CN101939078A - Co2截存的土壤稳定化组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明提供截存CO2的土壤稳定化组合物。本发明的土壤稳定化组合物包括CO2截存组分，如截存CO2的碳酸盐组合物。本发明的另一方面包括制备和使用截存CO2的土壤稳定化组合物的方法。本发明还包括利用这样的组合物使土壤稳定化和产生土地稳定的结构的方法。

Description

CO2截存的土壤稳定化组合物
交互参考
本申请要求2009年2月3日提交的题为“CO2截存的土壤稳定化组合物”的美国临时申请号61/149,633；2009年5月26日提交的题为“使用具有δ13C负值的物质的组合物和方法”的美国临时申请号61/181,250和2009年6月22日提交的题为“使用具有δ13C负值的物质的组合物和方法”的美国临时申请号61/219,310的权益，这些申请通过引用结合于本文。
发明背景
道路、建筑物基础和人行道的构造和维持需要坚实、稳定的基础。铺设路面常常需要使用给予其下的土壤机械强度的化学稳定剂，以加强土壤的稳定性。这些改善能够增加铺就的路面的寿命，抵抗侵蚀和减少维修的频率。
现今使用的许多土壤稳定化组合物是基于利用作为主要稳定组分的硅酸盐水泥。硅酸盐水泥主要由石灰石、某些粘土矿物和石膏在高温过程中，通过驱除二氧化碳和将主要成分经化学结合进新的化合物中制备。由于二氧化碳是通过水泥生产过程本身以及通过提供动力的发电厂(energy plants)实施生产过程产生的，目前水泥生产是当今二氧化碳大气排放的主要来源。据估计水泥厂占二氧化碳全球排放的5％。因为全球变暖和海洋酸化变得日益成问题，并且一直期望减少二氧化碳气体排放(全球变暖的主要原因)，水泥生产行业将会被严加审查。
二氧化碳(CO2)排放已经被确定为全球变暖和海洋酸化的主要元凶。CO2是燃烧的副产物并且其引起运行上的、经济的和环境问题。预计升高的CO2大气浓度和其它温室气体将促进大气中更大量地储存热量，导致表面温度增加和快速气候变化。CO2还已经与海洋相互作用使其pH下降至8.0。CO2监测已经显示大气CO2已经从20世纪50年代的约280ppm上升至今天的约380pmm，并且预计在下一个十年超过400ppm。气候变化的影响将可能在经济上是昂贵的并且使环境受到危害。减轻气候变化的潜在风险将需要截存(sequestration)大气的CO2。
发明简述
本发明提供CO2截存的土壤稳定化组合物。本发明的土壤稳定化组合物包括CO2截存组分，如，截存CO2的碳酸盐组合物。本发明的另外的方面包括制备和使用CO2截存的土壤稳定化组合物的方法。本发明还包括利用这样的组合物使土壤稳定和产生土壤稳定化结构的方法。
在一些实施方案中，本发明提供包含二氧化碳(CO2)截存组分的土壤稳定化组合物。在一些实施方案中，CO2截存组分包括碳酸盐化合物组合物、碳酸氢盐化合物组合物，或其任何组合。在一些实施方案中，CO2截存组分包括金属碳酸盐化合物组合物、金属碳酸氢盐化合物组合物，或其任何组合。在一些实施方案中，碳酸盐化合物组合物包括碳酸钙、碳酸镁、碳酸镁钙，或其任何组合。在一些实施方案中，碳酸盐化合物组合物包括非结晶的碳酸钙、六方碳钙石、文石、方解石、三水菱镁矿、水菱苦土、非结晶的碳酸镁、无水碳酸镁、白云石、原白云石，或其任何组合。在一些实施方案中，碳酸盐化合物组合物、碳酸氢盐化合物组合物，或其组合包括来自含水碱土金属的沉淀物。在一些实施方案中，含水碱土金属包括衍生自工业废气流的CO2。在一些实施方案中，工业废气流包括来自化石燃料燃烧的废气。在一些实施方案中，CO2截存组分具有小于-5‰的δ13C值。在一些实施方案中，碳酸盐化合物组合物、碳酸氢盐化合物组合物，或其组合包括来自含水碱土金属的沉淀物，其中所述含水碱土金属包括荷载CO2的溶液。在一些实施方案中，荷载CO2的溶液包括衍生自工业废气流的CO2和接触溶液。在一些实施方案中，用于向荷载CO2的溶液充填的工业废气流包括来自化石燃料燃烧的废气。在一些实施方案中，接触溶液包括NaOH、KOH、碱性盐水、澄清液体，或其任何组合。在一些实施方案中，其中的CO2截存组分包括来自包括荷载CO2的溶液的含水碱土金属的沉淀物，CO2截存组分具有小于-5‰的δ13C值。在一些实施方案中，土壤稳定化组合物还包括至少一种下列组分：水、水泥样组分、金属阳离子和金属硅酸盐。在一些实施方案中，水泥样组分是硅酸盐水泥。在一些实施方案中，水泥样组分是CO2截存水泥。在一些实施方案中，金属阳离子是硫、硅、锶、硼、钠、钾、镧(lanthium)、锌、铁，或其任何组合。在一些实施方案中，金属硅酸盐是硅酸镁、硅酸钙、硅酸铝，或其任何组合。在一些实施方案中，CO2截存组分使得土壤稳定化组合物减少碳足迹(carbon footprint)、碳中性(carbon neutral)或碳负性(carbon negative)。
在一些实施方案中，本发明提供使土壤稳定化的方法，该方法包括获得包含二氧化碳(CO2)截存组分的土壤稳定化组合物，使土壤稳定化组合物与土壤接触和允许稳定化组合物接触的土壤形成固体产物。在一些实施方案中，土壤稳定化的方法还包括将稳定化组合物接触的土壤压实。在一些实施方案中，接触步骤还包括将土壤稳定化组合物与土壤混合。在一些实施方案中，混合包括将土壤稳定化组合物与地面的土壤机械混合。在一些实施方案中，混合包括从土地移取土壤并将土壤稳定化组合物与土壤在外部混合器中混合并将该混合物返回地面。在一些实施方案中，外部混合器是旋转混合机或路面冷再生机(road reclaimer)。在一些实施方案中，土壤稳定化组合物是浆状物、固体物或糊状物。在一些实施方案中，接触步骤包括将土壤稳定化组合物喷雾、浇注或喷雾和浇注至土壤上。在一些实施方案中，接触步骤包括在深部土壤中释放土壤稳定化组合物。在一些实施方案中，允许步骤还包括自土壤稳定化组合物接触的土壤产生成形的结构。在一些实施方案中，产生成形的结构包括将土壤稳定化组合物和土壤的混合物压实。在一些实施方案中，产生成形的结构包括使土壤稳定化-接触的土壤成形。在一些实施方案中，生产成形的结构包括将土壤稳定化-接触的土壤置于模型中以产生成形的结构。在一些实施方案中，该方法是全厚度再生(full-depthreclamation)。
在一些实施方案中，本发明提供包含土壤和含二氧化碳(CO2)截存组分的土壤稳定化组合物的土壤稳定的结构。在一些实施方案中，本发明提供包含土壤和包含本文前述的CO2截存组分的土壤稳定化组合物的土壤稳定的结构。在一些实施方案中，土壤稳定的结构是砖块、预制板、路面砖、垃圾填埋地、堆肥垫、道路、建筑物地基、水池、管道或其它结构性组件。在一些实施方案中，管道是沟渠、灌溉河道内衬或导管内衬。
在一些实施方案中，本发明提供生产土壤稳定化组合物的方法，该方法包括获得二氧化碳(CO2)截存组分和生产包含二氧化碳(CO2)截存组分的土壤稳定化组合物。在一些实施方案中，CO2截存组分包括碳酸盐化合物组合物、碳酸氢盐化合物组合物，或其组合。在一些实施方案中，获得CO2截存组分包括使含水碱土金属经受碳酸盐和/或碳酸氢盐沉淀条件。在一些实施方案中，含水碱土金属包括荷载CO2的溶液。在一些实施方案中，荷载CO2的溶液包括衍生自工业废气流的CO2和接触溶液。在一些实施方案中，CO2截存组分是水泥样组分。在一些实施方案中，CO2截存组分具有小于-5.00‰的δ13C值。在一些实施方案中，生产土壤稳定化产物包括将CO2截存组分与硅酸盐水泥、辅助性胶结材料(supplementary cementitious material)、骨料(aggregate)、碾碎的石灰石、氧化钙、氢氧化钙、天然火山灰、煅烧的火山灰、沥青乳液、有机聚合材料，或其任何组合混合。
在一些实施方案中，本发明提供截存二氧化碳的方法，该方法包括从含-水碱土金属中使CO2截存的碳酸盐化合物组合物沉淀并且产生包含CO2截存的碳酸盐化合物组合物的土壤稳定化组合物。在一些实施方案中，含水碱土金属在沉淀步骤前与工业废气流接触。
参考文献的结合
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请通过参考结合于本文中，在程度上如同其各自的出版物、专利和专利申请特定地和单个地被指定通过参考结合于本文中一样。
附图简述
本发明的新的特征在所附属的权利要求书中特别列出。通过参考以下给出的阐述性实施方案的详细描述，其中利用本发明的原理及其附图，应获得对本发明的特征和优点的更好理解：
图1依据本发明实施方案提供CO2截存组分产生过程的示意图。
发明详述
本文提供CO2截存的土壤稳定化组合物。本发明的土壤稳定化组合物包括CO2截存组分，如，截存CO2的碳酸盐组合物。本发明的另外方面包括制备和使用截存CO2的土壤稳定化组合物的方法。本发明还包括利用这样的组合物使土壤稳定和产生土壤稳定的结构的方法。
在更详细描述本发明之前，应该理解本发明并不受限于所描述的具体的实施方案，因为这样的实施方案是可以变化的。也应该理解本文所使用的术语仅用于描述具体的实施方案的目的，而不打算受到限制，因为本发明的范围仅受所附的权利要求书的限制。
当提供数值的范围时，应该理解在该范围的上限与下限之间的每一个插入值(以下限单位的十分之一插入，除非上下文另外明确地指明)以及在所述范围内的任何其它所指出的或者插入的值均包含在本发明内。这些较小范围的上限与下限可独立地包含在更小范围内，并且也被包含在所述范围内受到任何具体排除的限制的本发明内。当所述范围包含界限值中的一个或两者时，排除那些包含界限值中的任何一个或两者的范围也被包括在本发明内。
本文可出现术语“约”在数字之前的某些范围。术语“约”在此用于对其之后的准确数字以及该术语之后的接近或近似数字的字面支持。在确定数值是否接近或近似具体列举的数值中，接近或近似的未列举的数值可为其在上下文中出现以提供与具体列举的数值基本相等的数值。
除非另有定义，在此使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。虽然与本文描述的那些相类似或等价的任何方法和原料也可用于本发明的实施或试验中，现在描述典型的示例性方法和原料。
本说明书中引用的所有出版物和专利通过参考结合于本文，如同每一篇单独的出版物和专利被具体地和个别地指定通过参考结合于本文中一样，以公开和描述与所引用的出版物关联的方法和/或原料。任何出版物的引用应为在其提交日期之前的公开内容并且不应视为允许本发明未经授权凭借先前发明而提前公布。另外，所提供的出版日期可不同于实际出版日期，其可需要被独立地确认。
应该指出，如在此和所附权利要求书中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数基准，除非上下文另外明确地指出。应该进一步指出权利要求书可被起草为排除任何任选的要素。因此，意欲将该声明用作使用与列举权利要求要素或使用“否定”限定有关的此类排他术语例如“独自地”、“仅仅”等的先行基础。
本领域技术人员在阅读本公开时显而易见的是，在此描述和举例说明的每一独立的实施方案具有各种的组分与特征，其可易于与不背离本发明的范围和精神的其它几个实施方案中任何一个的特征分开或组合。任何列举的方法可以所列举事件的顺序或者以逻辑上可能的任何其它顺序实施。
在进一步描述本发明中，CO2截存的土壤稳定化组合物的实施方案及其生产方法，将首次得到更详细的描述。其次，还将综述使用CO2截存的土壤稳定化组合物和产生稳定的土壤结构的方法的实例。
截存CO2的土壤稳定化组合物
本发明提供CO2截存的土壤稳定化组合物。“CO2截存的土壤稳定化组合物”意为含衍生自由人类使用的燃料的碳如，具有化石燃料来源的碳的土壤稳定化组合物。例如，依据本发明的诸方面的CO2截存的土壤稳定化组合物含由燃料的燃烧释放的、呈现CO2形式的碳。在某些实施方案中，截存于CO2截存的土壤稳定化组合物中的碳呈现碳酸盐化合物、碳酸氢盐化合物，或其组合的形式。因此，在某些实施方案中，依据本发明的诸方面的CO2截存的土壤稳定化组合物含碳酸盐化合物或碳酸氢盐化合物或两者的组合，其中化合物中至少部分碳衍生自由人类使用的燃料，如化石燃料。如此，本发明的土壤稳定化组合物的产生导致CO2变成储存稳定形式，如，土壤稳定的结构，即人造结构，例如土壤稳定的道路、垃圾填埋地等的组分。如此，本发明截存CO2的土壤稳定的组合物的产生导致防止CO2气体进入大气。本发明的土壤稳定化组合物提供以如将CO2截存(即固定)于土壤稳定的结构的方式的长期储存的CO2，其中截存的CO2不变成大气的部分。“长期储存”意为由本发明提供的土壤稳定的结构长时期保持其固定的截存的CO2而不明显地(如果有的话)释放CO2(当将土壤稳定的结构维持在其预定用途的常规条件下)。本发明的上下文中的长时期可为1年或更长、5年或更长、10年或更长、25年或更长、50年或更长、100年或更长、250年或更长、1000年或更长、10,000年或更长、1,000,000年或更长，或者甚至100,000,000年或更长。至于CO2截存的土壤稳定化组合物，当它们被用于其预定用途时和超过它们的寿命时，降解的量，如果有的话，如检测的CO2气体从产物中释放的量，将不超过5％/年，和在某些实施方案中，将不超过1％/年。
本发明方法的实施方案是负碳足迹方法。“负碳足迹”意为通过实施该方法截存(如，通过使CO2转化为碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐和碳酸氢盐两者)的、以重量计的CO2的量，大于在实施该方法中产生(如，通过动力产生、碱产生等)的CO2的量。在一些情况下，通过实施该方法截存的、以重量计的CO2的量，超过通过实施该方法所产生的、以重量计的CO2的量的1至100％，例如5至100％，包括10至95％、10至90％、10至80％、10至70％、10至60％、10至50％、10至40％、10至30％、10至20％、20至95％、20至90％、20至80％、20至70％、20至60％、20至50％、20至40％、20至30％、30至95％、30至90％、30至80％、30至70％、30至60％、30至50％、30至40％、40至95％、40至90％、40至80％、40至70％、40至60％、40至50％、50至95％、50至90％、50至80％、50至70％、50至60％、60至95％、60至90％、60至80％、60至70％、70至95％、70至90％、70至80％、80至95％、80至90％和90至95％。在一些情况下，通过实施该方法截存的、以重量计的CO2的量，超过在实施该方法中产生的、以重量计的CO2的量的5％或更多、10％或更多、15％或更多、20％或更多、30％或更多、40％或更多、50％或更多、60％或更多、70％或更多、80％或更多、90％或更多、95％或更多。
本发明的土壤稳定化组合物包含CO2截存组分。CO2截存组分是以储存-稳定形式(storage-stable format)储存显著量的CO2的组分，这样CO2气体不易于从产物中产生并释放进入大气中。在某些实施方案中，截存CO2的产物，在生产每1000吨的截存CO2的产物，如，用于构建环境的原料，例如生产水泥或骨料时，能够储存约50吨或更多的CO2，例如约100吨或更多的CO2，包括150吨或更多的CO2，如约200吨或更多的CO2，例如约250吨或更多的CO2，包括约300吨或更多的CO2，例如约350吨或更多的CO2，包括400吨或更多的CO2，如约450吨或更多的CO2，例如约500吨或更多的CO2，包括约550吨或更多的CO2，例如约600吨或更多的CO2，包括650吨或更多的CO2，如约700吨或更多的CO2。如此，在某些实施方案中，截存CO2的产物包含约5％或更多的CO2，例如约10％或更多的CO2，包括约25％或更多的CO2，如约50％或更多的CO2，例如约75％或更多的CO2，包括约90％或更多的CO2。
在某些实施方案中，本发明的土壤稳定化组合物将含来自化石燃料的碳(即在CO2截存组分中)；由于其来源于化石燃料，这样的土壤稳定化组合物的相对碳同位素组合物(δ13C)值将不同于用于土壤稳定化的其它物质，如，石灰石。如本领域已知的，衍生化石燃料的植物优选利用12C而不是13C，因而，将碳同位素分馏，这样它们的比值不同于通常在大气中的比值；当与标准值(PeeDee箭石或PDB，标准)比较时，该值被定义为相对碳同位素组合物(δ13C)值。煤的δ13C值的通常在-30至-20‰范围内，而甲烷的δ13C值可低至-20‰至-40‰或甚至-40‰至-80‰。大气CO2的δ13C值为-10‰至-7‰，石灰石骨料的为+3‰至-3‰，而海水的碳酸氢盐的为0‰。即使土壤稳定化组合物含一些天然石灰石或具有比化石燃料较少的负δ13C值的其它C源，其δ13C值一般将仍然为负值并且低于石灰石或大气CO2的值。因而，本发明的土壤稳定化组合物包括具有δ13C小于(更负于)-10‰，例如小于(更负于)-12‰、-14‰、-16‰、-18‰、-20‰、-22‰、-24‰、-26‰、-28‰或小于(更负于)-30‰的CO2截存组分的土壤稳定化组合物。在一些实施方案中，本发明提供具有δ13C小于(更负于)-10‰的土壤稳定化组合物。在一些实施方案中，本发明提供具有δ13C小于(更负于)-14‰的CO2截存组分的土壤稳定化组合物。在一些实施方案中，本发明提供具有δ13C小于(更负于)-18‰的CO2截存组分的土壤稳定化组合物。在一些实施方案中，本发明提供具有δ13C小于(更负于)-20‰的CO2截存组分的土壤稳定化组合物。在一些实施方案中，本发明提供具有δ13C小于(更负于)-24‰的CO2截存组分的土壤稳定化组合物。在一些实施方案中，本发明提供具有δ13C小于(更负于)-28‰的CO2截存组分的土壤稳定化组合物。在一些实施方案中，本发明提供具有δ13C小于(更负于)-30‰的CO2截存组分的土壤稳定化组合物。在一些实施方案中，本发明提供具有δ13C小于(更负于)-32‰的CO2截存组分的土壤稳定化组合物。在一些实施方案中，本发明提供具有δ13C小于(更负于)-34‰的CO2截存组分的土壤稳定化组合物。这样的具有CO2截存组分的土壤稳定化组合物可为如本文的含有碳酸盐和/或碳酸氢盐的土壤稳定化组合物，如，以重量计含至少10、20、30、40、50、60、70、80或90％的碳酸盐和/或碳酸氢盐，如，至少50％的碳酸盐和/或碳酸氢盐的土壤稳定化组合物。
以单位‰(每千分之)表示的相对碳同位素组合物(δ13C)值为碳的两种稳定同位素，即12C和13C的浓度相对于变成化石的箭石标准品(即PDB标准)的比率的量度。
δ13C‰＝[(13C/12C样品-13C/12CPDB标准品)/(13C/12CPDB标准品)]x1000
在光合作用中和在利用无机碳的其它生物学过程中，12C被植物优先摄取，因为其具有较小的质量。较小质量的12C允许动力学受限的反应，比用13C实施更有效。因此，衍生自植物材料的物质，如化石燃料，具有小于衍生自无机来源的相对碳同位素组合物值。从燃烧化石燃料产生的废气中的二氧化碳反映已形成化石的有机物质的相对碳同位素组合物值。表1列出相对碳同位素组合物值的范围以对相关碳源进行比较。
掺入来自燃烧化石燃料的碳的物质反映δ13C值更类似于那些植物来源的物质，即小于掺入来自大气或非植物海洋来源的碳的物质。确认由截存二氧化碳过程产生的物质包含来自燃烧化石燃料的碳，可包括检测生成的物质的δ13C值，和确定不类似于大气二氧化碳、非海洋来源的碳的值。
包括检测生成的物质的δ13C值，和确定不类似于大气二氧化碳、非海洋来源的碳的值。
表1.有意义的碳源的相对碳同位素组合物(δ13C)值
  碳源   δ13C范围[‰]   δ13C平均值[‰]
  C3植物(大多数高等植物)   -23至-33   -27
  C4植物(大多数热带和湿地植物)   -9至-16   -13
  大气   -6至-7   -6
  海水碳酸盐(CO3)   -2至+2   0
  海水碳酸氢盐(HCO3)   -3至+1   -1
  来自澳大利亚Yallourn Seam的煤1   -27.1至-23.2   -25.5
  来自美国肯塔基州Dean Coal Bed的煤2   -24.47至-25.14   -24.805
1.Holdgate，G.R.等，Global and Planetary Change，65(2009)pp.89-103。
2.Elswick，E.R.等，Applied Geochemistry，22(2007)pp.2065-2077。
在一些实施方案中，本发明提供描述组合物特征的方法，其包括检测其相对碳同位素组合物(δ13C)值。在一些实施方案中，该组合物是含碳酸盐，如碳酸镁和/或碳酸钙的组合物。在一些实施方案中，该组合物是含碳酸氢盐，如碳酸氢镁和/或碳酸氢钙或金属碳酸氢盐的组合物。任何适宜的方法可用于检测δ13C值，例如质谱或离轴积分腔输出光谱(off-axis integrated-cavity output spectroscopy)(离轴ICOS)。
碳同位素间的一个差异在于其质量。发明人具有的任何足以敏感检测碳量的质量辨识技术，可被用于发现13C与12C同位素浓度的比率。质谱常用于发现δ13C值。也能测定δ13C值的台面式离轴积分腔输出光谱(离轴ICOS)仪是商业上可获得的。通过在由二氧化碳中的12C和13C同位素产生的碳-氧双键中能量的差异获得这些值。碳截存过程产生的含碳酸盐和/或碳酸氢盐的沉淀物的δ13C值当作CO2气体源的足迹，尽管该值因来源不同而异，但是在大多数碳截存情况下，δ13C将通常在-9‰至-35‰范围内。
在一些实施方案中，该方法还包括检测组合物中的碳量。可使用任何用于检测碳的适宜的技术，例如库仑分析法。
包含一种或多种衍生自工业CO2的合成的碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐和碳酸氢盐的混合物的沉淀物质，反映衍生工业CO2(来自化石燃料的燃烧)的化石燃料(如，煤、油、天然气或废气)的相对碳同位素组合物(δ13C)。以单位‰(每千分之)表示的相对碳同位素组合物(δ13C)值是两种稳定的碳同位素，即12C和13C相对于化石箭石标准品(PDB标准)的浓度比的量度。
这样，CO2截存组分(即含合成的碳酸盐和/或碳酸氢盐的沉淀物质)的δ13C值当作用于形成沉淀的CO2气体源的足迹。δ13C值可因来源(即化石燃料源)不同而异，但是本发明组合物的CO2截存组分的δ13C值一般，但不是必然在-9‰至-35‰范围内。在一些实施方案中，含合成的碳酸盐和/或碳酸氢盐的沉淀物质(即CO2截存组分)的δ13C值在-1‰和-50‰之间，在-5‰和-40‰之间，在-5‰和-35‰之间，在-7‰和-40‰之间，在-7‰和-35‰之间，在-9‰和-40‰之间或在-9‰和-35‰之间。在一些实施方案中，含合成的碳酸盐的沉淀物质(即CO2截存组分)的δ13C值小于(即更负于)-3‰、-5‰、-6‰、-7‰、-8‰、-9‰、-10‰、-11‰、-12‰、-13‰、-14‰、-15‰、-16‰、-17‰、-18‰、-19‰、-20‰、-21‰、-22‰、-23‰、-24‰、-25‰、-26‰、-27‰、-28‰、-29‰、-30‰、-31‰、-32‰、-33‰、-34‰、-35‰、-36‰、-37‰、-38‰、-39‰、-40‰、-41‰、-42‰、-43‰、-44‰或-45‰，其中δ13C值越负，含合成的碳酸盐的组合物的12C越丰富。任何适宜的方法可用于检测δ13C值，所述方法包括包括，但不限于质谱或离轴积分腔输出光谱(离轴ICOS)。
由本发明方法生产的储存稳定的CO2截存产物可包括碳酸盐化合物、碳酸氢盐化合物或其混合物，当与淡水合并时，溶解并产生不同的矿物质，这些物质在淡水中比在最初沉淀产物组合物的化合物更稳定。(虽然最初的沉淀产物组合物的化合物在与淡水合并时可溶解，且然后产生不同的组分，CO2气体不以显著量被释放出来，或在某些情况下以任何这样的反应完全被释放出来)。最初的沉淀产物组合物的化合物可为在盐水中比它们在淡水中更稳定的那些，这样它们可被看作盐水亚稳态化合物。如通过使用在库仑计滴定法中描述的规程的库仑分析法测定的，产物中的碳酸盐的量为40％或更高，例如70％或更高，包括80％或更高。
储存稳定的沉淀产物可包括一种或多种不同的碳酸盐化合物，例如两种或更多种不同的碳酸盐化合物，如三种或更多种不同的碳酸盐化合物、五种或更多种不同的碳酸盐化合物等，包括非特定的、非结晶的碳酸盐化合物。本发明的沉淀产物的碳酸盐化合物可为具有分子式Xm(CO3)n的化合物，其中X是能够与碳酸根基团或其多价基团经化学键合的任何元素或多元素的组合，其中X在某些实施方案中是碱土金属(在元素周期表的IIA族发现的元素)而不是碱金属金属(在元素周期表的IA族发现的元素)；其中m和n是化学计量的正整数。这些碳酸盐化合物可具有分子式Xm(CO3)n·H2O，其中分子式中有一个或多个结构水。
碳酸盐化合物可为非结晶的或结晶。碳酸盐化合物组合物中的具体的矿物质分布，即不同类型的不同碳酸盐矿物质的特性和各自的量，可有变化，并且将取决于衍生其的具体的水源性质，以及用于衍生其的具体条件。
如以上指出的，在本发明的一些实施方案中，组合物的碳酸盐化合物是在盐水中比在淡水中更稳定的亚稳态碳酸盐化合物，这样，当与任何pH的淡水接触时，它们溶解和再次沉淀进入其它淡水稳定的矿物质中。在某些实施方案中，碳酸盐化合物呈现为小的粒子，如，如通过扫描式电子显微镜测定的，粒径范围从0.1微米至100微米，如1至100微米或10至100微米或50至100微米，在一些实施方案中，为0.5至10微米。在一些实施方案中，粒径表现为双峰或多峰分布。在某些实施方案中，如通过Brauner，Emmit，&Teller(BET)表面积分析法测定的，粒子具有高的表面，如，范围从0.5至100m2/gm，0.5至50m2/gm，例如从0.5至2.0m2/gm。在一些实施方案中，由本发明方法生产的截存CO2的产物可包括杆状结晶和非结晶固体。杆状结晶可在结构上变化，而且在某些实施方案中，具有长度与直径比率的范围从500至1，例如10至1。在某些实施方案中，结晶的长度范围从0.5μm至500μm，例如从5μm至100μm。在其它实施方案中，产生基本上是非结晶的固体。
沉淀产物的碳酸盐化合物可包括许多不同的阳离子，例如但不限于：钙、镁、钠、钾、硫、硼、硅、锶，及其组合。有意义的是二价金属阳离子的碳酸盐化合物，例如碳酸钙和碳酸镁化合物。有意义的特殊碳酸盐化合物包括，但不限于：碳酸钙矿物质、碳酸镁矿物质和碳酸钙镁矿物质。有意义的碳酸钙矿物质包括，但不限于：方解石(CaCO3)、文石(CaCO3)、六方碳钙石(CaCO3)、六水碳钙石(CaCO3·6H2O)和非结晶的碳酸钙(CaCO3·nH2O)。有意义的碳酸镁矿物质包括，但不限于菱苦土(MgCO3)、水碳镁石(MgCO3·2H2O)、三水菱镁矿(MgCO3·3H2O)、五水菱镁矿(lanfordite)(MgCO3·5H2O)、水天然菱苦土(hydromagnisite)和非结晶的碳酸镁(MgCO3·nH2O)。有意义的碳酸钙镁矿物质包括，但不限于白云石(CaMg(CO3)2)、碳钙镁石(Ca1Mg3(CO3)4)和水碳钙镁石(Ca2Mg11(CO3)13·10H2O)。该产物的碳酸盐化合物可包括一个或多个水合作用的水或可为无水的。
在一些情况下，沉淀中以重量计的碳酸镁化合物的量超过沉淀中以重量计的碳酸钙化合物的量。例如，沉淀中以重量计的碳酸镁化合物的量可超过沉淀中以重量计的碳酸钙化合物的量5％或更多，例如10％或更多、15％或更多、20％或更多、25％或更多、30％或更多。在一些情况下，沉淀中碳酸镁化合物与碳酸钙化合物的重量比率范围从1.5-5∶1，例如2-4∶1包括2-3∶1。
在一些实施方案中，本发明的沉淀产物可包括碳酸氢盐化合物。本发明的有意义的碳酸氢盐包括，但不限于：碳酸氢钠、碳酸氢钙、水合碳酸氢钙、碳酸氢镁、水合碳酸氢镁和其它金属(如锶、铁、钾)的碳酸氢盐。该产物的碳酸氢盐化合物可包括一个或多个水合作用的水或可为无水的。该产物的碳酸氢盐化合物可为非结晶的或为结晶的。
在一些情况下，沉淀产物可包括氢氧化物，例如二价金属离子氢氧化物，如，氢氧化钙和/或氢氧化镁。有意义的主要氢氧化钙矿物质是羟钙石Ca(OH)2及其非结晶的水合类似物。有意义的主要氢氧化镁矿物质是羟镁石Mg(OH)2及其非结晶的水合类似物。
本发明的CO2截存组分衍生自，如自水中的沉淀物。由于土壤稳定化组合物的CO2截存组分自水中沉淀，它们将包括存在于它们沉淀的水源中的一个或多个组分，并且鉴别来自水源的组合物，其中这些鉴别组分及其量在此统称为水源鉴定试剂。例如，如果水源为海水，可存在于碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物组合物中的鉴定化合物包括，但不限于：氯化物、钠、硫、钾、溴化物、硅、锶等。任何这样的来源鉴定或“标记”元素通常以小量存在，例如以20,000ppm或者更少的量，例如2000ppm或者更少的量存在。在某些实施方案中，“标记”化合物为锶，其可存在于被掺合到例如文石晶格中的沉淀中，并且占3ppm或更多，在某些实施方案中其范围在3至10,000ppm，例如从5至5000ppm，包括5至1000ppm，如5至500ppm，包括5至100ppm。在一些实施方案中，锶可存在于碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物中的沉淀中，并且占3ppm或更多，在某些实施方案中，占100ppm或更多，例如150ppm或更多，包括200至10,000ppm，如300至9,000ppm，包括1,500至8,000ppm。有意义的另一种“标记”化合物为镁，其可以高达20％摩尔的量存在以替代碳酸盐化合物中的钙。组合物的水源鉴定试剂可依具体水源(如用于产生水衍生的碳酸盐组合物的盐水)不同而异。在某些实施方案中，沉淀的碳酸钙的量为25％w/w或更高。在某些实施方案中，碳酸盐组合物的特征为具有鉴别碳酸盐与氢氧化物化合物比率的水源，其中在某些实施方案中，该比率的范围从100至1，例如10至1且包括1至1。
术语“土壤”使用其常规含义，指的是供陆地植物生长的所有类型的天然介质。其也可指岩床之上的所有疏松物质并且可包括粘土、淤泥、砂砾和砂土的混合物。“粘土”意指一组主要由铝、镁和铁组成的、细微的结晶性、偏胶质的(metacolloidal)或非结晶的水性硅酸盐。当将其精细研磨并与水混合时，粘土粒子可形成有可塑性的、可模压的块，并且在干燥时保持其性状，变得坚固、刚硬和在加热后变得永久性坚硬。
有许多不同的类型的土壤，各含不同百分比的粘土。然而，可使用的与使用本发明的CO2截存的土壤稳定化组合物的建筑结构有关的土壤，通常含从0.5-20％的粘土。当土壤含更高百分比的粘土时，如，黑土，这样的土壤通常不适用于形成结构。
CO2截存土壤稳定化组合物的制备
本发明的多个方面也包括制备CO2截存的土壤稳定化组合物的方法。可通过产生CO2截存组分以及然后使用CO2截存组分制备土壤稳定化组合物制备CO2截存的土壤稳定化组合物。现在将在下文更详细地描述本发明的这些各个方面。
多种不同的方法可用于制备本发明的土壤稳定化组合物的CO2截存组分。有意义的CO2截存方案包括，但不限于在下述文献中公开的那些，这些文献为：2008年5月23日提交的、题为“包含碳酸盐化合物组合物的水凝水泥(Hydraulic cements comprising carbonatecompound compositions)”的美国专利申请序列号12/126,776，公布号US 2009-0020044A1；2008年6月27日提交的、题为“包括碳酸盐化合物沉淀的脱盐方法和系统(DESALINATION METHODS ANDSYSTEMS THAT INCLUDE CARBONATE COMPOUNDPRECIPITATION)”的美国专利申请序列号12/163,205，公布号US2009-0001020A1；美国专利申请序列号12/344,019，公布号US2009-0169452A1；2009年5月29日提交的、题为“岩石和骨料以及制备和使用它们的方法(ROCKS AND AGGREGATE，ANDMETHODS OF MAKING AND USING THE SAME)”的美国专利申请序列号12/475,378；2009年6月17日提交的、题为“利用金属氧化物废物资源的方法和系统(METHODS AND SYSTEMS FOR UTILIZINGWASTE SOURCES OF METAL OXIDES)”的美国专利申请序列号12/486,692，公布号US 2010-0000444A1；2009年7月10日提交的、题为“从包含金属硅酸盐的原料生产含碳酸盐-组合物(PRODUCTIONOF CARBONATE-CONTAINING COMPOSITIONS FROMMETERIAL COMPRISING METAL SILICATES)”的美国专利申请序列号12/501,217，公布号US 2009-0301352 A1；2009年9月10日提交的、题为“CO2商品贸易系统和方法(CO2 COMMODITY TRADINGSYSTEM AND METHOD)”的美国专利申请序列号12/557,492，以及2007年12月28日提交的、题为“截存CO2的方法(METHODS OFSEQUESTERING CO2)”的待审的美国临时专利申请序列号61/017,405；2007年12月28日提交的、题为“由盐水-衍生矿物质组合物组成的硅酸盐水泥掺合物(PORTLAND CEMENT BLENDSCOMPRISING SALT WATER-DERIVED MINERALCOMPOSITIONS)”的美国临时专利申请序列号61/017,419；2008年5月29日提交的、题为“截存发电厂产生的CO2(SEQUESTERINGPOWER PLANT GENERATED CO2)”的美国临时专利申请序列号61/057,173；2008年5月29日提交的、题为“CO2截存骨料以及制备和使用它们的方法(CO2 SEQUESTERING AGGREGATE，ANDMETHODS OF MAKING AND USING THE SAME)”的美国临时专利申请序列号61/056,972；2008年6月17日提交的、题为“利用灰烬截存CO2的方法(METHODS OF SEQUESTERING CO2 UTILIZINGASH)”的美国临时专利申请序列号61/073,319；2008年7月10日提交的、题为“含硅矿物质在生产包含火山灰的水泥中的应用(Use ofSilicon Containing Minerals to Produce Cements Including Pozzolans)”的美国临时专利申请序列号61/079,790；2008年7月16日提交的、题为“使用氢吸收性金属催化剂对碳截存的低能量pH调节(LOWENERGY pH MODULATION FOR CARBON SEQUESTRATIONUSING HYDROGEN ABSORPTIVE METAL CATALYSTS)”的美国临时专利申请序列号61/081,299；2008年7月22日提交的、题为“通过碳酸盐化合物产生的CO2截存(CO2 SEQUESTRATION BYCARBONATE COMPOUND PRODUCTION)”的美国临时专利申请序列号61/082,766；2008年8月13日提交的、题为“高得率CO2截存产物产生(HIGH YIELD CO2 SEQUESTRATION PRODUCTPRODUCTION)”的美国临时专利申请序列号61/088,347；2008年8月12日提交的、题为“在硅酸盐水泥生产中减少CO2排放的措施(MEANSFOR REDUCING CO2 EMISSIONS IN PORTLAND CEMENTPRODUCTION)”的美国临时专利申请序列号61/088,340；2008年9月30日提交的、题为“产生碳截存可贸易商品的方法和用于它们的交易系统(METHODS OF PRODUCING CARBON SEQUESTRATIONTRADABLE COMMODITIES，AND SYSTEMS FORTRANSFERRING THE SAME)”的美国临时专利申请序列号61/101,629；和2008年9月30日提交的、题为“CO2截存(CO2SEQUESTRATION)”的美国临时专利申请序列号61/101,631；以上这些公开文献通过引用结合于本文。
本发明的CO2截存组分包括可通过金属碳酸盐和/或碳酸氢盐组合物，例如碳酸钙和/或碳酸镁，和/或碳酸氢钙和/或碳酸氢镁组合物自水中沉淀产生的碳酸盐组合物、碳酸氢盐组合物，或其组合。组成本发明的CO2截存组分的碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐和碳酸氢盐化合物组合物，包括如下更详细描述的可自水，例如盐-水中沉淀的亚稳态的碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物。本发明的碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物组合物包括沉淀的结晶和/或非结晶的碳酸盐化合物、碳酸氢盐化合物，或其混合物。
在某些实施方案中，从中产生碳酸盐和/或碳酸氢盐沉淀的水是盐水。在这样的实施方案中，可将碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物组合物看作盐水衍生的碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物组合物。如在本文使用的，“盐水-衍生的碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物组合物”意指衍生自盐水的组合物并且由一种或多种不同的碳酸盐和/或碳酸氢盐结晶和/或非结晶的化合物与或不与一种或多种氢氧化物结晶或非结晶的化合物组成。术语“盐水”以其常规含义使用，指许多不同类型的不是淡水的水性液体，其中术语“盐水”包括咸味水、海水和盐水(包括人造盐水，如，地热发电站废水、脱盐过程的废水等)，以及其它具有大于淡水盐度的盐水。盐水是以盐饱和或接近饱和的水并且盐度为50ppt(每千分之部分)或更高。咸味水是比淡水更咸但是不似海水那样咸的水，其盐度范围从0.5至35ppt。海水是来自大海或海洋的水并具有范围在35至50ppt的盐度。本发明的土壤稳定化组合物的CO2截存组分的主要组分的矿物质组合物从中衍生的盐水源，可为天然存在的水源，例如大海、海洋、湖、沼泽、河口、礁湖等或人造来源。在某些实施方案中，矿物质组合物的盐水来源是海水。
在一些实施方案中，衍生自为本发明的土壤稳定化组合物的CO2截存组分的主要组分的矿物质组合物的盐水源，可为盐水，例如来源于地下的天然存在的盐水、工业废盐水、脱盐过程流出的盐水、合成的盐水、用矿物质增补的盐水、用硅石增补的盐水、用金属离子增补的盐水，或其任何组合。
当最初按照盐水源描述本发明时，在某些实施方案中，用于本发明的水可为富含矿物质，如富含钙和/或镁的淡水源。用于该过程的水是包含一种或多种碱土金属，如镁、钙等的水，和为发现在本发明实施方案中使用的另一种类型的含碱土金属的水。有意义的水包括那些含钙量范围从50至20,000ppm，例如100至10,0000ppm并包括200至5000ppm的水。有意义的水包括那些含镁量范围从50至20,000ppm，例如200至10000ppm并包括500至5000ppm的水。
盐水-衍生的碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物组合物为衍生自盐水的组合物。如此，它们是以某种方式，如通过以足以从最初体积的盐水中产生需要的碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物组合物的方式处理一定体积的盐水，从盐水中获得的组合物。某些实施方案的碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物组合物通过从水，如盐水，包含碱土金属，例如钙和镁等的水中沉淀产生，此处这样的水统称为含碱土金属的水。
用于诸方法中的盐水可有变化。如以上所综述的，有意义的盐水包括咸味水、海水和盐水，以及具有比淡水盐度高的其它盐水，其盐度小于5ppt溶解盐。在一些实施方案中，例如，富含钙的水可与硅酸镁矿物质，例如橄榄石或蛇纹石在由于添加了二氧化碳形成碳酸已经变成酸性的溶液中结合，该溶液使硅酸镁溶解，导致形成如以上提到的硅酸钙镁碳酸盐化合物。
在生产本发明的土壤稳定化组合物的碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物组合物的方法中，一定体积的水经历足以产生沉淀的碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物组合物的碳酸盐化合物沉淀条件和母液(即碳酸盐化合物从盐水沉淀后残留的部分水)。得到的沉淀和母液共同组成本发明的碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物组合物。可使用任何便利的沉淀条件，该条件导致含碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐和碳酸氢盐化合物组合物的截存产物的产生。
重要的沉淀条件可以变化。例如，水的温度可在使需要的矿物质发生沉淀的适宜范围内。在一些实施方案中，水的温度可在从0至70℃，例如从0至50℃，例如从3至50℃和包括3至20℃的范围内。在一些实施方案中，水的温度可在从5至70℃，例如从20至50℃和包括从25至45℃的范围内。因此，尽管给出的一组沉淀条件可具有0-100℃范围内的温度，在某些实施方案中，可调节该温度以产生需要的沉淀。
在正常海水中，93％的溶解CO2以碳酸氢根离子(HCO3 -)的形式存在和6％以碳酸根离子(CO3 2-)的形式存在。当碳酸钙自正常海水沉淀时，CO2被释放。在高于pH 10.33的淡水中，大于90％的碳酸盐以碳酸盐离子形式存在，并且在碳酸钙沉淀期间没有CO2被释放。在海水中，该转变发生于稍低的pH，接近于pH 9.7。尽管在给定的沉淀过程期间用于该方法的水的pH范围从4至14时，在某些实施方案中，在需要时，pH被升至碱性水平以促使碳酸盐化合物以及其它化合物例如氢氧化物化合物沉淀。在这些实施方案中的某些实施方案中，如果在沉淀期间没有消除CO2产生，pH被升至引起溶解的CO2，如在碳酸盐化合物沉淀中捕集的碳酸盐和碳酸氢盐形式减至最小的水平。在这些实施方案中，pH可升至10或更高，例如11或更高。
可采用任何便利的方法升高水的pH。在某些实施方案中，使用pH升高剂，其中这样试剂的实例包括氧化物、氢氧化物(例如飞灰中的氧化钙、氢氧化钾、氢氧化钠、羟镁石(Mg(OH)2等)、碳酸盐(如，碳酸钠)等。用于升高海水pH的一种这样的方法是使用来自燃煤发电厂的含许多氧化物的煤灰。其它的煤加工过程，象产生合成气的煤气化，也产生氢气和一氧化碳，并且也可用作氢氧化物源。一些天然存在的矿物质，例如蛇纹石含有氢氧化物，并且可经溶解得到氢氧化物源。加入蛇纹石也向溶液中释放硅和镁，导致形成含硅石的碳酸盐化合物。向水中加入的pH升高剂的量将取决于该试剂的特殊性质和所要调节的盐水的体积，并且应足以调节和维持水的pH至所需的值。或者，通过水的电解，能够将盐水源的pH调节至需要的水平。当应用电解时，可采取多种不同的方案，例如使用水银电池法(也称为卡斯讷-凯耳讷法(Castner-Kellner process))；隔膜电解法(Diaphragmcell process)、膜电解法(membrane cell process)。当需要时，可收获水解产物的副产物，如H2、钠金属等，并当需要时用于其它目的。
本发明的方法包括使一定体积的二价阳离子水溶液与CO2源接触(以溶解CO2)接触并且将得到的溶液经历沉淀条件。在一些实施方案中，在将水性溶液经历沉淀条件时，使一定体积的二价阳离子的水溶液与CO2源(以溶解CO2)接触。CO2溶解于二价阳离子的水溶液中，产生碳酸，一种与碳酸氢盐和碳酸盐两者处于平衡状态的物质。为了产生含碳酸盐的沉淀物质，自含二价阳离子的溶液中的多种物质(如碳酸、碳酸氢盐、水合氢离子等)中除去质子，以使平衡移向碳酸盐。当质子被除去时，更多的CO2进入溶液中。在一些实施方案中，使用质子去除剂和/或方法，同时使含二价阳离子的水溶液与CO2接触，以增加在沉淀反应同一相的CO2吸收，其中pH可保持恒定、增加或者甚至降低，随后迅速除去质子(如，通过加入碱)以引起包含碳酸盐沉淀物质的快速沉淀。通过任何便利的方法，包括，但不限于使用天然存在的质子去除剂、使用微生物和真菌、使用合成的化学质子去除剂、回收人造废气流和使用电化学手段，可自多种物质(如碳酸、碳酸氢盐、水合氢离子等)中除去质子。
天然存在的质子去除剂包括可产生或具有局部碱性环境的更广泛环境中发现的任何质子去除剂。一些实施方案提供了包含在加入到溶液中时产生碱性环境的矿物质的天然存在的质子去除剂。这样的矿物质包括，但不限于石灰(CaO)；方镁石(MgO)；氢氧化铁矿物质(如，针铁矿和褐铁矿)；和火山灰。本文提供用于消化这样的矿物质和包含这样矿物质的岩石的方法。一些实施方案提供了采用天然碱性水体作为天然存在的质子去除剂。天然碱性水体的实例包括(但不限于)表面水源(例如碱性湖泊如美国加州的莫诺湖(Mono Lake))和地下水源(例如碱性含水层如位于美国加州塞尔斯湖(Searles Lake)的地质深层碱性含水层)。其它实施方案提供来自干燥碱性水体例如沿着非洲东非大裂谷的纳特龙湖(Lake Natron)地壳的沉积物的应用。在一些实施方案中，在其正常代谢中分泌碱性分子或溶液的生物体被用作质子去除剂。这样生物体的实例为产生碱性蛋白酶的真菌(例如具有最佳pH 9的深海真菌焦曲霉(Aspergillus ustus))和产生碱性分子的细菌(例如蓝细菌如来自不列颠哥伦比亚省阿特林湿地的鞘丝藻(Lyngbya sp.)，其增加光合作用副产物的pH)。在一些实施方案中，生物体被用于产生质子去除剂，其中微生物(例如巴斯德氏芽胞杆菌，其将脲水解为氨)将污染物(例如脲)代谢以产生质子去除剂或包含质子去除剂(例如氨、氢氧化铵)的溶液。在一些实施方案中，生物体与沉淀反应混合物分开培养，其中质子去除剂或包含质子去除剂的溶液被用于加入到沉淀反应混合物中。在一些实施方案中，天然存在或制备的酶与质子去除剂联合使用以引起沉淀物料的沉淀。碳酸酐酶，其为由植物和动物产生的酶，加速碳酸在水溶液中转化为碳酸氢盐。
用于影响质子去除的化学试剂通常指以大量生产和可市售得到的合成化学试剂。例如，用于去除质子的化学试剂包括(但不限于)氢氧化物、有机碱、超强碱、氧化物、氨和碳酸盐。氢氧化物包括在溶液中提供氢氧阴离子的化学物质，包括例如氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化钙(Ca(OH)2)或氢氧化镁(Mg(OH)2)。有机碱为通常为含氮碱的含碳分子，包括伯胺例如甲胺、仲胺例如二异丙胺、叔胺例如二异丙基乙胺、芳胺例如苯胺、杂芳族化合物例如吡啶、咪唑和苯并咪唑及其各种形式。在一些实施方案中，选自吡啶、甲胺、咪唑、苯并咪唑、组胺和磷腈(phophazene)的有机碱被用于自沉淀物料的沉淀的各种物质(例如碳酸、碳酸氢盐、水合氢等)中除去质子。在一些实施方案中，有机碱可为乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐、戊酸盐或其组合。在一些实施方案中，氨用于升高pH至足以自二价阳离子溶液和工业废气流沉淀出沉淀物料的水平。适合用作质子去除剂的超强碱包括乙醇钠、氨基钠(NaNH2)、氢化钠(NaH)、丁基锂、二异丙基氨化锂、二乙基氨化锂和双(三甲基甲硅烷基)氨化锂。氧化物包括例如氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化锶(SrO)、氧化铍(BeO)和氧化钡(BaO)也是可使用的合适的质子去除剂。用于本发明的碳酸盐包括(但不限于)碳酸钠。
除了包含有意义的阳离子和其它合适的金属形式以外，来自多种工业生产方法的废物流可提供质子去除剂。这样的废物流包括(但不限于)采矿废物、矿物燃料燃烧灰分(例如燃烧灰分如飞灰、底灰、锅炉渣)、炉渣(例如铁渣、磷渣)、水泥窑废物、炼油厂/石化炼油厂废物(例如油田和甲烷层盐水)、煤层废物(例如气体产生盐水和煤层盐水)、纸加工处理废物、水软化废盐水(例如离子交换排放物)、硅氧烷加工处理废物、农业废物、金属抛光废物、高pH纺织废物和碱渣。采矿废物包括来自金属或另一种来自地球的贵重或有用矿物质的提取的任何废物。在一些实施方案中，来自采矿的废物可用于调节pH，其中废物选自来自拜耳铝提取方法的赤泥、自海水提取镁的废物(例如于美国加州莫斯兰丁发现的Mg(OH)2)；和来自采矿工艺过程包括浸取的废物。例如，赤泥可用于如在2009年3月18日提交的、题为“利用CO2和二价阳离子溶液中和工业废物料(NEUTRALIZINGINDUSTRIAL WASTES UTILIZING AND A DIVALENT CATIONSOLUTION)”的美国临时专利申请号61/161,369(其在此通过参照全部结合到本文中)中描述的那样调节pH。化石燃料燃烧灰分、水泥窑粉尘和炉渣，总称为金属氧化物废物源，在2009年6月17日提交的、题为“利用金属氧化物废物源的方法和系统(METHODS ANDSYSTEMS FOR UTILIZING WASTE SOURCES OF METALOXIDES)”的美国专利申请号12/486,692(其公开在此全部结合到本文中)中得到进一步描述，可单独或与其它质子去除剂联合使用，以提供用于本发明的质子去除剂。农业废物，或者通过动物废物或者通过过量的肥料使用，可包含氢氧化钾(KOH)或氨(NH3)或两者。因此，农业废物可在本发明的一些实施方案中用作质子去除剂。该农业废物通常被收集在池中，但是其也可下渗到可进入和使用的蓄水层中。
电化学方法是自溶液的各种物质中除去质子的另一种方法，无论是通过自溶质(例如碳酸或碳酸氢盐的去质子作用)还是自溶剂(例如水合氢或水的去质子作用)除去质子。溶剂的去质子作用可例如导致自CO2溶解产生的质子相当于甚或超过自溶质分子去除的电化学质子。在一些实施方案中，低电压电化学方法用于去除质子，例如，当CO2被溶解于沉淀反应混合物或沉淀反应混合物的前体溶液(即可包含或可以不包含二价阳离子的溶液)时。在一些实施方案中，通过低电压电化学方法处理溶解于不包含二价阳离子的水溶液中的CO2，以从由CO2溶解生成的碳酸、碳酸氢盐、水合氢或任何物质或其组合除去质子。低电压电化学方法在2、1.9、1.8、1.7或1.6V或更少，例如1.5、1.4、1.3、1.2、1.1V或更少，例如1V或更少，例如0.9V或更少，0.8V或更少，0.7V或更少，0.6V或更少，0.5V或更少，0.4V或更少，0.3V或更少，0.2V或更少或者0.1V或更少的平均电压下操作。不产生氯气的低电压电化学方法对于用于本发明的系统和方法是便利的。除去质子不产生氧气的低电压电化学方法对于用于本发明的系统和方法也是便利的。在一些实施方案中，低电压电化学方法在阴极产生氢气并将其输送至阳极，在那里氢气被转化为质子。不产生氢气的电化学方法也可以是便利的。在一些实施方案中，除去质子的电化学过程在阳极不产生气体。在一些情况下，去除质子的电化学方法不产生任何气态副产物。在一些实施方案中，将二氧化碳导入与阴极接触的电解液中。用于实现除去质子的电化学方法还在以下文献中描述：2008年12月24日提交的、题为“截存CO2的方法(METHODS OF SEQUESTERING CO2)”的美国专利申请号12/344,019；2008年12月23日提交的、题为“低能量电化学氢氧化物系统和方法(LOW ENERGY ELECTROCHEMICAL HYDROXIDESYSTEM AND METHOD)”的美国专利申请号12/375,632；2008年12月23日提交的、题为“低能量电机的氢氧化物系统和方法(LOWENERGY ELECTROMECHANICAL HYDROXIDE SYSTEM ANDMETHOD)”的国际专利申请号PCT/US08/088242；2009年1月28日提交的、题为“低能量电化学碳酸氢根离子溶液(LOW-ENERGYELECTROCHEMICAL BICARBONATE ION SOLUTION)”的国际专利申请号PCT/US09/32301；和2009年6月24日提交的、题为“具有二氧化碳气体的低能量4个电池电化学系统(LOW-ENERGY 4-CELLELECTROCHEMICAL SYSTEM WITH CARBON DIOXIDE GAS)”的国际专利申请号PCT/US09/48511，这些文献中的每一个均通过全文参照结合于本文。
或者，电化学方法可用于通过例如氯碱方法(chlor-alkali process)或其改进方法生产苛性分子(例如氢氧化物)。电极(例如阴极和阳极)可存在于包含含有二价阳离子的水溶液或载荷废气流(例如载荷CO2)溶液的装置中，并且选择性屏障例如膜可分隔电极。用于除去质子的电化学系统和方法可产生副产物(例如氢气)，其可被收集并用于其它目的。可用于本发明系统和方法的另外的电化学方法包括(但不限于)在以下文献中描述的那些方法：2009年7月15日提交的、题为“电化学系统中的CO2利用(CO2 UTILIZATION IN ELECTROCHEMICALSYSTEMS)”的美国专利申请号12/503,557和2008年9月11日提交的、题为“自电解液中低能量吸收氢离子进入固体物(LOW ENERGYABSORPTION OF HYDROGEN ION FROM AN ELECTROLYTESOLUTION INTO A SOLID MATERIAL)”的美国专利临时申请号61/091,729，这些文献的公开在此通过参照结合到本文中。
在一些实施方案中，氯碱方法或其改进方法被用于本发明的方法中，以产生用于除去质子的苛性分子。如在本领域所知的，氯碱方法采用包括阳极、阴极、位于阳极与阴极之间的离子交换膜和至少一种由水性盐溶液，典型地为氯化钠组成的电解液的电化学电池。施用于阳极与阴极之间的电压引起阳极的氯和阴极的氢激发，以及在阴极形成氢氧根离子。氢氧根离子与来自盐的阳离子结合。当使用氯化钠时，形成的苛性分子是氢氧化钠。在一些实施方案中，可将酸(如HCl)导入与阳极接触的电解液中。在一些实施方案中，可将碳酸盐和/或碳酸氢盐导入与阴极接触的电解液中。在一些实施方案中，可将二氧化碳导入与阴极接触的电解液中。在一些实施方案中，阴极是空气或氧电极。在一些实施方案中，可使用需要实施如本文描述的氯碱方法的恢复或添加能量的机械装置。在一些实施方案中，合并在氯碱方法中形成的氢气和氯气并且收集产生的能量。在一些实施方案中，由氯碱方法产生的氢气被用于燃料电池中，以产生水和能量。在一些实施方案中，本发明的氯碱方法设置在靠近工厂(如，发电厂)处，并且利用来自工厂的废热回收能量以实施氯碱方法。
可使用以上提及的质子除去源的组合。一种这样的组合是使用微生物和电化学系统。微生物和电化学系统的组合包括微生物电解电池，包括微生物燃料电池和生物电化学辅助的微生物效应器。在这样的微生物电化学系统中，微生物(如，细菌)在电极上或非常靠近电极处生长，并且在物质(如，有机物)代谢期间产生由电极摄取的电子。
在另外的其它实施方案中，可使用如在以下文献中描述的升高pH的方法：2008年7月16日提交的、题为“使用氢吸收性金属催化剂对碳截存的低能量pH调节(LOW ENERGY pH MODULATIONFOR CARBON SEQUESTRATION USING HYDROGENABSORPTIVE METAL CATALYSTS)”的待审的美国申请序列号61/081,299；和2008年8月25日提交的、题为“自电解液中低能量吸收氢离子进入固体物(LOW ENERGY ABSORPTION OF HYDROGENION FROM AN ELECTROLYTE SOLUTION INTO A SOLIDMATERIAL)”的美国申请序列号61/091,729，这些文献的公开在此通过引用结合于本文。
在一些实施方案中，包含本发明土壤稳定化组合物的CO2截存组分的碳酸盐、碳酸氢盐，或其组合衍生自包括荷载CO2的溶液的含碱土金属的水。在这些实施方案中，用于使加载CO2的溶液荷载的二氧化碳可衍生自任何方便的CO2源，例如，但不限于：工业废气、来自二氧化碳回收过程的压缩二氧化碳；大气或其组合。在一些实施方案中，工业废气可包括：来自燃烧化石燃料过程的废气；制造水泥的煅烧原料；熔炼过程；发酵过程；或其任何组合。在一些实施方案中，荷载CO2的溶液衍生自CO2源和接触溶液。在一些实施方案中，接触溶液包括海水、淡水或具适当的pH以允许需要量的CO2掺入接触溶液中的任何盐水或其组合。在一些实施方案中，接触溶液包括：NaOH溶液；KOH溶液；碱性盐水；澄清液体或其组合。在此类实施方案中，澄清液体是将易于使CO2掺入溶液以从CO2源流除去CO2而不在澄清液体中形成碳酸盐沉淀或碳酸氢盐沉淀的溶液。
也可将不是pH升高剂的添加剂导入水中，以影响所产生的沉淀物的性质。如此，本文方法的某些实施方案包括，在水经受沉淀条件之前或期间，在水中提供添加剂。某些碳酸钙多晶型体可得益于微量的某些添加剂。例如，六方碳钙石，一种高度不稳定的多晶型CaCO3，其以多种不同的形态沉淀并迅速转化为方解石，可通过在碳酸钙的过饱和溶液中包含作为氯化镧的微量镧以非常高的产率得到。除具有意义的镧以外的其它添加剂包括(但不限于)过渡金属等。例如，已知加入亚铁离子或高铁离子有利于形成无序白云石(原白云石)，否则它不会形成。
沉淀物的性质也可受到合适的主要离子比率选择的影响。主要离子比率也对多晶型形成具有显著影响。例如，随着水中镁∶钙比率增加，文石超过低镁方解石变为有利的多晶型碳酸钙。在低镁∶钙比率下，低镁方解石为优选的多晶型。因此，可采用广泛范围的镁∶钙比率，包括例如100/1、50/1、20/1、10/1、5/1、2/1、1/1、1/2、1/5、1/10、1/20、1/50、1/100。在某些实施方案中，通过在沉淀方法中使用的水源(例如海水、盐水、微咸水、淡水)测定镁∶钙比率，而在其它的实施方案中，镁∶钙比率被调节至落入某些范围内。
沉淀速率也对化合物相形成具有很大影响。最快速的沉淀可通过用要求的相给溶液加晶种实现。没有加晶种时，快速沉淀可通过快速增加海水的pH实现，这导致更多的无定形组分。当存在硅石时，反应速率越快，在含有碳酸盐的沉淀物中掺入的硅石越多。pH越高，沉淀越快速并且沉淀物料中无定形越多。
因此，在某些实施方案中，一组自水中产生所需要的沉淀物的沉淀条件包括水温和pH，并且在一些情况中包括水中添加剂和离子型物质的浓度。沉淀条件也可包括诸如混合速率、搅动形式例如超声波及晶种、催化剂、膜或者底物的存在的因素。在一些实施方案中，沉淀条件包括过饱和条件、温度、pH和/或浓度梯度或者循环或改变任何这些参数。用于制备根据本发明的碳酸盐沉淀的方法可为分批或者连续方法。应该意识到与分批系统相比较，沉淀条件对于在连续流系统中产生给定的沉淀物可以是不同的。
在某些实施方案中，该方法还包括使一定体积经受矿物质沉淀条件的水与CO2气源接触。水与CO2源的接触可发生在水经受CO2沉淀条件之前和/或期间。因此，本发明的实施方案包括其中在一定体积的盐水经受矿物质沉淀条件之前，使一定体积的水与CO2源接触的方法。本发明的实施方案包括其中在一定体积的盐水经受碳酸盐化合物沉淀条件的同时，使一定体积的盐水与CO2源接触的方法。本发明的实施方案包括在使一定体积的盐水经历化合物沉淀条件之前和在使一定体积的盐水经受碳酸盐化合物沉淀条件的同时，使一定体积的水与CO2源接触的方法。在一些实施方案中，相同的水可循环多于一次，其中沉淀的第一次循环主要除去碳酸钙矿物质、碳酸氢钙矿物质，或其组合，及碳酸镁矿物质、碳酸氢镁，或其组合，并且留下可加入其它碱土金属离子源的剩余碱水，其可能具有更多的二氧化碳通过它循环，沉淀更多的碳酸盐化合物。
与这些实施方案中的一定体积盐水接触的CO2源可为任何便利的CO2源。该CO2源可为液体、固体(如，干冰)、超临界流体或气体CO2源。在某些实施方案中，CO2源是气体CO2源。在某些情况下，该气体CO2是来自工厂的废料(waste feed)。在这些实施方案中，工厂的性质可以各不相同，其中有意义的工厂包括发电厂(例如，如在2008年5月29日提交的、题为“截存发电厂产生的CO2(SEQUESTERINGPOWER PLANT GENERATED CO2)”的美国临时申请序列号61/057,173中进一步详细描述的那样，其公开通过引用结合于本文)、化学加工厂、钢铁厂、造纸厂、水泥厂(例如，如在2008年8月12日提交的、题为“在硅酸盐水泥生产中减少CO2排放的措施(MEANS FORREDUCING CO2 EMISSIONS IN PORTLAND CEMENTPRODUCTION)”的美国临时申请序列号61/088,340中进一步详细描述的那样，其公开通过引用结合于本文)以及其它产生作为副产物的CO2的工厂。废料意指工厂的有效加工过程中产生的作为副产物的气流(或类似物流)。该气流可以基本上是纯的CO2或包含CO2和一种或多种另外的气体的多组分气流。可在本文方法的实施方案中作为CO2源利用的多组分气流(含CO2)包括还原条件气流，如，合成气、变换的合成气(shifted syngas)、天然气和氢等，以及氧化条件气流，如，来自燃烧的废气。含NOx、SOx、VOCs、微粒和Hg的排出气体将通常连同碳酸盐一起将这些化合物掺入沉淀产物中。可依据本发明处理的重要的特殊多组分气流包括：含氧燃烧发电厂烟道气、涡轮增压锅炉产生的气体、煤气化产生的气体、变换煤气化产生的气体、厌氧消化器产生的气体、井口天然气流、重整天然气或者甲烷气体水合物等。
可采用任何方便的方案使一定体积的盐水与CO2源接触。此处的CO2是气体，重要的接触方案包括，但不限于：直接接触方案如，使气体鼓泡通过一定体积的盐水、并流接触方法，即在单向流动气体与液相流之间接触、逆流方法，即在反向流动气体与液相流之间接触等。如此，可在便利时，可通过使用注入器、鼓泡器、射流文氏反应器、分布器、气体过滤器、喷雾器、塔盘或填充柱反应器等实现接触。
以上方案导致截存CO2的沉淀物和母液的浆状物的产生。在需要时，可将由沉淀物和母液制备的组合物在沉淀后及在进一步加工前储存一段时间。例如，可将该组合物在从1至40℃，例如20至25℃范围的温度下储存一段时间，时间范围从1天至1000天或更长，例如1天至10天或更长。
然后分离浆状物组分。实施方案可包括处理母液，其中母液可以或可以不存在于相同的组合物中作为产物。例如，当母液返回到海洋时，母液可以足以增加存在于母液中的碳酸盐离子浓度的方式与气态CO2源接触。接触可采用任何便利的方法进行，例如以上描述的那些方法。在某些实施方案中，母液具有碱性pH，并且以足以将pH减小到5-9，例如6-8.5，包括7.5-8.2之间范围内的方式实施与CO2源的接触。在某些实施方案中，所处理的盐水可与例如以上描述的CO2源接触以截存另外的CO2。例如，当母液返回到海洋时，母液可以足以增加存在于母液中的碳酸盐离子浓度的方式与气态CO2源接触。接触可采用任何便利的方法进行，例如以上描述的那些方法。在某些实施方案中，母液具有碱性pH，并且以足以将pH减小到5-9，例如6-8.5，包括7.5-8.2之间范围内的方式实施与CO2源的接触。
所生成的本发明的母液可采用任何便利的方法处理。在某些实施方案中，其可被送到尾渣沉淀池中用于处理。在某些实施方案中，其可被处理于天然存在的水体例如海洋、大海、湖泊或河流中。在某些实施方案中，母液返回到用于本发明方法的给水源例如海洋或大海中。或者，母液可被进一步加工处理，例如经受脱盐方法，如在2008年6月27日提交的、题为“包括碳酸盐化合物沉淀的脱盐方法和系统(DESALINATION METHODS AND SYSTEMS THATINCLUDE CARBONATE COMPOUND PRECIPITATION)”的美国申请序列号12/163,205，公布号US 2009-0001020 A1中更详细地描述，其公开通过引用结合于本文。
在某些实施方案中，在产生CO2截存产物后，将得到的产物从母液分离以产生分离的CO2截存产物。可采用任何方便的方法，包括机械手段，如，从产物中排出大量过量的水，如，或者单独通过重力或者与加真空一起，实施机械压力，通过使产物从母液中过滤以产生滤液等，实现产物的分离。在某些实施方案中，分离大量水产生湿的、脱水的沉淀物。
然后在需要时，干燥所生成的脱水沉淀物，以产生干燥产物。干燥可通过空气干燥湿的沉淀物实现。当湿的沉淀物被空气干燥时，空气干燥可在室温或升高的温度下进行。在又一个实施方案中，湿的沉淀物被喷雾干燥以干燥沉淀物，其中含有沉淀物的液体通过将其输送通过热气体(例如来自电厂的废气流)干燥，例如其中液体进料通过雾化喷嘴泵入主要干燥室并且热气体作为相对于喷嘴泵入方向的并流或逆流通过。依系统的具体干燥方法而定，干燥场所可包括过滤部件、冻干结构、喷物干燥结构等。在需要时，脱水的沉淀物产物可在干燥前被洗涤。沉淀物可用淡水洗涤，例如自脱水的沉淀物中除去盐(例如NaCl)。
在某些实施方案中，沉淀产物在随后使用之前以某种方式精制(即加工)。精制可包括多种不同的方法。在某些实施方案中，使产物经历机械精制，如研磨，以获得具有所需要的物理性能，如，粒径等的产物。
图1提供用于产生依据本发明实施方案的CO2截存产物的图解工艺流程图。在图1中，来自盐水源10的盐水在沉淀步骤20经受碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物沉淀条件。如以上综述的那样，术语“盐水”以其常规含义使用，指的是不是淡水的许多不同类型的水性流体，此处术语“盐水”包括咸味水、海水和盐水(包括人造盐水，如，地热发电厂废水、脱盐过程废水等)，以及具有大于淡水盐度的其它盐水。衍生本发明的水泥的碳酸盐化合物组合物的盐水源可为天然存在的来源，例如大海、海洋、湖泊、沼泽、河口、泻湖等，或者人造来源。
在某些实施方案中，水可得自也提供废气流的发电厂。例如，在水冷发电厂如海水冷却的发电厂中，已被发电厂使用的水然后可被输送到沉淀系统并用作沉淀反应中的水。在这些实施方案的某些中，水可在进入沉淀反应器之前被冷却。
在图1中描绘的实施方案中，来自盐水源10的水首先被加载CO2以产生荷载CO2的水，然后使荷载CO2的水经受碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物沉淀条件。如在图1中描绘的那样，使CO2气流30在沉淀步骤20与水接触。所提供的气流30在沉淀步骤20与合适的水接触以产生负载CO2的水。所谓负载CO2的水意指已与CO2接触的水，其中CO2分子与水分子化合产生例如碳酸、碳酸氢盐和碳酸盐离子。在该步骤中负载水导致水中例如以碳酸、碳酸氢盐和碳酸盐离子形式存在的CO2含量增加和伴随与水接触的废物流的pCO2降低。负载CO2的水为酸性，具有6或更少，例如5或更少和包括4或更少的pH。在某些实施方案中，用于加载水的气体CO2的浓度为10％或更高，25％或更高，包括50％或更高，例如75％或者甚至更高。有意义的接触方法包括(但不限于)：直接接触方法例如使气体鼓泡通过一定体积的水、并流接触方法即在单向流动气体与液相流之间接触、逆流方法即在相反流动的气体与液相流之间接触等。因此，接触可通过使用注入器、鼓泡器、射流文氏反应器、分布器、气体过滤器、喷雾器、塔盘或填充柱反应器等实现，这可能是便利的。
在沉淀步骤20，可为无定形的或结晶的碳酸盐化合物、碳酸氢盐化合物，或碳酸盐和碳酸氢盐化合物的混合物沉淀。有意义的沉淀条件包括改变水的物理环境以产生需要的沉淀产物的那些沉淀条件。例如，可将水温调节至适宜于发生需要的碳酸盐化合物沉淀的温度。在这样的实施方案中，可将水温调节至0至70℃，例如从0至50℃，例如从3至50℃并且包括3至20℃的值。在一些实施方案中，可将水温调节至5至70℃，例如从20至50℃并且包括从25至45℃的值。因此，尽管给出的一组沉淀条件可具有从0至100℃的温度范围，在某些实施方案中，可调节温度以产生需要的沉淀。在某些实施方案中，温度可采用低至零一氧化碳排放源例如太阳能源、风能源、水力发电能源等产生的能量升高。尽管在给定的沉淀方法期间水的pH可在7-14范围内，在某些实施方案中，在需要时，pH升至碱性水平以促使碳酸盐化合物沉淀。在这些实施方案的某些中，如果在沉淀期间没有消除CO2气体生成的产生，pH被上升至使其最小化的水平。在这些实施方案中，pH可升至10或者更高，例如11或者更高。在需要时，水的pH采用任何便利的方法升高。在某些实施方案中，可使用pH升高剂，其中这样试剂的实例包括氧化物、氢氧化物(例如氢氧化钠、氢氧化钾、水镁石)、碳酸盐(例如碳酸钠)等。被加入到盐水源中的pH升高剂的量将取决于试剂的具体性质和所调节的盐水的体积，并应足以升高盐水源的pH至要求的值。或者，盐水源的pH可通过水的电解作用升至所需水平。
CO2荷载和碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物沉淀可发生在连续的过程中或在分开的步骤中。如此，荷载和沉淀可发生在系统的同一反应器中，如，依据本发明的某些实施方案，如在图1中的步骤20中阐述的那样。在本发明的另外的其它实施方案中，这两个步骤可发生于分开的反应器中，以使水首先在加载反应器中加载CO2，然后使所生成的加载CO2的水在分开的反应器中经受沉淀条件。
在从水中产生碳酸盐和/或碳酸氢盐沉淀后，将得到的沉淀的碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物组合物从母液中分离以产生分离的碳酸盐化合物、碳酸氢盐化合物或其组合的化合物沉淀产物，如在图1中的步骤40中阐述的那样。可采用任何方便的方法，包括机械方法，如从沉淀物中排出大量过量的水，如，或者单独通过重力或者与加真空一起，实施机械压力，通过使沉淀物从母液过滤以产生滤液等，实现沉淀物的分离。分离大量水产生湿的、脱水的沉淀物。
然后，使得到的脱水沉淀干燥，以产生产物，如在图1中的步骤60中阐述的那样。可通过空气干燥滤液实现干燥。在空气干燥滤液时，空气干燥可在室温或升高的温度下进行。在还一个实施方案中，沉淀物经喷雾干燥以干燥沉淀物，其中使含有沉淀物的液体在进料时通过热气(例如从发电厂来的废气流)，如将进料的液体通过喷雾器泵入主要干燥室，并且通入以喷嘴方向并流或逆流的热气体，使其干燥。依系统的具体干燥方案而定，干燥场所可包括过滤部件、冻干结构、喷雾干燥结构等。
在需要时，如在图1中任选的步骤50中阐述的那样，可在干燥前洗涤来自分离反应器40来的脱水沉淀物产物。可用淡水洗涤沉淀物，例如从脱水的沉淀物中除去盐(例如NaCl)。便利时，所用的洗涤用水可例如通过在尾渣沉淀池等中处理来处置。
在步骤70，所干燥的沉淀物可被精制，例如提供所需要的物理特征，例如粒径、表面积等，或者向沉淀物料中加入一种或多种组分例如掺合物、骨料、补辅助性胶结材料等，以产生终产物80。
在某些实施方案中，使用系统实施以上方法。
在产生CO2截存组分后，例如如上描述的，然后使用CO2截存组分生产本发明的土壤稳定化组合物。
依据土壤的特殊组合、土壤的地理位置或土壤稳定的结构的类型，存在的CO2截存组分的量可改变。在一些情况下，土壤稳定化组合物中的CO2截存组分的量的范围为5至100％w/w，例如5至90％w/w，包括5至50％w/w和也包括5至25％w/w。如果必要(以下讨论)，土壤稳定化组合物中的CO2截存组分可与其它组分混合，成为水性溶液、胶状混悬液、浆状物、粘胶或糊状物。在必要时，CO2截存组分也可与作为干燥粉末的土壤稳定化组合物的其它组分混合。
在本发明CO2截存的土壤稳定化组合物的某些实施方案中，截存CO2的碳酸盐组合物是CO2截存的土壤稳定化组合物(即100％w/w)的唯一的组分。如此，可将截存CO2的碳酸盐化合物与土壤混合成为水性溶液、胶状混悬液、浆状物、粘胶或糊状物。也可将CO2截存组分与土壤混合成为干燥粉末。
在本发明的其它实施方案中，CO2截存的土壤稳定化组合物包括水泥样组分。水泥样组分意为在与水、与或不与骨料混合时，提供为置换和形成刚性质量所必须的可塑性和粘着性和胶粘性的物质。用于本发明的水泥样组分可为无机水凝水泥(hydraulic cements)，其在水合时形成相对不溶地结合的具有相当的强度和空间稳定性的聚集体，包括碳负性(即截存CO2的)水泥。可自含钙的物质，例如石灰石、白垩土或泥灰土或含硅的物质，例如粘土或泥板岩形成水泥。
常规的水凝水泥为硅酸钙、铝酸钙和高铁酸钙，其当与水反应时形成水合硅酸盐、铝酸盐和氢氧化钙。当常规的水凝水泥与水相互作用时，其膨胀并形成凝胶体，和掺入(sets into)主要为(CaO)3(SiO2)2(H2O)3和(CaO4)4Al2O3(H2O)的水合矿物质的交织的微晶体或胶质丛中。因此，本发明的常规的水凝水泥可包括(CaO3)SiO2，(CaO)2SiO2(CaO)3Al2O3和(CaO)4Al2O3Fe2O3。
在某些实施方案中，水泥样组分包括常规的水凝水泥(如，硅酸盐水泥)。硅酸盐水泥组分可为任何方便的硅酸盐水泥。如在本领域已知的，硅酸盐水泥为通过研磨硅酸盐水泥渣块(多于90％)、控制固化(set)时间的限量的硫酸钙和至多5％的次要组分(如由多种标准允许的)产生的粉末组合物。如由欧洲标准EN197.1“硅酸盐水泥渣块是应由以质量计至少三分之二的硅酸钙(3CaO.SiO2和2CaO.SiO2)组成的水凝物质，其余的由含铝-和含铁-渣块相和其它化合物组成。CaO与SiO2的比率应不小于2.0。以质量计，镁含量(MgO)应不超过5.0％”。在某些实施方案中，本发明的硅酸盐水泥组分是满足ASTM标准和美国实验材料协会的C150(Types I-VIII)规范(对于硅酸盐水泥的ASTM C50-标准规范)的任何硅酸盐水泥。ASTM C150覆盖八种类型的硅酸盐水泥，每一种具有不同的性质，并按这些性质进行特定的应用。
在其它实施方案中，本发明的土壤稳定化组合物的水泥样组分是CO2截存水泥。所谓CO2截存水泥意指粉末状的水泥样组合物，当其与水混合时提供粘着和胶粘特性，以及可塑性，用于形成刚性质量，其中的CO2截存组分稳定储存显著量的CO2。CO2截存水泥可与无论是精细的或是粗糙的辅助性胶结材料和骨料两者合并，形成截存CO2的混凝土或建筑材料。在一些实施方案中，CO2截存水泥与氧化钙、氢氧化钙、火山灰物质，或其任何组合混合。在这样的实施方案中，火山灰物质可为天然的火山灰(如火山灰)、钙化的火山灰，或其组合。产生这些截存CO2的水泥样组分的方法和系统也在以下文献中有进一步的描述：2009年10月22日提交的、题为“降低的-碳足迹混凝土组合物(REDUCED-CARBON FOOTPRINT CONCRETECOMPOSITIONS)”的美国专利申请序列号12/604,383和2008年10月22日提交的、题为“低-碳足迹混凝土组合物(LOW-CARBONFOOTPRINT CONCRETE COMPOSITIONS)”美国临时申请号61/107,645；2008年11月19日提交的美国临时申请号61/117,542；2010年5月14日提交的、题为“接触气体和液体的方法和仪器(Methodsand Apparatus for Contacting Gas and Liquid)”的美国临时申请号61/178,360；2009年6月29日提交的、题为“气体-液体-固体接触器和沉淀剂：仪器和方法(Gas-Liquid-Solide Contactor and Precipitator：Apparatus and Methods)”的美国临时申请号61/221,457；2009年6月30日提交的、题为“气体、液体、固体接触：方法和仪器(GAS，LIQUID，SOLIDE CONTACTING：METHODS AND APPARATUS)”的美国临时申请号61/221,631；2009年7月7日提交的、题为“气体、液体、固体接触：方法和仪器(GAS，LIQUID，SOLIDE CONTACTING：METHODS AND APPARATUS)”的美国临时申请号61/223,65；和2009年12月23日提交的、题为“气体、液体、固体接触：方法和仪器(GAS，LIQUID，SOLIDE CONTACTING：METHODS AND APPARATUS)”的美国临时申请号61/289,657，这些文献的公开通过引用结合于本文。
在添加水泥样组分的实施方案中，可将化学混合物添加至水泥样组分中。所谓的化学混合物意指一组呈现粉末或流体形式的物质，添加这些物质是为了获得在它们不存在时不可能获得的水泥样组分的特性。在一些实施方案中，可使用加速剂。加速剂是化学物质，用于增加水泥样组分的水合作用的速率。这样的加速剂可用于需要快速固化的CO2截存的土壤稳定化组合物的实施方案中。在一些情况下，加速剂可为CaCl2。在其它实施方案中，化学混合物可为缓凝剂。使用缓凝剂以减缓水泥样组分的水合作用。缓凝剂可用于需要减缓固化的CO2截存的土壤稳定化组合物的实施方案中。在一些情况下，缓凝剂可为糖。
本发明的CO2土壤稳定化组合物的重要的其它实施方案包括加入金属阳离子。金属阳离子可被用于加强土壤稳定化的阳离子交换过程。本发明的阳离子可选自许多任何不同的二价或三价金属阳离子，例如碱土金属阳离子(如，Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+)或三价金属阳离子(如，Al3+)。本发明的阳离子也可为过渡金属阳离子(如，Ni2+、Cu2+、Zn2+、Co2+、Mo2+)。
阳离子交换是重要的土壤稳定化过程，并且可由加入来自例如金属阳离子盐(如，亚硝酸钙，Ca(NO3)2)、金属阳离子硅酸盐(如，硅酸钙)或金属阳离子碳酸盐(如，碳酸钙)源的阳离子得到加强。通过存在的易膨胀的粘土的量测定土壤的可塑性。粘土以通过共价键和离子键使铝氧八面体层和硅四面体层堆叠为特征。该堆叠的表面呈负电荷，因为由镁取代铝。为了中和粘土结晶结构中的荷载不足，使水分子和阳离子吸引至这些负电荷的表面。此导致两个荷电表面扩散分离，通常被称为“双层”。双层起润滑剂的作用，其中双层越厚，土壤越具可塑性和越不稳定。双层主要由单价阳离子，例如钠和钾(Na+和K+)和水分子形成。然而，这些单价阳离子可与更高价的阳离子，例如钙交换。在离子交换时，二价或三价离子的更高荷电密度导致双层厚度显著减少，并且因此增加土壤的稳定性。
可将本发明的金属阳离子作为金属阳离子的盐，例如例如，硝酸钙，Ca(NO3)2包含在CO2截存的土壤稳定化组合物中。任何方便的阳离子也可这样使用，以使金属阳离子盐充分分解，以获得用于阳离子交换的金属阳离子。应该避免高吸湿性盐(如，CaSO4、Ca3(PO4)2)以最大限度地减少吸入土壤中的不必要的水份的量。
在某些实施方案中，将在使用CO2截存的土壤稳定化组合物之前、期间和之后检测土壤的pH。具有更高度碱性pH(即pH＞8)的土壤通常具有更高的阳离子交换能力。如果pH小于6，土壤将一般具有较低的阳离子交换能力。在本发明的某些情况下，可操纵或维持pH以增强阳离子交换。可采用任何操纵或维持最佳pH值的方便的方案，包括但不限于使用氧化物和氢氧化物，例如氢氧化镁。在一些实施方案中，为部分影响pH，可与氧化钙、氢氧化钙，或其组合一起使用本发明的土壤稳定化组合物。
在本发明的另一个实施方案中，CO2截存的土壤稳定化组合物可包括金属硅酸盐。金属硅酸盐是脱层剂，用于分离铝硅酸盐各层，以使阳离子进入。硅酸盐也可引起加速剂(其可已经存在于土壤中(如，Fe2O3))的沉淀及中和，以帮助形成稳定的基质。当使用时，硅酸盐也可用于延缓水泥样组分的固化(setting)，以便在阳离子存在下更好地进行水合作用。
本发明的金属硅酸盐可包括许多任何不同的金属阳离子的硅酸盐。在某些实施方案中，重要的是包括硅酸盐的金属阳离子，其中的阳离子选自二价或三价金属阳离子，例如碱土金属阳离子(如，Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+)或三价金属阳离子(如，Al3+)。本发明的阳离子也可为过渡金属阳离子(如，Ni2+、Cu2+、Zn2+、Co2+、Mo2+)。本发明的土壤稳定化组合物的一个实施方案包含硅酸钙。在另一个实施方案中，本发明的CO2截存的土壤稳定化组合物含硅酸镁。金属硅酸盐可与土壤稳定化组合物混合成为水性溶液、粘胶、浆状物或为胶状混悬液。金属硅酸盐也可与土壤稳定化组合物混合成为干燥粉末。混合进入本发明的土壤稳定化组合物中的金属硅酸盐的比例将依要稳定的土壤的性质(如，土壤的多孔性、渗透性、类型、性质或底土等)不同而异。
在产生CO2截存的土壤稳定化组合物中，唯一必需的是采用任何方便的混合装置(如，旋转混合机、水泥搅拌机)，将各组分混合在一起，以得到充分均匀的组合物。
使用CO2截存的土壤稳定化组合物使土壤稳定化的方法
本发明也提供使用CO2截存的土壤稳定化组合物以稳定土壤的方法。如在本文使用的，术语“稳定的土壤”指的是土壤已经与本发明的CO2截存的土壤稳定化组合物混合。以下仅阐述本发明的原理。应该意识到，尽管本文没有明确描述或显示，本领域技术人员将能够设计多种应用的排列和顺序，其具体表达发明的原理，并且被纳入本发明的精神和范畴中。
在纳入本发明范畴的各种处理方法的任何一种中，可将土壤或者就地进行处理或者可临时从地上取走进行处理。
依据以下各步骤更详细地描述本发明用于土壤稳定化的方法。
在某些实施方案中，在利用CO2截存的土壤稳定化组合物之前，可首先刮除、刨松或松开要处理的表面，并且通过任何方便的方法除去大型基岩、旧的沥青结构、不必要的植被或砂砾。
在其它实施方案中，由于在不同区域的不同土壤类型可具有变化量的含湿量，在应用本发明的CO2截存的土壤稳定化组合物之前，可将土壤干燥，或可向土壤加水。可采用任何方便的方案(如，旋转混合机、工业用冲洗槽罐)使土壤干燥或向土壤加水。
在其它实施方案中，由于土壤稳定剂和土壤之间的相互作用受到可用到的表面积和粒径的均一度的强烈影响，可进一步将待稳定的土壤放在地上或研磨成粉。可采用任何方便的方案，在使用CO2截存的土壤稳定化组合物之前将土壤放在地上或研磨成粉。
CO2截存的土壤稳定化组合物的应用可多样化。在一些情况下，依据待稳定的土壤的性质(如，土壤的多孔性、渗透性、类型、性质或底土等)的不同，可以变化的比例混合各组分。在一些实施方案中，CO2截存的土壤稳定化组合物可作为浆状物应用。所谓浆状物意指在液体中具有不同程度的溶解性而形成的粒子混悬液的任何固体的混合物。在其它实施方案中，土壤稳定化组合物可为糊状物。术语“糊状物”以其常规的含义使用，意指固体和液体的高度粘性的混合物。在另外的其它实施方案中，本发明的土壤稳定化组合物可作为固体应用。所述固体可为结晶或无定形物，并且通常呈现粉末形式。
可通过采用道路建筑和养护领域已知的常规喷雾设备，实施本发明的截存CO2的土壤稳定剂的应用。其可为重力给料或通过软管泵出、喷雾喷嘴或固定喷雾器将化合物均匀地施用于要处理的土壤上。在其它实施方案中，可从池中向外灌注或手工(不使用任何工业机械)施用本发明的CO2土壤稳定化组合物。也可通过在要处理的土壤表面下泵出组合物，或者通过采用常规的挖掘机械挖至土壤深处并再施用组合物，在土壤深处释放组合物，来施用组合物。
在本发明的一些实施方案中，在本发明的CO2截存的土壤稳定化组合物与土壤接触后，可将其与土壤混合。混合过程的目的是获得稳定剂和土壤的紧密掺合物，以产生所需要的性质改变。在被纳入本发明范畴的任何各种处理中，可将土壤或者就地处理或者可临时从地上取走进行处理。可使用任何方便的混合设备(如，旋转混合机、沥青碾碎机、水泥搅拌机等)，完成对CO2截存的土壤稳定化组合物与土壤的混合。然后将制备的截存CO2的土壤稳定剂和土壤混合物进行旋转并以均匀的方式混合。如果必需，可加入额外的水，以达到最佳的含湿量。在一些实施方案中，可将水加至截存CO2的土壤稳定剂和土壤混合物中(如，通过旋转混合机、工业用冲洗槽罐)。
在本发明的某些实施方案中，将CO2截存的土壤稳定化组合物和土壤混合物压实。CO2截存的土壤稳定化组合物和土壤混合物的压实允许土壤稳定剂粒子实现它们最紧密的填充和最大密度，使土壤便利地达到其最大强度。压实可紧接混合后进行，特别是当土壤稳定化组合物包含水泥样组分时。压实也可延至CO2截存的土壤稳定化组合物和土壤混合后进行，这样的延迟可为0.5小时或更长，包括1小时或更长、5小时或更长、24小时或更长和甚至100小时或更长。可在应用CO2截存的土壤稳定化组合物后，使用任何方便的压实设备(如，羊蹄压实机(sheepsfoot compactor)、脚板压实机(padfoot compactor)、履带式牵引机、振动平碾滚筒式压路机、气动压实机、串联滚筒压路机等)完成压实土壤。压实也可包括成形和修整稳定的土壤，以除去机械加工的痕迹并且提供具有适当倾斜和坡度的平滑地。在某些实施方案中，在压实之前、期间和之后，可用水稳定土壤。在优选的实施方案中，在压实时保持土壤稳定的结构湿润。在压实稳定的土壤时所采用的含水量可依据土壤的类型和环境的相对湿度不同而变化。在其它实施方案中，还可通过向压实的土壤表面使用额外的CO2-截存的土壤稳定剂完成压实步骤。
在一些实施方案中，压实稳定的土壤可包括使之塑形为成形的结构。所谓“成形的结构”意指塑造的、模制的、浇铸的、剪切的或另外方式产生的，成为限定的物理形状的人造结构，即构型。
在某些实施方案中，在压实CO2截存的土壤稳定化组合物和土壤混合物后，一段时间的养护是必需的。充分的养护将使稳定的土壤完全达到其最大密度和强度。在某些实施方案中，养护可简单地为允许稳定的土壤以其压实的形状维持敞开晾干。在其它实施方案中，可在稳定的土壤产物上覆盖塑胶薄片，或者可用液体密封剂处理表面，以减少水份的丢失或保护其免受环境破坏。养护的期限可以变化，例如约0.5小时或更长，包括1小时或更长、5小时或更长、24小时或更长和甚至100小时或更长。如果需要，可在养护期间从稳定的土壤产物取样，以测定稳定的土壤产物何时准备好进一步加工。
本发明的另一个实施方案是，在全厚度再生过程中使用CO2截存的土壤稳定化组合物。所谓“全厚度再生”意指道路或其它铺筑的表面结构的就地再生(in-place recycling)。使用再生机，通过均匀研磨和研碎旧的人行道并将其与一部分基底材料混合，使旧的沥青人行道转变成表面基础。典型地，全厚度再生的过程包括三个步骤：1)拆解和研磨初始表面；2)在新的稳定材料中混合；和3)压实新的表面并使之形成一定坡度(grading)。
在由本发明提供的全厚度再生的一个实施方案中，最初步骤是拆解(deconstruction)和研磨现行的人行道。研磨和研碎的深度可以变化，此处这样的深度可为3至18英寸(7.62至45.72cm)，例如4至12英寸(10.16至30.48cm)，例如5至10英寸(12.70至25.40cm)，包括6至10英寸(15.24至25.40cm)。在一些情况下，拆解和磨碎(pulverization)表面除了包括基础表面外，还可包括某些路基土壤。可在就地将材料磨碎和碾碎，或在需要时可将材料取走并随后再次利用。当将再生的表面取走并在外部的研磨设备上磨碎并随后再次利用时，如上描述的用于稳定土壤的步骤可用于完成再生过程。
对于就地拆解，一旦现行的人行道已经被充分拆解和碾碎，可将材料成形并形成坡度(graded)以满足需要的横截面和坡度。在一些情况下，可去除小量的得到的材料以便利形成对于稳定的结构所需要的尺寸。对于就地研磨，一旦材料被制成适当的坡度，应用本发明的CO2截存的土壤稳定化组合物。可如上描述的完成CO2截存的土壤稳定化组合物的应用。如上详细描述的，应该将CO2截存的土壤稳定化组合物和磨碎的人行道-土壤混合物混合并压实。在任何必需的养护后，然后可制备完成了坡度和斜度的稳定土壤结构。在一些情况下，可进一步用水处理稳定的土壤，或可将额外层的CO2截存的土壤稳定化组合物铺在该表面上。
现在更详细地评述依据本发明某些实施方案的示例性CO2截存的土壤稳定结构。然而，以下对CO2截存的土壤稳定的结构的评述并不限制本发明，并且仅提供对本发明的各个实施方案的进一步描述。
由本发明提供的一种类型的稳定的土壤结构是垃圾填埋地。垃圾填埋地，也已知为垃圾堆积场(dumpsite)或垃圾站(midden)，是用于处置废弃物质的场所。本发明的垃圾填埋地可包括任何内部废物处置场所(即废物的产生者在其产生的场所进行自身废弃物处置)以及由许多生产者使用的场所。垃圾填埋地也可用于其它废物处理目的，例如废物的暂时储存、压实(consolidation)和转移，或加工(如，分类、处理或再循环利用(recycling))。垃圾填埋地也可指填埋土壤和石头而不是废弃物的地面，如此其可被用于特别的目的，例如用于其它类型的建筑的物质储存区域。
稳定的土壤结构的另一个实施方案是堆肥垫(compost pad)。堆肥垫是由堆肥加工和生产设施用于生产、储存或分发堆肥的任何大小的一小块土地。所谓“堆肥”意指需氧分解的有机物质的残余物，其作为土壤调节剂和肥料用于景观美化、园艺和农业中，其还用于控制腐蚀、土壤和河流改造、湿地构建和作为垃圾填埋地封场覆土。堆肥垫的设计要求具有适当的坡度、斜度和排水装置的土壤稳定的表面，以防止污染地下水和当地的河流。还有，堆肥垫应当提供稳定的工作表面，允许当堆肥变质时通过潮湿气候条件进入堆肥并帮助防止土壤混合。另外，堆肥垫的表面应该稳定，以方便全年在其表面使用机械。
由本发明提供的另一类型的稳定的土壤结构是道路。术语“道路”以其常规含义使用，指的是两地之间的任何可以确认的通道或小路。道路典型地是平滑的、铺就的或其它方式构建的，以便容易通行。本发明的道路可为任何长度，这样的长度包括0.1英里(0.16km)或更长、1英里(1.6km)或更长、10英里(16.1km)或更长、100英里或更长、甚至1000英里(160.9km)或更长。本发明的道路也可为任何宽度，这样的宽度包括1米或更宽，包括5米或更宽、10米或更宽、100米或更宽、甚至1000米或更宽。本发明的道路对于任何类型的机动车交通(如，汽车、飞机、火车、公共汽车、建筑工程车、农用车等)可便利通行。道路也可用于徒步交通。本发明的土壤稳定的道路可进一步用沥青、混凝土或任何其它方便的表面铺陈材料铺筑。本发明的道路也可不用铺路材料原样铺筑。
由本发明提供的另一类型的稳定的土壤结构是建筑物地基。如在本文使用的所谓“建筑物地基”意指位于常规建筑物基础之下的土壤。建筑物地基是土壤，其上为建筑物基础并因此在其上建筑建筑物(如，商用楼或住宅)。在一些实施方案中，多于一幢建筑物可构建在一块建筑物地基上。在一些情况下，大量的建筑物将构建在土壤稳定的建筑物地基上(如，一个街区的居民住宅楼、一个城区的商用建筑物)。因此，本发明的建筑物地基的尺度可以变化。在一些情况下，建筑物地基的长度可为10米或更长，例如100米或更长并且包括1000米和更长。类似地，建筑物地基的宽度可为5米和更宽，例如50米和更宽并且包括500米和更宽。
还有意义的是用于帮助稳定建筑结构的、在土壤中找到的稳定的土壤。在一些情况下，截存CO2的稳定的土壤可在物理上加固坐落於土壤中的结构，以便阻止其在土壤中运动并且使能够保持长期的结构完整性。在某些实施方案中，可从结构周围区域移去土壤，并施用CO2截存的土壤稳定化组合物并与移去的土壤混合。然后将该混合物放回原来移去土壤的区域。在压实和进一步成形后，允许稳定的土壤固化(set)。
在一些情况下，构建的结构可为处于土壤中或土壤表面之下的水池。术语水池可包括用于承载液体，例如水的任何构型的容器。如此，水池可包括，但不限于诸如井、集水箱(collection boxes)、公共厕所的检查井(sanitary manholes)、化粪池、截留井(catch-basins)、隔油池/分离器、暴雨下水道集水库等的结构。水池可在形状、大小和容量上变化。水池可为矩形、圆形、球形或任何其它形状，取决于其预定的用途。在一些情况下，水池可直接构建进土壤中(即水池由稳定的土壤构建)。
在一些情况下，建筑结构可为处于土壤中或土壤表面之下的管道。所谓管道意指从一个位置向另一个位置传送气体或流体的任何构型为管状的或类似结构。本发明的管道可包括用于输送流体或气体的许多不同的结构中的任何一种，包括，但不限于导管、下水道、箱形排水渠管接头、排水管道和排水口(portals)、进水建筑物、进水塔、凹槽、泄水建筑物等。本发明的管道可在形状上有很大的变化，并且可由水力学的设计和安装条件确定。本发明的管道的形状可包括，但不限于圆形、矩形、椭圆形、马蹄形、正方形等。在一些情况下，管道可直接构建进土壤中(如，灌溉渠、水渠等)。
在一些情况下，建筑结构可为砖块、预制板、路面砖或其它结构性组件。所谓管道意指从一个位置向另一个位置传送气体或流体的任何构型为管状的或类似结构。本发明的砖块、预制板、路面砖或其它结构性组件的形状可包括，但不限于圆形、矩形、椭圆形、马蹄形、正方形等。在一些情况下，砖块、预制板、路面砖或其它结构性组件可直接构建进土壤中(如，形成挡土墙的砖块等)。
发现本发明的CO2截存的土壤稳定化组合物可用于多种不同的应用。其中本发明的土壤稳定化组合物发现有用途的特定土壤稳定结构包括，但不限于：建筑物(商用楼或住宅两者)基础、道路、人行道、管道(沟渠、灌溉沟渠内衬、导管内衬)、水池、垃圾填埋地、堆肥垫等，及需要坚固、稳定基础的任何其它类型的结构下层。
发现本方法和系统可用于CO2截存，特别是经由构建环境中的截存。所谓“截存CO2”意指自气流，例如废气流中除去或隔离(segregation)CO2，并使之固化为稳定的非气体形式，这样，CO2不能逸出而进入大气。所谓“CO2截存”意指将CO2安置形成储存稳定的形式，如，构建环境的组分，例如建筑物地基、垃圾填埋地、堆肥垫、土壤沟渠、灌溉河道内衬等。如此，依据本发明方法的CO2的截存，导致防止CO2气体进入大气并且以使CO2不变成大气的部分的方式长期储存CO2。所谓储存稳定的形式意指一种物质的形式，其能够在暴露的条件下(即对大气开放、在水环境下等)存储在地上或水下，而在延长的时期(如1年或更长、5年或更长、10年或更长、25年或更长、50年或更长、100年或更长)内没有显著的(如果有的话)降解，假定所述建筑材料维持在其意欲使用的正常环境下。
实施例
实施例1.
在本发明的一个实施方案的实施例中，通过首先翻挖(scarifying)现有的土壤至深度12”(30.48cm)，然后加入足够的水以达到土壤中含湿量为10％重量，并且再混合土壤，制备土壤水泥组合物。然后，将包含六方碳钙石、方解石、文石和无定形碳酸钙的混合物的稳定组合物，以基于抬高12”(30.48cm)的经调湿土壤的重量计的5％重量的比率在土壤上均匀播散，所述碳酸钙在如以上描述的沉淀过程中，使用废气作为CO2源形成并且含有约40％重量的捕获的CO2。然后将稳定混合物均匀混合进抬高12”(30.48cm)的土壤中，并用重型机械压路机，开始使用羊蹄压路机和最后使用平轮压路机多通道压实。然后，在压实的土壤水泥表面覆盖薄层沥青乳液，以防止湿气蒸发，并让其养护七天。该土壤水泥含足够的捕获的CO2，这样捕获的CO2含量超过土壤胶结过程的CO2足迹，以致得到的土壤水泥是碳负性的。
实施例2.
在本发明的一个实施方案的实施例中，通过首先翻挖现有的土壤至深度12”(30.48cm)，然后加入足够的水以达到土壤中含湿量为10％重量，并且再混合土壤，制备土壤水泥组合物。然后，将包含50％(以重量计)硅酸盐水泥和50％(以重量计)的六方碳钙石、方解石、文石和无定形的碳酸钙的掺合物的稳定组合物，以基于抬高12”(30.48cm)的经调湿土壤的重量计的5％重量的比率在土壤上均匀播散，所述碳酸钙在如以上描述的沉淀过程中使用废气作为CO2源形成并且含约40％重量的捕获的CO2。然后将稳定的混合物均匀混合进抬高12”(30.48cm)的土壤中，并用重型机械压路机，开始使用羊蹄压路机和最后使用平轮压路机多通道压实。然后，在压实的土壤水泥表面覆盖薄层沥青乳液，以防止湿气蒸发，并让其养护七天。
实施例3.
在本发明的一个实施方案的实施例中，通过碾磨、磨碎和混合现有的沥青路面、下面的骨料基础和土壤基础至深度为18”(45.72cm)，然后除去3”(7.62cm)的材料以使在其后加入新鲜沥青时保持以前的路面提高，使一段沥青路面再生。在碾磨过程中，加入足够的水以达到沥青、骨料基础、土壤混合物中的含湿量为10％重量。将含50％(以重量计)硅酸盐水泥和50％(以重量计)的六方碳钙石、方解石、文石和无定形的碳酸钙的掺合物的稳定组合物，以基于抬高15”(38.10cm)的经调湿土壤的重量计的5％重量的比率在碾磨的混合物之上均匀播散，所述碳酸钙在如以上描述的沉淀过程中使用废气作为CO2源形成并且含约40％重量的捕获的CO2。然后将稳定的混合物均匀混合进抬高15”(38.10cm)的土壤中，并用重型机械压路机，开始使用羊蹄压路机和最后使用平轮压路机多通道压实。然后，在压实的土壤水泥表面覆盖薄层沥青乳液，以防止湿气蒸发，并让其养护七天。养护完成后，向已养护的再生的稳定段面施用3”(7.62cm)的密实级沥青磨耗层。
实施例4.
在本发明的一个实施方案的实施例中，通过首先将土壤过0.25”(0.635cm)筛以除去任何大的土块，使土壤与5％重量的稳定组合物混合，将该混合物置于模型腔内，然后施加压力1,500至3,000psi(10.34至20.68MPa)大约5秒钟，以产生青砖(即未经养护的砖块)，制备土壤水泥砖块，所述混合物包含50％(以重量计)的硅酸盐水泥和50％(以重量计)的混杂六方碳钙石、方解石、文石和无定形的碳酸钙的掺合物，所述碳酸钙在如以上描述的沉淀过程中使用废气作为CO2源形成并且含约40％重量的捕获的CO2。然后将青砖堆叠并用塑料覆盖以保持湿气，并让其养护7天，约28天后达到完全强度。
虽然在本文显示和描述了本发明的优选实施方案，本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方案仅以举例的方式提供。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明的情况下将发生许多改变、变化和取代。应该理解，对于在本文描述的本发明的实施方案的多种备选方案可用于实施本发明。意欲由下列权利要求限定本发明的范围并从而覆盖在这些权利要求范围内的方法和结构以及它们的等价物。

Claims (47)

1.一种包含CO2截存组分的土壤稳定化组合物。
2.依据权利要求1的土壤稳定化组合物，其中所述CO2截存组分包含碳酸盐化合物组合物、碳酸氢盐化合物组合物，或其任何组合。
3.依据权利要求2的土壤稳定化组合物，其中所述CO2截存组分包含金属碳酸盐化合物组合物、金属碳酸氢盐化合物组合物，或其任何组合。
4.依据权利要求3的土壤稳定化组合物，其中所述碳酸盐化合物组合物包含碳酸钙、碳酸镁、碳酸镁钙，或其任何组合。
5.权利要求4的碳酸盐化合物组合物，其中所述碳酸盐化合物组合物包含无定形的碳酸钙、六方碳钙石、文石、方解石、三水菱镁矿、水菱苦土、无定形碳酸镁、无水碳酸镁、白云石、原白云石，或其任何组合。
6.依据权利要求2的土壤稳定化组合物，其中所述碳酸盐化合物组合物、碳酸氢盐化合物组合物，或其组合包含来自含水碱土金属的沉淀物。
7.依据权利要求6的土壤稳定化组合物，其中所述含水碱土金属包含衍生自工业废气流的CO2。
8.依据权利要求7的土壤稳定化组合物，其中所述工业废气流包含来自化石燃料燃烧的废气。
9.依据权利要求8的土壤稳定化组合物，其中所述CO2截存组分具有小于-5‰的δ13C值。
10.依据权利要求2的土壤稳定化组合物，其中所述碳酸盐化合物组合物、碳酸氢盐化合物组合物，或其组合包含来自含水碱土金属的沉淀物，其中所述含水碱土金属包含荷载CO2的溶液。
11.依据权利要求10的土壤稳定化组合物，其中所述荷载CO2的溶液包含衍生自工业废气流的CO2和接触溶液。
12.依据权利要求11的土壤稳定化组合物，其中所述工业废气流包含来自化石燃料燃烧的废气。
13.依据权利要求12的土壤稳定化组合物，其中所述接触溶液包含NaOH、KOH、碱性盐水、澄清液体，或其任何组合。
14.依据权利要求13的土壤稳定化组合物，其中所述CO2截存组分具有小于-5‰的δ13C值。
15.依据权利要求1至14中任一项的土壤稳定化组合物，其中所述土壤稳定化组合物还包含至少一种下列组分：
(a)水；
(b)水泥样组分；
(c)金属阳离子；和
(d)金属硅酸盐。
16.依据权利要求15的土壤稳定化组合物，其中所述水泥样组分是硅酸盐水泥。
17.依据权利要求15的土壤稳定化组合物，其中所述水泥样组分是CO2截存水泥。
18.依据权利要求15的土壤稳定化组合物，其中所述金属阳离子是硫、硅、锶、硼、钠、钾、镧、锌、铁，或其任何组合。
19.依据权利要求15的土壤稳定化组合物，其中所述金属硅酸盐是硅酸镁、硅酸钙、硅酸铝，或其任何组合。
20.依据权利要求15的土壤稳定化组合物，其中所述CO2截存组分使得土壤稳定化组合物减少碳足迹、碳中性或碳负性。
21.一种土壤稳定化的方法，该方法包括：
(a)得到依据权利要求1的土壤稳定化组合物；和
(b)使土壤稳定化组合物与土壤接触；和
(c)允许稳定化组合物接触的土壤固化形成固体产物。
22.依据权利要求21的方法，其还包括将稳定化组合物接触的土壤压实。
23.依据权利要求21或22的方法，其中所述接触步骤还包括将土壤稳定化组合物与土壤混合。
24.依据权利要求23的方法，其中所述混合包括将土壤稳定化组合物与地面的土壤机械混合。
25.依据权利要求23的方法，其中所述混合包括从地面移取土壤并将土壤稳定化组合物与土壤在外部混合器中混合并将该混合物返回地面。
26.依据权利要求23的方法，其中所述外部混合器是旋转混合机或路面冷再生机。
27.依据权利要求23的方法，其中的土壤稳定化组合物是浆状物、固体或糊状物。
28.依据权利要求23的方法，其中所述接触步骤包括将土壤稳定化组合物喷雾、浇注或喷雾和浇注在土壤上。
29.依据权利要求23的方法，其中所述接触步骤包括在土壤深部释放土壤稳定化组合物。
30.依据权利要求23的方法，其中所述允许步骤还包括由土壤稳定化组合物接触的土壤生产成形的结构。
31.依据权利要求26的方法，其中生产成形的结构包括将土壤稳定化组合物和土壤混合物压实。
32.依据权利要求26的方法，其中生产成形的结构包括使土壤稳定化-接触的土壤成形。
33.依据权利要求23的方法，其中生产成形的结构包括将土壤稳定化-接触的土壤置于模型中以生产成形的结构。
34.依据权利要求23的方法，其中所述方法是全厚度再生。
35.一种土壤稳定结构，该结构包括：
(a)土壤；和
(b)依据权利要求1至14中任一项的土壤稳定化组合物。
36.依据权利要求25的土壤稳定结构，其中所述土壤稳定结构是砖块、预制板、路面砖、垃圾填埋地、堆肥垫、道路、建筑物地基、水池、管道或其它结构性组件。
37.依据权利要求26的管道，其中所述管道是沟渠、灌溉河道内衬或导管内衬。
38.一种产生土壤稳定化组合物的方法，该方法包括：
获得CO2截存组分；和
产生包含CO2截存组分的土壤稳定化组合物。
39.依据权利要求38的方法，其中所述CO2截存组分包含碳酸盐化合物组合物、碳酸氢盐化合物组合物，或其组合。
40.依据权利要求38的方法，其中获得CO2截存组分包括使含水碱土金属经受碳酸盐和/或碳酸氢盐沉淀条件。
41.依据权利要求40的方法，其中所述含水碱土金属包含荷载CO2的溶液。
42.依据权利要求41的方法，其中所述荷载CO2的溶液包含衍生自工业废气流的CO2和接触溶液。
43.依据权利要求38至42中任一项的方法，其中所述CO2截存组分是水泥样组分。
44.依据权利要求43的方法，其中所述CO2截存组分具有小于-5.00‰的δ13C值。
45.依据权利要求44的方法，其中产生土壤稳定化产物包括将CO2截存组分与硅酸盐水泥、辅助性水泥样材料、凝集的、碾碎的石灰石、氧化钙、氢氧化钙、天然火山灰、煅烧的火山灰、沥青乳液、有机聚合材料，或其任何组合混合。
46.一种截存二氧化碳的方法，该方法包括：
使CO2截存的碳酸盐化合物组合物从含水碱土金属中沉淀；和
产生包含CO2截存的碳酸盐化合物组合物的土壤稳定化组合物。
47.依据权利要求46的方法，其中在沉淀步骤前，使所述含水碱土金属与工业废气流接触。
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