CN118767909B - 一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及催化剂技术领域,具体公开了一种用于氨氧化反应合成2‑氰基吡啶的催化剂及其制备方法与应用。本申请提供的催化剂包括以下组分:ZrO2改性α‑Al2O3载体、V2O5、SnO2和助剂,所述ZrO2改性α‑Al2O3载体中,ZrO2的质量分数为0.5‑10%;所述V2O5在载体中的质量负载量为5‑15%;所述SnO2在载体中的质量负载量为0.5‑5%;本申请还提供了上述催化剂的制备方法以及其在2‑烷基吡啶氨氧化合成2‑氰基吡啶工艺中的应用。本申请提供的催化剂具有选择性好、收率高等的优点,能够大大降低2‑甲基吡啶氨氧化合成2‑氰基吡啶的生产成本。
Description
技术领域
本申请涉及催化剂技术领域,具体涉及一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂及其制备方法与应用。
背景技术
2-氰基吡啶能够用于制备羧酸、酰胺、有机胺等精细化学品,是一种重要的有机合成中间体和药物前体,在农药、医药、食品、香料及养殖业中具有广泛的应用;目前,2-甲基吡啶氨氧化合成2-氰基吡啶是制备2-氰基吡啶的重要途径。
氨氧化合成2-氰基吡啶所用催化剂主要为钒系催化剂。例如,某公司生产的TiO2负载V2O5和MoO3催化剂,利用其催化2-甲基吡啶氨氧化合成2-氰基吡啶,得到的2-氰基吡啶收率在86%-91%、2-氰基吡啶的选择性最高仅为76%;还有文献报道一种以钒氧化物为主催化剂、以其他的过渡金属氧化物、非金属氧化物为助剂负载在TiO2上得到催化剂,虽然该类催化剂能够使原料转化率接近100%,但目标产物的质量收率最高仅为90.04%。因此,目前用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂存在选择性差、质量收率低、稳定性不佳等一个或多个问题。
发明内容
针对现有的氨氧化反应合成2-氰基吡啶所用催化剂存在的选择性差、收率低等问题,本申请提供一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂及其制备方法与应用。
第一方面,本申请提供一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂,采用如下的技术方案:
一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂,包括以下组分:ZrO2改性α-Al2O3载体、V2O5、SnO2和助剂,
所述ZrO2改性α-Al2O3载体中,ZrO2的质量分数为0.5-10%;
所述V2O5在载体中的质量负载量为5-15%;所述SnO2在载体中的质量负载量为0.5-5%。
本申请以ZrO2改性α-Al2O3作为载体,V2O5和SnO2作为活性组分,从而制备出一种催化效率高、选择性好、稳定性优异的氨氧化反应催化剂。将该催化剂用于2-甲基吡啶氨氧化反应合成2-氰基吡啶,能够使-甲基吡啶合成2-氰基吡啶的选择性达到82.0%以上,质量收率达到92.0%以上。
可选地,所述ZrO2改性α-Al2O3载体中,ZrO2的质量分数为1-5%。
本申请通过试验探究发现,进一步将ZrO2改性α-Al2O3载体中ZrO2的质量分数控制在上述范围内,制得的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂的催化效率更高,氨氧化反应合成2-氰基吡啶的选择性达到83.0%以上,质量收率达到93.0%以上。
在一些实施方案中,所述ZrO2改性α-Al2O3载体中,ZrO2的质量分数可以为0.5-1%、0.5-3%、0.5-5%、0.5-8%、0.5-10%、1-3%、1-5%、1-8%、1-10%、3-5%、3-8%、3-10%、5-8%、5-10%或8-10%。
在一个具体的实施方案中,所述ZrO2改性α-Al2O3载体中,ZrO2的质量分数还可以为0.5%、1%、3%、5%、8%或10%。
可选地,所述SnO2在载体中的质量负载量为1.3-3.8%。
本申请中,SnO2在载体中的质量负载量会影响催化剂的使用性能,本申请通过实验探究发现,将SnO2在载体中的质量负载量控制在上述范围内,获得的催化剂能够使氨氧化反应合成2-氰基吡啶的选择性达到84.0%以上,质量收率达到94.0%以上。
在一些实施方案中,所述SnO2在载体中的质量负载量可以为0.5-1.3%、0.5-2.6%、0.5-3.8%、0.5-5%、1.3-2.6%、1.3-3.8%、1.3-5%、2.6-3.8%、2.6-5%或3.8-5%。
在一个具体的实施方案中,所述SnO2在载体中的质量负载量还可以为0.5%、1.3%、2.6%、3.8%或5%。
可选地,所述助剂选自TiO2、MoO3、Sb2O3和P2O5中的一种或多种。
本申请中,通过向用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂中加入助剂,能够改善催化剂的催化性能,提高催化剂的稳定性,并且使催化剂易于再生使用,大大降低氨氧化反应合成2-氰基吡啶的生产成本。
可选地,所述ZrO2改性α-Al2O3载体的制备方法,包括以下步骤:
(1)将拟薄水铝石在1000-1300℃下煅烧3-6h,得到α-Al2O3粉末;
(2)再将ZrO2、粘合剂以及α-Al2O3混合并挤压成型,得到固体颗粒;
(3)最后将固体颗粒在400-700℃下煅烧5-7h,得到ZrO2改性α-Al2O3载体。
本申请提供了一种ZrO2改性α-Al2O3载体的制备方法,利用上述方法改性获得的载体使制备的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂在氨氧化反应中显示出更高的活性和稳定性。
可选地,所述粘合剂选自田菁粉、羟甲基纤维素、高粘土、铝溶胶和硅溶胶中的一种或多种。
本申请提供的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂具有可再生性,其反应失活后,在500-700℃下煅烧可恢复其活性。
本申请中,由于氨氧化反应催化剂在经过氨氧化反应后会失活,失活后的催化剂内部会积碳,同时失活的过程中V5+被还原至低价V;本申请通过将失活后的催化剂500-700℃下煅烧,能够使催化剂内部的积碳会燃烧分解,同时低价V又被重新氧化至V5+,催化剂重新恢复其活性,并能够用于氨氧化反应的催化。
本申请中,当再生煅烧的温度过低、时间过短时,失活的氨氧化反应催化剂中的积碳无法完全燃烧;而当再生煅烧的温度过高、时间过长时,活性组分会出现团聚,导致氨氧化反应催化剂的性能下降。因此,本申请通过试验探究发现,进一步将再生煅烧的温度与时间控制在上述范围内,能够保证氨氧化反应催化剂充分恢复其活性,并具备优异的催化性能。
第二方面,本申请提供一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂及其制备方法。
一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)向质量浓度为5-20%的草酸溶液中加入V2O5或偏钒酸铵,搅拌溶解;然后加入SnO2,混合均匀后加入助剂,搅拌均匀,获得混合液;
(2)将ZrO2改性α-Al2O3载体在所述混合液中浸渍,然后在60-90℃旋蒸,90-150℃干燥,400-700℃煅烧3-6h,获得用于氨氧化制备3-氰基吡啶的催化剂。
可选地,所述浸渍采用多次浸渍,除混合液组成与煅烧温度不同以外,其他操作和参数与(1)~(2)均相同,直到达到所需负载量。
本申请中,偏钒酸铵为前驱体盐,其在煅烧过先后会能够转变为V2O5;因此在氨氧化反应催化剂的制备方法中,可以加入V2O5或者偏钒酸铵。
第三方面,本申请提供的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂在2-甲基吡啶氨氧化合成2-氰基吡啶工艺中的应用。
第四方面,本申请提供一种2-甲基吡啶氨氧化合成2-氰基吡啶的工艺,包括以下步骤:将所述用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂装入反应器中,连续通入2-甲基吡啶、氨气与氧气,在350-390℃下进行反应。
本申请中,反应器的尺寸为内径25mm,长1200mm,催化剂的装填量0.05-0.1L,空速为400-2000h-1,反应温度为350-390℃。
综上所述,本申请具有以下有益效果:
1.本申请以ZrO2改性α-Al2O3作为载体,V2O5和SnO2作为活性组分,制备出一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂,利用该氨氧化反应催化剂催化2-甲基吡啶合成2-氰基吡啶,能够使选择性达到82.0%以上,质量收率达到92.0%以上。
2.本申请进一步将ZrO2改性α-Al2O3载体中,ZrO2的质量分数控制在1-5%之间,制得的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂的选择性更好、催化效果更佳,能够使氨氧化反应合成2-氰基吡啶的选择性达到83.0%以上,质量收率达到93.0%以上。
3.本申请进一步将SnO2在载体中的质量负载量控制在1.3-3.8%范围内,获得的催化剂能够使氨氧化反应合成2-氰基吡啶的选择性达到84.0%以上,质量收率达到94.0%以上。
4.本申请提供的氨氧化反应催化剂具有可再生性,失活后的氨氧化反应催化剂在500-700℃下经过煅烧后,能够恢复其活性,并且再生后依然具备优异的催化效果。
具体实施方式
第一方面,本申请提供一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂,包括以下组分:ZrO2改性α-Al2O3载体、V2O5、SnO2和助剂,所述ZrO2改性α-Al2O3载体中,ZrO2的质量分数为0.5-10%;所述V2O5在载体中的质量负载量为5-15%;所述SnO2在载体中的质量负载量为0.5-5%。进一步地,所述ZrO2改性α-Al2O3载体中,ZrO2的质量分数为1-5%,所述SnO2在载体中的质量负载量为1.5-3.5%。所述助剂选自TiO2、MoO3、Sb2O3和P2O5中的一种或多种。
上述ZrO2改性α-Al2O3载体的制备方法,包括以下步骤:
(1)将拟薄水铝石在1000-1300℃下煅烧3-6h,得到α-Al2O3粉末;
(2)再将ZrO2、粘合剂以及α-Al2O3混合并挤压成型,得到固体颗粒;
(3)最后将固体颗粒在400-700℃下煅烧5-7h,得到ZrO2改性α-Al2O3载体。
第二方面,本申请提供一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)向质量浓度为5-20%的草酸溶液中加入V2O5或偏钒酸铵,搅拌溶解;然后加入SnO2,混合均匀后加入助剂,搅拌均匀,获得混合液;
(2)将ZrO2改性α-Al2O3载体在所述混合液中浸渍,然后在60-90℃旋蒸,90-150℃干燥,400-700℃煅烧3-6h,获得用于氨氧化制备3-氰基吡啶的催化剂。
上述步骤(2)中,浸渍可以采用多次浸渍,除混合液组成与煅烧温度不同以外,其他操作和参数与(1)~(2)均相同,直到达到所需负载量。
第三方面,本申请提供一种2-甲基吡啶氨氧化法合成2-氰基吡啶的方法,包括以下步骤:在内径为25mm、长1200mm不锈钢的固定床反应器中装填所述用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂,然后通入2-甲基吡啶、氨气与氧气,在350-390℃下进行反应;其中,催化剂的装填量为0.05-0.1L,空速为400-2000m3/h;按空气折算(空气中氧含量为20%),2-甲基吡啶:氨:氧=1:(1.2-5):(6-20)。
本申请中,拟薄水铝石的纯度≥99.95%,购自扬州中天利新材料股份有限公司;ZrO2粉末通过商购获得,纯度≥99%;V2O5和SnO2粉末通过商购获得,纯度≥99%;偏钒酸铵通过商购获得,纯度≥99%;田菁粉购自北京海富达科技有限公司;其余原料、试剂、溶剂等均可通过商购获得。
以下结合制备例、实施例及性能检测试验对本申请作进一步详细说明。
制备例1-6
制备例1-6分别提供一种ZrO2改性α-Al2O3载体。
上述制备例的不同之处在于:ZrO2改性α-Al2O3载体中,ZrO2的质量分数,具体如下表1所示。
制备例1-6提供的ZrO2改性α-Al2O3载体的制备方法,包括以下步骤:
(1)将拟薄水铝石在1100℃下煅烧4h,得到α-Al2O3粉末;
(2)再将ZrO2粉末、田菁粉以及α-Al2O3粉末混合并挤压成型,得到粒径为3-8mm的固体颗粒;
(3)最后将固体颗粒在500℃下煅烧6h,得到ZrO2改性α-Al2O3载体。
表1制备例1-6提供的ZrO2改性α-Al2O3载体中各组分的添加量
对比制备例1
对比制备例1提供一种ZrO2改性α-Al2O3载体。
上述对比制备例与制备例3的不同之处在于:ZrO2改性α-Al2O3载体中,ZrO2的质量分数为12%。
对比制备例1的制备方法中,ZrO2粉末的添加量为12g、田菁粉的添加量为10g以及α-Al2O3粉末78g。
实施例1-6
实施例1-6分别提供一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂。
上述实施例的不同之处在于:用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂中的载体分别来源于制备例1-6。
实施例1-10提供的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将11.2g草酸溶于50g水中,于60℃下溶解,然后加入7.0g偏钒酸铵溶解,再加入1.9g SnO2溶解,接着加入0.67gTiO2,搅拌混合30min得到混合液。
(2)将50g ZrO2改性α-Al2O3载体在所述混合液中浸渍,然后在90℃旋蒸,125℃干燥12h,600℃煅烧3h,获得用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂。
实施例7-10
实施例7-10分别提供一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂。
上述实施例与实施例3的不同之处在于:SnO2在载体中的质量负载量,具体如下表2所示。
表2实施例3、实施例7-10提供的催化剂中SnO2在载体中的质量负载量
实施例11
实施例11供一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂。
上述用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂的制备方法为:将实施例9应失活后的催化剂在600℃下煅烧4h,获得再生的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂。
对比例1
对比例1提供一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂。
上述实施例与实施例3的不同之处在于:用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂中的载体来源于对比制备例1。
对比例2
对比例2提供一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂。
上述实施例与实施例3的不同之处在于:将ZrO2改性α-Al2O3载体替换为α-Al2O3。
上述α-Al2O3的制备方法为:
(1)将拟薄水铝石在1200℃下煅烧4h,得到α-Al2O3粉末;
(2)再将田菁粉10g与α-Al2O3粉末87g混合并挤压成型,得到粒径为3-8mm的固体颗粒;(3)最后将固体颗粒在500℃下煅烧6h,得到α-Al2O3。
对比例3
对比例3提供一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂。
上述实施例与实施例3的不同之处在于:将ZrO2改性α-Al2O3载体替换为SiO2改性α-Al2O3载体。
上述SiO2改性α-Al2O3载体的制备方法为:
(1)将拟薄水铝石在1100℃下煅烧4h,得到α-Al2O3粉末;
(2)再将3g SiO2粉末、10g田菁粉以及87gα-Al2O3粉末混合并挤压成型,得到粒径为3-8mm的固体颗粒;
(3)最后将固体颗粒在500℃下煅烧6h,得到SiO2改性α-Al2O3载体。
对比例4
对比例4提供一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂。
上述实施例与实施例3的不同之处在于:用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂中,SnO2在载体中的质量负载量为0。
对比例5
对比例5提供一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂。
上述实施例与实施例3的不同之处在于:用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂中,SnO2在载体中的质量负载量为6%。
应用例1-11
应用例1-11别提供一种2-甲基吡啶氨氧化合成2-氰基吡啶的工艺。
上述应用例的不同之处在于:2-甲基吡啶氨氧化合成2-氰基吡啶的工艺中,用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂分别来源于实施例1-11。
上述2-甲基吡啶氨氧化合成2-氰基吡啶的工艺,包括以下步骤:在内径为25mm、长1200mm不锈钢制的固定床反应器中装填用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂,然后向反应器中连续通入2-甲基吡啶、氨气与氧气,在370℃下进行反应,制备2-氰基吡啶。其中,催化剂的装填量为0.05L,空速为1000m3/h,3-甲基吡啶:氨:氧(按空气折算)=1:2:10对比应用例1-5
对比应用例1-5分别提供一种2-甲基吡啶氨氧化合成2-氰基吡啶的工艺。
上述对比应用例与应用例3的不同之处在于:2-甲基吡啶氨氧化合成2-氰基吡啶的工艺中,用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂分别来源于对比例1-5。
性能检测试验
按照应用例1-11及对比应用例1-5的方法合成2-氰基吡啶,连续反应运行1周,记录2-氰基吡啶选择性与质量收率,并根据转化率与质量收率来评价各催化剂的使用效果。结果如下表3所示。
2-氰基吡啶选择性与质量收率的计算公式如下:
选择性={出料中2-氰基吡啶质量分数×出料量/104.11}/(2-甲基吡啶进料量-出料量×出料中2-甲基吡啶的质量分数)/93.127}×100%
质量收率=(出料量×出料中2-氰基吡啶的质量分数/2-甲基吡啶进料量)×100%
表3实施例1-11与对比例1-5提供的催化剂的使用效果检测结果
根据表3的检测结果可知,利用本申请实施例1-11制得的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂催化2-甲基吡啶合成2-氰基吡啶,2-氰基吡啶的选择性能够达到82%以上,质量收率达到92%以上。而利用对比例1-5制得的催化剂催化2-甲基吡啶合成2-氰基吡啶,2-氰基吡啶的选择性仅为73.8-80.3%,质量收率为86.5-91.3%。因此,说明本申请提供的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂具有很好的选择性与催化效率,将其用于氨氧化合成2-氰基吡啶的生产工艺中,能够节省原料,大大降低2-氰基吡啶的生产成本。
应用例1-6的检测结果可知,随着ZrO2改性α-Al2O3载体中,ZrO2的质量分数的增加,制得的催化剂的选择性与质量收率呈现先升高后降低的趋势。进一步对比发现,应用例2-4中2-氰基吡啶的选择性为83.6-84.2%(≥83%),质量收率为93.6-94.7%(≥93%);而应用例1、应用例5-6的选择性为82.1-82.7%,收率为92.3-93.2%。因此,说明本申请进一步将ZrO2改性α-Al2O3载体中,ZrO2的质量分数控制在1-5%之间,制得的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂的选择性更好、催化效果更佳,能够使氨氧化反应合成2-氰基吡啶的选择性达到83.0%以上,质量收率达到93.0%以上。
应用例3、应用例-10的检测结果可知,随着催化剂中活性成分SnO2质量分数的增加,制得的催化剂的选择性呈现先升高后降低的趋势,质量收率呈现先升高后基本保持不变的趋势。进一步对比发现,应用例3、应用例8-9中2-氰基吡啶的选择性为84.2-85.1%(≥84%),质量收率为94.0-94.4%(≥94%);而应用例7中2-氰基吡啶的选择性仅为83.4%,应用例10中2-氰基吡啶的选择性仅为83.8%。因此,说明本申请进一步将SnO2在载体中的质量负载量控制在1.3-3.8%范围内,获得的催化剂能够使氨氧化反应合成2-氰基吡啶的选择性达到84.0%以上,质量收率达到94.0%以上。
应用例9、应用例11的检测结果可知,应用例11采用应用例9反应失活再生的催化剂重新进行氨氧化催化反应,2-氰基吡啶的选择性与质量收率稍有下降,但选择性任然在84%以上,质量收率仍然在93%以上,完全符合使用要求。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶的催化剂,其特征在于,包括以下组分:ZrO2改性α-Al2O3载体、V2O5、SnO2和助剂,
所述ZrO2改性α-Al2O3载体中,ZrO2的质量分数为0.5-10%;
所述V2O5在载体中的质量负载量为5-15%;所述SnO2在载体中的质量负载量为0.5-5%。
2.根据权利要求1所述的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂,其特征在于,所述ZrO2改性α-Al2O3载体中,ZrO2的质量分数为1-5%。
3.根据权利要求1所述的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂,其特征在于,所述SnO2在载体中的质量负载量为1.5-3.5 %。
4.根据权利要求1所述的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂,其特征在于,所述助剂选自TiO2、MoO3、Sb2O3和P2O5中的一种或多种。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂,其特征在于,所述ZrO2改性α-Al2O3载体的制备方法,包括以下步骤:
(1)将拟薄水铝石在1000-1300℃下煅烧3-6h,得到α-Al2O3粉末;
(2)再将ZrO2、粘合剂以及α-Al2O3混合并挤压成型,得到固体颗粒;
(3)最后将固体颗粒在400-700℃下煅烧5-7 h,得到ZrO2改性α-Al2O3载体。
6.根据权利要求5所述的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂,其特征在于,所述粘合剂选自田菁粉、羟甲基纤维素、高粘土、铝溶胶和硅溶胶中的一种或多种。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)向质量浓度为5-20%的草酸溶液中加入V2O5或偏钒酸铵,搅拌溶解;然后加入SnO2,混合均匀后加入助剂,搅拌均匀,获得混合液;
(2)将ZrO2改性α-Al2O3载体在所述混合液中浸渍,然后在60-90℃旋蒸,90-150℃干燥,400-700℃煅烧3-6 h,获得用于氨氧化制备3-氰基吡啶的催化剂。
8.根据权利要求7所述的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂的制备方法,其特征在于,所述浸渍采用多次浸渍,除混合液组成与煅烧温度不同以外,其他操作和参数与(1)~(2)均相同,直到达到所需负载量。
9.一种如权利要求1-6中任一项所述的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂在2-甲基吡啶氨氧化合成2-氰基吡啶工艺中的应用。
10.一种2-甲基吡啶氨氧化合成2-氰基吡啶的工艺,其特征在于,包括以下步骤:将权利要求1-6中任一项所述的用于氨氧化反应合成2-氰基吡啶催化剂装入反应器中,连续通入2-甲基吡啶、氨气与氧气,在350-390℃下进行反应。
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