过程工程学报

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过程工程学报. 2023, 23(2): 0.

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微针技术应用研究现状

赵思博鲍怡如谢敏

过程工程学报. 2023, 23(2): 163-172. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222114

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微针是通过微制造加工获得的一种针状体，单个针体尺寸为微米级，多个针体组成微针阵列，能够穿透皮肤角质层直达真皮层，在研发初期主要用于药物递送。与口服给药相比，微针能避开消化系统对药物的代谢作用；与注射针头相比，微针能够有效减小患者疼痛感，提高患者依从性。此外，微针技术因为其便捷的透皮作用方式，在疫苗接种、组织液提取、生物标志物检测、医疗美容等领域的应用也被广泛开发。微针的制作材料有硅、不锈钢及生物降解材料，如透明质酸、聚乳酸等；从给药方式上可分为固体、包被、溶解、空心以及水凝胶等多种微针类型。本综述结合近年来微针技术相关进展，简要概述微针的制造材料及作用形式，重点介绍微针在药物递送、疫苗接种及组织液提取和生物标志物检测等领域的应用，探讨微针的机械强度、生物安全性、无菌化处理及稳定性等对其在市场上推广应用的影响，并对其未来发展进行了展望。

钠离子电池负极材料的储钠机制及性能研究进展

韩诚武少杰吴朝阳李明阳龙红明高翔鹏

过程工程学报. 2023, 23(2): 173-187. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222083

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绿色能源的应用，促使着电化学储能与转换技术的飞速发展。锂离子电池作为储能领域最成功的二次离子电池之一，已被应用于各种电子产品中，但是由于锂资源短缺造成锂离子电池的成本增加，限制了其在大规模储能设备领域的应用。因此，寻找价格低廉、性能优异的二次离子电池是当下的研究热门之一。钠离子电池不仅拥有和锂离子电池相似的工作原理，而且还具有成本低、资源丰度大和可逆容量高的特点，有望成功地代替锂离子电池而应用于商业化生产。本工作主要综述了钠离子电池负极材料的性能研究进展，首先根据钠离子在负极材料存储方式不同，分析归纳了负极材料的插层反应、合金化反应和转换反应三种储钠机制，然后介绍了负极材料的结构修改、元素掺杂和材料复合三种改性方式，随后重点介绍了碳基材料、钛基材料、合金类材料、转换类材料和有机材料等几种关键的钠离子电池负极材料的电化学性能和所面临的问题，最后，以实际生产和工业应用为基础，展望了钠离子电池负极材料的研究方向。

多孔介质内颗粒流动特性的格子Boltzmann模拟

程赟涛王淑彦邵宝力袁子涵谢磊

过程工程学报. 2023, 23(2): 188-198. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222038

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地下岩石孔隙中小颗粒的运移和沉积会使得储层渗透性能降低，影响石油开发。为了探究悬浮颗粒在多孔介质中的流动过程，采用格子Boltzmann方法对三维多孔介质内流体和颗粒的运动过程进行了数值模拟，采用有限体积颗粒法构建多孔介质中骨架颗粒和悬浮颗粒。通过Half-Way反弹格式实现流体与颗粒间的相互作用，考虑孔隙结构、入口流速、孔隙率和颗粒直径对颗粒流动特性的影响，探究颗粒的运移和沉积规律。结果表明，入口速度对不同孔隙结构下颗粒的运动作用显著。随着入口速度增大，颗粒与颗粒、孔隙壁面以及流体之间的动量和能量交换作用增强，缩短了颗粒的运移路径，颗粒沉积率逐渐变小，颗粒拟温度增大。孔隙率的下降强化了颗粒间的碰撞，孔隙率由0.581降低至0.400，使得颗粒拟温度提升至9倍。颗粒拟温度随颗粒直径的增加而增加。但随着孔隙率增加，颗粒轴向速度增加，颗粒最高轴向速度可达入口流速的11倍，而颗粒接触力降低。

煤液化笼式调节阀的空蚀分析及结构改进设计

仇畅干瑞彬龙云飞汝强钱锦远金志江

过程工程学报. 2023, 23(2): 199-206. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221419

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针对煤液化笼式调节阀内普遍存在的空蚀问题，基于RANS方程、Mixture多相流模型及Zwart空化模型，对阀门内部的空化流动进行了数值模拟研究，确定了阀笼失效的主要原因；基于压降分析和预测空化位置，提出了调节阀阀笼的结构改进方案并进行了验证分析。结果表明，调节阀内空化气相集中分布于阀笼内层节流孔，是阀笼中内层节流孔内壁及阀笼内壁存在明显失效缺陷的主要原因；阀笼内层节流孔内空化严重发生的主要原因为降压级数不够，导致第二级压降过快，产生局部低压区，空化剧烈发生；内层节流孔深度较大，导致空化在整个内层节流孔内充分发展；提出将内层节流直孔调整为阶梯孔的结构改进方案，可有效降低空化强度和分布范围。本工作对煤直接液化工程中的笼式调节阀的设计和研究具有一定参考价值。

滚筒端面对颗粒物料轴向流动特性影响的离散模拟研究

王兴坤张旭辉郭辉刘晓星

过程工程学报. 2023, 23(2): 207-215. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222030

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针对碎渣工艺中仅一个端面可随侧壁转动的短滚筒体系，采用离散单元法模拟研究了滚筒轴径比和转动速度对颗粒物料轴向流动特性的影响。模拟结果表明，系统内形成了显著的轴向对流结构：物料层顶部处颗粒物料会朝向滚筒固定端面一侧运动，而物料层趾部区域颗粒则朝向滚筒转动端面一侧运动。低转速条件下，沿物料自由表面由顶部到趾部，颗粒轴向速度呈非对称分布，顶部区域颗粒轴向速度绝对值显著小于趾部区域颗粒轴向速度绝对值；两部分区域颗粒轴向速度绝对值分别在y/R=±0.725处达到极大值，且轴向速度为0的位置并不出现在切向的中间位置。改变滚筒的轴长对这种非对称分布的影响近似可忽略，但是增大滚筒转速会增大颗粒轴向运动速度并逐步减弱这种非对称性。改变滚筒转速，对物料顶部区域颗粒的轴向流动的影响要大于对趾部区域颗粒轴向流动的影响。当滚筒轴径比达到1.2后，滚筒转动端面对物料轴向流动的影响区域不会随滚筒转速的增大而呈现显著变化。这些结果为实际滚筒碎渣工艺的结构优化提供了理论指导。

布风结构对埋管浅床内非均匀颗粒流化特性的影响

刘黄郑楠赵晓辉魏进家

过程工程学报. 2023, 23(2): 216-225. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222071

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针对含内埋管的3维浅层流化床，以空气和非均匀铝矾土铸造砂颗粒为气相和固相开展冷态实验，采用压差变送器测量了5种不同开孔率布风板的床层压降，考察了开孔率、静床高度及流化仓室配风模式对非均匀颗粒流态化特征参数及流化质量的影响。结果表明，非均匀颗粒的床层压降特性曲线不存在明显的突变，流化过程分为固定床、半流态化和完全流态化三个阶段，各阶段分界点特征速度受开孔率影响不大。对于平均粒径为215 μm的非均匀颗粒，床层压降标准差随开孔率的变化存在极小值，开孔率为0.79%的布风板流态化稳定性最高。配风模式对多仓室流化床局部床层压降有重要影响，采用等风速模式可有效降低仓室之间的压降差异，提高整体流化空间的均匀性。

基于连续方法的气固循环流化床全回路模拟及稳定性分析

贾博宇刘新华王各孙怀宇鲁波娜

过程工程学报. 2023, 23(2): 226-234. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222080

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相比对单个操作单元的模拟，气固循环流化床的全回路模拟能全面揭示各单元之间的联系、诊断操作突变等现象，对实际工业生产更具指导意义。本研究在连续介质模型结合颗粒动理论的框架下，对一套虚拟过程工程(VPE)的气固循环流化床装置进行了全回路模拟和稳定性分析。模拟发现了提升管中的颗粒浓度及压降发生大幅度的周期性震荡现象，两种完全不同的操作状态，即稀相输送和浓相输送，交替式地出现。为分析该现象产生的原因，考察了模型因素(主要是气固相间曳力)和操作因素(颗粒藏料量和提升管表观气速)对周期性震荡现象的影响。研究发现，将考虑非均匀结构影响的曳力替换成均匀曳力，仍不能消除周期震荡现象，其颗粒输送返回装置(Loop-seal)压头不足以保证颗粒从下降管平稳输送到提升管，而降低气速和增大藏料量都有利于颗粒循环输送的稳定性，防止“窜气”现象的发生。结合上述现象，进一步聚焦影响颗粒输送的关键点，即Loop-seal气动阀，采用引入虚拟阀门的方式提高Loop-seal输送管中的输送阻力，从而有效改进了全回路模拟的稳定性，其预测得到的提升管轴向压降分布与实验值基本吻合。

注流孔结构对中间包流场影响的物理模拟

王阳李小明朱佳雨王建立吴军吕明杨永坤

过程工程学报. 2023, 23(2): 235-243. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222093

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针对某钢厂十流中间包紊流抑制器注流孔结构不合理引起流场分布差、各流铸坯质量不均的问题，运用相似原理，使用相似比为1:3的物理模型进行水模型实验，设计不同的注流孔结构研究流体在中间包的平均停留时间曲线及流场显示特征，明晰注流孔结构对中间包流场的影响规律，优化紊流抑制器注流孔结构，达到中间包流场优化及浸入式水口各流一致性提高的目标。结果表明，长距离多流中间包在无堰坝结构条件下，紊流抑制器的注流孔内径尺寸、数量及开孔方向对中间包流场都有影响，注流孔内径的影响最为显著，数量次之。设计的最佳注流孔内径由原型的53 mm缩小至30 mm，死区比例由54.05%降至34.69%，F曲线最大标准差由0.0154降低至0.0035，中间包流场得到改善，各流一致性显著提高。当注流孔数量由1个增加至3个，死区比例由34.69%增大至46.05%，F曲线最大标准差由0.0035增大到0.0062，注流孔数目越多，流场死区比例反而越大，各水口流场的一致性越差。对长距离多流中间包，建议主要通过适当改变注流孔内径及减少孔数来改善中间包流场，提高各流一致性。

15-7PH不锈钢电渣重熔过程夹杂物的行为

常立忠项淼苗徐涛张龙飞苏云龙金涛施晓芳

过程工程学报. 2023, 23(2): 244-253. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222113

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为了明晰15-7PH沉淀硬化不锈钢中夹杂物的行为，进一步提高其洁净度，采用超高功率电弧炉初炼→AOD (Argon Oxygen Decarburization)脱碳→LF (Ladle Furnace)精炼→模铸工艺制备了自耗电极，并用带压摆控制的气体保护电渣重熔炉进行重熔。采用HORIBA氧氮氢气体分析仪检测了电渣重熔前后氧、氮等含量的变化；ASPEX扫描电镜分析了夹杂物的尺寸、数目、化学成分、形貌等。结果表明，电渣重熔后15-7PH不锈钢中氧、氮含量有轻微的下降，但夹杂物的组成变化不大，主要由氮化物夹杂物(氮化铝+氮化钛)、氮化物-氧化物复合夹杂物、氧化物夹杂物、硫化物-氧/氮化物夹杂物组成，其中氮化物夹杂物尺寸最大、数量最多，明显高于其他夹杂物。电渣重熔对夹杂物的数量、尺寸有明显影响。重熔后夹杂数量大幅增加，氮化物尤为明显，但大颗粒夹杂物明显减少。氮化物夹杂物大量存在的主要原因在于钢中存在较高的Al, Ti, N等元素，而电渣过程由于熔渣吸附、部分夹杂物溶解，使大颗粒夹杂物减少，重熔过程的快速冷却抑制了夹杂物长大，最终结果是夹杂物尺寸更细小，但数量增加。

加压过滤法分离Pb-Sb合金

梅杨郭磊郭占成

过程工程学报. 2023, 23(2): 254-262. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221441

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目前国内外冶炼厂对Pb-Sb合金的分离工艺普遍存在操作繁杂、高污染、高能耗、生产流程长、回收率低等问题，对Pb-Sb合金进行资源化回收已经成为有色冶金行业的迫切需求。本工作介绍了气体加压技术，由于不同相之间的界面张力很小，加压过滤技术对于固液相的分离发挥了重要作用。根据Pb-Sb相图利用杠杆原理计算其理论分离效率，讨论了不同分离条件对分离结果的影响。通过SEM-EDS、金相显微镜和XRF等检测方法，证明Pb沿加压方向迁移到下部坩埚，几乎所有的Sb保留在坩埚上部。结果表明，随着过滤温度降低，析出晶体的尺寸增加，熔融液相的黏度也随之增加，滤饼对液相的阻力也增大，得到最优分离条件：过滤温度T=553 K，筛网目数N=100目，过滤压力p=0.2 MPa，过滤次数为4次的条件下，成功得到含量超过90wt%的上部富Sb相和含量为85wt%的下部富Pb相，接近于由Pb-Sb相图计算所得的理论值。

NaOH-NaCl亚熔盐法活化含钾岩石制备SOD沸石

刘文卓刘洋李雲郭宏飞曹吉林

过程工程学报. 2023, 23(2): 263-271. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222081

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为了实现含钾岩石的高效利用，以NaOH-NaCl混合碱为助剂进行亚熔盐法活化含钾岩石的研究。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)及滴定法对反应前后的产物组成进行分析。结果表明，含钾岩石活化的适宜条件为：m(NaOH)/m(potassic rocks)=0.7、m(NaCl)/m(potassic rocks)=0.7、m(H2O)/m(potassic rocks)=1.0、反应温度160℃，反应时间120 min。在该条件下，K+浸出率可达92%，碱浓度下降至41wt%，低于常规亚熔盐体系的介质浓度，活化后产物为SOD沸石。通过分析合成后母液组成，设计母液的循环工艺，实现NaCl的循环利用。该法显著减少了亚熔盐活化含钾岩石过程中的碱用量，并实现矿石的高效活化，为含钾岩石的综合利用提供新途径。

底心正交和三方CrOOH热分解制备氧化铬绿的研究

穆攀攀张红玲娄太平周鹏史海琴陈林明徐红彬

过程工程学报. 2023, 23(2): 272-279. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222052

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羟基氧化铬(CrOOH)热分解制备氧化铬绿颜料是铬酸盐氢还原法制备氧化铬绿清洁工艺的单元之一。研究表明，CrOOH的结构对其热分解所得氧化铬绿的色度有显著影响，但CrOOH晶体结构对所得氧化铬绿色度的影响尚未有系统研究报道。本工作通过铬酸钠溶液氢还原制备得到了两种晶型的CrOOH并借助化学滴定、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和热重-差示扫描量热分析(TG-DSC)对其组成、结构、形貌和热分解过程进行了研究。以两种不同晶型的CrOOH为原料调控制备得到了不同色度的氧化铬绿颜料，借助XRD和SEM对其物相和形貌进行了表征，并使用Datacolor110色度仪测定了其色度参数。结果表明，两种CrOOH的晶体结构分别为底心正交和三方，其形貌分别呈现片状和六方片状，组成可分别写作Cr2O3?1.49H2O和Cr2O3?1.12H2O。与三方CrOOH相比，底心正交的CrOOH热分解得到的氧化铬绿颗粒尺寸更小、大小更均匀、颜色更亮更黄。最终，以不同比例的底心正交和三方CrOOH为原料，调控制备得到了多种色调的氧化铬绿颜料。

超薄ePTFE纳米纤维膜用于PM2.5的高效治理

刘峰吴宏描居沈贵仲兆祥邢卫红

过程工程学报. 2023, 23(2): 280-290. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222082

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针对中高浓度PM2.5的高效过滤问题，选取颗粒粒径与膜孔径比值(dP/dm)范围为0.86~4.46，厚度小于等于1 μm的三种不同结构的超薄ePTFE纳米纤维膜展开应用性能研究。考察了过滤速度、PM2.5浓度和膜结构对过滤性能的影响以及膜的再生性能。得益于纳米纤维堆叠的网状结构，在过滤速度为1.2~4.8 m/min，进口浓度为200~1000 mg/m3的范围内，三种超薄ePTFE纳米纤维膜均能实现PM2.5的高效截留(>99.5%)，其稳定压降和压降增长速度均随过滤风速和进口PM2.5浓度增加而增加，但初始压降和出口浓度仅随过滤风速增加而增加，与进口浓度关系不大。超薄ePTFE纳米纤维膜层数少、过滤阻力低(≤130 Pa)且膜表面光滑(表面粗糙度小于1 μm)，降低了滤饼与膜表面附着力，使滤饼易于脱落，在4次循环实验中展现出良好的再生性能。横向对比结果显示，dP/dm为0.86，膜厚度为0.5 μm的超薄ePTFE纳米纤维膜兼具最低的过滤压降(30 Pa)、良好的过滤效率(99.93%)及再生性能好的优势，在中高浓度PM2.5空气净化领域表现出较好的应用前景。

碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料的多相反应制备与抗烧蚀性能

孙倩张会丰黄传兵于守泉杨诗瑞房师阁张伟刚

过程工程学报. 2023, 23(2): 291-300. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222017

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为提高C/C复合材料在2000℃以上有氧环境中的抗氧化烧蚀性能，本研究采用ZrB2浆料浸渍、ZrC-SiC前驱体浸渍裂解与Si-Zr10共晶合金反应熔渗复合工艺制备了C/C-SiC-ZrB2-ZrC复合材料，细致研究了复合材料在熔渗过程中的基体微观结构演变机理及其力学性能和抗烧蚀性能。结果表明，在反应熔渗结束后的降温阶段，部分ZrC陶瓷与残余Si熔体通过原位固-液反应转化为ZrSi2和SiC，生成的亚微米级SiC颗粒均匀镶嵌于ZrC-ZrSi2二元混合物中，最终形成ZrC-ZrSi2-SiC三相混合微区。制备的C/C-SiC-ZrB2-ZrC复合材料密度为3.18 g/cm3，开孔率为2.77%，其弯曲强度和弯曲模量分别为121.46±13.77 MPa和21.78±5.56 GPa。在其断口处能观察到较长且较多的单丝纤维拔出以及明显的界面脱黏，这表明复合材料的失效方式为韧性断裂。经2000℃，300 s的大气等离子体烧蚀，复合材料表现出优良的抗超高温烧蚀性能(质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1.37×10-3 g/s和3.43×10-3 mm/s)。分析发现，烧蚀中心形成了独特的双层梯度氧化物结构，底部的ZrO2层可阻挡外部热量向材料内部基体的传递，表面由固相ZrO2颗粒和液相富SiO2的SiO2-ZrO2熔体组成的复合氧化层既能抵御高速气流的机械冲刷，又能抑制氧气向内部基体的扩散。

γ-Al₂O₃基催化剂上高炉煤气COS的水解活性研究

高攀婷李玉然林玉婷曹强常丽萍王建成朱廷钰

过程工程学报. 2023, 23(2): 301-310. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221446

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高炉煤气脱硫是实现钢铁行业多工序全流程超低排放的关键。高炉煤气中主要含硫组分是羰基硫(COS)，常用γ?Al2O3基催化剂水解脱除，但是其水解活性及抗氧能力有待提高。本工作采用浸渍法制备了添加Fe和La活性组分的催化剂，通过ICP, XRD和TPD等手段表征了催化剂的理化性质，并在固定床-气相色谱联用装置考察了空速、粒径对催化剂催化水解COS过程的扩散效应，研究了催化剂的理化性质与COS水解活性的构效关系以及O2的作用机制。结果表明，催化剂在80℃, 160000 h-1条件下，活性组分Fe和La的添加可明显提高γ?Al2O3基催化剂的碱性位点；同时，丰富的孔隙结构降低了内扩散阻力，增强了H2S从催化剂表面到气相的传质。Fe/Al2O3催化剂在保持较高的水解活性的同时能够协同脱除H2S，但是O2的存在增强了H2S的吸附及其与Fe的硫化反应；而La/Al2O3催化剂的COS水解活性及稳定性较好，活性组分La可明显提高H2S从催化剂表面到气相的脱附，进而提高抗氧中毒能力。

可见光下Cu₂O/TiO₂催化臭氧氧化头孢曲松钠性能研究

孟冠华张林森刘宝河王瑜李政辉李文江用彬

过程工程学报. 2023, 23(2): 311-322. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222075

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抗生素是治疗各种传染病的常用药物，但残留在水环境中的抗生素会对生态系统造成威胁。因此，探索去除水环境中抗生素的有效方法具有重要意义。由于光催化臭氧氧化技术可以高效降解和矿化水体中的污染物，该技术受到广泛关注。本工作通过浸渍-化学还原法制备Cu2O/TiO2复合材料并将其作为可见光催化臭氧氧化头孢曲松钠(CRO)的催化剂。利用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、比表面积分析仪(BET)和紫外-可见漫反射光谱仪(UV-Vis DRS)对Cu2O/TiO2形貌结构和光学性能进行表征，考察了Cu2O/TiO2配比、Cu2O/TiO2投加量、臭氧浓度、头孢曲松钠初始浓度、溶液初始pH值等因素对可见光催化臭氧氧化头孢曲松钠的影响。结果表明，Cu2O对TiO2的掺杂改性使材料孔容和平均孔径增大，能带宽度减小，可见光下的催化性能增强。在Cu2O:TiO2摩尔比为0.2:1、可见光照射120 min、溶液pH值为6.12、头孢曲松钠浓度为10 mg/L、Cu2O/TiO2投加量为0.2 g/L、臭氧浓度为1.5 mg/L条件下，头孢曲松钠和TOC的降解率分别达到81.05%和52.16%，臭氧利用率达到50.84%。自由基捕获实验表明，可见光催化臭氧氧化头孢曲松钠的过程中光生空穴(h+)和超氧自由基(?O2-)起主要作用。5次循环使用实验结果表明，Cu2O/TiO2有较好的可重复利用性。本研究结果表明，对于水体中的头孢曲松钠，可见光催化臭氧氧化是一种很有前途的治理技术。

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