Membranes : un affinage à mettre en place pour améliorer la qualité de l'eau

30 avril 2009 Paru dans le N°321 à la page 57 ( mots)

Rédigé par : Marie-odile MIZIER

À l'état brut, l'eau contient des micro-organismes issus de l'activité biologique naturelle. Certains d'entre eux, lorsqu'ils sont ingérés, sont pathogènes pour l'homme. Ils peuvent entraîner des maladies d'origine microbienne et constituent à ce titre un risque sanitaire important. Leur résistance aux traitements de désinfection classiques impose aux traiteurs d'eau la maîtrise de ces risques. Lorsque le chlore ne suffit pas, la solution la plus efficace est la mise en oeuvre d'une barrière physique de type membranaire. Une technique qui permet également de lutter contre les problèmes d'odeur entraînés par la détérioration des eaux de surface.

Réalisé par , Technoscope

[Photo : Usine de production d'eau potable Dekalb Jackson, États-Unis (11.700 m³/jour). Réalisation Westech-Polymem]

À l’état brut, l’eau contient des micro-organismes issus de l'activité biologique naturelle. Certains d’entre eux, lorsqu’ils sont ingérés, sont pathogènes pour l'homme. Ils peuvent entraîner des maladies d’origine microbienne et constituent à ce titre un risque sanitaire important. Leur résistance aux traitements de désinfection classiques impose aux traiteurs d’eau la maîtrise de ces risques. Lorsque le chlore ne suffit pas, la solution la plus efficace est la mise en œuvre d’une barrière physique de type membranaire. Une technique qui permet également de lutter contre les problèmes d’odeur entraînés par la détérioration des eaux de surface.

Un communiqué de l'INVS (Institut de Veille sanitaire) daté d'août 2008 souligne qu’au cours des dix dernières années une dizaine d’épidémies d'origine hydrique ont été détectées en France. Toutes se caractérisent par la contamination du réseau d’eau potable et ont exposé selon la ville une population de 1 000 à 600 000 personnes, contaminant en moyenne plus d’un millier de personnes à chaque épidémie. Il s’agissait dans tous les cas d’épidémies de gastro-entérites aiguës.

[Photo : Afig Foessel conçoit, développe et commercialise des osmoseurs adaptés aux besoins spécifiques de ses clients industriels pour leurs usages en eau de process.]

Avec un seuil de coupure situé autour de 10 nm, la membrane d'ultrafiltration (UF) est une très bonne barrière vis-à-vis des grosses particules et des micro-organismes et ce, sans toucher à l’équilibre calco-calcique.

Mettant en cause Cryptosporidium sp., mais aussi Campylobacter et des rotavirus, signe d'une contamination fécale de l'eau. En remontant la chaîne des événements susceptibles d’être à l’origine du problème, plusieurs hypothèses peuvent être à la source de cette contamination au niveau :

de la ressource dans 77 % des cas, polluée par les eaux de ruissellement souillées par les lisiers ou les eaux usées en cas d’inondation par exemple ;
du réseau de distribution pour 20 % des cas, provoqués par des retours d’eau contaminée sur le réseau de distribution d’eau potable.

L'analyse de ces cas a montré que toutes les épidémies arrivées par des contaminations en amont de l'usine sont liées à une insuffisance de traitement. La chloration est souvent mise en cause. Mais la sensibilité des agents pathogènes au chlore est très variable. Si la plupart des bactéries y sont très sensibles, certains parasites comme Cryptosporidium présentent une résistance élevée au chlore et ne peuvent être maîtrisés par les méthodes classiques d’hygiénisation de l'eau. D'où la mise en œuvre d'autres types de traitement, comme la filtration par membranes. En quinze ans, la technologie membranaire a augmenté d'un facteur dix le flux de filtration. Les prix ont baissé, la taille des équipements s'est réduite. Les technologies membranaires ont gagné en maturité et s'imposent comme véritables technologies de séparation. Leur force principale est qu’elles fonctionnent sans ajout de produits chimiques, hors ceux de lavage des membranes, avec une consommation d'énergie relativement faible. Ces caractéristiques font de ces techniques une solution compétitive face aux techniques plus conventionnelles.

Une barrière étanche aux micro-organismes

Avec un seuil de coupure situé autour de 10 nm, la membrane d'ultrafiltration (UF) est une très bonne barrière vis-à-vis des grosses particules et les micro-organismes et ce, sans toucher à l’équilibre calco-calcique. La membrane agit comme un filtre. Elle laisse passer l'eau et retient les solides en suspension, les bactéries et les virus. La filtration sur membrane peut être utilisée comme une alternative à la floculation, aux techniques de purification telles que la filtration sur sable comme le font les Anglo-Saxons sur les filières courtes. Elle peut également compléter ces traitements comme c’est le cas en France où elle se positionne en général en affinage.

Degrémont Technologies-Aquasource fabrique des membranes d'ultrafiltration depuis sa création en 1984. Cette filiale de Degrémont travaille avec deux types de matériaux : le triacétate de cellulose et le polysulfone hydrophile. Pour Christophe Cassant, Directeur général de Degrémont Technologies-Aquasource, « La contrepartie de l'hydrophilie naturelle du matériau triacétate de cellulose, par rapport aux autres matériaux membranaires, est une moindre tolérance aux extrêmes de pH, et... »

[Encart : Des micro-organismes à l'origine des épidémies hydriques Les principaux micro-organismes susceptibles d’être à l'origine d'une épidémie hydrique sont des microorganismes d’excrétion fécale chez l'homme ou l’animal, parmi lesquels figurent des virus, principalement les virus entériques (norovirus, rotavirus…) et des virus ne se manifestant pas par un syndrome gastro-entéritique comme le virus de l'hépatite A, des bactéries (Campylobacter, Salmonella, Shigella, Yersinia enterocolitica, Escherichia coli producteurs de shigatoxines ‑ STEC…), ainsi que des parasites (Cryptosporidium et Giardia, Toxoplasma).]

[Encart : Récupérer 50 % des rejets d’osmose Après plusieurs étapes de prétraitement visant à débarrasser l'eau de ses cations bivalents responsables du tartre, des matières en suspension et des matières colloïdales dotées d'un pouvoir colmatant, parmi toutes les techniques membranaires, l’osmose inverse reste le meilleur moyen d'éliminer la charge minérale de l'eau ainsi que les microorganismes présents. L'osmose inverse met en œuvre des membranes semi-perméables qui laissent passer l'eau alors qu’elles retiennent 90 à 99 % de tous les éléments minéraux dissous, 95 à 99 % de la plupart des éléments organiques, et 100 % des matières colloïdales les plus fines (bactéries, virus, silice colloïdale…). « Dans le cadre d'une démarche écologique dictée par le corporate, un site industriel appartenant à un grand groupe pharmaceutique mondial a confié à Permo la mise en place d'un procédé de traitement des rejets de sa station d'eau purifiée existante, explique Samah Ringa, Responsable de l'activité Pharma et Biotech. Le site était équipé de deux lignes parallèles d’osmose inverse pour produire de l'eau conforme aux normes de la pharmacopée européenne. Dans le cadre de la démarche HE globale de l'industrie, nous avons proposé de retraiter les rejets d'osmose. Concrètement cette opération a permis de récupérer 50 % de ses rejets d'eau. » Permo intègre dans ses solutions l'osmose inverse car c'est un procédé économique et écologique : il permet de réduire les rejets de ses installations et de diminuer les consommations en eau d'alimentation. L'osmose inverse optimise par voie de conséquence le rendement de ses procédés pour atteindre les 90 %.]

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Les membranes sont aussi très présentes dans l’industrie

La production d'eau de procédé en amont du site industriel et le traitement des eaux résiduaires avant rejet ou recyclage dans le procédé sont les deux applications principales du traitement des eaux par membranes dans l'industrie. « Les membranes utilisées assurent des tâches d'ultrafiltration et d’osmose inverse, plus rarement d’électrodéionisation (EDI) », assure Sylvie Baig, coordinatrice de la plateforme Recherche et Innovation pour l'industrie (R2I) de Suez Environnement, une plateforme dirigée par Ondeo Industrial Solutions.

De nombreux secteurs industriels appliquent la séparation membranaire pour la production d’eau de procédé. En agro-alimentaire, Lactalis, sur son site de Rodez, produit 100 m³/h d'eau de qualité alimentaire à l'aide d’une membrane d’ultrafiltration. Le secteur de la pâte & papier, dont le cycle de l'eau impacte la qualité du papier, met en œuvre des filières de traitement basées sur l'ultrafiltration et l'osmose inverse pour assurer cette qualité. Pour ce secteur, Ondeo IS commercialise l'unité compacte membranaire UCM d'Infileo pour déminéraliser les eaux chargées. Cet équipement regroupe sur un même châssis les fonctionnalités d'une unité d'ultrafiltration avec celles d'un osmoseur. Les membranes UF en polysulfone disposent d'un seuil de coupure de 0,01 µm et d'un indice de désinfection supérieur à 6 log. En sortie, l'eau produite possède un indice de colmatage (SDI) inférieur à 4 et une turbidité inférieure à 0,1 NTU. En sortie d'ultrafiltration, l'eau traverse une unité d’osmose inverse en polyamide. À l’issue de ce traitement, on dispose d'une eau à usage alimentaire et sanitaire. La configuration du skid est modulable en fonction des besoins.

[Photo : Dans la gamme, le débit de production moyen à 15 °C varie de 3,5 à 42 m³/h. Un système de coupage de l'eau osmosée avec l'eau ultrafiltrée permet de produire de l'eau potable ou de process de salinité donnée.]

Pall et Permo sont également très présents dans les industries agroalimentaires, pharmaceutiques, cosmétiques, ainsi que dans les secteurs de la chimie-pétrochimie qui ont de très gros besoins en filtration d'eau. Samah Ringa est responsable de l'activité Pharma et Biotech chez Permo. Elle explique : « Dans l'industrie pharmaceutique ou cosmétique, l'eau est une des matières premières les plus importantes. Elle peut être utilisée en tant qu’excipient, servir de solvant à la reconstitution d'un produit fini, participer à des étapes de synthèse ou bien encore servir en tant qu’agent de nettoyage. En fonction de son utilisation, les pharmacopées définissent les aspects qualitatifs de l'eau et leur mode d'obtention. Chez Permo, nous privilégions les techniques membranaires car elles permettent de produire une eau de grade pharmaceutique tout en assurant une reproductibilité dans le temps. »

D'après l'expérience d'Ondeo IS, l'utilisation des membranes présente l'avantage de produire une eau de qualité irréprochable à condition de maîtriser l'application. La mise en œuvre de membranes en milieu industriel nécessite une expertise combinée en filtration et exploitation du procédé. Celle-ci doit couvrir en particulier le choix du prétraitement, l'utilisation de réactifs anti-colmatage, l’optimisation des conditions de flux et du cycle de fonctionnement afin de tirer le meilleur profit de la technique. « L’utilisation des membranes en traitement des eaux de procédés s'assimile à la production d'eau potable avec des spécificités particulières liées à l'usage ultérieur », conclut Sylvie Baig.

Par conséquent, une gamme disponible de réactifs de nettoyage limitée. Or, pour des eaux difficiles, des réactifs de nettoyage puissants sont nécessaires pour décolmater régulièrement les membranes. C’est la raison pour laquelle nous utilisons ce matériau essentiellement sur des eaux karstiques ou pour des applications d'affinage. Pour les applications plus difficiles, la solution d’ultrafiltration s’inscrit dans des filières plus courtes comme derrière une simple décantation d’eau coagulée ; nous optons pour le polysulfone hydrophile, plus résistant aux agents de nettoyage forts. Avec la membrane à fibres creuses Alteon, c’est cette dernière solution qui a été retenue en Chine à Nantong pour équiper la nouvelle usine de traitement des eaux de surface. Conçue pour produire 10 000 m³ d’eau potable chaque jour, cette unité est destinée à traiter par ultrafiltration les eaux prétraitées par décantation à l'aide de modules de polysulfone hydrophile de 93 m². Avec un pouvoir de coupure supérieur à 0,02 µm, la membrane se comporte comme un filtre retenant pollen, algues, parasites, bactéries, virus, germes et de nombreuses molécules organiques. Résultat : l'eau est purifiée, débarrassée de ses virus (> 4 log) et de ses bactéries avec une turbidité inférieure à 0,1 NFU.

Cependant, dans certains cas difficiles, ou avec d'autres matériaux – par exemple le

[Encart : L’ultrafiltration : un excellent prétraitement avant osmose inverse Les chaînes de production d’eau pure ou ultrapure peuvent utiliser comme ressource une eau naturelle qui demande à être clarifiée et désinfectée avant utilisation ou prétraitée pour être ensuite déminéralisée. L'ultrafiltration constitue un excellent prétraitement pour les résines échangeuses d'ions en éliminant les particules, les micro-organismes et tout ou partie des colloïdes qui « empoisonnent » les colonnes. De même, l'ultrafiltration employée en amont des unités d'osmose inverse permettra par exemple d’utiliser comme ressource une eau naturelle en lieu et place de l'eau du réseau ou encore de diminuer le nombre de modules d’osmose installés. De plus, les phénomènes de biofouling seront retardés et réduits. Le concept actuel de traitement multi-barrières est atteint. Polymem, créée en 1997, est spécialisée dans la fabrication de membranes fibres creuses pour ultrafiltration. La société propose ainsi une gamme complète de solutions membranaires pour le traitement de l'eau et accompagne ses clients dans le choix et la mise en œuvre des membranes et modules adaptés à leurs besoins. De par leur construction sans joint mobile entre l'eau à traiter et le perméat, l’ultrafiltration sur membranes fibres creuses offre une efficacité de rétention optimale.]

[Photo : Pour les eaux de process, Veolia Water STI propose des systèmes d’osmose inverse produisant une eau de grande pureté : éliminant jusqu’à 98 % des composés inorganiques dissous et plus de 99 % des grands composés organiques, colloïdes et particules.]

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[Publicité : Polymem]

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[Photo : Ecoskid™ d’Aquasource est une nouvelle génération d’unité permettant une production économe en énergie et plus compétitive, de 30 à 200 m³/h. C'est une machine “tout-frontal” mais avec des systèmes de rétrolavages très évolués et optimisés pour lui permettre de tolérer des variations de qualité importantes. L’unité est architecturée sur un concept modulaire (de 5 à 36 modules) et est totalement autonome. Elle ne nécessite pas de réserve d’eau ultrafiltrée pour le rétrolavage.]

tri acétate de cellulose - les prétraitements avant membrane peuvent se révéler obligatoires pour qui veut optimiser la durée de vie de son équipement. Ils permettent d’éliminer les débris source d’usure mécanique de la membrane. Et en abattant la charge solide et les matières solubles, on limite aussi le colmatage tout en augmentant l’intervalle de temps entre chaque séquence de nettoyage.

[Encart : Les membranes dégazantes : une alternative écologique aux prétraitements chimiques L'osmose inverse ne permet pas de retenir les gaz naturellement dissous dans l'eau. À ce jour, le procédé le plus fréquemment mis en œuvre pour éliminer le gaz carbonique consiste à injecter de la soude en amont d'un producteur par osmose inverse. Cette technique permet de transformer par voie chimique le CO₂ dissous en sels susceptibles d’être retenus par la membrane. « Sur nos dernières réalisations de traitement d'eau dans l'industrie pharmaceutique et cosmétique, Permo a voulu aller encore plus loin dans sa démarche écologique » explique Samah Ringa, Responsable de l'activité Pharma et Biotech. « Pour cela, nous avons couplé les modules de membranes d'osmose à une membrane dégazante. Cette configuration originale a permis de produire de l'eau conforme aux spécifications des pharmacopées sans faire appel à aucun réactif chimique pour retenir les gaz naturellement dissous dans l'eau. La sensibilisation des industriels au respect de l'environnement les conduit à réduire de plus en plus l’utilisation des produits chimiques intervenant dans leurs procédés ». Avec l’utilisation des membranes dégazantes, les industriels disposent donc maintenant d'une solution alternative et efficace répondant non seulement aux impératifs techniques liés à la production d’eau purifiée mais également à leurs attentes en termes de respect de l'environnement. Par exemple, lorsqu'un industriel doit toujours faire face à un problème de différence de qualités d'eau qui proviennent de zones de captages différentes et présentent une concentration de CO₂ dissous. Pour stabiliser la qualité d'eau en sortie, l'industriel doit injecter de la soude en prétraitement pour neutraliser le gaz carbonique. « Pour s'inscrire dans une démarche environnementale, nous proposons maintenant de lui faire accéder à une technique propre en couplant une membrane dégazante à une unité d’osmose de purification pour supprimer l'utilisation de réactifs chimiques » souligne Samah Ringa. « Depuis la mise en œuvre de son premier osmoseur en 1972, Permo n'a pas cessé d'être un moteur dans le domaine de l'osmose inverse en France et en Europe. Une gamme dédiée au traitement des rejets a été mise en place. Les axes de recherche pour l'amélioration des process s'orientent aujourd'hui vers des solutions de désinfection thermique. À quand la membrane qui résiste à l'ozone ? ».]

Osmose pour la production d’une eau ultra pure

3,000 à 12,000 litres par heure. Telle est la capacité de production d'eau ultrapure conforme aux normes de l'USP, de la pharmacopée européenne assurée par la gamme des Permo Septron Line SL 100-300 conçue par BWT Permo. Destiné aux industries pharmaceutiques, cosmétiques et biotechnologiques, cet équipement intègre une filtration, une déminéralisation totale par osmose inverse et l'électro-déionisation. Plusieurs unités composent cette gamme industrielle, pour produire 3,000 ; 6,000 ; 9,000 voire jusqu’à 12,000 litres/heure d'eau ultra pure. La construction modulaire et ultra compacte de l'équipement garantit un faible encombrement pour les exploitants qui apprécieront également l'absence de bruit, la faible consommation électrique et la facilité de raccordement de l'ensemble. Simple à exploiter, cet équipement est totalement automatisé. À partir d'une seule commande intégrée, le système assure seul la surveillance continue des données techniques telles que la pression, le débit, la température, la conductivité, les niveaux de remplissage, la signalisation d'alarmes, l'affichage des paramètres d'exploitation, indication du niveau de remplissage du réservoir de stockage de diluat. Son interfaçage avec un PC permet à l'exploitant une consultation à distance de toutes les données en temps réel.

Le nettoyage des unités de filtration membranaire tel qu’il est pratiqué à l'heure actuelle présente certains inconvénients. Pour y remédier, Realco propose une alternative, le nettoyage enzymatique. L’enzyme transforme de manière irréversible les matières organiques en résidus de plus petites tailles solubles dans l’eau. Particulièrement efficace contre les substrats colmatant d'origine organique (protéines, graisse, cellulose), le nettoyage enzymatique s'intègre dans les processus de nettoyage classiques. Avantage du procédé, le nettoyage enzymatique n’agresse pas les membranes, contrairement aux produits classiques qui, pour obtenir des résultats équivalents, doivent travailler à des pH et des températures élevées, qui abîment les membranes (les membranes organiques sont beaucoup plus sensibles aux nettoyages classiques que les membranes minérales). Le nettoyage enzymatique permet d'augmenter la durée de vie des membranes et de garder un outil performant et durable. D’autre part, les enzymes ont une action préventive et curative sur le développement des biofilms.

Pour les cas très difficiles, Tami Industries fabrique des membranes inorganiques en céramiques. De forme tubulaire, elles offrent des caractéristiques chimiques et thermiques plus stables accompagnées d'une durée de vie de 3 à 4 fois plus longue que les membranes organiques. Elles sont utilisées en clarification des eaux naturelles, en couplages ou encore en potabilisation. Pour le traitement des eaux destinées à la consommation humaine, Tami

Techniques membranaires : une alternative au traitement sur résines

Dans le domaine du prétraitement des eaux, les techniques membranaires sont une alternative intéressante aux techniques existantes de décarbonatation à la chaux ou sur résine et aux procédés d'adoucissement sur résine, en substitution ou en complément. L’avantage principal d’une technique membranaire est de limiter les rejets dus aux éluats de régénération des résines.

La mise en place d'une nanofiltration sur une eau de forage suivie d'un traitement sur résine permet de réduire par 5 le rejet de chlorures par rapport à une filière 100 % résine. Tecsel propose des solutions fixes ou mobiles clés en main dans une large gamme de débit.

Le souci de limiter l'impact des rejets des installations de traitement a amené Tecsel à concevoir une gamme de produits « à façon » répondant aux attentes techniques de ses clients. La flexibilité des formulations permet de concevoir les meilleures solutions en matière d’antitartres ou de produits de lavage des membranes, éléments fondamentaux à leur bon fonctionnement. La recherche de produits ayant un impact minimal sur les rejets, comme les rejets de phosphore (par les phosphonates utilisés comme antitartre), en complément de la mise en place de ces techniques membranaires en alternative au traitement sur résines, concourt à la maîtrise et à la réduction des rejets salins.

Industries propose des modules de filtration basés sur l'utilisation d’une membrane en céramique comportant un support en oxyde de titane et une couche filtrante en oxyde de titane ou en oxyde de zirconium. Ces modules de filtration (membranes et carters) ont reçu la certification de l'AFSSA pour la potabilisation de l'eau.

« Le choix du matériau est important car il se reporte sur l’exploitation où il faudra maîtriser les problèmes de colmatage », explique Jean-Luc Malige, Chef du pôle technologie membrane chez Degrémont.

Maîtriser les problèmes de colmatage

« L'objectif du process de potabilisation est de produire en permanence une eau de qualité. Il faut donc pour cela gérer en permanence les problèmes d’arrêt ou de colmatage, souligne Jean-Michel Lainé, Chef Produit Membrane, Direction de l'Innovation, Suez Environnement. Il s’agit donc de piloter automatiquement l'installation de nettoyage tout en optimisant au mieux ces opérations de maintenance. »

Mais pour ceci, il est indispensable de savoir caractériser la membrane, notamment sa perméabilité, et d’apprécier son usure.

À ce jour, peu de méthodes sont normalisées et elles sont lourdes à mettre en œuvre. LIFTS (Institut de la filtration et des techniques séparatives) propose de mesurer l'efficacité de filtration des membranes à l'aide de billes de polystyrène-silice polydispersée de taille submicronique et de mesurer leur dispersion à l'aide de compteurs à particules utilisant la diffusion de la lumière.

Pour ne pas limiter les conditions de filtration, notamment en pression, température, pH…, et la régénération des membranes, d'autres paramètres sont à contrôler avec soin : les résistances thermique, chimique et mécanique, non seulement sur la partie filtrante, mais aussi sur tous les composants des modules et des unités membranaires.

« Si certains points restent encore à améliorer, comme la sensibilité au colmatage, le pilotage automatique des installations membranaires a permis d’optimiser certaines séquences comme le rétrolavage ou le contrôle de l'intégrité de la membrane », souligne Jean-Michel Lainé.

[Photo : La membrane à fibres creuses Alteon a été retenue en Chine à Nantong pour équiper la nouvelle usine de traitement des eaux de surface. Conçue pour produire 10 000 m³ d'eau potable chaque jour, cette unité est destinée à traiter par ultrafiltration les eaux prétraitées par décantation à l'aide de modules de polysulfone hydrophile de 93 m².]

[Encart : texte : 3M vient de lancer sa toute nouvelle cartouche de filtration Cuno High Flow qui permet la filtration à haut débit de fluides. Elle se compose d’un corps de filtre grande capacité et d'une ou plusieurs cartouches de 40 ou 60 pouces selon les débits à traiter (1 cartouche de 60 pouces ayant une capacité de filtration de 113 m³/h, équivalente à plus de 30 cartouches standards). Pour des besoins de filtration très haut débit, 3M propose en standard des corps de filtres pouvant intégrer sept cartouches. Cuno High Flow a été conçu pour répondre aux besoins de filtration de grande et/ou très grande capacité. En effet, le corps de filtre et la cartouche ont été travaillés afin d'offrir une solution clé en main de haute efficacité : - innovation dans la conception du corps de filtre : plus petit, plus adapté, permettant un encombrement plus faible et donc de minimiser la perte de produit et les coûts d'investissement ; - innovation dans la conception de la cartouche via l'utilisation d'un système de plissage breveté offrant à la fois une haute efficacité, une grande capacité de rétention et une durée de vie plus importante. Le système est simple d’utilisation, que ce soit lors de l'installation, de l'utilisation ou encore de la maintenance. Il permet de réduire les coûts grâce à une réduction de la consommation (durée de vie prolongée des cartouches), une optimisation des coûts d'entretien (changement des cartouches simplifié…) et à la minimisation de la perte des produits.]

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