KR20200056736A - 카본슬러지 불순물 정제 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

카본슬러지 불순물 정제 방법 및 장치가 제공된다.
본 발명의 카본슬러지의 불순물 정제 방법은, 불순물을 포함하는 카본슬러지와, 헥산, 비페닐, 언데칸, 도데칸, 트리데칸, 테트라데칸, 안트라센유, 흡수유 및 등유로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 유기 용매를 반응기 내에서 혼합한 후, 가열 및 가압하에서 반응시켜 혼합물을 형성하는 공정; 상기 반응기 내에서 비중의 차이로 형성되는, 상기 유기 용매에 용해된 카본슬러지의 불순물이 포함된 상기 혼합물 하층부와 상기 유기 용매에 용해된 카본슬러지가 포함된 상기 혼합물 상층부를 분리하는 공정; 및 상기 분리된 상층부의 혼합물로부터 유기 용매를 분리하는 공정;을 포함한다.

Description

카본슬러지 불순물 정제 방법 및 장치{Method for purifying carbon sludge impurities, and equipment therefore}

본 발명은 제철소 화성공장에서 타르 생산시 발생하는 카본슬러지의 불순물 정제 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 카본슬러지에 함유된 회분, 퀴놀린 불용분 등의 불순물의 함량을 효율적으로 저감할 수 있는 카본슬러지의 불순물 정제 방법 및 장치에 관한 것이다.

카본슬러지는 콜타르 생산과정에서 발생하는 액상의 폐기물로써 콜타르 대비하여 1/3 이하의 저가로 보일러 연료 등으로 판매된다.

제철소 코크스오븐 가동 시 발생하는 COG는 화성공정을 거쳐 정제되어 제철소 내의 연료로 사용되며, 정제과정에서 부산물로 콜타르가 생성된다. 콜타르는 코크스 오븐에서 Carry-over된 무연탄 미분, 회분 등의 불순물을 포함하고 있으며, 제조 과정에서 이를 일차적으로 제거한다. 일차적으로 제거된 이 성분들을 카본슬러지라 하며, 회분, 퀴놀린 불용분 등의 불순물과 상당량의 콜타르 성분을 포함하고 있다. 콜타르는 카본블랙, 제강용 전극봉, 인조흑연 등 고부가 탄소소재의 원료로 사용되는 물질이며, 카본슬러지에서 불순물을 제거하면 고품질의 콜타르와 흡사한 정제 카본슬러지를 얻을 수 있다. 정제 카본슬러지를 이용하면 상기에 기술한 카본블랙, 제강용 전극봉, 인조흑연 등의 고부가 탄소소재 원료로 활용이 가능하다.

고품질의 정제 카본슬러지를 규정하기 위해서는 고려해야 할 인자들이 여러 가지가 있지만 가장 대표적인 것으로 회분과 퀴놀린 불용분(Quinoline Insoluble, 이하 QI라 칭함)이 있다. 콜타르를 활용하여 침상코크스, 인조흑연등의 고부가 탄소소재 제품을 만들 때 QI와 회분 등은 흑연의 이방성 결정 성장을 방해하는 인자로써 중요 지표로 관리되고 있기 때문에, 정제 카본슬러지에서도 이러한 불순물의 제거는 매우 중요한 사안이다. 불순물을 제거하는 방법으로 여과법의 방법이 소개되었지만, 여과법은 과량의 용매를 사용하며, 여과 속도가 느리고, 로딩 등의 문제로 실용적으로 사용되지 않고 일반적으로 정치침강법에 의해 불순물을 제거한다.

따라서 본 발명은 상술한 종래 기술의 한계를 극복하기 위한 것으로, 카본슬러지의 효과적인 불순물 정제 방법 및 그 불순물 정제 장치를 제공함을 목적으로 한다.

또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

불순물을 포함하는 카본슬러지와, 헥산, 비페닐, 언데칸, 도데칸, 트리데칸, 테트라데칸, 안트라센유, 흡수유 및 등유로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 유기 용매를 반응기 내에서 혼합한 후, 가열 및 가압하에서 반응시켜 혼합물을 형성하는 공정;

상기 반응기 내에서 비중의 차이로 형성되는, 상기 유기 용매에 용해된 카본슬러지의 불순물이 포함된 상기 혼합물 하층부와 상기 유기 용매에 용해된 카본슬러지가 포함된 상기 혼합물 상층부를 분리하는 공정; 및

상기 분리된 상층부의 혼합물로부터 유기 용매를 분리하는 공정;을 포함하는 카본슬러지의 불순물 정제 방법에 관한 것이다.

상기 혼합물은, 자체 중량%로 유기 용매를 0.5~50% 범위로 포함하는 것이 바람직하며, 0.5~30% 범위로 포함하는 것이 보다 바람직하다.

상기 불순물은 회분과 퀴놀린 불용분인 것이 바람직하다.

상기 카본슬러지와 유기 용매를 혼합한 후, 20~ 200℃의 온도 및 1 ~ 30 bar의 압력하에서 반응시켜 혼합물을 형성하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은,

카본슬러지를 저장하는 원료 저장부;

유기 용매를 저장하는 유기 용매 저장부;

상기 원료저장부와 유기 용매 저장부로부터 공급되는 카본슬러지와 헥산, 비페닐, 언데칸, 도데칸, 트리데칸, 테트라데칸, 안트라센유, 흡수유 및 등유로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 유기 용매를 혼합한 후, 가열 및 가압하에서 반응시켜 카본슬러지가 용해된 유기용매를 포함하는 혼합물을 형성하고,

그 내부에서 비중의 차이에 의해 그 상층부로 분리되는 카본슬러지가 용해된 혼합물을 회수하는 상층 회수부와, 그 하층부로 분리되는 카본슬러지 중 불순물이 용해된 혼합물을 회수하는 하층 회수부를 구성하는 반응기; 및

상기 상층 회수부에 연결되어, 회수된 혼합물로부터 유기 용매를 분리하는 제1 증류 장치;를 포함하는 카본슬러지의 불순물 정제 장치에 관한 것이다.

상기 하층 회수부와 연결되어, 회수된 혼합물로부터 유기 용매를 분리하는 제2 증류장치를 추가로 포함할 수 있다.

상기 제1증류장치 및 제2 증류장치와 각각 연결되어 그로부터 증류된 유기용매를 회수하는 유기용매 회수탱크를 구비할 수도 있다.

상기 반응기의 온도와 압력을 유지하기 위한 가열장치 및 가압장치 구비하는 것이 바람직하다.

상기 가압장치는 불활성 가스 저장 장치인 것이 바람직하다.

상기 반응내에는 혼합물의 균일한 혼합을 위해 교반기가 구비되어 있음이 바람직하다.

본 발명의 방법 및 장치를 이용하는 경우, 카본슬러지에 함유된 회분, 퀴놀린 불용분 등의 불순물의 함량을 0.3% 이하로 효율적으로 저감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 카본슬러지 불순물 정제 장치의 일예를 개략적으로 나타낸 그림이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 불순물이 정제된 카본슬러지를 효율적으로 얻을 수 있는 정제 방법 및 장치를 제공함을 특징으로 한다.

본 발명의 카본슬러지의 불순물 정제 방법은, 불순물을 포함하는 카본슬러지와, 헥산, 비페닐, 언데칸, 도데칸, 트리데칸, 테트라데칸, 안트라센유, 흡수유 및 등유로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 유기 용매를 반응기 내에서 혼합한 후, 가열 및 가압하에서 반응시켜 혼합물을 형성하는 공정; 상기 반응기 내에서 비중의 차이로 형성되는, 상기 유기 용매에 용해된 카본슬러지의 불순물이 포함된 상기 혼합물 하층부와 상기 유기 용매에 용해된 카본슬러지가 포함된 상기 혼합물 상층부를 분리하는 공정; 및 상기 분리된 상층부의 혼합물로부터 유기 용매를 분리는 공정;을 포함한다.

먼저, 본 발명은 불순물을 포함하는 카본슬러지와, 헥산, 비페닐, 언데칸, 도데칸, 트리데칸, 테트라데칸, 안트라센유, 흡수유 및 등유로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 유기 용매를 반응기에서 혼합한 후, 가열 및 가압하에서 반응시켜 혼합물을 형성한다.

본 발명에 있어서, 상기 카본슬러지에 포함되는 불순물로는 회분, 퀴놀린 불용분 등을 들 수 있다.

그리고 본 발명에 사용될 수 있는 유기 용매는 헥산, 비페닐, 언데칸, 도데칸, 트리데칸, 테트라데칸, 안트라센유, 흡수유 및 등유로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종인 것이 바람직하며, 등유를 사용하는 것이 보다 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 본 발명에서는 상기 혼합물은, 자체 중량%로 유기 용매를 0.5~50% 범위로 포함하는 것이 바람직하며, 0.5~30% 범위로 포함하는 것이 보다 바람직하다. 나머지 잔여 성분은 카본슬러지이다.

본 발명에서 상기 유기 용매가 혼합물 자체 중량%로, 0.5% 미만이면, 유기 용매의 불순물 제거 효과가 미미한 문제가 있으며, 50%를 초과하면 유기 용매와 원료 카본슬러지의 혼합물의 점도가 너무 낮아 분리된 불순물이 다시 정제된 원료 카본슬러지와 섞여 분리 효율이 감소하는 문제가 있을 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 카본슬러지와 유기 용매를 20~200℃ 온도범위 및 1 ~ 30bar의 압력에서 반응시켜 혼합물을 형성하는 것이다.

이어, 본 발명에서는 상기 반응기 내에서 비중의 차이로 형성되는, 상기 유기 용매에 용해된 카본슬러지의 불순물이 포함된 상기 혼합물 하층부와 상기 유기 용매에 용해된 카본슬러지가 포함된 상기 혼합물 상층부를 분리한다. 전술한 바와 같은, 카본슬러지중 불순물인 회분 퀴놀린 등은 모두 무거운 성분으로서 제철소 분산물인 카본슬러지를 특정한 반응기 내에서 유기 용매에 용해시킬 경우, 그 반응기의 하층부는 전술한 불순물이 용해되어 있으며, 그 상층부는 상기 불순물보다 가벼운 카본슬러지가 용해되어 있게 된다.

즉, 본 발명에서는 카본슬러지중 원료 카본슬러지와 불순물을 비중 차이로 분리할 수 있는 적절한 유기 용매를 선택함으로써 전술한 분리를 용이하게 할 수 있다.

그리고 본 발명에서는 상기 분리된 상층부의 혼합물로부터 유기 용매를 분리함으로써 정제된 카본슬러지를 제조할 수 있다.

이때, 본 발명에서는 상기 상층부 혼합물로부터 용기 용매를 분리하는 특정한 방법에 제한되지 않으며, 잘 알려진 증류장치를 이용한 증류법을 통하여 효과적으로 이를 분리할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 카본슬러지의 불순물 정제 장치가 제공된다.

본 발명의 카본슬러지의 불순물 정제 장치는, 카본슬러지를 저장하는 원료 저장부; 유기 용매를 저장하는 유기 용매 저장부; 상기 원료저장부와 유기 용매 저장부로부터 공급되는 카본슬러지와 헥산, 비페닐, 언데칸, 도데칸, 트리데칸, 테트라데칸, 안트라센유, 흡수유 및 등유로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 유기 용매를 혼합한 후, 가열 및 가압하에서 반응시켜 카본슬러지가 용해된 유기용매를 포함하는 혼합물을 형성하고, 그 내부에서 비중의 차이에 의해 그 상층부로 분리되는 카본슬러지가 용해된 혼합물을 회수하는 상층 회수부와, 그 하층부로 분리되는 카본슬러지 중 불순물이 용해된 하층 회수부를 구성하는 반응기; 및 상기 상층 회수부에 연결되어, 회수된 혼합물로부터 유기 용매를 분리하는 제1 증류 장치;를 포함한다.

도 1은 본 발명의 카본슬러지 불순물 정제 장치(100)의 일예를 개략적으로 나타낸 그림이다.

도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 불순물 정제 장치(100)는 크게 카본슬러지를 저장하는 저장 용기인 원료 저장부(10와 유기 용매를 저장하는 유기 용매 저장부(30)를 포함한다. 그리고 이들로부터 각각 공급받은 카본슬러지와 유기 용매를 혼합하여 혼합물을 형성하는 반응기(50) 및 상기 반응기와 연결되어 배출된 혼합물중에서 유기 용매를 분리하는 제1 및 제2 증류장치(70, 70')를 포함한다.

본 발명에서 상기 원료 저장부(10)와 유기 용매 저장부(30)는 반응기(50)에 연결되어 필요한 카본 슬러지를 공급하도록 구성되어 있으며, 그 구체적인 구성방법에 제한되지 않는다. 또한 상기 원료 저장부(10)와 유기 용매 저장부(30)는 이들을 반응기(50)에 정량으로 공급할 수 있도록 연결 라인상에 정량 펌프를 구비할 수 있다.

본 발명에서 상기 유기 용매는 헥산, 비페닐, 언데칸, 도데칸, 트리데칸, 테트라데칸, 안트라센유, 흡수유 및 등유로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종을 이용함이 바람직하다.

본 발명의 카본슬러지 불순물 정제 장치(100)는 반응기(50)을 포함한다.

본 발명에서 상기 반응기(50)는 상기 원료저장부(10)와 유기 용매 저장부(30)로부터 공급되는 카본슬러지와 유기 용매를 혼합한 후, 가열 및 가압하에서 반응시켜 카본슬러지가 용해된 유기용매를 포함하는 혼합물을 형성하는 역할을 한다. 그리고 그 내부에서 비중의 차이에 의해 그 상층부로 분리되는 카본슬러지가 용해된 혼합물과 그 하층부로 분리되는 카본슬러지 중 불순물이 용해된 혼합물을 각각 회수하는 상층 회수부와 하층 회수부를 구성한다.

본 발명의 반응기(50)에는 공급된 혼합물의 균일한 혼합을 위해 교반기(51)를 구비할 수도 있으며, 예를 들어 회전수의 조절이 가능한 블레이드 교반기(blade stirrer)가 사용될 수 있으나, 교반기의 종류가 특히 제한되는 것은 아니다.

또한 본 발명에서는 상기 반응기(50)의 온도 및 압력을 유지하기 위한 가열장치 및 가압장치(53)를 구비할 수 있다. 즉, 상기 카본슬러지와 유기 용매 혼합물이 공급된 반응기(50)를 가압장치(53)부를 통해 가압한 상태에서 도시되지 않은 가열장치를 이용하여 가열함으로써 혼합 반응을 수행하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 카본슬러지와 유기 용매를 혼합한 후, 20~ 200℃의 온도 및 1 ~ 30 bar의 압력하에서 반응시켜 혼합물을 형성하는 것이다.

본 발명에서 상기 가압장치(53)는 가압을 위한 기체를 공급하는 형태의 장치일 수 있으며, 이 때 사용될 수 있는 바람직한 기체는 질소, 아르곤 등과 같은 불활성 기체이다. 다만, 이러한 형태에 제한되는 것은 아니며, 반응에 영향을 주지 않으면서 압력을 가할 수 있는 어떠한 장치가 사용될 수 있다.

또한 상기 가열장치는 전기저항식 또는 실리콘 오일 등과 같은 열매(heating medium)를 이용한 가열장치일 수 있으나, 특히, 이에 제한되는 것은 아니며, 열을 가할 수 있는 어떠한 장치를 사용할 수 있다.

그리고 상기 반응기에는 반응기 내 온도와 압력을 측정할 수 있도록 측정장치를 구비할 수 있다.

또한 본 발명의 상기 반응기(50)의 상층 회수부에 연결되어, 회수된 혼합물로부터 유기 용매를 분리하는 제1 증류 장치(70)를 포함한다. 바람직하게는, 상기 반응기(50)의 하층 회수부에 연결되어, 회수된 혼합물로부터 유기 용매를 분리하는 제2 증류 장치(70')를 포함하는 것이다.

본 발명에서 상기 증류 장치(70,70')는 1단 혹은 다단의 증류 장치일 수 있으며, 특정한 종류에 특히 제한되는 것은 아니며 당해 기술분야에 널리 사용되는 어떠한 증류 장치일 수 있다.

나아가, 본 발명에서는 상기 제1 증류장치(70) 및 제2 증류장치(70')와 각각 연결되어 그로부터 증류된 유기용매를 회수하는 유기용매 회수탱크(90)를 구비할 수도 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예 1)

도 1과 같은 장치의 반응기 내에 제철소 화성 공정에서 부생된 카본슬러지(퀴놀린 불용분 5.2%, JIS K2425로 측정) 500g를 투입하고 질소를 공급하여 압력을 20bar로 조정하였다. 이후, 교반기를 작동시킨 후 반응기를 가열하여 온도를 섭씨 200℃로 유지하였다. 그리고 정량 펌프를 이용하여 총 250g의 등유를 1시간에 걸쳐 반응기에 첨가한 후 약 30분을 유지한 뒤 반응기에 도입된 질소 가스 벤트(vent)를 통해 압력을 상압으로 조정하고 온도를 섭씨 100℃로 낮추었다.

이후, 반응 용기 상부에 설치된 회수 장치를 통해 첨가한 등유 및 정제된 카본슬러지를 80% 이상 회수하고 용해도 분석법(JIS K2425)으로 카본슬러지 시료 중 퀴놀린 불용분을 환산 및 정량한 결과, 카본슬러지 중 퀴놀린 불용분은 0.2 중량%인 것으로 측정되었다.

(비교예 1)

제철소 화성 공정에서 부생된 카본슬러지(퀴놀린 불용분 5.2%, JIS K2425로 측정) 500g에 250g의 등유를 첨가하고 섭씨 60℃로 가열하며 기계적 교반기(mechanical stirrer)로 30분간 교반을 실시하였다.

이후, 원심분리장치용 용기에 옮겨 고속 원심분리장치에서 3,500 xG의 원심력 조건으로 5분 동안 원심 분리를 실시한 후, 전 시료 중 상부 부분 80%를 채취하여 용해도 분석법(JIS K2425)으로 카본슬러지 시료 중 퀴놀린 불용분을 환산 및 정량한 결과, 카본슬러지 중 퀴놀린 불용분은 1.5 중량%인 것으로 측정되었다.

(비교예 2)

제철소 화성 공정에서 부생된 카본슬러지(퀴놀린 불용분 5.2%, JIS K2425로 측정) 500g에 250g의 등유를 첨가하고 섭씨 60도로 가열하며 기계적 교반기(mechanical stirrer)로 30분간 교반을 실시하였다.

이후, 캔들 필터 형태의 장치(평균 공극 = 10 마이크로미터)에 주입하고 섭씨 80℃의 온도에서 필터링을 실시하였다. 필터링 시 불순물에 의한 필터 공극 막힘 및 압력 상승으로 연속적인 작업이 불가능하였으며, 초기 토출된 정제 시료에 대해 용해도 분석법(JIS K2425)으로 카본슬러지 시료 중 퀴놀린 불용분을 환산 및 정량한 결과, 카본슬러지 중 퀴놀린 불용분은 1.0 중량%인 것으로 측정되었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구 범위 뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10...............원료 저장부 30.........유기용매 저정부
50...............반응기 70, 70'.....제 1 및 제 2 증류장치
90...............유기용매 회수탱크

Claims (10)

1. 불순물을 포함하는 카본슬러지와, 헥산, 비페닐, 언데칸, 도데칸, 트리데칸, 테트라데칸, 안트라센유, 흡수유 및 등유로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 유기 용매를 반응기 내에서 혼합한 후, 가열 및 가압하에서 반응시켜 혼합물을 형성하는 공정;
   상기 반응기 내에서 비중의 차이로 형성되는, 상기 유기 용매에 용해된 카본슬러지의 불순물이 포함된 상기 혼합물 하층부와 상기 유기 용매에 용해된 카본슬러지가 포함된 상기 혼합물 상층부를 분리하는 공정; 및
   상기 분리된 상층부의 혼합물로부터 유기 용매를 분리하는 공정;을 포함하는 카본슬러지의 불순물 정제 방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 혼합물은, 자체 중량%로 유기 용매를 0.5~50% 범위로 포함하는 것을 특징으로 하는 카본슬러지의 불순물 정제 방법.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 불순물은 회분과 퀴놀린 불용분인 것을 특징으로 하는 카본슬러지의 불순물 정제 방법.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 카본슬러지와 유기 용매를 혼합한 후, 20~ 200℃의 온도 및 1 ~ 30 bar의 압력하에서 반응시켜 혼합물을 형성하는 것을 특징으로 하는
   카본슬러지의 불순물 정제 방법.
   
5. 카본슬러지를 저장하는 원료 저장부;
   유기 용매를 저장하는 유기 용매 저장부;
   상기 원료저장부와 유기 용매 저장부로부터 공급되는 카본슬러지와 헥산, 비페닐, 언데칸, 도데칸, 트리데칸, 테트라데칸, 안트라센유, 흡수유 및 등유로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종의 유기 용매를 혼합한 후, 가열 및 가압하에서 반응시켜 카본슬러지가 용해된 유기용매를 포함하는 혼합물을 형성하고,
   그 내부에서 비중의 차이에 의해 그 상층부로 분리되는 카본슬러지가 용해된 혼합물을 회수하는 상층 회수부와, 그 하층부로 분리되는 카본슬러지 중 불순물이 용해된 혼합물을 회수하는 하층 회수부를 구성하는 반응기; 및
   상기 상층 회수부에 연결되어, 회수된 혼합물로부터 유기 용매를 분리하는 제1 증류 장치;를 포함하는 카본슬러지의 불순물 정제 장치.
   
6. 제 5항에 있어서, 상기 하층 회수부와 연결되어, 회수된 혼합물로부터 유기 용매를 분리하는 제2 증류장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 카본슬러지의 불순물 정제 장치.
   
7. 제 6항에 있어서, 상기 제1 증류장치 및 제2 증류장치와 각각 연결되어 그로부터 증류된 유기용매를 회수하는 유기용매 회수탱크를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 카본슬러지의 불순물 정제 장치.
   
8. 제 5항에 있어서, 상기 반응내에는 혼합물의 균일한 혼합을 위해 교반기가 구비되어 있음을 특징로 하는 카본슬러지의 불순물 정제 장치.
   
9. 제 5항에 있어서, 상기 반응기의 온도와 압력을 유지하기 위한 가열장치 및 가압장치가 구비되어 있음을 특징로 하는 카본슬러지의 불순물 정제 장치.
   
10. 제 9항에 있어서, 상기 가압장치는 불활성 가스 저장 장치인 것을 구비되어 있음을 특징로 하는 카본슬러지의 불순물 정제 장치.
    

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