저승조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 지하역사 승강장 내 미세먼지 킬체인(Fine Dust Kill-Chain)시스템 개발 및 구축
영문 : Research and development of fine dust Kill-Chain system for citizen-friendly subway platform
과제 팀명
저승조
지도교수
동종인 교수님
개발기간
2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부 2014890033 박동완(팀장)
서울시립대학교 환경공학부 2014890010 김기현
서울시립대학교 환경공학부 2014890028 도영진
서울시립대학교 환경공학부 2014890038 박태현
서론
1) 과제 요약
● 지하철 승강장내 미세먼지 오염원의 기원을 두 가지로 나누어서 생각했으며 ‘외기 유입’과 ‘선로 유입’이 있음을 인지함.
● ‘외기 유입’ 중 승강장 미세먼지 농도에 영향을 주는 요인은 2가지로 식별되었고 ‘출/입구에서 유입되는 미세먼지’와 ‘급/배기구에서 유입되는 미세먼지’로 나눌 수 있음.
● ‘선로 유입’ 승강장 미세먼지 농도와 중금속 농도에 영향을 주는 요인은 선로 마모로 주로 급정차 시, 지하철이 가속되는 승강장의 선로에서 주로 일어났음.
● ‘외기 유입’의 경우 미세먼지의 제거를 위해 여러 가지 기술이 검토 되었으며(예) 싸이클론 집진기, 전동 집진기 등) 그 결과 역사 외부에 유리문이 없는 경우 유리문을 설치하고, 급기구에 여과 집진기를 추가적으로 설치하여 ‘외기 유입’으로 인한 승강장 미세먼지 농도 악화를 방지하고자 하였음.
● ‘선로 유입’의 경우 미세먼지의 제거를 위해 여러 가지 기술(여과막, 물을 이용한 일시적 농도 제거)이 검토 되었으나 중금속을 효율적이고 경제적으로 제거 할 수 있는 방법은 자성체를 이용하는 것임을 알았음.
● 그 결과 만약 한 시스템만 사용되게 된다면 ‘외기 유입’의 경우 미세먼지 농도 중 95%를 저감 할 것으로 기대되고, ‘자성집진장치’ 또한 경우 미세먼지 농도 중 95% 중금속 성분 50%를 제거 할 것으로 예상됨.
2) 과제 설계 범위
● 본 설계에서는 체계적으로 설계 범위를 설정하고 다양한 참고 문헌 및 기술 현황들을 조사하며 구체적인 연구 추진 순서 및 방법으로 합리적인 설계 목표를 설정하고 수행하였음.
① 공간적 범위
● 지하역사 내 시민들이 지하철을 기다리는 승강장
② 내용적 범위
● 미세먼지 저감 관련 연구 및 기술 개발 현황 조사
● 관련 기술 특징 및 제품 구매처의 경제성 분석 제시
③ 기술적 범위
● 기존 기술 개선과 문제점 보완을 통한 기술 연구 및 개발
● 입체적이고 요약적인 최종 설계 모형(Prototype) 제작[]
개발 과제의 목표와 내용
1) 지하역사 외부 공기의 승강장 유입
● 지하철 공기의 유입은 지하역사 외부 공기가 승강장으로 유입되는 경로(급기, 외기 오염물질 유입)와 지하철 터널 공기의 승강장 유입(터널 미세먼지 유입)으로 크게 나누어 볼 수 있음.
● 이번 과업에 있어 지하역사 내 승강장에서의 미세먼지 저감의 목적에 부합하는 구체적인 설계목표는 외기로부터 유입되는 총 미세먼지의 95%를 저감하고 선로로부터 유입되는 미세먼지 중 VOC는 95% 퍼센트 저감, 자성을 띄는 중금속 성분을 50% 퍼센트 저감 하는 것임.
● 지하 역사 내 승강장으로 유입되는 미세먼지 중 상당 부분을 차지 하는 것이 외부로부터 들어오는 공기의 유입임.
● 외기의 유입원은 크게 두 가지로 다시 나누어 볼 수 있는데 ‘출입구에서 지하역사 내로 들어오는 공기’와 ‘외부에서 강제로 내부로 공기를 순환시키는 급기’가 있음.
● 특히 외부에서 들어오는 공기 양의 상당량이 출입구에서 지하역사 내로 들어오면서 오염된 공기를 유입시키고 있으며, 외부에서 강제로 내부로 공기를 순환시키는 급기, 자연적으로 공기를 급기해주는 자연급기가 있음.
● 대부분의 지하철 역사의 출입구는 미세먼지 유입에 대한 대책이 없으며, 미세먼지가 많은 날의 경우 오염물들이 무방비로 유입되어 지하역사의 공기질이 악화됨.
● 미세먼지의 농도가 낮은 날이라도 보도 근처에 설치되어 있는 환기구의 위치가 충분히 높지 않은 경우(1.5m이하)는 다량의 이물질들로부터 VOC의 유입이 지속적으로 일어나고 있음.
● 따라서, 유입 시 미세먼지에 대한 차단이나 미세먼지가 저감되어 개선된 공기를 승강장으로 유입시킬 필요가 있음.
1) 지하역사 내부 터널 공기의 승강장 유입
● 지하역사 내 미세먼지 중 상당 부분이 철 및 기타 중금속(Fe, Ni, Cr)이 주요 구성 성분을 차지하고 있음.
● 선로 및 브레이크로부터 기원한 미세먼지가 승강장으로 다량 유입될 것으로 생각되는데 특히 승강장 구간에서 브레이크 및 가속 빈도가 가장 높음.
● 터널로부터 유입되는 공기의 성분은 외기로부터 유입되는 공기의 성분과 확연한 차이가 있으며, 외기의 대부분은 공기성분이 TVOC인 경우가 많은데 터널공기의 경우 중금속을 포함한 공기, 특히 Fe를 다량으로 포함하고 있는 것으로 식별되었음.
● 터널과 승강장 사이의 미세먼지 중 선로에서 발생하는 철이 차지하는 구성비율과 외부에서 유입된 TVOC의 구성 비율이 <표 2>와 같이 유사한 경향을 보이는 것을 통해 터널 공기가 승강장으로 유입되어 상당한 상관관계가 있는 것으로 보임.
● 실제로, 지하역사의 대합실은 외기 미세먼지 농도기준으로 대합실은 최소 1.1배에서 최고 2배, 승강장은 최소 1.7배에서 최고 2.6배까지 차이가 났고, 이는 지하역사의 미세먼지는 외기의 미세먼지에 의한 영향보다 철도 운행에 따른 미세먼지 발생에 의한 영향을 많이 받고 있다는 것을 알 수 있음.
● 스크린도어가 닫혀 있을 경우 미세먼지의 일차적인 차단 효과는 있을 것으로 보이나 스크린도어의 개방 시 승강장 내 대기질은 매우 악화될 것으로 보임.
● 환기팬을 이용하여 미세먼지를 순환시키는 기술은 비산먼지의 재부유의 가능성이 높고 이미 경제성 측면에서 그 효율이 매우 떨어지는 것으로 식별 되었음.
● 지하철 터널 공기의 지속적인 승강장 유입은 시민의 건강 및 보호에 우려할 만한 유해성을 지니고 있을 가능성이 높기 때문에 이에 대한 개선이 필요한 실정임.
3) 미세먼지 킬 체인 시스템(Kill-Chain System) 구축
● 본 설계에서는 지하역사 내 승강장 시민 밀착형 미세먼지 킬 체인(Fine Dust Kill-Chain)시스템을 구축하고자 함
● 지하철 외기의 경우 출입구에 유리문을 설치하여 일차적인 유입경로를 차단하고 외기의 유입경로를 통일시키고, 환풍구에 집진 장치를 설치함으로써 외기로부터 미세먼지를 감소시킬 것임.
● 지하철 터널로부터 유입되는 미세먼지의 경우 지하 선로에 자성집진을 사용하여 Fe등 시민들에게 유해한 중금속의 유입들을 감소시킬 것임.
관련 기술의 현황
State of art
● 지하철 승강장 비산먼지 저감 시설 연구 및 개발은 미미한 상태이며 현재 지하철 승강장 내에 존재하는 미세먼지 저감 기술은, 가장 기본적인 물청소를 비롯하여 크게 3가지 종류(환기 시스템, 스크린 도어, 자성 이용 장치)로 분류 될 수 있음.
1) 환기 시스템
● 환기 시스템은 가장 기본적인 저감 기술로 열차풍과 대류현상으로 인한 자연 환기와 환기시설의 환기풍을 이용한 강제 환기로 나눌 수 있음.
● 자연 환기는 팬과 같은 기계를 이용하지 않고 터널과 승강장 내의 공기가 자연스럽게 외부로 빠져나는 기술임. 위 기술은 경제적인 면에서 우수하나 팬을 이용한 강제 환기에 비해 효율이 떨어짐.
● 강제 환기는 동력을 이용하여 강제적으로 환기풍을 방생시켜 승강장 내의 비산 먼지를 제거하는 방법임. 위 기술은 역사 내 축적된 비산먼지를 재부유시키며 오히려 역사 내 미세먼지의 수치를 더 증가하는 역효과가 나타나는 것이 식별됨.
2) 스크린 도어
● 스크린도어는 승객의 안전뿐만 아니라 승강장과 전동차 사이의 공간을 차단시키므로 실내 공기질의 향상에도 기여함.
● 지하역사 터널과 승강장의 공기 이동을 차단하면서 열차가 터널에서 승강장으로 진입할 때 발생되는 열차풍에 의하며 비산되는 미세먼지의 유입의 일차적 차단이 가능함.
● 스크린 도어의 운영으로 승강장 내의 PM10농도가 16%까지 감소되는 것을 확인하였으나, 열차풍과 환기로 자연적으로 순환하던 미세먼지가 스크린 도어에 의해 막혀 터널 내에 잔류하며 터널 내의 미세먼지를 더욱 증가시키는 문제점이 있음.
● 스크린 도어 개폐 시 터널 내부의 고농도 PM이 승강장으로 유입되어 승강장 내의 PM농도를 높이므로 일시적인 차단일 뿐, 저감 기술은 아님.
3) 자성 이용 장치
● 자성 이용 장치는 영구 자석 및 자석 필터를 이용하여 미세먼지 내 중금속이 많은 곳에서 주로 쓰이며 중금속 제거에 효율이 좋음.
● 전동차 하부 부착형 저감 기술은 전동차 하부에 자석 필터와 흡입기를 설치하여 열차와 선로 사이의 마찰로 인해 발생하는 비산먼지를 제거하는 기술이며, 2018년부터 몇몇 역사에서 시범 운행 되고 있으며 2019년에 더욱 확대 운영할 계획임.
● 지하역사 중 터널에서는 대부분의 미세먼지가 중금속으로 이루어져 있으며 이를 저감시키기 위해 자석을 이용하여 설계하였으나 다른 성분의 먼지에 큰 제거 효과가 없음.
● 자성 필터를 이용한 집진장치는 환기 시스템에 자성을 이용하여 환기 되는 먼지 중 중금속을 제거하는 것으로 현재 터널에 부착되어 있는 기술이 존재하나 승강장 내에는 아직 계발이 부족하여 추가 적인 연구 개발 필요.
● 최근 다방면에서 자성 이용 장치에 관한 많은 특허 및 기술 개발이 이루어지고 있으며 그와 관련된 특허와 요약 내용은 <표 3>에 요약함.
기술 로드맵
특허조사
관련 시장에 대한 분석
경쟁제품 조사 비교
가. 경쟁제품 조사 비교
● 현재 지하역사의 승강장의 미세먼지 저감을 위해 시행되고 있는 기술들은 운용비용이 큰 편임을 식별하였음.
● 각 지하철 역사 내에는 대용량(30~50kw) 환기팬을 일정시간 가동하여 환기하고 있으며, 각 역사 당 30kw 환기팬 1대가 24시간 가동 시 연간 6450만원의 전력요금이 발생함.
● <표 4>은 터널 내에서 발생하는 비산먼지의 저감 효율과 경제성을 보여주는 지하역사 내 미세먼지 저감 기술 평가 표임. 습식 제거의 경우 물 운반 비용과 살수차 운전 인력비용, 공기청정기에 의한 강제 환기는 설치비용이 매우 비쌈.
● 영구 자석 및 자성체를 활용한 기술인, 전동차 하부 부착형 저감 장치나 자성 필터는 자기력에 의해 미세먼지를 저감시키므로 반영구적이며, 장기간 사용가능 하기 때문에, 그 경제성이 뛰어난 것으로 판단됨.
마케팅 전략
개발과제의 기대효과
1) 기대효과
● 지하역사 내 승장장에서의 미세먼지 농도 저감으로 인한 시민들이 쾌적한 생활에 도움을 주며 이전에 가지고 있었던 불안감의 일부 해소 시킬 수 있을 것이라 생각됨.
● 기존 기술 대비 경제적이고 효율적으로 승강장내의 미세먼지 농도 저감으로 장기적으로 전력 낭비를 미연에 방지 하여 예산 절감 가능.
● 승강장 내로 유입되는 중금속과 같은 비산먼지의 유해물질의 직접적인 호흡기 유입을 차단함으로써 시민의 건강을 유지하는데 기여할 수 있음.
2) 향후 개선점
● 경제성을 확보하기 위해 추가적으로 면밀한 조사가 필요하며, 지하철 담당 부처와 긴밀한 협조가 필요하여 공사를 진행해야 함.
● 일방향의 지하역사에 대한 설계를 진행했다면 역사의 두 방향에서 동시에 열차가 진입할 때 상쇄되는 열차풍의 정확한 유체 흐름을 파악하여 확장적으로 사업을 진행할 필요가 있음.
● 역사의 높이가 스크린도어보다 높아 상부 여유 공간이 존재하는 역사의 경우를 고려하여 외기의 유입을 계산하고 설계를 진행해야함.
● 터널 내에 부유하는 철 성분 외의 미세먼지를 제거하기 위해 추가적인 장치도입이 필요함.
● 자성집진필터 설치위치가 벽면임을 고려, 전철에 의한 진동 및 공기압력으로 인한 구조적 취약점을 최소화하기 위해 장치의 설치를 견고하게 함.
● 상시 운행하는 지하철의 특성상, 장치의 유지관리를 수행할 수 있는 시간대가 제한적임.
구성원 및 추진체계
설계
개념설계안
가. 외기 유입
1) 아이디어 제시
① 출입구에 유리 설치
● 외부의 미세먼지가 지하역사로 유입되는 것을 원천적으로 차단하고자 일부 지하 역사의 경우 현재 유리문이 설치 운용 되고 있음.
● 유리문 및 유리 시설을 만듦으로 미세먼지에 대한 외기의 잠재적 유입원을 최소화하고 외기의 유입은 환풍구로 집중시키도록 함.
● 예상 대안으로는 에어커튼이 있었으나 에어커튼은 경제적으로 비용이 많이 들어가는 단점이 있으며, 고압 공기 분사로 인한 직접적인 접촉으로 시민들이 불쾌감을 느낄 수 있음.
● 여러 가지 대안 들 중 출입구에 유리문 장착이 미세먼지의 1차적인 유입을 최소화하기 위한 가장 경제적이고 효율적인 방법이라고 판단함.
② 환풍구 집진 장치
● 대부분의 지하철 환기구의 경우 사람들이 걸어다니는 보도블록이나 위치가 낮은 곳(30cm이하)에 존재하여 사람들이 하수구로 인식하고 담배꽁초나 침을 뱉는 등의 행위를 하게 됨.
● 이는 외부의 미세먼지의 상황과는 크게 상관없이 공기가 맑더라도 다량의 VOC의 유입이 일어날 수 있는 상황이며 추가적인 조취가 필요함.
● 각 환기구 마다 공기질을 개선하기 위해 집진 필터를 설치하는 것이 좋은 방법이라고 생각했으며, 운영비용을 최소화하기 위해 <지하역사 대기질 미세먼지(150㎍/㎥, PM10 기준)>보다 좋지 않은 공기를 감지하여 어느 농도 이상일 때만 가동하게 하는 것이 바람직 할 것임.
● 대안으로는 싸이클론 장치의 탈착 여부가 논의 되었으나, 확실히 효율의 향상은 예상되나 경제적인 비용이 너무 많이 드는 것이 단점임. 그리고 입자가 큰 미세먼지를 제거하는 데에는 효율적이나 미세한 입자를 제거하는 것이 힘듦.
나. 선로 유입
1) 아이디어 및 대안 제시
● 급제동 및 급시동 시 생기는 브레이크 마모 미세먼지가 스크린도어가 열렸을 때 다량으로 승강장으로 유입되어 승강장 내부의 공기를 오염시킴.
● 철로에서 나오는 중금속을 효율적으로 흡착 및 제거하는 장치가 필요하며, 자성을 띄는 중금속이 많다는 점에 착안하여 자석을 이용하는 것이 가장 좋을 것이라 판단했음.
● 철로에서 나온 공기를 집진기를 통해 빨아들이면서 전단에 자성필터를 통해 중금속을 제거하고 후단에 집진필터를 통해 남은 공기의 VOC 및 미세먼지를 추가적으로 처리하고 기존의 지하철 역사에 있는 공기 배출구와 연결하여 동시에 배출 처리하도록 함.
● 지하철 선로 아래의 공간은 예전에 화재 비상대피 및 자살 방지 기능 등으로 활용되었으나 스크린도어 설치로 인해 그 공간의 활용도는 떨어지게 됨. 따라서 이 아래의 공간의 새로운 가치를 찾을 수 있는 유효공간으로 생각하고 설계를 진행할 것임.
● 대안으로는 전기 집진 장치, 사이클론 등 여러 가지가 있지만 각 기술들의 장점과 단점을 살펴 볼 때 중금속 성분이 많은 공기에서 자성 필터의 효율이 가장 높을 것이고 경제적이라 생각했으며, 그 이후엔 미세먼지를 포집할 수 있는 집진기를 부착하여 그 효율을 최대로 높이고자 함.
이론적 계산 및 시뮬레이션
가. 도면 및 이론 적용
1) 여과 집진기
서울역의 급기구, 배기구 현황
● 여과 집진기 설계 가정
- 여과 집진기의 설계 목표는 95%로 함.
- 집진방식은 여과 집진 방식 백필터 사용.
- 여과재 : 테프론
⟹ 도로의 VOC 유입을 고려 할 때 최대 허용온도가 높고 내산성, 내알칼리성이 강한 테프론으로 선정
- 탈진 방식: 간헐식 역기류형
⟹ 탈진실을 여러 개의 방으로 구분하고 방 하나씩 처리가스를 차단해서 차례로 부착된 먼지를 털어내는 방식. 연속식에 비해 여과포 수명이 길고 높은 집진율을 얻을 수 있음. 재비산 또한 적음.
2) 급기 여과집진기
- 원통 여과재 직경: 0.2m
⟹ L/D를 20이하, 각 여과재간 간격 5cm이상 분리해 설계
- 원통 여과재 높이 : 1.75m - 미세먼지 처리 유속 : 0.5m/s
3) 배기 여과집진기
4) 자성집진기
● 현재는 스크린도어로 막혀져 있기 때문에 별다른 용도가 없는 지하철 승강장 스크린도어 하부공간으로 함.
● 자성집진으로 흡인한 공기는 자성집진장치를 거쳐 후단의 외기구와 연결하여 정화된 공기를 배출함.
● 사전 실험 결과 2500~3000gauss에서 집진 효율이 큰 차이가 없고 PM10뿐만 아니라 PM2.5에서도 우수한 집진 효율을 보였으며, 약 95%의 미세먼지 제거 효율을 나타내었으므로 전력 소비가 적은 2500gauss를 설계 자성으로 함.
● 자석은 영구자석을 이용하며 자석필터는 합금으로 이루어진 금속망 가장자리에 접촉되도록 하였으며, 자성강도가 다른 영구자석을 부착하였음.
● <그림 11> 과 같이 금속망은 자화가 되고 금속망의 체눈 내부 공간에 상대적으로 높은 자기장을 형성하여 철 성분 미세먼지 입자들의 움직임에 영향을 주고 궁극적으로 자성포집에 대한 일정한 인력을 작용함.
● 승강장 하부 유효공간에서 지하철의 진행방향과 반대방향으로 바람이 분다는 연구결과가 존재하므로 자성 집진 필터의 설치 방향은 지하철이 진행하는 방향과 동일한 방향으로 설치 예정.
● 승강장 하부 유효공간에서 공기의 최대 유량은 약 31m3/s로 이의 최대 풍속은 2.6m/s 평균 풍속은 약 1.5~2.0m/s임. 자성 효율 실험 시 풍속이 1.5m/s임을 참고하면 문헌에서의 실험결과와 유사한 효율을 기대 할 수 있음.
● 계산 결과, 승강장으로 유입되는 철성분의 미세먼지의 총 50%를 저감할 수 있을 것으로 예상하며, 후단에 여과집진기를 통해 앞선 계산 결과와 비슷한 과정으로 95%의 효율을 기대함
● 단 위 설계에서 한계점은 양 옆으로 지하철이 마주보며 달리는 지하역사의 경우 동시에 지하철이 들어오는 경우 열차 풍이 상쇄되는 경우 발생하므로 풍속은 달라질 수 있음.
조립도
● 노란색으로 표시되어있는 구성 가상 모형들은 Kill-Chain system의 핵심 요소인 유리문, 여과집진기, 자성집진기임.
부품도
결과 및 평가
완료작품 소개
프로토타입 사진
● 위 실험 장치는 아크릴박스 입구에 mesh 3mm의 철제 집진망을 설치하고, 네 면에 네오디움 자석을 부착하여 철제 망을 자화시킴.
● 반대쪽 입구에 철가루 100g을 동력풍으로 비산시켜, 철제 망에 집진되도록 실험을 진행함.
● 실험 전 실험장치의 무게와 철가루 무게의 합과, 실험 후 실험장치의 무게를 비교하여 집진량을 산출함.
● 실험결과, 약 42%의 집진 제거율을 확인함.
● 실제 도입 시 mesh 0.16mm으로 설계됨을 고려할 때, 더 나은 집진제거율을 기대할 수 있음.
포스터
개발사업비 내역서
완료 작품의 평가
향후평가
내용
부록
참고문헌 및 참고사이트
1. 참고 문헌 1. 환경부, (2018) “제 3차 지하역사 공기질 개선대책[2018~2022]”
2. 박종헌, 박덕신. "지하역사 미세먼지 제거방법에 대한 적정성 평가." 한국철도학회 학술발표대회논문집 (2014): 144-149.
3. 손윤석, 류재용. "지하철 미세먼지 포집을 위한 기술적 진보." 공업화학전망 21.2 (2018): 24-34.
4. 정진희, 임종명, 이진홍. 기기 중성자방사화 분석을 이용한 대전 지하철 객차 내 PM10 과 미량성분의 특성. 대한환경공학회지. 2016 Aug;38(8):459-67.
5. 권순박, 송지한, 김민해, 정우태, 박덕신. 지하철 터널내 차량운행에 따른 미세먼지 거동특성 연구. 한국전산유체공학회 학술대회논문집. 2014 May:286-7.
6. 이태정, 임효지, 김신도, 박덕신, 김동술. 서울시 지하철 시스템 내의 입자상물질 (PM 10, PM 2.5) 농도 특성. 한국대기환경학회지 (국문). 2015 Apr;31(2):164-72.
7. 정우태. 사이클론 전처리부를 지닌 터널집진차량의 집진효율 최적화. 한국산학기술학회 논문지. 2018 Mar;19(3):679-86.
8. Son, Y.S., Oh, Y.H., Choi, I.Y., Dinh, T.V., Chung, S.G., Lee, J.H., Park, D. and Kim, J.C., 2019. Development of a magnetic hybrid filter to reduce PM10 in a subway platform. Journal of hazardous materials.
9. Son, Y.S., Dinh, T.V., Chung, S.G., Lee, J.H. and Kim, J.C., 2014. Removal of particulate matter emitted from a subway tunnel using magnetic filters. Environmental science & technology, 48(5), pp.2870-2876.
10. Choi, S.I., Feng, J., Kim, S.B. and Jo, Y.M., 2018. Magnetization of metal mesh for fine dust capture. Aerosol Air Qual. Res, 18, pp.1932-1943.
11. Sim, J.B., Woo, S.H., Kim, W.G., Yook, S.J., Kim, J.B., Bae, G.N. and Yoon, H.H., 2017. Performance estimation of a louver dust collector attached to the bottom of a subway train running in a tunnel. Aerosol Air Qual. Res, 17, pp.1954-1962.
12. Huang, S., Zhang, X., Tafu, M., Toshima, T. and Jo, Y., 2015. Study on subway particle capture by ferromagnetic mesh filter in nonuniform magnetic field. Separation and Purification Technology, 156, pp.642-654.
관련특허
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