肖長發(fā), 陳凱凱
(1. 省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室, 天津 300387; 2. 天津工業(yè)大學 紡織學院, 天津 300387)
石墨烯系吸附與分離功能材料研究進展
肖長發(fā)1,2, 陳凱凱1,2
(1. 省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室, 天津 300387; 2. 天津工業(yè)大學 紡織學院, 天津 300387)
石墨烯高比表面積和優(yōu)異的電學、熱學、光學和力學性能以及疏水/超親油等特性,為石墨烯在新型吸附與分離功能材料方面的研究與開發(fā)提供了新途徑。主要介紹了近年來石墨烯系吸附功能材料(石墨烯基海綿、石墨烯凝膠、石墨烯/碳納米管復(fù)合材料)、石墨烯系功能分離膜材料(石墨烯多孔膜、石墨烯摻雜聚合物分離膜、層狀排列石墨烯膜)以及石墨烯系連續(xù)吸油與分離功能材料等的研究成果;分析和討論了石墨烯系吸附與分離功能材料制備方法及其在油水分離方面的研究進展和應(yīng)用前景。
石墨烯; 氧化石墨烯; 吸附; 分離; 功能材料
近年來,隨著水資源短缺和環(huán)境污染等問題的日益突出,新型吸附與分離功能材料的研究與開發(fā)備受關(guān)注。吸附通常是指吸附劑選擇吸附液體或氣體中某一組分,使其富集在吸附劑表面的過程[1],而分離則是利用混合物中各組分(物理或化學)性質(zhì)差異,用適當裝置或方法材料使其分開的過程[2]。吸附與分離特性不僅受內(nèi)在因素(材料結(jié)構(gòu)、形態(tài)等)影響,還與使用環(huán)境(溫度、介質(zhì)等)密切相關(guān)。常見吸附與分離材料既有天然的,也有合成的,天然吸附與分離材料如棉、竹、麻、活性炭、沸石等,來源廣泛,廉價易得,但重復(fù)使用性差。合成吸附與分離材料如高吸水、高吸油樹脂與纖維等,已逐漸取代天然吸附與分離材料,獲得較廣泛的應(yīng)用。
高吸水樹脂是一類具有強吸水性(吸收比自身質(zhì)量高數(shù)百乃至數(shù)千倍水)和保水性(一定壓力下水不會被擠出)的功能高分子材料。1966年,F(xiàn)anta等[3]首次制備了淀粉接枝丙烯腈高吸水樹脂,其吸水性遠高于其他吸水材料。此后,國內(nèi)外許多研究者開展了高吸水樹脂制備及性能研究并實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。高吸油樹脂是一類由低交聯(lián)度親油性單體構(gòu)成的合成高分子材料,在油品中不溶解而溶脹,吸油率和保油率優(yōu)于天然吸油材料,按單體可分為丙烯酸酯類及甲基丙烯酸酯類、聚氨酯類及烯烴類等。1966年,美國DOW化學公司首次以烷基乙烯為單體,經(jīng)二乙烯苯交聯(lián)制備了高吸油樹脂。國內(nèi)高吸油樹脂研究主要以丙烯酸酯類及甲基丙烯酸酯類為單體[4],采用懸浮聚合法制備高吸油樹脂[5-6]。
粉狀或粒狀樹脂因形狀限制了其更廣泛的應(yīng)用,而纖維纖細、比表面積大,可紡織或非織造加工成多種形態(tài)制品,極大拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。1949年,F(xiàn)ord等[7]制備了具有一定交換容量的離子交換棉纖維,為吸附與分離功能纖維的開發(fā)提供了新思路。國內(nèi)在吸附與分離功能纖維領(lǐng)域的研究也有不少報道,如曾漢民等[8]研究了纖維大分子反應(yīng)功能化和離子交換纖維;鄧新華等[9]制備了4種丙烯酸類聚合物高吸水纖維;劉艷萍等[10]采用輻射技術(shù)試制了三維網(wǎng)狀高吸油纖維;本文作者所在課題組研制了具有網(wǎng)狀大分子結(jié)構(gòu)的共聚丙烯腈吸水纖維[11],聚甲基丙烯酸酯類的吸油纖維[12-15]和具有半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的吸油纖維[16]等。
納米材料的出現(xiàn)推動了新型吸附與分離功能材料的發(fā)展,如納米材料中的亞納米級通道可為水分子提供高速傳輸通道且阻止大分子通過[17],從而實現(xiàn)海水脫鹽與淡化。石墨烯(GE)是一種由碳原子以sp2雜化連接形成的單原子層二維結(jié)構(gòu)納米材料,碳原子規(guī)整排列于蜂窩狀點陣結(jié)構(gòu)單元中,具有高比表面積和優(yōu)異的電學、熱學、光學和力學特性等。石墨烯的單原子層二維結(jié)構(gòu)使其在吸附與分離材料方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢,高比表面積使其吸附表面遠高于傳統(tǒng)吸附劑,可快速吸附各種污染物,如重金屬離子[18]、染料[19]及有機污染物[20]等。此外,石墨烯表面呈疏水/超親油特性,可利用石墨烯層片構(gòu)筑表面吸附層用于油水分離。
本文介紹了近年來石墨烯系吸附與分離功能材料的研究成果,分析和討論了石墨烯系吸附與分離功能材料制備方法及其在油水分離等方面的研究進展與應(yīng)用前景。
1.1 石墨烯基海綿
石墨烯基海綿(Graphene based sponge)是將石墨烯附著在常見高分子海綿表面而成,屬吸附功能材料,可用于吸附水中各種油品。石墨烯基海綿吸油后可采用機械擠壓、萃取或蒸汽吹洗等方式進行除污(脫附)處理,部分脫附物還可回收再利用。
Nguyen等[21]采用浸漬涂覆法制備了吸油量高、選擇性好、可循環(huán)使用的石墨烯基三聚氰胺海綿,其疏水/超親油特性明顯,對三氯甲烷吸附量為165 g/g,結(jié)果如圖1所示。
氧化石墨烯(GO)是石墨烯的衍生物,因表面有大量含氧基團,表現(xiàn)出較強的親水性并能完全分散在水中,具有易分散、表面易功能化等特點,可采用浸漬涂覆法等將其附著于高分子海綿表面,然后通過還原反應(yīng)制得還原氧化石墨烯(RGO)基海綿。Gao等[22]將GO懸浮液涂覆于聚氨酯海綿表面,在水合肼蒸氣中通過還原反應(yīng)得到RGO基聚氨酯海綿,其對橄欖油吸附量為80 g/g;Liu等[23]將GO和Fe2+混合液涂覆于聚氨酯海綿表面,采用水熱還原法制備了磁性石墨烯基聚氨酯海綿,對不同油品吸附量為9~27 g/g,經(jīng)外磁場回收和乙醇萃取除油處理后仍可保持良好的吸油性能。
1.2 石墨烯凝膠
石墨烯凝膠包括石墨烯水凝膠(Graphene hydrogel)和石墨烯氣凝膠(Graphene aerogel)。水凝膠是在適當條件下,石墨烯層片之間通過π-π相互作用自組裝成三維多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯聚集體與水構(gòu)成的產(chǎn)物,不溶于水但可溶脹[24]。氣凝膠是一種超低密度、高比表面積納米石墨烯多孔固態(tài)材料[25],可采用溶膠-凝膠法制得濕凝膠,經(jīng)溶劑交換除去網(wǎng)絡(luò)空隙中表面張力較大的溶劑,再通過超臨界CO2干燥或凍干等處理制得氣凝膠[26-27]。
Li等[28]用三乙胺對氧化石墨改性處理,經(jīng)水熱還原及自組裝技術(shù)制備胺功能化石墨烯水凝膠,再以三異氰酸酯作增強劑,乙腈進行溶劑交換,經(jīng)超臨界CO2干燥研制了三異氰酸酯增強石墨烯氣凝膠,其對原油吸附量達169 mg/g,在水處理和油品泄溢等方面有良好應(yīng)用前景;Chen等[29]試制的殼聚糖/GO復(fù)合水凝膠,對亞甲基藍染料吸附量為390 mg/g,水中Cu2+去除率達98.2%,可作為廣譜吸附劑,應(yīng)用在水凈化方面;Mi等[30]采用單向凍干技術(shù)制備了定向孔結(jié)構(gòu)的GO氣凝膠,對水中Cu2+去除率達96.8%;Wang等[31]在低溫條件下制備了RGO氣凝膠,對四氯化碳吸附量為60 g/g,對鈣黃綠素染料吸附量為1 300 mg/g,結(jié)果如圖2所示。
1.3 石墨烯/碳納米管復(fù)合材料
碳納米管(CNTs)和石墨烯均為比表面積高,電學、光學和力學性能優(yōu)異的納米材料。采用化學氣相沉積或電泳沉積法等可制備石墨烯/碳納米管復(fù)合材料,用以改進單一材料的吸附性能。
Ai等[32]制備了柱式石墨烯/CNTs復(fù)合材料,其對亞甲基藍染料吸附量達81.9 mg/g,遠高于石墨烯或CNTs;Sui等[33]采用水熱還原法制備了石墨烯/CNTs混合水凝膠,經(jīng)超臨界CO2干燥制得石墨烯/CNTs混合氣凝膠,其對水中Cu2+和Ag+去除率達99.1%,高于石墨烯凝膠。
膜分離技術(shù)是一種用于分離、提純、濃縮及凈化的新型分離技術(shù)。隨世界范圍內(nèi)淡水資源短缺和水污染問題日益突出,膜分離技術(shù)得到迅速發(fā)展,特別是納米材料的不斷進步為開發(fā)面向水處理應(yīng)用的新型功能分離膜材料提供了新途徑。石墨烯特性突出,在分離膜材料方面的應(yīng)用值得期待。目前的研究主要包括:石墨烯多孔膜、石墨烯摻雜聚合物分離膜以及層狀石墨烯膜等。
2.1 石墨烯多孔膜
石墨烯為單分子層片狀結(jié)構(gòu),沿層片平面方向具有很高的抗張強度[34],可直接通過打孔方式制備石墨烯多孔膜(Graphene porous membrane)。Fischbein等[35]成功采用電子束輻射制備石墨烯多孔膜。受此啟發(fā),研究者采用紫外線誘導(dǎo)氧化腐蝕[36]、電子束輻射[35]、氦離子束鉆孔[37-40]等技術(shù)在層片狀石墨烯上形成不同尺寸、形狀的微孔結(jié)構(gòu),結(jié)果見圖3,可用于研究截留分子、離子等[39]。
通過化學處理可設(shè)計和優(yōu)化石墨烯多孔膜的孔徑大小、形狀和功能化結(jié)構(gòu)等。Sint等[41]在納米石墨烯層片上模擬了不同官能團功能化修飾膜孔的效果,由于離子與膜孔邊緣官能團之間的相互作用,Li+、Na+和K+等帶正電離子可通過由帶負電氮與氟刻蝕形成的F-N膜孔,Cl-、Br-等帶負電離子可通過由帶正電氫刻蝕形成的H膜孔。根據(jù)篩分原理,膜孔是膜分離過程中不可或缺的要素,通過控制和優(yōu)化膜的孔徑大小、分布和形態(tài),可有效改善膜的分離性能。
為實現(xiàn)對不同氣體或液體的分離,目前石墨烯多孔膜的研究大都集中于用不同方法在石墨烯層片上打孔和利用化學官能團修飾膜孔。雖然石墨烯多孔膜可解決選擇性與滲透性兼顧的問題,但實現(xiàn)其應(yīng)用仍存在一些問題,如實際中要制備大面積且力學性能優(yōu)良的石墨烯層片還有一定困難;不成熟的打孔技術(shù)往往會在石墨烯層片上形成不規(guī)則的孔、高壓下石墨烯結(jié)構(gòu)易被破壞及孔的密度較難控制等。2.2 石墨烯摻雜聚合物分離膜
在有機高分子(聚合物)膜基質(zhì)中摻雜納米無機粒子是改進膜性能的有效方法。石墨烯表面化學惰性、易團聚、難溶于溶劑等,限制了其在摻雜聚合物膜中的應(yīng)用。GO表面有較多含氧基團,具有良好親水性,通過官能團作用,可將GO穩(wěn)固地結(jié)合在某些聚合物上形成復(fù)合物。此外,GO可分散在水溶液中,易于制備和應(yīng)用。GO摻雜改性制備的聚合物分離膜包括:GO摻雜聚合物膜基質(zhì)、化學改性GO摻雜聚合物膜基質(zhì)以及GO與其他納米材料混合后摻雜膜基質(zhì)等。
Zhang等[42]將GO摻雜在聚偏氟乙烯(PVDF)鑄膜液中制備了PVDF/GO復(fù)合超濾膜,其平均孔徑、純水通量、牛血清蛋白(bovineserum albumin,BSA)截留率等均明顯優(yōu)于PVDF膜;Wang等[43]分析了不同GO含量的PVDF/GO摻雜復(fù)合超濾膜,當GO質(zhì)量分數(shù)為0.2%時,純水通量達457 (L·m-2)/h,對BSA截留率達91.0%。通過摻雜GO可在一定程度上優(yōu)化膜性能,但需解決GO均一分散問題,防止其團聚。Xu等[44]利用表面化學物質(zhì)3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性GO(f-GO),有效抑制了GO團聚,所得膜的親水性、孔徑、通量等可通過控制f-GO摻雜量而改變,當f-GO摻雜質(zhì)量分數(shù)為1.0%時,膜通量達401 (L·m-2)/h,對BSA截留率明顯優(yōu)于PVDF膜,同時還可借助f-GO表面形成的長鏈結(jié)構(gòu)摻入膜基質(zhì)中,強化GO與膜基質(zhì)之間的相互作用。雖然化學改性對改進GO分散性及膜的分離性能有顯著作用,但化學改性反應(yīng)步驟較繁瑣,易破壞GO結(jié)構(gòu),反應(yīng)過程中常產(chǎn)生有毒、有害副產(chǎn)物等。
將GO與其他納米材料混合,再摻雜改性聚合物膜基質(zhì),可避免單純化學改性的局限性。Wu等[45]將親水性二氧化硅(SiO2)均勻分散于GO層片表面,抑制GO在膜基質(zhì)中團聚,促進溶液相轉(zhuǎn)化法膜成形過程中溶劑與非溶劑之間交換過程,可有效增大膜的平均孔徑,提高膜的純水通量,同時隨SiO2—GO摻雜量增大,膜對BSA截留率有所增加,可達98.0%左右;Zhang等[46]將一維氧化碳納米管(OMWCNT)與二維GO層片混合,研究了混合物摻雜改性PVDF膜性能發(fā)現(xiàn),當GO/OMWCNT混合比例為1∶1時,膜的分離性能最佳,其純水通量較PVDF膜增大約251.0%,經(jīng)BSA污染后通量恢復(fù)率達82.4%。OMWCNT與GO混合后改進各自的分散性,二者之間協(xié)同作用促進了溶液相轉(zhuǎn)化法膜成形過程中溶劑與非溶劑之間快速交換,在膜中形成一定數(shù)量的較大尺寸孔結(jié)構(gòu),有助于提高摻雜改性PVDF膜的通透性能。此外,在OMWCNT與GO表面形成的水化層,可抑制污染物與膜表面接觸,從而提高膜的抗污染性能。
雖然用GO摻雜改性聚合物分離膜可在一定程度上改進膜的性能,但就本質(zhì)而言,摻雜改性膜并未充分發(fā)揮GO層片獨有的特性(如層片結(jié)構(gòu)、水可在GO非氧化區(qū)域無阻力遷移等),其對膜的改性作用與其他無機納米材料相比,優(yōu)勢并不突出,而GO的成本高于其他納米材料,所以用GO摻雜改性聚合物分離膜仍存在一定的局限性。
2.3 層狀排列石墨烯膜
近年來,研究者們致力于將石墨烯層片堆砌成層狀排列石墨烯分離膜,以期開發(fā)具有高強度、抗污染、大通量和高截留率等特性的新型分離膜。2014年,Mi[47]提出可利用石墨烯層片間隙分離溶液中不同類型的粒子。利用二維納米薄片插入GO層片或?qū)O部分還原,使GO層片間距(<0.7 nm)小于Na+離子,此結(jié)構(gòu)可用于脫鹽等方面;反之,利用聚合物大分子或?qū)⑤^大的剛性化學官能團插入GO層片之間,使層間距增大至1~2 nm,此結(jié)構(gòu)可望在燃料及藥物分離、水處理等方面獲得應(yīng)用;再如,將納米纖維或納米粒子插入GO層片之間且使層間距增大至2 nm,此結(jié)構(gòu)有望在生物醫(yī)學等方面得到應(yīng)用。GO的層間距理論為構(gòu)建不同類型層狀排列GO分離膜的研究提供了依據(jù),面向應(yīng)用過程,可望實現(xiàn)在分子水平上改進或完善分離膜的結(jié)構(gòu)與性能。
目前研究層狀排列GO分離膜的方法包括:真空抽濾法和層-層組裝(layer-by-layer assembly,LbL)法。
真空抽濾法[48-50]是將含改性物質(zhì)的GO分散液在支撐層上抽濾形成超薄且有選擇分離特性的GO支撐層結(jié)構(gòu),方法簡便,易實施。Joshi等[51]通過真空抽濾GO分散液制備了微米厚度的層狀排列GO膜(分子篩),對不同半徑的離子進行截留,GO膜阻擋半徑大于0.45 nm離子,半徑小于0.45 nm離子滲透速率比自由擴散速率高出數(shù)千倍,結(jié)果如圖4所示,這一結(jié)果對膜分離研究有重要價值。
雖然真空抽濾法形成層狀排列石墨烯分離膜的通量高,但并不能實現(xiàn)石墨烯層片之間理想連接,穩(wěn)定性較差。為制備性能優(yōu)異、穩(wěn)定性更強的層狀排列石墨烯分離膜,LbL法更具優(yōu)勢。
LbL法是通過物質(zhì)之間化學鍵及靜電作用在聚合物表面構(gòu)建GO層-層組裝的方法。1996年,Kotov等[52]首次利用未剝離的GO與聚合物電解質(zhì)作用制備了層-層組裝石墨烯基材料。通過化學鍵之間相互作用,可實現(xiàn)GO層片之間自組裝。Mi等[53]將表面經(jīng)多巴胺修飾聚砜作支撐層,在交聯(lián)劑均苯三甲酰氯作用下實現(xiàn)GO納米層片分層自組裝,通過交聯(lián)劑調(diào)控GO納米層片之間層間距并實現(xiàn)GO納米層片穩(wěn)定、高效堆疊,其純水通量比傳統(tǒng)納濾膜提高約4~10倍。通過化學鍵制備的層狀排列GO分離膜的純水通量較高,但因作用力較弱,膜層片之間的結(jié)合仍不夠穩(wěn)定。
由于GO水解后呈負電性,可通過正負電荷交替作用構(gòu)建GO層-層排列結(jié)構(gòu)。Hu等[54]利用靜電作用將聚丙烯基胺鹽(PAH)固著在氫化聚丙烯腈(hPAN)膜表面,然后經(jīng)正負電荷交替作用制備了層狀排列GO-PAH膜,結(jié)果如圖5所示,其純水通量低于hPAN膜,可能因PAH固著于hPAN膜表面過程中發(fā)生溶脹而阻礙孔的傳質(zhì)所致,或者與PAH遠大于GO攜帶電荷量關(guān)聯(lián)。理論上,單層PAH可與13層GO組裝為一層GO-PAH層,這種不均等的排列結(jié)構(gòu)同樣會影響膜層之間的滲透性能。
利用靜電作用實現(xiàn)GO層-層組裝的作用力較強且不發(fā)生副反應(yīng)[55],但因所攜帶電荷量的不均等性,靜電作用下所能形成的高性能層狀排列GO膜尚不多見,有待改進和完善。
國內(nèi)外研究報道的各類合成吸油材料的吸油過程多屬間歇式操作,吸附油品達到飽和狀態(tài)后,其吸附功能殆盡,不能連續(xù)使用,需對吸油材料進行更換或再生,不僅處置效率較低,成本較高,而且也難以滿足連續(xù)(動態(tài))、高效(快速)油水體系以及有機物液體(如有機試劑、石化產(chǎn)品等)分離、提純或濃縮過程的要求。
本課題組面向油水(油中含水和水中含油)體系及有機物液體的分離應(yīng)用和環(huán)保等需求,從高分子加工成型新原理、新方法角度出發(fā),將石墨烯疏水/超親油特性與中空纖維多孔膜特殊形態(tài)相結(jié)合,發(fā)揮吸油與分離功能協(xié)同作用,以微納米結(jié)構(gòu)的石墨烯層片構(gòu)筑表面吸附層,以多孔材料為基膜研究和開發(fā)具有連續(xù)吸油與分離的功能材料。
王子濤等[56]以天然石墨為原料,用Hummers法和超聲剝離法制得GO,將其懸浮液浸漬-涂覆于三聚氰胺海綿表面,在線還原制得還原氧化石墨烯基三聚氰胺海綿(RGOME),具有疏水/超親油特性,對不同油品的吸附量達自身質(zhì)量的56~127倍,對甲苯和煤油的吸附動力學過程符合Langmuir吸附等溫式,結(jié)果如圖6所示;在選擇吸附過程中,油品濃度急劇降低,吸附率不斷升高,分離效率達74.5%,可較好地實現(xiàn)油水分離;吸附油品的RGOME經(jīng)脫附后可多次循環(huán)使用。將RGOME制成中空管狀[57],可實現(xiàn)對水面浮油連續(xù)吸附與分離。
張?zhí)┑萚58]分別采用涂覆法和溶液相轉(zhuǎn)化法在聚對苯二甲酸乙二酯-聚酰胺(PET-PA)無紡布表面構(gòu)筑分離層,制備了PET-PA無紡布增強型PVDF/石墨烯復(fù)合吸油膜(NR-PGM),結(jié)果如圖7所示,具有疏水/超親油特性,純水滲透壓約0.14 MPa,對煤油、柴油的通量達118、218 (L·m-2)/h左右,將其制成中空管狀物,可在負壓驅(qū)動下可實現(xiàn)連續(xù)油水分離,分離效率達97.0%左右,經(jīng)10次循環(huán)使用后分離效率仍可保持在95.0%左右。
Hao等[59]將石墨烯摻雜PVDF共混鑄膜液復(fù)合于PET編織管(PBR)外表面制得石墨烯/PBR-PVDF中空纖維膜,具有疏水/超親油特性,可實現(xiàn)連續(xù)油水分離,結(jié)果如圖8所示。
石墨烯結(jié)構(gòu)與性能獨特,在新型吸附與分離功能材料方面有很好的應(yīng)用前景。但目前仍有許多問題有待研究和解決。例如現(xiàn)階段的石墨烯系吸附與分離功能材料研究大都集中于基礎(chǔ)層面,而有關(guān)實際應(yīng)用的開發(fā)報道較少。要實現(xiàn)石墨烯的廣泛應(yīng)用,還需攻克大批量、低成本制備技術(shù)以及高效回收與再利用等難題。
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Research progress of graphene-plus adsorption andseparation functional materials
XIAO Changfa1,2, CHEN Kaikai2
(1.StateKeyLaboratoryofSeparationMembranesandMembraneProcesses,Tianjin300387,China;2.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)
Graphene exhibits high specific surface area and excellent electrical, thermal, optical and mechanical properties, as well as exceptional hydrophobicity/superlipophilicity. Therefore, graphene is promising in the fields of adsorption and separation due to its unique structure and properties. The paper gives a comprehensive review to the recent studies about the fabrication of graphene-plus adsorption functional materials (graphene-based sponge, graphene hydrogel/aerogel, graphene/carbon nanotubes), graphene-plus separation functional membrane materials (graphene porous membrane, graphene-plus polymer separation membrane, layer-by-layer graphene membrane), and graphene-plus continuous oil adsorption and separation functional materials. Moreover, the research progress and application prospect in oil/water separation process were analyzed and investigated.
graphene; graphene oxide; adsorption; separation; functional material
2016-01-21
2016-07-28
國家自然科學基金資助項目(51673149);天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃(重點項目)資助(14JCZDJC37300)
肖長發(fā)(1953—),男,教授。主要從事纖維材料的研究。E-mail: cfxiao@tjpu.edu.cn。
10.13475/j.fzxb.20160704609
TQ 028.8; TS 102.5
A