성이 제어된 나노기공 실리카 하이드로겔은 박스형 건조기에서 150℃에서 20시간 건조하여 수
분함량이 2%이하로 제어한후 BET 표면적 측정결과 650㎡/gr , 세공 용적이 0.35ml/gr, 평균세공 크
기가 3.0nm 의 물성을 갖는 450kg의 제로젤을 얻을수 있었다.
실시예 3
정량반응 시스템이 설치된 저장 조로부터 제 2 도의 A 성분으로 15% 의 규산나트륨과 B성분으로
20% 규불산을 공급한다. 정량 펌프에 있는 펌프 회전수를 조절하여 규산나트륨과 규불산이 순간 고
속 정량 반응 장치를 이용하여 두 물질의 당량비 를 제어 하여 순간 고속 반응장치의 내부에 있는 1차
균일 반응부와 2차 균일 반응부에서 혼합된 반응물은 최종 반응후의 pH 가 염기가 되도록 하고 정확
히는 pH 8.5-9.5 정도가 되도록 한다 순간 고속 정량 반응 노즐을 통과한 반응물은 미리 물이 들어있
는 중합탱크 내부에 교반장치를 부착하여 교반을 하면서 공급하여 최종 SiO2 기준 으로 고형분이 5-
15gr/100ml 로 조정한다. 최종적으로 고형분이 5-15gr/100ml가 되면 중합장치의 pH를 산 혹은 염기
로 제어하였으며, 목적으로 하는 표면적, 세공 용적, 세공 크기를 제어한다. 중합 조 에서는 온도 20-
90℃ , pH 2-10 정도로 제어 하여 나노 기공 실리카 하이드로겔의 물성을 제어한다. 물성제어가 완
료되면 침전된 나노 기공 실리카 현탁액을 필터 프레스를 사용하여 여과 및 세척하여 입자크기가 2-
100㎛ 정도의 침강성 실리카를 획득하였다. 얻어진 나노기공 실리카의 물성을 측정한 결과 입자 크
기 50㎛ 표면적 250㎡/gr, 세공용적 1.0ml/gr, 평균세공크기 나노기공 실리카를 얻을수 있었다.
실시예 4
정량반응 시스템이 설치된 저장 조로부터 제 2 도의 A 성분으로 15% 의 규산나트륨과 B성분으로
20% 규불산을 공급한다. 정량 펌프에 있는 펌프 회전수를 조절하여 규산나트륨과 규불산이 순간 고
속 정량 반응 장치를 이용하여 두 물질의 당량비 를 제어 하여 순간 고속 반응장치의 내부에 있는 1차
균일 반응부와 2차 균일 반응부에서 혼합된 반응물은 최종 반응후의 pH 가 산이 되도록 하고 정확히
는 pH 3.5-4.5 정도가 되도록 한다 순간 고속 정량 반응 노즐을 통과한 반응물은 미리 물이 들어있는
중합탱크 내부에 교반장치를 부착하여 교반을 하면서 공급하여 최종 SiO2 기준 으 로 고형분이 5-
15gr/100ml 로 조정한다. 최종적으로 고형분이 5-15gr/100ml가 되면 중합장치의 pH를 산 혹은 염기
로 제어하였으며, 목적으로 하는 표면적, 세공 용적, 세공 크기를 제어한다. 중합 조 에서는 온도 20-
40℃ , pH 3-5 정도로 제어 하여 나노 기공 실리카 하이드로겔의 물성을 제어한다. 물성제어가 완료
되면 침전된 나노 기공 실리카 현탁액을 필터 프레스를 사용하여 여과 및 세척하여 입자크기가 2-
100㎛ 정도의 침강성 실리카를 획득하였다. 얻어진 나노기공 실리카의 물성을 측정한 결과 입자 크
기 42㎛ 표면적 354㎡/gr, 세공용적 0.75 ml/gr, 평균세공크기 8.4nm 의 나노기공 실리카를 얻을수
있었다.
본 발명에 의해 제안된 규불산과 나트륨 이온 함유화합물로부터 고순도의 나노기공 실리카와 불화나
트륨을 분리하는 기술이 완성 되었으므로 지금 까지 해결하지 못했던 인산 및 인산 비료 공정에서 대
규모로 발생되는 산업 페기물인 규불산으로부터 기능성 무기 소재인 나노기공 실리카와 불화나트륨
을 제조함으로써 규불산을 생성하는 비료회사 및 관련회사가 환경 친화적인 기업으로 변신할 수가 있
으며 또한 불화나트륨의 생성으로 새로운 전기를 마련한 획기적인 발명이다..
Claims (4)
- 규불산과 규산나트륨 을 이용하여 나노세공 실리카 및 불소화합물을 제조하는 방법에 있어서, 20-25% 규불산과 15-18% 규산나트륨을 pH 범위하에서 당량비로 제어할수 있게 정량펌프에 의해 1 kg/cm 이상의 압력이 걸리는 고속순간반응장치에서 와류가 걸린 상태에서 정량적으로 분리하여 나노기공 실리카 하아드로젱을 분리하고, 남은 불화나트륨은 1차필터를 통해 큰 입자를 제거하고 R/O 멤브레인 으로서 팔터링 농축하여 건조하여 99.7% 이상의 고순도 불화나트륨을 제조하는 6불화규산을 출발물질로 한 나노세공 실리카 및 불소화합물위 제조방법.
- 제 1항에서 분러된 나노기공 실리카 하이드로겔을 산 및 염기 분위기 에서 pH 및 온도가 제어되는 물을 하이드로 겔에 공급하여 나노기공 실리카의 내외부에 존재하는 실라놀기의 밀도를 제어하는 방법.
- 제 1항에서 분리된 불화나트륨 용액에서 역삼투압 방법에 의해 불화나트륨을 고농도로 만들고 아를 건조하여 불화나트륨 분말을 제조하는 방법
- 제1항에서 생성된 하이드로겔을 필터프레스에 의해 분리하고 남은 여액속의 불화나트륨을 역삼투압 방법으로 고농도로 만들고 이를 건조하여 불화나트륨과 나 노기공 실리카를 제조하는 방법
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