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CO2和H2O为原料合成的有机物及其用途

阅读:1012发布:2020-08-28

专利汇可以提供CO2和H2O为原料合成的有机物及其用途专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种根据近期新发现的“CO2和CO的脱 氧 自身偶联反应”的原理与规则,采用二氧化 碳 和 水 为原料,在常温下,高效率地合成出一种糖类物质的技术,该技术几乎模仿了 植物 光合作用生成糖的过程,但是,提高了二氧化碳的吸收速度一千倍以上,CO2转化率近100%。特别重要的是仅仅在低压常温的条件下,就很容易将这种糖类物质高产率地转化为乙烯、二羟基乙酸等C2有机物,至少适用于作为一种 固体 燃料 的用途,也为研究生命的起源提供了一种全新的思路和一个重要的实例,尤其是为从根本上解决化石 能源 危机的问题打下了坚实的技术 基础 。,下面是CO2和H2O为原料合成的有机物及其用途专利的具体信息内容。

1.组合二为原料合成有机物——螺旋糖(a+b),其技术特征是如下所述的化学方程式与常温(-40~60℃)和强性的化学环境条件的结合:
式1中M表示氢、钠、、锌等元素,a与b的平衡式表示螺旋糖。
2.根据权利要求1,利用螺旋糖作为原料或作为合成反应的中间体制备乙烯、乙二醇、乙醇酸(二羟基乙酸)产品的用途。
3.组合二氧化碳和水为原料直接法合成C化合物,其技术特征是如下所述的化学方程式与常温和强碱性化学环境条件的结合:
式3中M表示氢、钠、钾、钙、铁、铝、铜、锌等元素。
4.根据权利要求3,组合C化合物和水或为中间体或原料制备乙烯、乙二醇、乙醇、乙醛酸及其盐产品。
5.机动车优选汽车排放的氮氧化物废气的处理方法,其技术特征是如下所述的化学反应方程式与常温(-40~60℃)和强碱性化学环境条件的结合:
2NO2或2NO→N2+2O2或N2+O2
氧化钙、氢氧化钠等常规的强碱性固体催化剂替换三元催化器中的铂、钯等贵金属。
6.根据权利要求1,螺旋糖作为运输和存储的用途。
7.组合二氧化碳和水以及铁为原料合成乙烯联产高铁酸钠或高铁酸钾或高铁酸钙,其技术特征是在-40~60℃和强碱性条件下进行反应。

说明书全文

CO2和H2O为原料合成的有机物及其用途

技术领域

[0001] 本发明涉及一种根据近期新发现的“CO2和CO的脱自身偶联反应”的原理与规则,采用二氧化为原料,在常温下,高效率地合成出一种糖类物质的技术,该技术几乎模仿了植物光合作用生成糖的过程,但是提高了二氧化碳的吸收速度一千倍以上,CO2转化率近100%。特别重要的是仅仅在低压常温的条件下,就很容易将这种糖类物质高产率地转化为乙烯、二羟基乙酸等C2有机物,其存储稳定性良好,适用于作为一种新的固体石油储备,与现有的石油战略储备技术相比较,大幅度降低了运营成本和工程投资,大幅度提高了安全系数,而且,该技术尤其适用于将火发电厂烟道废气中的CO2转化为乙烯。我们已知乙烯工业是石油化工产业的核心;乙烯产量是衡量一个国家综合实力的重要指标之一;而生产1吨乙烯需消耗3吨石油;中国石油的战略安全从来没有像今天这样紧迫等等。故这一技术工业化的实现,无疑,其应用价值相当于是发现了新的大庆油田,今后能够对国家的能源安全作出十分重大的贡献,对石油战略储备等关系国家安全和国防安全的建设具有十分重大的潜在作用。

背景技术

[0002] 几十年来,本申请人主要从事有机反应的研究和开发以及技术服务工作,擅长“逆合成分析法”,去年,在为某化工企业从事技术服务工作时,刚刚接触到“煤制油”、“CO2资源化利用”等领域,由此认识到了二氧化碳的减排,已经成为了一个威胁人类生存和发展的达到国际关系高度复杂的问题,中国石油进口量已超过了亿吨,中国在公元2010年成立了最高级别的能源委员会等等,故下决心转入CO2资源化利用的研究。研读数百篇这方面的技术文献后,才知道了“有一项技术因有望对石化产业乃至整个工业发展产生颠覆性影响,尤其值得关注,这便是二氧化碳加氢制甲醇”,还知道许多国家的政府已经投入了大量的人力、物力、财力进行了碳减排达标技术的研究与开发,在中国政府的科技规划中,也把碳减排技术列入未来十年要求迫切解决的十分重大的科学技术问题。然而,人们在CO2资源化利用方面虽然已经取得了许多重大的成果,但诸如具有重大价值的二氧化碳制甲醇技术,最具代表性的CO2与甲醇反应合成碳酸二甲酯的技术,以及二氧化碳制备二甲醚、低碳烯等等技术都还是处于实验室的阶段。迄今为止,二氧化碳资源化利用的量还不足其排放量的千分之一,当本申请人根据多年有机合成的经验从有机反应的度去综合分析上述数百篇有关这方面的技术文献时,突然感悟到可能有一个百年以来最基础、最经典的化学原理是否出现了错误,这就是中学化学时代的一个考试题:常温下二氧化碳与过量浓氢氧化钠水溶液反应的生成物是什么?答案几乎是千篇一律:生成物是碳酸钠,不可能生成有机物。仔细回忆,本申请人也是伴随着这一答案走过了几十年的技术工作路程。但是,本申请人近期通过小试验已经证实:在常温和强性(大碱度、大密度)以及不加其它任何催化剂或添加剂的条件下,CO2与过量NaOH水溶液反应的主产物不是碳酸钠,甚至不是C1化合物,而是一种新的烯醇盐类的C2有机物(见下述实施例1),进一步的小试证明:常温下将这种有机物在废或废的催化下与水反应就可以高产率地转化为乙烯(见申请号为
201210268410.5和201210336204.3的发明专利)。由此就发现了名称为“CO2和CO脱氧自身偶联的新的反应”的一种合成反应新模式,通过进一步的利用热电厂烟道气为原料合成乙烯的实验和研究,又发现了“SO2和氮氧化物的自偶联反应”的新的反应模式(见下述未公开、未完成的论文),最终得出的结论是:用热电厂烟道气中的CO2和水为原料,采用普通的碱吸收CO2气体的设备,在低压常温(-40~60℃)的条件下就能高产率的制备乙烯等有机物,无疑,其意义相当于是发现了无数个大庆油田以及可实现无数个火力发电厂的碳减排的达标任务。
[0003] 通过学习政治与法律,提高了本申请人的思想觉悟和认识:“由于关系到国家安全问题和国家经济建设发展两方面,因而国防专利制度已为各国所重视”;“能源安全是国家安全的基石”;“中国对国际石油的严重依赖已成为一个基本事实和趋势,中国石油的战略安全从来没有像今天这样紧迫”;“石油战略储备从来都不是以平抑油价波动为主要目的,而是在战争或自然灾难时以保障国家石油的不间断供给为目的”;“美日最高储备天数均达150天以上”;“中国石油战略储备需要90天”——等等文摘,使本人已认识到,作为中华民族的一员,首要考虑的应该是祖国的安全。因为本发明专利申请的技术(可能包括申请号为201210268410.5和201210336204.3的发明专利)对于今后或末来国家之间的石油战略储备,甚至国力、军力的竞争具有重要的影响(这一技术的工业化实施至少能够保证以低得多的成本和代价提高石油战略储备达200天以上,超过美国和日本,特别重要的是,从根本上解决了石油战略储备的石油来源和运输安全问题)。在这里,用二氧化碳和水合成的糖类物是一种稳定的固体有机物,不仅它的运输和存储相对于液体和气体具有很大的优势,更关键的是我们只要以这种糖类固体物和水为原料或中间体,就能够在非常温和的条件下高产率地制备出乙烯,而“乙烯工业是石油化工产业的核心,乙烯产品占石化产品的70%以上,世界上已将乙烯产量作为衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志之一,作为衡量一个国家综合国力的指标之一等等”,但是,众所周知,任何技术一旦泄密,对于竞争力的影响将失去意义。所以,为了技术保密,为了祖国的经济建设和国防建设,本申请人特申报此国防专利,以此表达本人的拳拳报国之心。
[0004] 为了从化学原理上更便于了解和审查本发明专利申请的技术,在此附一篇未完成、未公开的论文如下:
[0005] SO2和氮氧化物的脱氧自偶联反应
[0006] 1、引言:
[0007] 偶联反应一词从来是在有机反应范畴使用,SO2、NO2、NO这些都是无机物,之所以在此使用偶联反应的名称,是因为笔者近期在进行二氧化碳的资源化利用的研究后,发现了名称为CO2和CO的脱氧偶联反应的这种新反应模式,创造了在常温下五分钟内将20gCO2气体高效率的(CO2转化率99.9%)与水反应生成C2有机化合物的反应实例,并且以此为基础开创了常温下将CO2或CO与水二种无机原料高产率的合成乙烯、乙炔的技术(见发明专利申请号:201210268410.5和201210336204.3),无疑这些发现的应用价值相当于是发现了无数个大庆油田,在煤制油、天然气制油领域也具有十分重大的意义。由于这些发现与一百多年以来的一个最基础的化学原理相违背,若不当面验证,还真没有一个人会相信。所谓这个最基础的化学原理就是我们在中学时代开始学习,而且迄今仍然刻印在全世界的中学化学的教科书上的一个化学原理:在常温下,CO2与过量NaOH反应生成的是Na2CO3,与少量NaOH反应生成的是NaHCO3,不可能生成有机化合物。笔者也是带着这个“化学原理”走过了三十年的技术路程,也仅仅是在半年前,笔者使用有机反应的规则研发CO2资源化利用技术时,才猛然意识到这个中学化学教科书上古老又神圣的“化学原理”很可能出现了错误或漏洞,笔者最后用碱吸收CO2这种很简单的小试验的方法就给出了判断:在常温下,CO2与大过量的NaOH反应,不能生成碳酸钠等任何无机盐,而是发生了脱氧自偶联反应生成了C2有机化合物,通过进一步的实验已经证明:CO2和CO都属于最优良的自身偶联合成C2有机物的原料。这一新发现将为CO2的资源化利用的产业化技术开发和应用奠定坚实的基础,为将CO2这个影响大气温室效应的祸首改变成为人类需要的紧俏物质的目标的实现奠定坚实的基础。
[0008] CO2是无机物,由CO2的脱氧自身偶联反应很容易推导出SO2和NO2也应该存在相同性质的脱氧自偶联反应。笔者同样用很简单的化学实验方法作出了判断:在常温下,SO2或NO2与过量NaOH反应的产物是S2化合物或N2化合物,不能够生成如中学化学教科书上所说的亚硫酸钠(S1化合物)或亚硝酸钠(N1化合物),由此就有了这一篇名称为“SO2和氮氧化合物的脱氧自偶联反应”(下文简称SNO偶联)的新的合成反应模式的论文。
[0009] 2、SNO偶联的定义和机理
[0010] 在常温和相应的碱性(大碱度和大密度)的化学环境下,SO2和氮氧化物(NO2和NO)发生脱氧自身偶联反应生成S2(包括连二亚硫化合物)和N2(包括偶氮化合物)化合物,称谓SNO偶联(式1和式2)。
[0011]
[0012] 2NO2或2NO→N≡N+2O2或N2+O2 (2)
[0013] 在碱性强、亲核小的化学环境下,主要发生式2的反应,这是将氮氧化物废气简单易行地转变为氮气和氧气的技术基础。实际上现在人们将NO或NO2转化为N2的反应机理就是一个脱氧自身偶联形成N≡N三键的过程,二氧化氮自身聚合为四氧化二氮的机理也是一个经典的偶联反应形成N-N单键的N2化合物的过程;SO2与NaOH反应生成连二亚硫酸钠(保险粉)的反应机理同样是一个经典的偶联反应形成S-S单键的S2化合物的过程,它们的反应机理符合STRE偶联(见申请号201210336204.3P3页)的反应机理,也符合如下所述的STRE偶联的反应规则:碱性越强、温度越低 SO2、NO2、NO、CO2、CO的脱氧自身偶联反应速度也就越快,偶联形成S2、N2、C2化合物的选择性收率也就越高,碱性越强,越有利于形成偶联双键或偶联叁键化合物,所以,在常温和大过量的30%NaOH水溶液的环境下,通入CO2或SO2或NO2气体,不能生成碳酸钠或亚硫酸钠或亚硝酸钠,生成的是C2或S2或N2的偶联化合物。
[0014] 式1中活性中间体1和2具有如下所述的2个特点:
[0015] 2.1、1和2对于水、醇、甲烷、NH3等几乎所有含H化合物具有很强的夺氢脱氧功能,- -例如,强碱性水溶液中的SO2和NO2能够将水裂解为H 和HO-自由基,产生的H 迅即脱除SO2和NO2或NO分子中的氧原子生成S2和N2新化合物(式3)
[0016]
[0017] 由式3可知,同时产生的HO·形成氧气或臭氧气体或双氧水,但如果加入铁或铝等金属,HO·主要形成氢氧化铁、高铁酸盐、氢氧化铝等,无需另外加入任何其它的催化剂,可以达到更佳的效果。
[0018] 这一特点奠定了以SO2和NO2或NO与水为原料制备S2和偶氮新化合物的技术基础。
[0019] 2.2、SO2和NO2或NO在非亲核性和强碱性的环境中,常温下就可以自身脱除氧原子偶联形成双键或叁键化合物(式4),而N≡N叁键化合物就是氮气。
[0020]
[0021] 这一特点开发出了氮氧化合物废气的处理新技术(见本发明专利申请的实施例8和9)
[0022] 3、SNO偶联的应用
[0023] 据初步统计,迄今全世界机动车排放的一氧化碳总量已超过1.5亿吨,2010年深圳机动车排放一氧化碳17万吨,氮氧化物4.5万吨,所以,汽车尾气的处理问题,已经成为世界性的重大课题,虽然已经有了许多可实用的技术处理汽车尾气,但都因为处理的成本过高,不能被普遍接受,例如,在汽车的排气管上装一个三元催化转换器产品,是用铂、钯作催化剂,将CO和NO转化成为无毒的CO2和N2,问题是,铂和钯的价值与黄金相当,这样的技术几乎不可能普及,也就没有多大的应用价值。然而,根据SNO偶联的化学原理,可以十分简单地将NO转化成为N2和O2(见式4)值得注意的是机动车尾气的氮氧化物的95%是NO,全世界机动车NO的废气排放量至少在4千万吨以上。由下述实例1可知,采用SNO偶联的方法处理NO,成本降低90%以上。
[0024] 实例1
[0025] 选择常规的实验室用的气固催化固定床反应器或三元催化转换器产品,选择超强碱性氧化固体颗粒催化剂为填料,常温下从反应器底部通入NO气体,经过反应器45秒后,从顶部出来的气体中NO的含量5PPm,NO气体的转化率99%。N2和O2混合气含量90%以上。

发明内容

[0026] 本发明的目的是提供一种以二氧化碳和水为原料制备一种新的糖类有机物,并且将该有机物作为原料或中间体与水继续反应合成乙烯的技术,主要用于能源安全或国防建设的石油战略储备。本发明专利申请的技术与现有的石油战略储备的技术相比较,大幅度降低了运营成本和工程投资,尤其是大幅度提高了石油战略储备采购和运输的安全系数。
[0027] 组合二氧化碳与水为原料制备一种糖类有机物的技术路线或技术途径,是如下所述的化学反应方程式:
[0028]
[0029] 式1的反应是在常温(-40℃~60℃)和强碱性的化学环境条件下进行。式1中M表示氢、钠、、钙、铁、铝、铜、锌等元素,a和b互为顺、反立体异构体,产物一般是以a和b的平衡式混合物的型态存在(a+b),a+b是自然界不存在的人工合成的烯醇糖类物质,容易形成稳定的缔合态或齐聚态,由于他们的分子构形类似于螺旋藻丝体分子的螺旋状,故在此将a和b的平衡式混合物取名为螺旋糖a+b(以下简称螺旋糖),在酸性、加热的条件下,螺旋糖易发生-烯醇式的异构化转变为二羟基乙酸(酸)及其盐(式2)
[0030]
[0031] 当M为H时,化合物C就是乙醛酸商品。
[0032] 由式1和式2可知,组合二氧化碳和水为原料,常温下就可以直接法合成C2化合物和乙醛酸及其盐(式3)
[0033]
[0034] 式3中M表示氢、钠、钾、钙、铁、铝、铜、锌等元素。
[0035] 螺旋糖呈固态,其盐常呈现灰蓝色,溶于乙醇、丙酮,微溶于苯,在水中溶解度<3%,熔点>110℃(分解),具有广泛的反应活性,既可以被氧化,又可以被还原,又可以发生酮-烯醇式异构化转变为乙醛酸。以螺旋糖为中间体或原料,几乎可以合成所有的C2有机物,特别适用于以水或或甲烷为氢源高产率地制备乙烯(请参考申请号为201210336204.3和201210268410.5的发明专利)。正因为螺旋糖具备这些性质,又是同体,故非常适用于石油战略储备的运输与存储。而且理论上应该还可以成为一种缓释型的高级有机肥料存贮在树林中,甚至在未来有可能发展成为一种人工合成的饲料淀粉类的原料。这是因为螺旋糖是以CO2和水为原料,并且有活性氧产生的有机物,其生成过程以及所用原料与螺旋藻光合作用的过程基本上相同,所以,应该可以说,式1反应的成功,对于人们今后研究生命的起源具有新的理论意义。
[0036] 螺旋糖加氢制备乙烯副产乙二醇和乙醇,实质上就是以CO2和H2O为原料直接合成乙烯、乙二醇、乙醇等有机物的一种中间体(见上述申请号的发明专利)。选择的氢源可以是水、氨、甲烷、甲醇等,相比现有的以石油为原料制备乙烯、乙二醇和乙醇等有机物的成本更低,适用范围更广。
[0037] 以二氧化碳为碳源,以水为氢源,选用Fe为催化剂直接法合成乙烯时,可联产高铁酸钠或高铁酸钾或高铁酸钙(见下文实施例13)。高铁酸盐是重要的无机化合物,不仅可用作废水和生活用水中的处理剂及有机合成反应中的氧化剂,还可以用作超级铁电池中的正极材料,目前主要制备的方法是电化学法,商品少,价格贵,所以,联产高铁酸盐的新工艺,更降低了CO2和水为原料制备乙烯的生产成本,提高了经济效益。
[0038] 另外,本发明的目的还提供一种处理氮氧化物(NO2、NO)废气的新技术及其用途,主要用于机动车,优选汽车排放的废气处理。详细说明见上述名称为“SO2和氮氧化物的脱氧自偶联反应”的未公开论文和下文的实施例8和实施例9。具体实施方案
[0039] 实施例1
[0040] 分子配比,CO2∶NaOH=1∶7~14
[0041] 投入30%的NaOH或KOH水溶液400g于压力釜中,启动搅拌,常温下缓缓通入CO2气体至反应釜的压力表显示0.8MPa时,停止通CO2,常温下继续搅拌反应1~2min,此时压力表显示0.7MPa左右即为反应终点,排除反应釜中剩余的气体,放出物料于烧杯中,静置2小时,过滤,得灰蓝色的湿固体40g左右,在40℃以下烘干,得到螺旋糖,CO2转化率99%,液谱分析,螺旋糖纯度95%。
[0042] 实施例2
[0043] 投入30%的NaOH或KOH或石灰乳水溶液400g于压力釜中,启动搅拌,常温下缓缓通入CO2气体至反应釜的压力表显示0.8MPa时,停止通CO2,常温下继续搅拌4或24小时即为反应终点,放出物料于烧杯中,静置1~2小时,过滤、烘干,得白色的螺旋糖和C化合物的平衡式混合物固体,CO2转化率99%,固体混合物收率为95%。
[0044] 实施例3
[0045] 投入30%~50%固含量的石灰乳250g和25%的四甲基氢氧化铵水溶液250g于压力釜中,启动搅拌,常温下缓缓通入CO2气体至反应釜的压力表显示0.8MPa时,停止通CO2,常温下继续搅拌3~15小时即为反应终点,放出物料于烧杯中,静置1~2小时,过滤、烘干,得螺旋糖和C化合物的平衡式混合物的钙盐固体,CO2转化率99%,固体混合物收率为98%。
[0046] 实施例4
[0047] 投入25%的四甲基氢氧化铵水溶液400g或投入30%的NaOH或KOH水溶液400g,同时投入由上述实施例1或实施例2或实施例3制备的螺旋糖a+b或螺旋糖和C化合物的平衡混合物25g于压力釜中,启动搅拌,缓缓加入铝粉或锌粉或铜粉或铁粉20~80g,常温下搅拌反应4~24小时,过程中不断地收集生成的乙烯产品,直到反应釜中加入的固体物基本消失即为反应终点。副产乙二醇和乙醇混合物,乙烯收率为55%~65%,乙二醇和乙醇混合物总收率为28%~34%。
[0048] 实施例5
[0049] 称取10g螺旋糖盐(钠、钾、钙)或a+b+c的白色混合物盐(钠、钾、钙),在隔绝空气的条件下,放置在恒温水箱中于54℃热贮2周,分析结果是螺旋糖的60%异构转化成为C化合物,a+b+c的固体分解率小于0.1%。
[0050] 实施例6
[0051] 投入25%的四甲基氢氧化铵水溶液400g或30%的NaOH或KOH水溶液400g,同时投入废铁或废铝或废铜或废锌制成的细分40~140g于压力釜中,启动搅拌,常温下缓缓通入CO2气体10~20g,保温反应4~24小时,过程中不断地收集生成的乙烯产品,副产乙二醇和乙醇,CO2转化率99%,乙烯收率57%~72%,乙二醇和乙醇混合物的总收率为21%~32%。
[0052] 实施例7
[0053] 投入90%的氨水250g或25%的四甲基氧氧化铵水溶液或30%的NaOH或KOH水溶液250g于压力釜中,启动搅拌,缓缓通入10~20g的CO2气体,或同时缓缓投入灰蓝色的螺旋糖或白色的螺旋糖与C化合物的平衡式混合物20~30g,保温反应2~4小时,过程中不断地收集乙烯和N2的混合气体,或用丙酮吸收乙烯排放N2,CO2的转化率99%,乙烯收率80%~90%,副产的乙二醇和乙醇的混合醇的总收率10%~15%。。
[0054] 实施例8
[0055] 从汽车排放的尾气中收集氮氧化物废气备用,其中含一氧化氮为95%。
[0056] 投入30~40%的NaOH或KOH或25%的四甲基氢氧化铵或石灰乳水溶液400g于压力釜中,启动搅拌,常温下缓缓通入上述氮氧化物废气10~20g,过程中不断地收集生成的N2和氧气的混合气体,一氧化氮的转化率99%。
[0057] 实施例9
[0058] 选择实验室用的常规的固定床反应器,或选择常规的三元催化器商品作为反应器,固定床填料或三元催化器中填料选择常规的强碱性固体催化剂,例如用于酯交换反应的超强碱性固体氧化钙催化剂,或NaOH、CaOH等,不用铂、钯等贵金属。将NO气从反应器底部缓缓通入,40秒后从反应器顶部出来的是N2和O2的混合气,其中NO含量小于5PPm。
[0059] 实施例10
[0060] 投螺旋糖20g于反应瓶中,加20g水,启动搅拌,用1~2倍当量的酸(醋酸盐酸、硫酸等)调PH值至3~4,升温至60~80℃,保温反应2~24小时,得乙醛酸水溶液,收率90%。
[0061] 实施例11
[0062] 将灰蓝色的湿的螺旋糖固体20g置于湿空气中40天,颜色变为浅蓝绿色,有60~70%的螺旋糖异构转化为C化合物,溶于水中,C化合物转化为二羟基乙酸水溶液。
[0063] 实施例12
[0064] 投25%的四甲基氢氧化铵水溶液400~500g于压力釜中,启动搅拌,常温下缓缓通入CO2气体10~20g,搅拌反应4~24小时,真空下采用常规精馏的方法蒸出水和二羟基乙酸,得30~50%的二羟基乙酸(乙醛酸)的水溶液产品,CO2转化率99%,乙醛酸收率95%。
[0065] 实施例13
[0066] 投30%的NaOH或KOH水溶液或石灰乳400g于压力釜中,同时加入60~90g铁粉,或投入厂副产的脱硫渣80~120g,启动搅拌,常温下缓缓通入CO2气体60~110g,保温反应4~24小时,反应过程中不断地收集生成的乙烯产品,静置,过滤,分离,烘干,得黄
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