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缓释保水复合材料和其制备方法、含有其的植生袋和应用

文献发布时间:2023-06-19 18:49:33


缓释保水复合材料和其制备方法、含有其的植生袋和应用

技术领域

本发明涉及矿区土壤改良领域,具体而言,涉及一种缓释保水复合材料和其制备方法、含有其的植生袋和应用。

背景技术

我国大多数矿区都是粗放式的开采,以大型露天煤矿的开采占据主导地位,且露天煤矿大多集中在干旱或半干旱的生态脆弱区。排土场是在露天煤矿开采过程中形成的巨型特殊地貌,由大量剥离物人工堆垫形成。矿区扰动地表生态系统重建和新建排土场新构土体的复垦成为当前矿区生态环境建设中最为紧迫的任务。

但是矿区的排土场土壤,普遍存在保水能力差、径流严重、养分贫瘠、微生物活性弱,不利于植物生长。而高吸水聚合物和营养缓释结构与种植袋的有机结合,则能为为植物在一定时期内持续提供稳定的水肥供应,保持种植植物根系土壤的水肥环境的相对平衡,让植物在生长初期拥有稳定的生长环境,能大大提高植物的成活率,为地表生态系统重建和新建排土场新构土体的复垦提供技术支撑。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种缓释保水复合材料和其制备方法、含有其的植生袋和应用,以解决现有技术中矿区排土场土壤保水能力差、养分贫瘠,植物生长困难的问题。

为了实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供了一种缓释保水复合材料的制备方法,该制备方法包括以下步骤:步骤S1,将纯棉坯布与溶剂、碱性水溶液、尿素混合,反应一段时间,得到预处理体系;步骤S2,向预处理体系中加入氯乙酸进行反应,反应完毕后,将纯棉坯布洗净、干燥,得到预处理纯棉坯布;步骤S3,将预处理纯棉坯布放入水中,将温度恒定在65~75℃,加入过引发剂、中和液进行接枝反应,冷却后,将坯布洗净、干燥,将干燥后的坯布用水煮沸,后进行干燥,得到保水层;步骤S4,将缓释营养浆与凝固剂涂至保水层,得到缓释保水复合材料。

进一步地,步骤S1中,纯棉坯布为除去表面杂质后的干燥纯棉坯布,优选的,纯棉坯布的厚度为14~15安;更优选的,将纯棉坯布置于聚丙烯袋中进行反应;

和/或,溶剂为无水乙醇,优选的,浴比为1:2.5~3;

和/或,碱性水溶液选自氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液中的一种或者多种,优选的,碱性溶液的浓度为14~16%,优选的,碱性溶液的用量为纯棉坯布重量的4~5%;

和/或,尿素的用量为纯棉坯布重量的0.1~0.3%;

优选的,步骤S1中反应的温度为35~40℃,更优选的反应时间为20~30min。

进一步地,步骤S2包括:向预处理体系中加入氯乙酸,将体系温度升高至40~45℃,反应20~30min,将体系温度升高至65~70℃,再反应40~50min,将反应体系冷却至室温,将坯布洗净、干燥,得到预处理的坯布和聚丙烯袋;优选的,氯乙酸为浓度为14~16%的氯乙酸的乙醇溶液,更优选的,氯乙酸的乙醇溶液的用量为纯棉坯布重量的3~5%。

进一步地,步骤S3包括:将预处理坯布放入水中,浴比为1:2.5~3,将温度恒定在65~ 75℃,加入引发剂、中和液,搅拌均匀,冷却至室温后,将坯布洗净、干燥,将干燥后的坯布用水煮沸2~2.5h,优选的,每隔25~30分钟换一次水,水煮完毕后,将坯布干燥至恒重,得到保水层;优选的,引发剂包括过硫酸钾、过硫酸铵中的任意一种或者多种,引发剂的用量为坯布重量的3~5%。

进一步地,中和液通过以下制备方法得到,该制备方法包括:将盛有丙烯酸的容器在冰水浴中冷却,加入4~5%碳酸氢钠水溶液至中和度为70~80%,再加入交联剂,交联剂的加入量为丙烯酸质量的0.1~0.3%,搅拌均匀,得到中和液;优选的,交联剂包括N,N-亚甲基双丙烯酰胺。

进一步地,按重量百分比计,缓释营养浆的原料包括:10~20%的玉米淀粉,20~30%的小麦秸秆炭,10~20%的尿素,30~50%的碳酸乙烯酯,1~3%浓度为36%~38%的盐酸,1~ 3%浓度为85%的磷酸;优选的,缓释营养浆通过以下方法制备:将原料混合,于100~150℃下反应30~70分钟,冷却至100℃以下备用;更优选的,冷却采用冰水浴进行;

和/或,凝固剂包括环己烷二亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯和碳酸乙烯酯中的任意一种或者多种;优选的,按重量百分比计,凝固剂包括:30~50%的环己烷二亚甲基二异氰酸酯,40~60%的六亚甲基二异氰酸酯和5~10%的碳酸乙烯酯;更优选的,将凝固剂在80~ 100℃混合均匀备用;

优选的,缓释营养浆与凝固剂的体积比为2.5~3∶1。

进一步地,步骤S4包括:先将保水层预热至65~75℃,再将缓释营养浆与凝固剂涂至保水层;优选的,缓释营养浆与凝固剂的涂层厚度为2~3mm。

根据本申请的另一个方面,提供了一种缓释保水复合材料,该缓释保水复合材料通过上述任一种的制备方法制备得到。

根据本申请的再一个方面,提供了一种缓释保水植生袋,其特征在于,缓释保水植生袋由上述的缓释保水复合材料制成。

根据本申请的又一个方面,提供了一种如上述的缓释保水植生袋在矿区排土场土壤中种植植物的应用。

进一步地,将缓释保水植生袋放入土壤中固定,种植植物后在3h内完成充分浇水。

应用本发明的技术方案,通过上述制备方法得到的缓释保水复合材料吸水快,储水量大,而且由于该材料具有孔隙,植物根系生长可以从中穿过,避免制成种植袋对植物根系的禁锢;本申请将缓释营养浆与凝固剂涂至保水层,营养物质释放的速度较慢,不仅适于植物稳定生长,而且能够用较少的营养物质投入就能长时间保持植物根系稳定的营养需求,避免了传统肥料施用时养分流失,较为节约高效。并且该缓释保水复合材料,降解速率快,质量持续下降,避免对土壤环境造成二次污染,也较传统粉末状吸水树脂保水剂更安全可靠。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:

图1示出了根据本发明的实施例1的吸水倍数与时间关系曲线图;

图2示出了根据本发明的实施例1的保水率与时间关系曲线;

图3示出了根据本发明的应用例1的修复植物存活率。

具体实施方式

需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如本申请背景技术所分析的,现有技术中存在矿区排土场土壤保水能力差、养分贫瘠,植物生长困难的问题,为了解决该问题,本申请提供了一种缓释保水复合材料和其制备方法、含有其的植生袋和应用。

根据本申请的一种典型的实施方式,提供了一种缓释保水复合材料的制备方法,该制备方法包括以下步骤:步骤S1,将纯棉坯布与溶剂、碱性水溶液、尿素混合,反应一段时间,得到预处理体系;步骤S2,向预处理体系中加入氯乙酸进行反应,反应完毕后,将纯棉坯布洗净、干燥,得到预处理的纯棉坯布;步骤S3,将预处理的纯棉坯布放入水中,将温度恒定在65~75℃,加入过引发剂、中和液进行接枝反应,冷却后,将坯布洗净、干燥,将干燥后的坯布用水煮沸,后进行干燥,得到保水层;步骤S4,将缓释营养浆与凝固剂涂至保水层,得到缓释保水复合材料。

通过上述制备方法得到的缓释保水复合材料吸水快,储水量大,而且由于该材料具有孔隙,植物根系生长可以从中穿过,避免制成种植袋对植物根系的禁锢;本申请将缓释营养浆与凝固剂涂至保水层,营养物质释放的速度较慢,不仅适于植物稳定生长,而且能够用较少的营养物质投入就能长时间保持植物根系稳定的营养需求,避免了传统肥料施用时养分流失,较为节约高效。并且该缓释保水复合材料,降解速率快,质量持续下降,避免对土壤环境造成二次污染,也较传统粉末状吸水树脂保水剂更安全可靠。

通过上述步骤S1、S2的处理,可以使纯棉坯布形成多孔结构,制备得到的预处理的坯布具有很好的吸水性和储水能力。相对于其他种类的布,比如土工布,纯棉坯布具有适宜的强度,便于植物根系生长,避免制成种植袋对植物根系的禁锢,而且容易降解,避免对土壤造成污染。作为起始原料的纯棉坯布可以从现有技术中进行选择,在本申请的一些实施例中,纯棉坯布为除去表面杂质后的干燥纯棉坯布,例如,通过水洗除去纯棉坯布表面的油剂等杂质,避免杂质对后续处理的影响。上述纯棉坯布的厚度可以根据需要进行选择,在本申请的一些优选的实施例中,纯棉坯布为500~800g/㎡,不仅具有较好的吸水和储水性能,且韧度适宜,使用方便,更优选的,纯棉坯布的厚度为14~15安,制得的保水层综合性能更佳。在一些实施例中,将纯棉坯布置于聚丙烯袋中进行反应,由于溶剂和溶剂中其他组分可以通畅的出入聚丙烯袋,将棉布平铺于袋中使棉布更为舒展,有利于增加棉布与反应体系的接触面积,提高反应效率,而且置于袋中,便于对棉布的打捞,避免操作过程中损坏棉布;可待后续的接枝反应结束之后再将布从袋中取出。本领域的技术人员应当可以理解,上述用于盛装纯棉坯布的袋子不局限于聚丙烯材质,具有类似性质的其他材质的袋子亦可。

上述溶剂的种类和用量可以从现有技术中进行选择,在本申请的一些实施例中,溶剂为无水乙醇,不仅对反应体系的各个组分有很好的溶解性,而且可以很好的透过聚丙烯袋,促进棉布形成多孔结构,其中,采用无水乙醇作为溶剂时,效果尤其突出。作为优选,浴比为1: 2.5~3,即纯棉坯布与溶剂的质量比为1:2.5~3,有利于提高反应速度和效果。

步骤S1中的碱性水溶液可以从现有技术中进行选择,比如选自氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液中的一种或者多种,优选的,碱性溶液的浓度为14~16%,优选的,碱性溶液的用量为纯棉坯布重量的4~5%。纯棉坯布在碱作用下,可以生成碱纤维素,目的在于破坏氢键,释放出更多的羟基,有利于提高其吸水性能。在一些实施例中,尿素的用量为纯棉坯布重量的0.1~0.3%。

在本申请的一些实施例中,步骤S1中反应的温度为35~40℃,具有较好的转化率和较为适宜的反应速度,作为优选,反应时间为20~30min。

在本申请的一些实施例中,上述步骤S2包括:向预处理体系中加入氯乙酸,将体系温度升高至40~45℃,反应20~30min,将体系温度升高至65~70℃,再反应40~50min,将反应体系冷却至室温,将坯布洗净、干燥,得到预处理的坯布,通过上述处理步骤,得到的预处理的坯布具有更多的孔结构,且孔结构更为均匀,有利于进一步提高保水层的吸水能力。作为优选,氯乙酸为浓度为14~16%的氯乙酸的乙醇溶液,更优选的,上述氯乙酸的乙醇溶液的用量为纯棉坯布重量的3~5%。

上述步骤S3对纯棉坯布进行接枝反应,提高保水层的吸水能力,在本申请的一些实施例中,步骤S3包括:将预处理坯布放入水中,浴比为1:2.5~3,将温度恒定在65~75℃,加入引发剂、中和液,搅拌均匀,冷却至室温后,将坯布洗净、干燥,将干燥后的坯布用水煮沸 2~2.5h,水煮完毕后,将坯布干燥至恒重,得到保水层,通过该步骤处理的保水层接枝效果更好,能够进一步提高保水层的吸水能力。作为优选,水煮过程中,每隔25~30分钟换一次水,可以更充分的除去布上未反应的原料或者杂质。在一些实施例中,上述氯乙酸为浓度为14~16%的氯乙酸的乙醇溶液,更优选的,所述氯乙酸的乙醇溶液的用量为所述纯棉坯布重量的3~5%。

在本申请的一些实施例中,上述中和液通过以下步骤制备:将盛有丙烯酸的容器在冰水浴中冷却,加入4~5%碳酸氢钠水溶液至中和度为70~80%,再加入交联剂,交联剂的加入量为丙烯酸质量的0.1~0.3%,搅拌均匀,得到中和液,通过上述步骤制备的中和液和上述预处理纯棉坯布的接枝效果更好,能够进一步提高保水层的吸水效果和储水能力。上述交联剂可以从现有技术中进行选择,比如N,N-亚甲基双丙烯酰胺。

上述缓释营养浆可以从现有技术中进行选择,本申请不做限定。在本申请的一些实施例中,按重量百分比计,缓释营养浆的原料包括:10~20%的玉米淀粉,20~30%的小麦秸秆炭, 10~20%的尿素,30~50%的碳酸乙烯酯,1~3%浓度为36%~38%的盐酸,1~3%浓度为85%的磷酸,其中小麦秸秆炭具有较小的密度、较大的比表面积及含有大量的含氧官能团等,加入土壤中可以降低土壤容重,增加土壤pH值、孔隙度和田间持水量,从而提高对养分的吸附能力和生物有效性,与此同时每公斤小麦秸秆炭含有有机碳670g、速效磷82.2mg、速效钾 1590mg,为植物生长提供稳定的磷源、钾源;尿素中含有丰富的酰胺态氮,酰胺态氮是在转换为铵态氮后被作物根系吸收,其转换是一个较缓慢的过程,因此在保证铵态氮效果的基础上,也不会造成“氨毒”现象,为植物提供了稳定的氮源;玉米淀粉在碳酸乙烯酯和磷酸、盐酸的作用下,使其羟基基团增多,反应活性增加,能够加快与凝固剂反应时固化成膜的速度。优选的,上述缓释营养浆通过以下方法制备:将上述原料混合,于100~150℃下反应30~ 70分钟,冷却至100℃以下备用,通过该方法制备的缓释营养浆中的羟基基团进一步增多,反应活性进一步增加,进一步加快了与凝固剂反应时固化成膜的速度,从而进一步提高缓释保水复合材料的生产效率以及营养缓释效果。述缓释营养浆的冷却方法可以参考现有技术,比如,采用冰水浴。

上述凝固剂可以从现有技术中进行选择,本申请不做限定。在本申请的一些实施例中,凝固剂包括环己烷二亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯和碳酸乙烯酯中的任意一种或者多种,这些凝固剂与缓释营养浆混合后固化效果好,且速度较快。作为优选,按重量百分比计,凝固剂包括:30~50%的环己烷二亚甲基二异氰酸酯,40~60%的六亚甲基二异氰酸酯和5~10%的碳酸乙烯酯,具有该组成的凝固剂的固化效果和速度进一步提高,尤其是与上述优选的缓释营养浆可以发挥协同作用,固化速度尤其好,更有利于营养物质的保持和缓慢释放,提高其利用率。在一些优选的实施方式中,将凝固剂在80~100℃下混合均匀备用,便于喷涂。在一些优选的实施例中,上述缓释营养浆与凝固剂的体积比为2.5~3∶1,便于喷涂,且固化效果好。

在一些实施例中,上述步骤S4包括:先将保水层预热至65~75℃,再将缓释营养浆与凝固剂涂至保水层,将保水层进行预热再进行喷涂,可以使缓释营养浆和凝固剂与保水层结合的更加均匀牢固。在一些实施例中,先将缓释营养浆和凝固剂混合均匀,再进行喷涂。在一些实施例中,缓释营养浆与凝固剂的涂层厚度为2~3mm,营养成分的含量比较适宜。

在本申请的另一种典型的实施方式中,提供了一种缓释保水复合材料,其特征在于,缓释保水复合材料通过上述任一种的制备方法制备得到。

本申请的缓释保水复合材料吸水快,储水量大,而且由于该材料具有孔隙,植物根系生长可以从中穿过,避免制成种植袋对植物根系的禁锢;本申请将缓释营养浆与凝固剂涂至保水层,营养物质释放的速度较慢,不仅适于植物稳定生长,而且能够用较少的营养物质投入就能长时间保持植物根系稳定的营养需求,避免了传统肥料施用时养分流失,较为节约高效。并且该缓释保水复合材料,降解速率快,质量持续下降,避免对土壤环境造成二次污染,也较传统粉末状吸水树脂保水剂更安全可靠。

根据本申请的再一种典型的实施方式,提供了一种缓释保水植生袋,其特征在于,缓释保水植生袋由上述的缓释保水复合材料制成。

上述缓释保水植生袋,由于其袋状结构,用较少的营养物质投入就能长时间保持植物根系稳定的营养需求,避免了传统肥料施用时养分流失,较为节约高效。并且该植生袋,降解速率快,质量持续下降,避免对土壤环境造成二次污染,较传统粉末状吸水树脂保水剂更安全可靠。

上述缓释保水植生袋由上述缓释保水复合材料按照使用需求进行裁剪,缝制成袋即可,对形状和大小不做限定。示例性的,种植草本种子裁剪为10cm×5cm,种植木本种子裁剪为 20cm×10cm,种植木本一、二年生苗裁剪为40cm×20cm,把裁剪好的复合材料沿着长边对折进行缝制,得到5cm×5cm、10cm×10cm、20cm×20cm规格的植生袋。

根据本申请的有一种典型的实施方式,提供了一种如上述的缓释保水植生袋在矿区排土场土壤中种植植物的应用。

由于本申请的缓释保水植生袋储水量大,保水性能强,可以保证常见植物对水分的需要,营养缓释层能保持根系周围土壤营养元素含量,使用后能够显著改善周围土壤的营养成分,在根系范围内保持了植物生长所需要的水分和养分条件,提高了所种植植物的成活率。该高保水缓释肥植生袋降解速率快,质量持续下降,不会对环境产生不利影响,使其尤其适用于在矿区排土场土壤中种植植物的应用,有助于矿区排土场土壤的修复。

上述缓释保水植生袋的使用,可以参考现有技术,在一些实施例中,将缓释保水植生袋放入土壤中固定,种植植物后在3h内完成充分浇水,植物成活率更高。

下面将结合实施例和对比例进一步说明本申请可以实现的有益效果。

实施例1

1)选用14.5安纯棉坯布水洗除去表面的油剂等杂质后干燥。将处理好的坯布装入聚丙烯袋中,加入无水乙醇作为溶剂,浴比为1:3,按照坯布质量的5%加入质量分数为15%的氢氧化钠水溶液和0.2%的尿素,40℃下反应30min。接着按照坯布质量的5%加入质量分数为15%的氯乙酸的乙醇,提高温度到40℃反应20min。接着将温度提高到70℃下反应50min。冷却至室温后,将坯布和聚丙烯袋一起用蒸馏水洗净、干燥。

2)配制中和液,将4~7倍坯布质量的丙烯酸于烧杯中,置于冰水浴中冷却,加入5%碳酸氢钠水溶液至中和度为70%。按照丙烯酸质量的0.2%加入N,N,-亚甲基双丙烯酰胺,搅拌均匀。

3)将坯布和聚丙烯袋加入蒸馏水,浴比为1∶3,将温度恒定在70℃,加入坯布质量5%的过硫酸钾,加入配制好的中和液,搅拌均匀。冷却至室温后将坯布从聚丙烯袋中取出,用蒸馏水洗净、干燥;置于蒸馏水中煮沸2h,半小时换一次水,然后干燥至恒重,即为保水层。

精确称量保水层材料10g,置于尼龙袋中放入装有过量纯水的烧杯,从实验开始间隔1min、 2min、4min、6min、8min、10min、30min、60min、120min、240min、360min、480min、600min 分别测量吸水后保水层材料质量。注意测量时将尼龙袋从烧杯中捞起后放在170目的标准筛上静置30秒至无液滴滴下后再称量,按式1计算不同时间点的吸水倍数并绘图,如图1。

式1中,Q为吸水倍率,g/g;m

精确称量保水层材料100g,将其放入装有过量超纯水的烧杯中吸水24h,然后分为两组,一组放在30℃常压下170目的标准筛上静置,每隔一段时间称其质量,另一组放在30℃、2kPa 压力下在170目的标准筛上静置,每隔一段时间称其质量,用式2计算保水率并绘图,如图2。

式2中,S为保水率,%;m

保水层材料在1min内可吸收近160.2g/g的蒸馏水,达饱和吸附量的一半,具有很强的快速吸水能力。保水层材料在吸水360min时,吸水倍数已经达到了一个基本稳定接近饱和的状态,最大吸水倍数为322.6g/g,具有较高的饱和吸水量。

保水层材料在有无压强下保水性都较好,在30℃,24h后仍能分别保持近80%和60%的水分,这说明保水层材料不仅吸水速度快,而且在一定压强下的保水性也很好。

应用例1

配置缓释营养浆:其组分按重量百分比计为:20%玉米淀粉,小麦秸秆炭20%,尿素15%,碳酸乙烯酯40%,浓度为36%盐酸3%,浓度为85%磷酸2%,将上述原料混合均匀,在120℃下反应60分钟,用冰水浴冷却至约100℃即可使用。

配置凝固剂:其组分按重量百分比计为:环己烷二亚甲基二异氰酸酯40%,六亚甲基二异氰酸酯55%,5%碳酸乙烯酯在100℃均匀混合即可使用。

分别将实施例1和对比例1制得的保水层预热至70℃,然后将上述缓释营养浆与凝固剂按照3∶1的体积比混合后,喷涂到保水层使其固化成营养缓释层,喷涂厚度为3mm,所得材料为养分缓释保水复合材料。将上述材料裁剪后缝制成相应的植生袋。植生袋的规格分别为 20cm×20cm、5cm×5cm,其中柠条锦鸡儿、沙棘两种采用两年生木本苗采用20cm×20cm的植生袋,斜茎黄耆、紫花苜蓿两种草本采用5cm×5cm的植生袋。

场地选择矿区内排土场,其土壤均为复填土,因排土车辆碾压较紧密。场地土壤颗粒中,粘粒组成占12.25%-18.34%,砂粒组成占34.9%-45.0%,粉砂砾组成占42.7%-46.8%,质地属于三大土壤类型中的“壤土”。

为避免地形因素对试验结果的影响,选择地形条件一致且相对平缓的9块样地,样地面积均为10m

表1

从表1可以看出,使用实施例1的复合植生袋和对照样地的土壤湿度随着时间增加而逐渐减小,各个时期复合植生袋样地含水量均比高于对照。实施例1的复合植生袋土壤含水率 50d后才降到15%以下,而对照样地第30d就降到15%以下,能保证常见植物对水分的需要。复合材料植生袋内土壤比对照样地土壤碱解氮、有效磷、速效钾成倍提高,碱解氮提高了6 倍,有效磷提高了11倍,速效钾提高了4倍,随着时间的增加碱解氮和速效钾的含量逐渐增加。

从图3可以看出,使用了复合植生袋种植的植物所有时间段成活率都高于对照,其中对照组在30d后成活率快速下降。灌木柠条锦鸡儿在60d的成活率低于15%,斜茎黄耆、紫花苜蓿两种草本植物的成活率低于5%;使用了复合植生袋种植的沙棘、柠条锦鸡儿两种灌木在 60d的成活率高于60%,成活率为对照的6倍。斜茎黄耆、紫花苜蓿两种草本在60d的成活率高于40%,成活率为对照的8倍。

从以上的描述中,可以看出,本发明上述的实施例实现了如下技术效果本发明所述一种矿区排土场修复的高保水缓释肥植生袋,可快速吸收水分,保水层材料在1min内可吸收近160.2g/g的水;储水量大,最大吸水倍数为322.6g/g;保水性能强,可以在50天内保证常见植物对水分的需要。并且能保持根系周围土壤营养元素,满足植物生长对氮磷钾的需求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

技术分类

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