CN103328405A - 成形建筑材料 - Google Patents
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Abstract
提供了包含CO2-截存组分的成形建筑材料。本发明的建筑材料包括含有碳酸盐/碳酸氢盐组分的组合物。本发明的另外的方面包括制造和使用该成形建筑材料的方法。
Description
交叉引用
本申请要求于2011年10月31日提交的序号为13/285,534的美国专利申请的优先权,后者是于2011年7月26日提交的序号为13/191,209的美国专利申请的部分继续申请,后者是于2010年6月29日提交的序号为12/826,209的美国专利申请(现为美国专利第8,006,446号)的分案,后者是于2009年9月30日提交的序号为12/571,398的美国专利申请(现为美国专利第7,771,684号)的继续申请,后者要求于2008年10月31日提交的标题为“CO2-SequesteringFormed Building Materials”的美国临时专利申请第61/110,489号、于2009年2月3日提交的标题为“CO2-Sequestering Formed BuildingMaterials”的美国临时专利申请第61/149,610号、于2009年9月25日提交的标题为“CO2-Sequestering Formed Building Materials”的美国临时专利申请第61/246,042号以及于2008年9月30日提交的标题为“CO2 Sequestration”的美国临时专利申请第61/101,631号的权益,以上各项申请均通过引用整体并入本文。本申请进一步要求于2011年4月13日提交的标题为“CO2-Sequestering Formed Building Materials”的美国临时专利申请第61/475,204号的权益,该申请通过引用整体并入本文。
背景技术
二氧化碳(CO2)排放已被认定为是全球变暖和海洋酸化现象的主要原因。CO2是燃烧的副产物,并且它引起操作、经济和环境方面的问题。预计CO2和其它温室气体的大气浓度的升高将促进大气中更多的热量存储,从而导致表面温度升高以及快速的气候变化。CO2还与海洋相互作用,驱使pH降至8.0。对CO2的监测已表明,大气CO2已从20世纪50年代的约百万分之280(ppm)升至当今的约380ppm,并且预计在未来十年将超过400ppm。气候变化的影响可能在经济上将是昂贵的并且在环境方面是有害的。降低气候变化的潜在风险将需要CO2截存(sequestration)。
发明内容
一方面,提供了包含CO2-截存组分(sequestered-CO2 component)的干式墙产品,其中CO2-截存组分包含含有选自无定形碳酸钙、六方碳钙石(vaterite)及其组合的亚稳态碳酸盐的碳酸钙,其中CO2-截存组分具有小于-15%的δ13C,并且其中该干式墙产品具有5-90%的孔隙率和500-3000psi的压缩强度。在前述方面的一些实施方式中,干式墙产品进一步包含纸浆。在前述方面和实施方式的一些实施方式中,干式墙产品进一步包含石膏。在前述方面和实施方式的一些实施方式中,干式墙产品进一步包含选自抗干燥剂、增塑剂、纤维材料、促进剂、缓凝剂、起泡剂、防霉剂、防火剂、聚乙烯醇及其组合的添加剂。在前述方面和实施方式的一些实施方式中,干式墙产品具有0.1-3MPa的弯曲强度。在前述方面和实施方式的一些实施方式中,干式墙产品进一步包含选自飞灰、矿渣、水泥窑灰及其组合的回收材料。在前述方面和实施方式的一些实施方式中,干式墙产品不包含纸。在前述方面和实施方式的一些实施方式中,干式墙产品进一步在其外部包含两片纸或玻璃纤维。在前述方面和实施方式的一些实施方式中,干式墙产品包含50%-90%(重量)的碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合。在前述方面和实施方式的一些实施方式中,干式墙产品的厚度为5-50mm。
一方面,提供了生产干式墙产品的方法,包括:a)用工艺用水处理包含二氧化碳的废气流以生产组合物,其中该组合物包含含有选自无定形碳酸钙、六方碳钙石及其组合的亚稳态碳酸盐的碳酸钙,其中碳酸钙具有小于-15%的δ13C;b)由该组合物生产干式墙浆状混合物;和c)沉积干式墙浆状混合物以形成干式墙产品,其中该干式墙产品具有5-90%的孔隙率和500-3000psi的压缩强度。在前述方面的一些实施方式中,亚稳态碳酸盐在形成干式墙产品时转化为稳定的碳酸盐。在前述方面和实施方式的一些实施方式中,该方法进一步包括将组合物浓缩至干以产生干组合物。在前述方面和实施方式的一些实施方式中,用浆水将干组合物浆化以生产干式墙浆状混合物。在前述方面和实施方式的一些实施方式中,生产步骤进一步包括向干式墙浆状混合物中添加石膏。在前述方面和实施方式的一些实施方式中,该方法进一步包括向干式墙浆状混合物加入添加剂,其中所述添加剂选自抗干燥剂、纤维材料、促进剂、缓凝剂、增塑剂、起泡剂、聚乙烯醇、防火剂、防霉剂及其组合。在前述方面和实施方式的一些实施方式中,该方法进一步包括向该干式墙浆状混合物中添加回收材料,其中所述回收材料选自飞灰、矿渣、水泥窑灰及其组合。在前述方面和实施方式的一些实施方式中,该干式墙浆状混合物沉积于无背衬材料的模具中或两片背衬材料之间,其中所述背衬材料包含多片纸或玻璃纤维。在前述方面和实施方式的一些实施方式中,废气流是来自发电厂的烟道气。一方面,提供了根据任一前述方面和实施方式生产的干式墙产品。
本文提供了生产干式墙产品的方法,包括:a)用工艺用水处理包含二氧化碳的废气流以生产包含碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合的原始组合物;b)从原始组合物除去至少一部分工艺用水以生产对于碳酸盐、碳酸氢盐或其组合而言浓缩的浓缩组合物;d)由浓缩组合物生产干式墙浆状混合物;和e)在两片背衬材料之间沉积干式墙浆状混合物以形成干式墙产品。在一些实施方式中,该方法进一步包括从该干式墙产品蒸发残余水。在一些实施方式中,该方法进一步包括切割干式墙产品以用于商业用途。在一些实施方式中,从原始组合物除去工艺用水包括除去不比干式墙浆状混合物所需的更多的工艺用水。在一些实施方式中,从原始组合物除去工艺用水产生了包含至少25%的固体的浓缩组合物。在一些实施方式中,从原始组合物除去工艺用水产生了包含至少50%的固体的浓缩组合物。在一些实施方式中,从原始组合物除去工艺用水包括将原始组合物浓缩至干以产生干组合物。在一些实施方式中,将原始组合物浓缩至干包括在室温下干燥该组合物。在一些实施方式中,将原始组合物浓缩至干包括在升高的温度下干燥该组合物。在一些实施方式中,用浆水将干组合物浆化以生产干式墙浆状混合物。在一些实施方式中,浆水包含回收的工艺用水。在一些实施方式中,浆水包含淡水。在一些实施方式中,干式墙浆状混合物的固体包含至少50%(重量)的碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合。在一些实施方式中,干式墙浆状混合物包含至少75%(重量)的碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合。在一些实施方式中,干式墙浆状混合物包含至少95%(重量)的碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合。在一些实施方式中,干式墙浆状混合物的固体包含碳酸钙。在一些实施方式中,碳酸钙包括亚稳态碳酸钙。在一些实施方式中,亚稳态碳酸钙选自无定形碳酸钙、六方碳钙石、文石(aragonite)及其组合。在一些实施方式中,干式墙浆状混合物还包含方解石。在一些实施方式中,干式墙浆状混合物还包含煅烧石膏。在一些实施方式中,该方法进一步包括向干式墙浆状混合物中加入添加剂,所述添加剂选自抗干燥剂、纤维材料、促进剂、缓凝剂、增塑剂、起泡剂、防火剂、防霉剂及其组合。在一些实施方式中,抗干燥剂选自天然淀粉、酸改性淀粉或其组合。在一些实施方式中,酸改性淀粉选自玉米淀粉、马铃薯淀粉、小麦储备淀粉(wheat stock starches)及其组合。在一些实施方式中,纤维材料选自木纤维、干纸纤维、纤维素纤维、珍珠岩、纤维玻璃纤维及其组合。在一些实施方式中,向干式墙浆状混合物中添加纤维材料以降低干式墙产品的密度并增强干式墙产品的物理性质。在一些实施方式中,促进剂选自二水合硫酸钙、硫酸钾及其组合。在一些实施方式中,缓凝剂包含二亚乙基三胺五乙酸(“DTPA”)。在一些实施方式中,起泡剂选自烷基醚硫酸盐、烷基乙氧基硫酸铵及其组合。在一些实施方式中,向干式墙浆状混合物中添加起泡剂以降低干式墙产品中的密度。在一些实施方式中,防火剂选自珍珠岩、蛭石、硼酸及其组合。在一些实施方式中,该方法进一步包括向干式墙浆状混合物中添加回收材料,回收材料选自飞灰、矿渣、水泥窑灰及其组合。在一些实施方式中,两片背衬材料包含纸片或玻璃纤维片。在一些实施方式中,背衬材料片包含纸片。在一些实施方式中,两片纸中的至少一片包含油基添加剂,从而赋予干式墙产品防潮性。在一些实施方式中,两片背衬材料中的至少一片包含撇渣面层(skim coat)或组合灰泥抹饰(built-upplaster finish),从而赋予干式墙产品防潮性和抗霉性。在一些实施方式中,干式墙产品内衬有箔,从而赋予干式墙产品防潮性。在一些实施方式中,干式墙产品内衬有铅,从而赋予干式墙产品抗辐射性。
本文提供了根据任一前述生产干式墙产品的方法而生产的干式墙产品。
本文提供了一种干式墙产品,包括:a)包含两片纸或玻璃纤维的干式墙外部,和b)包含碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合的干式墙内部,其中碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合占干式墙内部的至少50%(重量),干式墙内部的剩余部分包含煅烧石膏、抗干燥剂、纤维材料、促进剂、缓凝剂、增塑剂、起泡剂、防火剂、防霉剂和前述物质的组合,并且其中干式墙内部安设在两片干式墙外部之间。在一些实施方式中,干式墙内部包含至少75%(重量)的碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合。在一些实施方式中,干式墙内部包含至少95%(重量)的碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合。在一些实施方式中,干式墙内部包含至少50%(重量)的碳酸盐。在一些实施方式中,干式墙内部包含至少75%(重量)的碳酸盐。在一些实施方式中,干式墙内部包含至少95%(重量)的碳酸盐。在一些实施方式中,碳酸盐包括亚稳态碳酸钙。在一些实施方式中,亚稳态碳酸钙选自无定形碳酸钙、六方碳钙石、文石及其组合。在一些实施方式中,干式墙内部还包含方解石。在一些实施方式中,抗干燥剂选自天然淀粉、酸改性淀粉或其组合。在一些实施方式中,酸改性淀粉选自玉米淀粉、马铃薯淀粉、小麦储备淀粉及其组合。在一些实施方式中,纤维材料选自木纤维、干纸纤维、纤维素纤维、珍珠岩、纤维玻璃纤维及其组合。在一些实施方式中,纤维材料降低了干式墙产品的密度并且增强了干式墙产品的物理性质。在一些实施方式中,促进剂选自二水合硫酸钙、硫酸钾及其组合。在一些实施方式中,缓凝剂包括二亚乙基三胺五乙酸(“DTPA”)。在一些实施方式中,起泡剂选自烷基醚硫酸盐、烷基乙氧基硫酸铵及其组合。在一些实施方式中,起泡剂降低了干式墙产品中的密度。在一些实施方式中,防火剂选自珍珠岩、蛭石、硼酸及其组合。在一些实施方式中,干式墙内部还包含回收材料,所述回收材料选自飞灰、矿渣、水泥窑灰及其组合。在一些实施方式中,干式墙外部包含两片纸。在一些实施方式中,两片纸中的至少一片包含油基添加剂,从而赋予干式墙产品防潮性。在一些实施方式中,两片干式墙外部中的至少一片包含撇渣面层或组合灰泥抹饰,从而赋予干式墙产品防潮性和抗霉性。在一些实施方式中,干式墙产品内衬有箔,从而赋予干式墙产品防潮性。在一些实施方式中,干式墙产品内衬有铅,从而赋予干式墙产品抗辐射性。
本文提供了包含CO2-截存组分的成形建筑材料,其中该CO2截存组分包含25%(w/w)或更少的石膏和75%(w/w)或更多的碳酸钙,该碳酸钙包含选自无定形碳酸钙、六方碳钙石、文石及其组合的亚稳态碳酸盐,其中截存的CO2具有低于-15%的δ13C,并且其中该成形建筑材料是具有1-20MPa的压缩强度的干式墙。
提供了生产铺石(paver)的方法,包括:a)由二价阳离子溶液和包含CO2的废气流生产亚稳态CO2-截存组分,其中该亚稳态CO2-截存组分与淡水接触后再沉淀为淡水稳定的化合物;和b)在包括使CO2-截存组分与淡水接触的工艺中,由亚稳态CO2-截存组分形成铺石。在一些实施方式中,铺石包含5%-50%(w/w)的CO2-截存组分。在一些实施方式中,CO2-截存组分包含碳酸盐。在一些实施方式中,CO2-截存组分还包含由用于将二氧化碳转化为碳酸盐的条件生成的NOx、SOx、VOCs、颗粒、水银或其组合的联产品。在一些实施方式中,废气流还包含NOx、SOx、VOCs、颗粒、水银或其组合。在一些实施方式中,铺石具有中性或负性的碳足迹。在一些实施方式中,由CO2-截存组分提供用于形成铺石的水。在一些实施方式中,CO2-截存组分提供至少50%的用于形成铺石的水。在一些实施方式中,由于铺石的高反照率,铺石通过减少照明需求而持续减少碳排放量。
还提供了由任一前述生产铺石的方法生产的铺石。
还提供了包含CO2-截存组分的铺石,其中CO2-截存组分包含75%(w/w)或更多的包含选自无定形碳酸钙、六方碳钙石、文石及其组合的亚稳态碳酸盐的碳酸钙,并且其中铺石具有选自一种或多种本文所述的铺石性质的一种或多种性质。在一些实施方式中,CO2-截存组分还包含碳酸氢盐。在一些实施方式中,碳酸盐、碳酸氢盐或其组合具有低于5‰的δ13C。在一些实施方式中,CO2-截存组分还包含方解石、六水方解石(ikaite)、菱镁矿、二菱镁矿、三水菱镁矿、五水菱镁矿、无定形碳酸镁或其组合。在一些实施方式中,CO2-截存组分还包含钙、镁或其组合。在一些实施方式中,CO2-截存组分还包含锶。在一些实施方式中,CO2-截存组分还包含来自NOx、SOx、VOCs、颗粒、水银或其组合的联产品。在一些实施方式中,CO2-截存组分还包含硫酸盐。在一些实施方式中,当铺石经历沥滤过程时,产生了包含少于0.2mg/L水银的沥滤液,该沥滤过程基本由以下步骤组成:制备2×1L基本由醋酸水溶液组成的抽提流体,其中每1L抽提流体基本由5.7mL在去离子水中的醋酸组成;研磨一些铺石以使磨碎的铺石颗粒的最窄尺寸小于1cm,如果颗粒之前的最窄尺寸不是小于1cm的话;将100g磨碎的铺石放置到具有2L抽提流体的抽提容器中以生产抽提组合物;在室温下以翻滚(end-over-end)方式旋转抽提容器18±2h;通过孔径为0.6μm至0.8μm的硼硅玻璃纤维过滤抽提组合物以生产沥滤液;以及用1N硝酸将沥滤液的pH调整至pH2或小于pH2的pH。在一些实施方式中,沥滤过程产生包含少于5.0mg/L的砷的沥滤液。在一些实施方式中,沥滤过程产生包含少于100mg/L的钡的沥滤液。在一些实施方式中,沥滤过程产生包含少于1.0mg/L的镉的沥滤液。在一些实施方式中,沥滤过程产生包含少于5.0mg/L的铬的沥滤液。在一些实施方式中,沥滤过程产生包含少5.0mg/L的铅的沥滤液。在一些实施方式中,沥滤过程产生包含少于1.0mg/L的硒的沥滤液。在一些实施方式中,沥滤过程产生包含少于5.0mg/L的银的沥滤液。在一些实施方式中,当铺石经历二氧化碳释放方案时,每100克固体产生少于5克的二氧化碳,该二氧化碳释放方案基本由以下步骤组成:研磨一部分铺石以使磨碎的铺石颗粒的最窄尺寸小于1cm(如果颗粒之前的最小直径不是小于1cm的话),以及将固体在具有pH4.8至pH5.2的pH和60-80℃的温度的溶液中浸泡48小时。
附图说明
通过参考对说明性实施方式加以阐述的以下详细描述及附图,将获得对不同特征和优点的更好的理解,在附图中:
图1提供了CO2截存组分的生产流程示意图。
图2提供了实施例1中生产的沉淀物料的X-射线衍射(“XRD”)衍射图。
图3提供了实施例1中生产的沉淀物料的扫描电子显微镜(“SEM”)图像。
图4提供了用于生产铺石的示例性方法。
图5提供了可制造的形形色色的铺石。
图6提供了铺石和铺石的一些性质。
图7提供了不同组合物的干式墙的SEM图像。
图8提供了不同组合物的干式墙的性质。
图9提供了0-28天的水泥替代物的SEM图像和XRD衍射图。
图10提供了水泥替代物的SEM图像。
图11提供了与细集料结合的水泥替代物的SEM图像。
图12提供了与常规水泥相互作用的水泥替代物的SEM图像。
具体实施方式
提供了包含CO2-截存组分的成形建筑材料。本文描述的建筑材料包括来自包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的沉淀物料的CO2-截存组分。提供了制备和使用包含CO2-截存组分的成形建筑材料的方法。
应该理解,本文描述的特定实施方式可以变化。也应该理解,本文使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的,并且该术语并非意在限制,因为本发明的范围将仅由随附的权利要求所限定。除非另外定义,否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员所普遍理解的相同的含义。
当提供数值的范围时,应当理解在此范围的上限和下限之间的每个居间值(精确到下限单位的十分之一,除非上下文另外明确地指出)以及在所述范围内的任何其它所指出的或居间的值都包含在内。这些较小范围的上限和下限可独立地包含在该较小范围内,并且除了任何具体排除的界限值外也包含在所述范围内。当所述范围包括界限值之一或两者时,还包括排除那些所包含的界限值中的任何一个或两个的范围。
本文中用冠以术语“约”的数值来表示某些范围。本文使用术语“约”来为其之后的准确数字以及接近或近似于该术语之后的数字的数字提供文字支持。在确定数字是否接近或近似于具体列举的数字时,接近或近似的未列举的数字可以是在其所出现的上下文中提供所具体列举的数字的基本相等值的数字。
本说明书中所引用的所有出版物、专利和专利申请均通过引用并入本文,其程度犹如特别地和单独地指出每一个单独的出版物、专利或专利申请均通过引用而并入。另外,每一个所引用的出版物、专利或专利申请均通过引用并入本文,以公开和描述与所引用出版物相关的主题。任何出版物的引用均针对在其申请日之前的公开内容,并且不应视为承认在先的发明。另外,所提供的公开日期可不同于实际公开日期,其可能需要被独立地确认。
应当指出,如本文和所附权利要求书中使用的,单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数指代物,除非上下文另外明确地指出。还应当指出,权利要求书可被起草为排除任何任选的要素。因此,本声明旨在充当使用与引述权利要求要素有关的例如“独自地”、“仅仅”等排他性术语或使用“否定”限定的前置基础。
本领域技术人员在阅读本公开内容后将会明白,本文描述和举例说明的每一独立的实施方式具有独立的组分和特征,该组分和特征可与其它几个实施方式中的任一个的特征容易地分开或组合。任何列举的方法可按所列举事件的顺序或按逻辑上可能的任何其它顺序进行。虽然与本文所述的方法和材料相似或等同的任何方法和材料也可用于实践或测试,但现在仅描述代表性的示例性方法和材料。
成形建筑材料
在一些实施方式中,提供了包含CO2-截存组分的成形建筑材料,该成形建筑材料包含来源于人类所使用的燃料的碳,例如来源为化石燃料的碳。例如,包含CO2-截存组分的成形建筑材料包含来自燃料燃烧而以CO2形式释放的碳。在某些实施方式中,在组合物(例如,包含截存的CO2的组合物)中截存的碳以碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的形式存在。因此,在某些实施方式中,本文提供的成形建筑材料可包含例如碳酸盐,其中碳酸盐中的至少一部分碳可来源于人类使用的燃料(例如,化石燃料)。因此,成形建筑材料的生产导致CO2被置于储存稳定的形式(例如,建筑环境如人造结构如建筑物、墙、道路等的组分)。因此,这种包含CO2-截存组分的成形建筑材料的生产导致防止CO2气体进入大气。
建筑材料包含含有碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的CO2-截存组分。碳酸盐、碳酸氢盐或其组合来源于如本文更详细描述的水溶液,例如从其中沉淀出来,并且因此可在本文中被描述为沉淀物料。CO2-截存组分以储存稳定的形式储存了大量的CO2,使得CO2气体不易从产品中产生并释放到大气中。在某些实施方式中,对于每1000吨建筑材料而言,CO2-截存组分可储存50吨或更多的CO2,比如100吨或更多的CO2,包括250吨或更多的CO2,例如500吨或更多的CO2,比如750吨或更多的CO2,包括900吨或更多的CO2。在某些实施方式中,建筑材料的CO2-截存组分包含约5%或更多的CO2,比如约10%或更多的CO2,包括约25%或更多的CO2,例如约50%或更多的CO2,比如约75%或更多的CO2,包括约90%或更多的CO2,例如作为一种或多种碳酸盐化合物存在。
CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)可包括一种或多种碳酸盐化合物。例如使用库仑滴定法中描述的方案通过库仑法确定,CO2-截存组分中的碳酸盐(或碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合)的量为40%或更高,比如70%或更高,包括80%或更高。在一些实施方式中,当Mg源是镁铁质矿物(于2009年7月10日提交的美国专利申请第12/501,217号和于2008年7月10日提交的美国临时专利申请第61/079,790号中描述,其各自均通过引用并入本文)或灰分(于2009年6月17日提交的序号12/486,692的美国申请和于2008年6月17日提交的序号为61/073,319的美国临时申请,其各自均通过引用并入本文)时,生成的产品可以是包含硅石以及碳酸盐的组合物。在这些实施方式中,产物的碳酸盐含量可以低至10%。
建筑材料以使得CO2在建筑材料中截存(例如,固定)的方式提供CO2的长期储存,其中截存的CO2不会成为大气的一部分。当建筑材料保持在对其预期用途而言为常规的条件下时,建筑材料使截存的CO2保持固定较长的时间(例如,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、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),而不会从建筑材料显著释放CO2(如果有的话)。就本文描述的建筑材料而言,当它们以其预期用途且在其整个使用期限中使用时,如依据CO2气体从产物的释放而测量的降解量(如果有的话)将不超过每年5%,并且在某些实施方式中将不超过每年1%。实际上,本文描述的建筑材料在暴露于对于其预期用途而言正常的温度和湿度条件(包括正常pH的降雨)至少1、2、5、10或20年,或超过20年,例如超过100年时,不会释放超过其总CO2的1%、5%或10%。在一些实施方式中,组合物在暴露于对于其预期用途而言正常的温度和湿度条件(包括正常pH的降雨)至少1年时,不会释放超过其总CO2的1%。在一些实施方式中,组合物在暴露于对于其预期用途而言正常的温度和湿度条件(包括正常pH的降雨)至少1年时,不会释放超过其总CO2的5%。在一些实施方式中,组合物在暴露于对于其预期用途而言正常的温度和湿度条件(包括正常pH的降雨)至少1年时,不会释放超过其总CO2的10%。在一些实施方式中,组合物在暴露于对于其预期用途而言正常的温度和湿度条件(包括正常pH的降雨)至少10年时,不会释放超过其总CO2的1%。在一些实施方式中,组合物在暴露于对于其预期用途而言正常的温度和湿度条件(包括正常pH的降雨)至少100年时,不会释放超过其总CO2的1%。在一些实施方式中,组合物在暴露于对于其预期用途而言正常的温度和湿度条件(包括正常pH的降雨)至少1000年时,不会释放超过其总CO2的1%。
可使用能够合理地预测这种稳定性的任何合适的替代标记物或试验。例如,包含升高的温度和/或中等至更极端的pH条件的加速的试验能够合理地指示历经延长的时间段的稳定性。例如,取决于组合物的预期用途和环境,可将组合物的样品在10%至50%的相对湿度下暴露于50、75、90、100、120或150℃持续1、2、5、25、50、100、200或500天,并且其碳损失少于1%、2%、3%、4%、5%、10%、20%、30%或50%可认为是材料在给定时期(例如,1、10、100、1000或超过1000年)内的稳定性的充分证据。
可通过任何合适的方法(例如,库仑法)监测材料的CO2含量。适当时,也可再次根据预期或可能的环境对包括pH、压力、UV辐射等的其它条件进行调整。应当理解,可使用本领域技术人员合理推断地表明经过指定的时间段具有必要的稳定性的任何合适的条件(It willbe appreciated that any suitable conditions may be used that one of skillin the art would reasonably conclude indicate the requisite stability overthe indicated time period)。此外,如果公认的化学知识表明该组合物在指明的时期段将具有必要的稳定性,除了实际测量以外或代替实际测量,这也可被使用。例如,可为组合物的一部分的一些碳酸盐化合物(例如,以给定的多晶型形式)可为地质学上熟知的,并已知其已经承受了正常气候数十年、数个世纪或者甚至数千年,而没有明显的分解,并且因此具有必要的稳定性。
存在于建筑材料中的CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的量可随具体成形建筑材料而改变。可以是如本文所述的未精制的、精制的或以其他方式处理的沉淀物料(例如,碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合)的CO2-截存组分可用作部分水泥替代物或完全水泥替代物。虽然CO2-截存组分在内部和本身可以是或可以不是胶结性的,但其可与水泥组合物如普通波特兰水泥(或与形成混凝土的材料,如细集料、粗集料等)在一定程度上反应或不与其反应,从而最终产生硬化的组合物。因此,CO2-截存组分可与水泥组合物(例如,普通波特兰水泥)组合以生产具有本文所述性质(例如,压缩强度;孔隙率;等等)的硬化水泥组合物(或混凝土,如果进一步与形成混凝土的材料如细集料、粗集料等组合的话),但在CO2-截存组分与水泥组合物(或形成混凝土的材料,如果存在的话)之间没有反应。在一些实施方式中,CO2-截存组分可与水泥组合物(例如,普通波特兰水泥)组合以生产具有本文所述性质(例如,压缩强度)的硬化水泥组合物(或混凝土,如果与形成混凝土的材料如细集料、粗集料等组合的话),但至少部分地,该组合物由CO2-截存组分与水泥组合物(或形成混凝土的材料,如果存在的话)之间的反应得到。
使用成形建筑材料可引起碳足迹的大量减少,该材料中CO2-截存组分用于排除该成形建筑材料中的任何额外的胶结组分(例如,OPC)。如本文所提供的CO2-截存组分(任选地,当用于排除任何其它胶结组分时,为“水泥替代物”)可包含以本文进一步描述的比例存在的碳酸钙多晶型物,如无定形碳酸钙、六方碳钙石、文石和/或方解石,并且CO2-截存组分可任选地连同细集料和/或粗集料一起使用,并且还可任选地连同辅助胶结材料如飞灰、矿渣和/或变高岭石一起使用。因此,成形建筑材料可以是碳足迹减少的建筑材料。碳足迹减少的建筑材料具有相对于常规成形建筑材料(例如,不含CO2-截存组分的相应建筑材料[例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分])减少的碳足迹。使用任何常规的碳足迹计算器,与不含CO2-截存组分的相应常规建筑材料相比,建筑材料的碳足迹减少幅度可以是5%或更高,比如10%或更高,包括25%、50%、75%或者甚至100%或更高。在某些实施方式中,碳足迹减少的建筑材料是碳中性的,因为其基本无(如果有的话)可计算的碳足迹(例如,使用与感兴趣的特定建筑材料相关的任何方便的碳足迹计算器确定的)。碳中性建筑材料包括显示50磅CO2/立方码(lbs CO2/cu yd)材料或更低,比如10磅CO2/立方码材料或更低,包括5磅CO2/立方码材料更低的碳足迹的那些组合物,其中在某些实施方式中,碳中性材料具有0或负值磅CO2/立方码材料,比如负1或更多,例如负3或更多磅CO2/立方码材料。在一些情况下,低碳足迹材料具有显著为负值的碳足迹,例如负100或更多磅CO2/立方码或更小。
成形建筑材料可能差异很大,所述成形建筑材料包含成形(例如,模塑、铸造、切割或以其它方式生产)为具有确定物理形状即构形的人造结构的材料。成形建筑材料不同于不具有确定的和稳定的形状的无定形建筑材料(例如,粉末、糊状物、浆状物等),但相反其符合容纳它的容器,例如袋子或其它容器。成形建筑材料也不同于不规则或不准确成形的材料(例如,集料、用于布局的散装形式等),因为成形建筑材料是根据允许在例如建筑物中使用成形建筑材料的规格而生产的。除了采用一定量的CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)以外,可根据此类结构的传统制造方案制备成形建筑材料。如以下更详细地描述的,用CO2-截存组分替代的组分的比例可变化,并且在某些情况下是5%(重量)或更高,包括10%(重量)或更高、25%(重量)或更高、50%(重量)或更高、75%(重量)或更高、90%(重量)或更高,或者甚至100%(重量)。在生产成形建筑材料的过程中,一定量的CO2-截存组分可与水以及其它额外的组分(可包括但不限于粘土、页岩、软板岩、硅酸钙、采石场原石(quarried stone)、波特兰水泥、飞灰、矿渣、变高岭石、水泥、集料(例如,高炉矿渣、底灰、砾石、石灰石、花岗石、沙等)、硅粉和火山灰)混合。
以下更详细地评述了根据某些实施方式的示例性成形建筑材料。然而,以下对成形建筑材料的评述并非是限制性的,而是仅被提供用于进一步描述包含CO2-截存组分的成形建筑材料的多种示例性实施方式。
砌筑单元是在通常使用砂浆、薄浆等组装的承重和非承重结构的构建中使用的成形建筑材料;然而,砌筑单元不一定需要使用砂浆、薄浆等来组装。示例性的砌筑单元包括砖、砌块和瓦(tile)。铺石是可以使用或可以不使用砂浆(mortar)、薄浆(grout)等的示例性砌筑单元。砖和砌块是具有线性尺寸的多边形结构。砖是具有不超过337.5×225×112.5(长度×宽度×高度)的尺寸(mm)的砌筑单元。具有337.5×225×112.5至2000×1000×500(长度×宽度×深度)的尺寸(mm)的任何单元被称为“砌块”。具有超过2000×1000×500(长度×宽度×深度)的尺寸(mm)的结构单元被称为“板”。瓦指的是具有与砖或砌块相同的尺寸,但在形状上可具有相当大的变化,即可以不是多边形(例如,庄园风格的屋顶瓦)的砌筑单元。以下更详细地描述了铺石。[0043]提供的一种类型的砌筑单元是砖,其指的是在通常使用砂浆铺设的砌筑结构中使用的材料结构单元。砖是具有不超过337.5×225×112.5(长度×宽度×高度)的尺寸(mm)的砌筑单元。在一些实施方式中,砖可具有在175-300mm范围内的长度,比如200-250mm,包括200-230mm;在75-150mm范围内的宽度,比如100-120mm,包括100-110mm;和在50-90mm范围的高度,比如50-80mm,包括55-75mm。砖可在等级、类别、颜色、质地、尺寸、重量方面有所不同,并且可为实心、蜂窝状、穿孔、岔心或空心的。砖可包括但不限于建筑砖、贴面砖、承重砖、工程用砖、薄饰面砖、铺地砖、釉砖、耐火砖、耐化学腐蚀砖、下水道和检查井用砖、工业用铺地砖等。砖也可在抗冻性(即,抗冻、中度抗冻或不抗冻)方面不同,抗冻性涉及砖在暴露于水可导致不同水平的冻结和解冻的条件下的耐久性。抗冻砖在持续暴露于水及冻结和解冻的条件下是耐用的。中度抗冻砖在偶尔暴露于水及冻结和解冻的条件下是耐用的。非抗冻砖在暴露于水及冻结和解冻的条件下是不耐用的。这些砖仅适合内部使用,并且经冻结和解冻易于损坏,除非在施工期间通过不可渗透的覆盖层予以保护。砖也可在可溶性盐含量(即低或正常含量)方面不同。具有低可溶性盐含量的砖中的可溶性离子的质量百分比不超过0.03%镁、0.03%钾、0.03%钠和0.5%硫酸根。具有正常盐含量的砖中的可溶性离子的质量百分比不超过总计0.25%的镁、钾和钠且硫酸根含量不超过1.6%。砖可在物理和机械性能方面有很大不同。在某些情况下,砖的压缩强度可在5-100兆帕(MPa)范围内,包括20-40MPa。砖的弯曲强度可在0.5-10MPa的范围内变化,包括2-7MPa,如2-5MPa。砖的最大吸水率可在5%-25%范围内变化,包括10%-15%。砖也可由于对其环境的水分吸收或损失而经历水分运动(膨胀或收缩)。在某些情况下,由于水分运动而引起的尺寸稳定性(即,线性收缩率或膨胀率)可在0.001%-0.2%(包括0.05%-0.1%)的范围内变化。在一些实施方式中,砖可用于铺路。用于铺设交通拥挤(例如,行人、车辆等)区域的砖可具有范围为0.1-0.5的耐磨指数,包括0.2-0.4,例如0.3。此外,砖可具有范围为1.0-4.0cm3/cm2的体积磨耗,包括1.5-2.5cm3/cm2,如2.0cm3/cm2。包含CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的建筑材料组合物可被模塑、挤出或造型为期望的形状和尺寸以形成砖。然后对成形的组合物进行干燥,并进一步通过液压、高压釜硬化,或者在900°-1200℃(如900°-1100℃,包括1000℃)的温度下在窑中烧制。
提供的另一种类型的砌筑单元为砌块(例如,混凝土、水泥、地基等)。砌块基于其结构尺寸而不同于砖。具体地,砌块的尺寸(mm)大于337.5×225×112.5(长度×宽度×高度)。砌块可在颜色、质地、尺寸和重量方面有所不同,并且可以是实心、蜂窝状和空心的,或在砌块的空隙体积中采用绝缘体(例如,膨胀性的聚苯乙烯泡沫)。砌块可以是承重、非承重或饰面(即装饰性)砌块。在一些实施方式中,砌块可具有300-500mm如350-450mm范围内的长度、150-250mm如180-215mm范围内的宽度和100-250mm如150-200mm范围内的高度。砌块也可在面壳厚度方面不同。在一些情况下,砌块可具有15-40mm,包括20-30mm,比如25mm的面壳厚度。砌块也可在腹板厚度方面不同。在一些实施方式中,砌块可具有15-30mm,包括15-25mm,比如20mm的腹板厚度。砌块可在物理和机械性能方面有很大不同。在某些情况下,砌块的压缩强度可在5-100MPa范围内变化,包括15-75MPa,比如20-40MPa。砌块的弯曲强度也可在0.5-15MPa范围内变化,包括2-10MPa,比如4-6MPa。砌块的最大吸水率可在7%-20%(重量)范围内变化,包括8%-15%,比如9%-11%。砌块也可由于对其环境的水分吸收或减少而经历水分运动(膨胀或收缩)。砌块可以是I型水分控制单元或II型非水分控制单元。在某些情况下,砌块的尺寸稳定性(即,线性收缩率)可根据其预期用途和/或使用的地理位置而在0.02%-0.15%如0.03%-0.05%的范围内变化。包含CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的建筑材料组合物可被模塑、挤出或造型为期望的形状和尺寸以形成砌块。此类建筑材料组合物还可包含飞灰和/或底灰,并且可用于生产煤渣砌块。成形的组合物可通过滚筒压实、液压、振动压实或共振冲击压实而进一步压实。在一些情况下,也可在成形前或在组合物凝固的同时使用以机械或化学方法引入的气体使所生成的组合物泡沫化,以便形成轻质混凝土砌块。在温度和湿度得到控制的环境中将组合物进一步固化。
提供的另一种类型的建筑材料是瓦。瓦是指通常用于屋顶和铺设在商业与住宅建筑的外部和内部地面上的非承重建筑材料。可使用瓦的一些实例包括但不限于商业和住宅建筑的屋顶、天花板(例如,天花板瓦)、装饰性天井、浴室、桑拿浴室、厨房、建筑门厅、车道、池甲板、门廊、通道、人行道等。瓦可根据其预期用途和/或使用的预期地理位置而采取多种形式,并在形状、尺寸、重量上不同,并且可以是实心、网状、蜂窝状或空心的。瓦可在尺寸上不同,例如长度为100-1000mm,包括250-500mm,比如250-300mm;宽度为50-1000mm,包括100-250mm,比如125-175mm;且厚度为10-30mm,包括15-25mm,比如15-20mm。在某些情况下,瓦的压缩强度也可在5-75MPa的范围内变化,包括15-40MPa,比如25MPa。瓦的弯曲强度可在0.5-7.5MPa的范围内变化,包括2-5MPa,比如2.5MPa。在某些情况下,瓦的最大吸水率也可在5%-15%(包括7%-12%)范围内变化。瓦也可由于对其环境的水分吸收或减少而经历水分运动(膨胀或收缩)。在某些情况下,由于水分运动引起的尺寸稳定性(即,线性收缩率或膨胀率)可在0.001%-0.25%范围内变化,包括0.025%-0.075%,比如0.05%。用于铺设交通拥挤(例如,行人、车辆等)区域的瓦可具有在0.1-0.5(包括0.25)范围内显著变化的耐磨指数。此外,瓦可具有范围在1.0-4.0cm3/cm2的体积磨耗,包括1.5-3.0cm3/cm2,比如2.7cm3/cm2。瓦可以是多边形、圆形或采用任何其它期望的形状。因此,包含CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的建筑材料组合物可被模塑或铸造成期望的瓦形状和尺寸。可通过滚筒压实、液压、振动压实或共振冲击压实而将成形的组合物进一步压实。所生成的组合物也可浇注成为片材,或者可使用滚筒以形成期望厚度的片材。然后将片材切割为期望尺寸的瓦。在一些情况下,也可在成形前或在组合物凝固的同时使用以机械或化学方法引入的气体使所生成的组合物泡沫化,以形成轻质瓦。然后使成形的组合物凝固并在温度和湿度得到控制的环境中进一步固化。可对瓦进一步抛光、着色、纹理化、喷丸处理、镶嵌装饰性组分,等等。
另一种类型的成形建筑材料和砌筑单元是铺石。铺石常常用在铺设应用中,如天井、车道、人行道、通道、露台、阳台、庭院、水池(例如,环绕水池、水池压顶等)、花园(例如,小路、通道、垫脚石、挡土墙)和镶边(例如,用于天井、花园、车道、通道等)。铺石可以与或可以不与砂浆、薄浆等一起使用。砂浆、薄浆等的使用最终取决于铺石的应用或个人偏好。例如,非互锁的铺石(例如,非齿状铺石,通常为基础砖、砌块或立方体形状的铺石)可使用砂浆、薄浆等;例如,互锁的铺石一般不与砂浆、薄浆等一起使用。应当理解,互锁的铺石可以是完全互锁的铺石(其中铺石可在两个轴上都互锁)或部分互锁的铺石(其中铺石可在一个轴上互锁)。如以下更详细地描述的,本文所述的任一种铺石还可以是渗透性的(或非渗透性的)。
可根据用于混凝土铺石的标准制造程序制造本文所述的铺石,使其具有各种各样的不同性质(例如,压缩强度)、颜色、形状、图案和尺寸。图4中示出了用于制造混凝土铺石的示例性方法。
参考图4中的示例性铺石制造方法,该制造方法可起始于步骤410中的对原材料进行称重(例如,磨成颗粒状的高炉矿渣或等同物、1/4砾石、沙子、水泥和/或CO2-截存组分)。当称重并准备好所有原材料时,可将矿渣、沙子和砾石倒入混合器,之后加入水泥、任选的着色剂和水。可根据使用的添加剂和可接受的方法于此时添加或者于稍后的时间添加(即,“延时添加”)任何其它添加剂(例如,掺合物,如减水掺合物,包括但不限于7500;促进剂,如CaCl2;等等)。混合时间可依据所混合的具体材料而变化。在一些实施方式中,混合时间可以是至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、30、40、50、60、120、180、240、300分钟或者可能更久。在一些实施方式中,混合时间可以少于300、240、180、120、60、50、40、30、20、15、10、9、8、7、6、5、4、3、2分钟或可能更短。可添加水以达到期望的混合物一致性。用于达到期望的混合物一致性的水量可取决于原材料中已经存在的水分含量、环境湿度以及混合过程期间的其它因素。可根据需要添加任选的着色剂。
在步骤430中,混合器中的混合物(例如,磨成颗粒的高炉矿渣或等同物、1/4砾石、沙子、水泥和/或CO2-截存组分)可被排放到传送机上以将混合物传送到砌块制造机料斗。砌块制造机料斗随后可通向装填箱。已载有混合物的装填箱然后可运行经过铺石模具,用混合物填充模具的整个内室(进行或不进行振动/摇动)。
在步骤440中,捣固机头可下移以使用约3MPa的压力向模具内的混合物施加压力。在一些实施方式中,可向模具内的混合物施加至少0.3、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20或30MPa的压力。在一些实施方式中,施加于模具内的混合物的压力可小于30、20、10、9、8、7、6、5、4、3、2、1、0.5或0.3MPa。在施加压力的同时,可振动模具约2秒。在一些实施方式中,可振动模具至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50或60秒,或可能更久,比如至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10分钟或更久。在一些实施方式中,可振动模具少于10、9、8、7、6、5、4、3、2或1分钟,或可能更短,比如少于60、50、40、30、20、10、9、8、7、6、5、4、3、2或1秒。
在步骤450中,可抬高模具并且捣固机头下推,以将一个或多个铺石放置在生产板上。然后可将生产板推到传送机上并传送到入口升降机。在步骤460中,入口升降机随后可填满,而抓车(finger car)可拾取一批铺石并将它们移至干燥架。在步骤470中,抓车随后可将这批铺石(现已固化)运送至出口升降机。在步骤480中,可将生产板传送到压块机。在那里生产板可拾取一批固化的铺石并将铺石移动到托盘上以供装袋和运输。在步骤490中,空生产板可返回至砌块制造机,从而结束了一轮示例性铺石制造过程。用于制造本文所述任何类型的铺石的设备是已知的且现有的。
本文所述的铺石,通过不同的混合物设计和制造方法,可被设计成具有多种不同性质中的任一种。例如,以上描述的用于制造铺石的材料和方法可用于制备具有8000psi的最小压缩强度的铺石,该压缩强度是美国试验与材料学会(“ASTM”)对铺石的最低要求。在一些实施方式中,本文描述的铺石可具有至少250、500、750、1,000、2,000、3,000、4,000、5,000、6,000、7,000、8,000、9,000、10,000、11,000、12,000、13,000、14,000、15,000或16,000psi的压缩强度。在一些实施方式中,本文描述的铺石可具有小于16,000、15,000、14,000、13,000、12,000、11,000、10,000、9,000、8,000、7,000、6,000、5,000、4,000、3,000、2,000、1,000、750、500或250psi的压缩强度。可由混合物设计和/或制造方法改变的其它性质包括吸水性、弯曲强度、抗滑性、摩擦系数、冻融循环抗性等。关于不同的混合物设计,一些示例性的铺石混合物设计包含于下面的表1-7中,其中,例如,“15%水泥”表示含有约15%的水泥(例如,普通波特兰水泥(OPC)及类似物)、如本文描述的CO2-截存组分或沉淀物料或其组合的混合物。在一些实施方式中,此类水泥-CO2-截存组分组合包含至少1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%或99%的CO2截存组分。在一些实施方式中,水泥-CO2-截存组分组合中包含少于99%、98%、97%、96%、95%、90%、85%、80%、75%、70%、65%、60%、55%、50%、45%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%或1%的CO2-截存组分。虽然表1-7不包含任何额外的添加剂,本领域普通技术人员将会认识到可添加多种添加剂中的任一种以调节混合物的性质(例如,流动性)和/或生成的铺石的性质。例如,可向以下任一混合物设计中添加着色剂。此外或在备选方案中,7500可用作以下任一混合物设计中的减水掺合物。此外或在备选方案中,CaCl2可用作以下任一混合物设计中的促进剂。
表1.包含约15%水泥的铺石的混合物设计。
表2.包含约16%水泥的铺石的混合物设计。
表3.包含约17%水泥的铺石的混合物设计。
表4.包含约18%水泥的铺石的混合物设计。
表5.包含约19%水泥的铺石的混合物设计。
表6.包含约20%水泥的铺石的混合物设计。
表7.包含约21%水泥的铺石的混合物设计。
如上所述,表1-7是示例性的混合物设计。因此,可修改的15-21%水泥设计以使其分别包含更多或更少的水泥组分和任选地更少或更多的矿渣组分。在此类混合物设计中,水泥组分可以是至少1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%或99%(重量)。在一些实施方式中,水泥组分可以少于99%、98%、97%、96%、95%、90%、85%、80%、75%、70%、65%、60%、55%、50%、45%、40%、35%、30%、20%、25%、24%、23%、22%、21%、20%、19%、18%、17%、16%、15%、14%、13%、12%、11%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%或1%(重量)。
铺石可以是任何期望的颜色,无论是单色调的或是多色的,并且在它们的制造过程中将颜色引入混凝土铺石的方法是公知的。铺石可以是自然淡灰色至白色,这种颜色无需添加任何额外的色素添加剂就可能达到。例如,混凝土铺石中的CO2-截存组分的比例越大,铺石就越白(不存在其它色素添加剂[除了增白剂,比如TiO2{例如,钛白、颜料白6、CI 77891等}])。此类铺石可具有高反照率,其继而可通过降低照明需求而持续减少碳排放(例如,由于消耗来自产生CO2的发电厂的电力更少)。由于本文描述的铺石可制造成多种不同的颜色,所以它们也可制造成具有(register)特定的反射率。在一些实施方式中,例如,铺石可制造成具有至少0.3(例如,如通过反照率测量仪所测量的)的反射率。在其它实施方式中,可根据应用或个人偏好需求将铺石制造成具有大于或小于0.3的反射率。可组合具有不同反射率值(例如,一些小于0.3,一些大于0.3)的铺石以产生具有组合反射率的铺石表面,如上所述,该表面可通过降低照明需求而持续减少碳排放。
当从上方观察铺石时(尽管在直角边缘上存在坡口(bevelededge),对本文所述的铺石而言其各个直角边缘都可能存在),其可具有选自下组的二维形状:三角形、八边形、六边形、五边形、圆形、半圆形、椭圆形、之字形、锁眼形、菱形、扇形、平行四边形、长方形、正方形、X形和W形。其它形状也是可能的,包括上述形状的组合。应当理解,铺石是三维物体并且上述描述在直接从上方(或直接从下方)观察铺石时适用。例如,当直接从上方观察时铺石可显示为长方形,但当从除直接上方之外的角度观察时此铺石将显示为砖的形状。同样地,当直接从上方观察时铺石可显示为正方形,但当从除直接上方之外的角度观察时此铺石将显示为砖或砌块或立方体的形状。图5提供了一些上述铺石的示图,并且包括可如本文所述制造的一些另外的铺石。上述铺石的厚度可变化。混凝土铺石根据期望的应用可处于一定厚度范围内。通常,铺石在约1cm厚至约12cm厚的范围内。因此,铺石可为至少1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm、11cm、12cm厚。铺石也可小于1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm、11cm、12cm厚。应当注意,本文描述的铺石不限于上述铺石的厚度,根据应用其可超过12cm厚。通常,铺石具有6cm至8cm的厚度,其中6cm厚的铺石被普遍接受为用于行人用途(和轻型车辆应用),并且其中8cm厚的铺石被普遍接受为用于重型车辆和工业应用。
铺石,如本文描述的铺石,可具有由一个或多个纵横比(包括长宽比和长厚比)进一步限定的形状。纵横比通常用于评价铺砌单元维持荷载而不会破裂的受弯承载能力。关于长宽比,其通常处于2∶1和3∶1之间,并且其可通过将铺石的较长表面尺寸除以较短表面尺寸来确定。关于铺石的长厚比,其可通过将铺石的最长表面尺寸除以厚度来确定。长厚比介于3∶1至4∶1之间的铺石被接受用于轻型至中型车辆应用。长厚比超过4∶1的铺石不应当用于车辆应用中,并且任选地,其可用于本文描述的需要不太坚固的铺石的任何其它应用(例如,通道)。例如,测量结果为4″×8″×2-3/8″的铺石产生3.4∶1的纵横比,其适合轻型至中型车辆交通。测量结果为12″×12″×2-3/8″的铺石产生5∶1的纵横比,其不适合车辆应用。鉴于对用于某些应用的铺石纵横比和铺石厚度的上述范围的描述,本领域普通技术人员将会认识到用于某些应用的优选铺石尺寸。例如,根据本文所述的方法制备的用于轻型至中型车辆应用的铺石(例如,3∶1至4∶1的长厚纵横比)可具有3.4∶1的长厚比和2-3/8″的厚度。在一个实施方式中,此类铺石将具有12″的表面长度和宽度。
如提交于2010年3月2日标题为“Gas Stream MultipollutantsControl Systems and Methods”的美国专利申请第12/716,236号所述,使用本文描述的CO2-截存组分制备的组合物(包括铺石)可包含一种或另一种形式的金属,比如As、Ag、Ba、Be、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mo、Ni、Pb、Se、Sb、Tl、V或Zn,或其组合,以及如果释放到环境中可被认为是污染物的其它化学物质。此类金属和污染物可能直接起因于包含CO2的烟道气(例如,来自燃煤发电厂)的使用,这种烟道气可包含所述金属及SOx、NOx、酸性气体等。可通过将该组合物(例如,铺石)与提取溶液混合、搅拌生成的混合物并过滤经搅拌的混合物以产生可检测的沥滤液来检测污染物释放到环境中的可能性。可使用多种试验中的任一种来检测组合物(例如,铺石),因为已开发出不同的试验来模拟不同的环境条件。此类试验包括但不限于毒性特征性沥滤程序(Toxicity Characteristic Leaching Procedure)(TCLP;US EPA方法1311)、提取程序毒性试验(Extraction ProcedureToxicity Test)(EP-Tox;US EPA方法1310)、合成沉淀沥滤程序(Synthetic Precipitation Leaching Procedure)(SPLP;US EPA方法1312)、加利福尼亚废物提取试验(California Waste Extraction Test)(WET;California Code of Regulations)、可溶性阈值限制浓度(Soluble Threshold Limit Concentration)(STLC;California Code ofRegulations)、美国试验与材料学会提取试验(American SocietyforTesting and Materials Extraction Test)(ASTM D3987-85)和多重提取程序(Multiple Extraction Procedure)(MEP;US EPA方法1320),因为此类试验和定义的极限是本专利申请的申请日时存在的此类试验。也可使用由例如英国、泰国、日本、瑞士、德国、瑞典、荷兰的废物管理条例所限定的标准的水提取试验条件。此类试验可在例如提取溶液、液体与固体(L/S)比值和/或提取次数和持续时间方面不同。关于提取溶液,此类试验通常使用醋酸水溶液、柠檬酸水溶液、蒸馏水、合成的雨水或碳酸水。
也可雕刻铺石(例如,用于纪念场合)以便其各自具有独特的图案,或者使得当用于铺设表面时,该表面包含独特的图案。在一些实施方式中,上述铺石可包含用于装饰或安全目的的光源(例如,具有内置光源的铺石)。
建筑镶板是在广义上指任何非承重结构部件的成形建筑材料,所述结构部件的特征在于其长度和宽度明显大于其厚度。示例性的建筑镶板包括水泥板、纤维-水泥挡板和干式墙。建筑镶板为具有依其预期用途而尺寸变化很大的多边形结构。建筑镶板的尺寸的长度可在50-500cm范围内,包括100-300cm,比如250cm;宽度在25-200cm范围内,包括75-150cm,比如100cm;厚度在5-25mm范围内,包括7-20mm,包括10-15mm。水泥板包括作为水泥和纤维玻璃的组合常规制备的建筑镶板,并且在板的两面具有额外的玻璃纤维增强物。纤维-水泥挡板包括作为水泥、集料、交织纤维素和/或聚合纤维的组合而常规制备的建筑镶板,并且具有与木材相似的质地和柔性。干式墙包括由石膏灰泥(即,半水合形式的硫酸钙)、纤维(玻璃或纸)常规制备的建筑镶板,并且被夹于两片外部材料例如纸或玻璃纤维垫片之间。
提供的一种类型的建筑镶板为水泥板。它们为成形建筑材料,其中在一些实施方式中它们被用作可在浴室瓷砖、厨房台面、后挡板等后面使用的陶瓷制品的背衬板,并且可具有100-200cm的长度,比如125-175cm,例如150-160cm;75-100cm的宽度,比如80-100cm,例如90-95cm,和5-25mm的厚度,例如5-15mm,包括5-10mm。水泥板在物理和机械性能方面可以变化。在一些实施方式中,弯曲强度可在1-7.5MPa的范围内变化,包括2-6MPa,比如5MPa。压缩强度也可在5-50MPa的范围内变化,包括10-30MPa,比如15-20MPa。在一些实施方式中,水泥板可用于大范围暴露于水分的环境(例如,商业桑拿浴室)中。水泥板的最大吸水率可在5%-15%(重量)范围内变化,包括8%-10%,比如9%。水泥板也可由于对其环境的水吸收或减少而经历水分运动(膨胀或收缩)。在某些情况下,由于水分运动而引起的尺寸稳定性(即,线性收缩率或膨胀率)可在0.035%-0.1%范围内变化,包括0.04%-0.08%,比如0.05%-0.06%。包含CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的建筑组合物可用于产生期望的形状和尺寸以形成水泥板。此外,可向水泥板中添加多种另外的组分,包括但不限于:增塑剂、起泡剂、促进剂、缓凝剂和加气添加剂。然后可将包含CO2-截存组分的建筑材料组合物浇注到片材模具内或者可使用滚筒形成期望厚度的片材。成形组合物可通过滚筒压实、液压、振动压实或共振冲击压实而被进一步压实。然后将片材切割成期望尺寸的水泥板。在一些情况下,也可在成形前或在组合物凝固的同时使用以机械或化学方法引入的气体使所生成的组合物泡沫化,以形成轻质水泥板。然后使成形的组合物凝固并在温度和湿度得到控制的环境中进一步固化。然后可在板的两面以玻璃纤维垫覆盖水泥板。在需要时,也可使用化学掺合物来制备水泥板,以使其具有增强的防火性、防水性和抗冻性以及对由生物降解和腐蚀引起的损伤的抗性。水泥板还可与诸如分散的玻璃纤维的组分组合,分散的玻璃纤维可赋予改善的耐用性、增强的弯曲强度和更加光滑的表面。
提供的另一种类型的建筑镶板为纤维-水泥挡板。纤维水泥挡板为用于覆盖建筑的外部或屋顶的成形建筑材料,包括但不限于建筑薄板、屋顶镶板、天花板镶板、石棉水泥板等。它们也可用作火灾高发地区的木质装饰板和封檐板的替代品。纤维-水泥挡板可具有长度在200至400cm范围内变化(例如250cm)、宽度在50至150cm范围内变化(例如100cm)且厚度在4至20mm范围内变化(例如5至15mm,包括10mm)的尺寸。纤维-水泥挡板可具有变化的物理和机械性能。在一些实施方式中,弯曲强度可在0.5-5MPa的范围内,包括1-3MPa,比如2MPa。在一些情况下,压缩强度也可在2-25MPa范围内变化,包括10-15MPa,比如10-12MPa。在一些实施方式中,纤维-水泥挡板可用在经历变化的气候条件(在一些实施方式中,从极端干旱到潮湿(即,低到高水平的湿度)的范围内的气候条件)的建筑物上。因此,纤维-水泥挡板的最大吸水率可在10%-25%(质量)范围内变化,包括10%-20%,比如12%-15%。在某些情况下,由于水分运动引起的尺寸稳定性(即,线性收缩率或膨胀率)可在0.05%-0.1%范围内变化,包括0.07%-0.09%。包含CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的建筑组合物可用于生产期望的形状和尺寸以形成纤维-水泥挡板。此外,可向纤维-水泥挡板中添加多种其它组分,包括但不限于:纤维素纤维、增塑剂、起泡剂、促进剂、缓凝剂和加气添加剂。然后可将包含CO2-截存组分的建筑材料组合物浇注到片材模具内或者使用滚筒形成期望厚度的片材。成形的组合物可通过滚筒压实、液压、振动压实或共振冲击压实而被进一步压实。然后将片材切割成期望尺寸的纤维-水泥挡板。在一些情况下,也可在成形前或在组合物凝固的同时使用以机械或化学方法引入的气体使所生成的组合物泡沫化,以形成轻质纤维-水泥挡板。然后使成形的组合物凝固并在温度和湿度得到控制的环境中进一步固化。然后可用聚合物膜、搪瓷或涂料覆盖纤维-水泥挡板。在需要时,也可使用化学掺合物来制备纤维-水泥挡板,以使其具有增强的防火性、防水性和抗冻性以及对由生物降解和腐蚀引起的损伤的抗性。
提供的另一种类型的建筑镶板为干式墙,其通常是指包含用于涂饰内墙和天花板结构的石膏的所生产的建筑材料。此类干式墙包括石膏内芯,该内芯夹在衬里材料(例如,纸或玻璃纤维)之间。本文提供的干式墙包括含有至少一定量的CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的内芯,如果该内芯不完全是CO2-截存组分的话,在一些实施方式中即是如此。采用一定量的CO2-截存组分,通过用源于CO2排放的组分(例如,CO2-截存组分)替代在干式墙制备中使用的CaSO4·0.5H2O,有助于降低其他为常规的干式墙的碳足迹。由于干式墙中的CaSO4·2H2O(“石膏”)被替代,其他为常规的干式墙的碳足迹因此得以降低,所述石膏由CaSO4·0.5H2O原料再水合并再结晶,并且所述原料由于在其生产过程中使用耗能煅烧(例如,150-160℃,直到石膏中约75%的水被蒸发)而通常被称为“煅烧石膏”。因此,在干式墙的内芯生产中使用的干式墙浆状物可包含至少1%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、99%、99.9%或100%(w/w)的CO2-截存组分(例如,碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合),干式墙浆状物的剩余部分是常规材料如CaSO4·0.5H2O。在干式墙的内芯生产中使用的干式墙浆状物可包含少于100%、99.9%、99%、95%、90%、85%、80%、75%、70%、65%、60%、55%、50%、45%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%、5%或1%(w/w)的CO2-截存组分(例如,碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合),干式墙浆状物的剩余部分是常规材料如CaSO4·0.5H2O。上述选项的组合也是可能的。例如,在一些实施方式中,在干式墙的内芯生产中使用的干式墙浆状物可包含至少1%且少于100%(w/w)的CO2-截存组分、至少50%且少于100%的CO2-截存组分、至少75%且少于100%的CO2-截存组分等,干式墙浆状物的剩余部分是常规材料如CaSO4·0.5H2O。此类干式墙浆状物中的CO2-截存组分可以是如所指出的碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合。在一些实施方式中,CO2-截存组分包含亚稳态碳酸盐,比如无定形碳酸钙、六方碳钙石和文石。如本文所述,在添加淡水或用淡水洗涤之后(例如,用以除去稳定性组分),亚稳态碳酸盐促进亚稳态碳酸盐化合物向更稳定的碳酸盐化合物(例如,方解石)的热力学转变。使用这种热力学驱动力,包含亚稳态碳酸盐如无定形碳酸钙、六方碳钙石和文石且任选地含有一定量的CaSO4·0.5H2O的干式墙浆状物可在最终干式墙产品中形成稳定的碳酸盐(或更稳定的[例如,更少亚稳态的]碳酸盐),并且任选地含有一定量的石膏。这样,干式墙产品的内芯可包含至少1%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、99%、99.9%或100%(w/w)的CO2-截存组分(例如,碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合),比如方解石,内芯的剩余部分是常规材料如石膏。干式墙产品的内芯可包含少于100%、99.9%、99%、95%、90%、85%、80%、75%、70%、65%、60%、55%、50%、45%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%、5%或1%(w/w)的CO2-截存组分(例如,碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合)如方解石,内芯的剩余部分是常规材料如石膏。上述选项的组合也是可能的。例如,在一些实施方式中,干式墙产品的内芯可包含至少1%且少于100%(w/w)的CO2-截存组分(例如,方解石)、至少50%且少于100%的CO2-截存组分(例如,方解石)、至少75%且少于100%的CO2-截存组分(例如,方解石)等,内芯的剩余部分是常规材料如石膏。如于2011年8月3日提交的美国临时专利申请61/514,879(通过引用并入本文)所述由CaSO4和Na2CO3制备的材料也可用作CO2-截存组分以代替常规干式墙材料。图7提供了本文所述的不同干式墙产品的SEM图像,所述干式墙产品之一包含10%的CO2-截存组分,特别是10% NaHCO3与石膏的组合。六方碳钙石也可用作CO2-截存组分,并且依据是否已发生向更不稳定的多晶型物的转换,可存在于干式墙产品中。图7还提供了包含10%CO2-截存组分,特别是包含10%六方碳钙石与石膏的组合的干式墙产品的SEM图像。包含CO2-截存组分的干式墙达到或超过了ASTM干式墙规格(例如,弯曲强度、硬度、拔钉抗性),同时具有增加的价值,包括更高的强度、更低的密度、改善的热性能(例如,CO2-截存组分[例如,碳酸氢盐]在火中的分解,此CO2具有灭火能力)、泡沫质地、降低的溶解度(特别是碳酸盐替代)、隔音、除臭、增强的防火性和抗微生物性能(例如,由于包含CO2-截存组分的干式墙具有较高的碱性)。图8提供了工业参照物和本文描述的干式墙产品的压缩强度(MPa或psi)相对于干式墙(“板”)密度的图。如图所示,干式墙产品(例如,10%六方碳钙石/90%石膏;20%六方碳钙石/80%石膏)紧密地符合工业参照物。
在生产包含CO2-截存组分的干式墙的过程中,一定量的CaSO4·0.5H2O(如果石膏将存在于干式墙产品中的话)和CO2-截存组分(例如,干燥的CO2-截存组分)(其各自可预磨成特定细度)可与任选地包含添加剂并任选地包含纸浆的水混合,以生产干式墙浆状物。如果CO2-截存过程与干式墙产品的制造相整合,则可能不必使在工艺用水中包含沉淀物料的浆状物脱水;相反,在工艺用水中包含沉淀物料的浆状物可用作干式墙浆状物,任选地除去一定量的工艺用水以提供适当的浆状物浓度。添加到干式墙浆状物中的添加剂可包括但不限于抗干燥剂(例如,淀粉,由玉米、马铃薯和/或小麦储备物制成的酸改性淀粉或天然淀粉)、增塑剂、用于降低干式墙产品密度和增强物理性质的纤维材料(例如,木纤维、干纸纤维、纤维素纤维、珍珠岩、纤维玻璃和/或玻璃纤维)、促进剂(例如,细石膏粉;磨碎的石灰泥;硫酸钾;碳酸钾;等等)、缓凝剂(例如,二亚乙基三胺五乙酸[“DTPA”];EDTA;等等)、用于降低干式墙产品中的密度的起泡剂(例如,烷基醚硫酸盐或烷基乙氧基硫酸铵)和用于防霉性和防火性的试剂(例如,玻璃纤维;蛭石;硼酸;等等)。额外的添加剂(例如,聚乙烯醇)可用于加强干式墙(或本文描述的任何成形建筑材料),其中一些可在2011年9月30日提交的标题为“Cement andConcrete with Reinforced Material”的美国临时专利申请第61,541,735号中找到,该申请通过引用整体并入本文。此处应当指出,如果碳酸氢盐存在于CO2-截存组分中,则其可在受控条件下(例如,如本文所述,用任选地经电化学产生的酸如HCl或H2SO4)分解以产生二氧化碳,从而避免了使用额外的化学起泡剂。此外,可向该干式墙浆状混合物中添加回收材料,该回收材料选自飞灰、矿渣、水泥窑灰及其组合。在将一定量的CaSO4·0.5H2O(如果石膏将存在于干式墙产品中)和CO2-截存组分与水混合后获得的干式墙浆状物可在两片背衬材料(例如,纸、玻璃纤维等)之间沉积,并固化以蒸发任何残留水。令人惊奇的是,由于CO2-截存组分的独特性质,特别是当CO2-截存组分包含亚稳态碳酸盐(例如,六方碳钙石)时,发现可模塑包含CO2-截存组分的干式墙浆状物以生产不具有背衬材料的干式墙产品。例如,可模塑包含六方碳钙石且任选地添加有CaSO4·0.5H2O的干式墙浆状混合物以最终形成不具有背衬材料的干式墙产品。存在于上述干式墙浆状混合物中的任何CaSO4·0.5H2O可再水合并转化为CaSO4·2H2O(“石膏”)。并且如上所述,存在于CO2-截存组分中的任何亚稳态碳酸盐(例如,六方碳钙石)可再沉淀为更稳定的碳酸盐(例如,方解石)。在除去残留水之后,可切割干式墙以作为建筑材料用于商业用途。
干式墙建筑材料的尺寸可以变化,在某些情况下,长度可在100-200cm范围内,比如125-175cm,例如150-160cm;宽度在75-100cm范围内,比如80-100cm,例如90-95cm;而厚度在5-50mm范围内,例如5-30mm,包括10-25mm。提供的干式墙可具有显著变化的物理和机械性能,并且可取决于用包含CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的组合物替代的干式墙制品的常规成分的量。包含CO2-截存组分的干式墙的弯曲强度和压缩强度通常大于已知为软建筑材料的常规干式墙。在一些实施方式中,弯曲强度可在0.1-3MPa范围内,包括0.5-2MPa,比如1.5MPa。如本文对于包含截存的CO2的成形建筑材料所述,压缩强度也可变化。在一些情况下,包含CO2-截存组分的干式墙的压缩强度可为1-40MPa、1-30MPa、1-20MPa、5-15MPa或8-10MPa。干式墙的最大吸水率可在2%-10%(质量)范围内变化,包括4%-8%,比如5%。也已发现本文描述的包含CO2-截存组分的干式墙具有比常规干式墙更好的绝缘性能、比常规干式墙更好的声学特性以及比常规干式墙更好的抗火性。此外,关于强度和孔隙率,已发现本文描述的包含CO2-截存组分的干式墙在给定的孔隙率下具有比常规干式墙更高的强度。因此,本文提供的干式墙可以比常规干式墙具有更多孔(例如,具有本文给定的孔隙率),而仍然与常规干式墙一样坚固或比其更坚固(例如,如本文提供的压缩强度、弯曲强度等)。常规干式墙的分解或燃烧释放二氧化硫(SO2)和硫化氢(H2S),这是两种毒性气体和与土壤和水酸化有关的酸沉降的重要前体。常规干式墙的硫酸盐沥滤也可污染地下水。用CO2-截存组分替代常规干式墙中的一些或所有CaSO4使得可由本文提供的干式墙的燃烧分解释放的二氧化硫(SO2)和硫化氢(H2S)的量变少。在干式墙中使用较少的CaSO4的另一个优点是可能污染地下水的硫酸盐较少。
提供的另一种建筑材料是管道。管道是配置用于将气体或液体从一个地点输送至另一个地点的管路或类似结构。管道可包括在液体或气体的输送中使用的多种不同结构中的任一种,所述结构包括但不限于管线、涵洞、箱形涵洞、排水管道和排水口、进水结构、进水塔、闸门井(gate well)、泄水结构等。管道可在形状上显著变化,其通常取决于水力设计和安装条件。管道的形状可包括但不限于圆形、长方形、椭圆形、马蹄形、正方形等。管道的多单元构造也是可能的。管道设计可根据其预期用途而改变。因此,管道可具有显著变化的尺寸。管道可具有长度为5-500cm或更长,比如10-300cm,例如25-250cm的外径。壁的厚度可显著变化,在某些情况下,在0.5-25cm或更厚的范围内,比如1-15cm,例如1-10cm。在某些情况下,可设计管道以支承来自管道内水流的高内压。在其它实施方式中,可设计管道以支承高外部荷载(例如,土荷载、表面过载、车辆荷载、外部静水压力等)。因此,管壁的压缩强度也可根据管道的尺寸和预期用途而变化,在一些情况下,在5-75MPa的范围内,比如10-50MPa,例如15-40MPa。在需要时,可对管道应用多种涂层或衬层(例如,聚合物),并且其可配置为易于相互连接从而产生由多个管道组成的长输送结构。在生产管道时,可将包含CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的建筑材料组合物浇注到模具内以形成期望的管道形状和尺寸。成形的组合物可通过滚筒压实、液压、振动压实或共振冲击压实而进一步压实。在一些情况下,也可在成形前或在组合物凝固的同时使用以机械或化学方法引入的气体使所生成的组合物泡沫化,以形成轻质管道结构。然后使成形的组合物进一步凝固并在温度和湿度得到控制的环境中固化。此外,管道可包含多种另外的组分,例如但不限于:增塑剂、起泡剂、促进剂、缓凝剂和加气添加剂。在需要时,另外的组分可包括化学掺合物以使得管道对于由生物降解、冷冻、水、火和腐蚀引起的损伤具有增强的抗性。在一些实施方式中,管道可采用结构支承组件,例如但不限于由钢、聚合材料、延性铁、铝或塑料构成的缆索、线和网。
提供的另一种建筑材料为凹池(basins)。术语凹池可包括用于容纳液体如水的任何成形容器。因此,凹池可包括但不限于诸如井、收集箱、卫生检查孔、化粪池、集水槽、捕油器/分离器、暴雨水沟收集蓄水池等结构。凹池可在形状、尺寸和体积容量方面变化。凹池根据其预期用途可为长方形、圆形、球形或任何其它形状。在一些实施方式中,凹池可具有比深度更大的宽度,接近底部变得更小。凹池的尺寸可依所述结构的预期用途而变化(例如,从容纳几加仑液体到几百或几千或更多加仑的液体)。壁厚度可显著变化,在某些情况下,在0.5-25cm或者更厚的范围内,比如1-15cm,例如,1-10cm。因此,压缩强度也可根据凹池的尺寸和预期用途而显著变化,在一些情况下,在5-60MPa的范围内,比如10-50MPa,例如15-40MPa。在一些实施方式中,可设计凹池以支承高外部负荷(例如,土荷载、表面过载、车辆荷载等)。在某些其它实施方式中,可对凹池应用各种涂层或衬层(例如,聚合物),并且可配置凹池以使其可与输送部件(例如,排水管)结合。在其它实施方式中,可配置凹池,以使其可与其它凹池相连,从而使得它们可形成相连的一系列凹池。在水池的生产中,可将包含CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的建筑材料组合物浇注到模具内以形成期望的凹池形状和尺寸。成形的组合物可通过滚筒压实、液压、振动压实或共振冲击压实而进一步压实。也可通过将组合物浇注到片材模具内制备凹池,并且通过将片材组合到一起进一步组装凹池,以形成具有可变尺寸的凹池(例如,多边形凹池、平行四边形凹池等)。在一些情况下,也可在成形前或在组合物凝固的同时使用以机械或化学方法引入的气体使所生成的组合物泡沫化,以形成轻质水池结构。使成形的组合物进一步凝固并在温度和湿度得到控制的环境中固化。此外,凹池可包含多种另外的组分,例如但不限于:增塑剂、起泡剂、促进剂、缓凝剂和加气添加剂。当需要时,另外的组分可包括化学掺合物,以使水池对由生物降解、冷冻、水、火和腐蚀引起的损害具有增强的抗性。在一些实施方式中,凹池可采用结构支承组件,例如但不限于由钢、聚合材料、延性铁、铝或塑料构成的缆索、线和网。
提供的另一种建筑材料为横梁,横梁在广义上是指具有高弯曲强度和压缩强度的水平承重结构。横梁可为矩形十字型、C-槽、L-截面边梁、I-横梁、外墙托梁、H-横梁,具有倒T型设计等。横梁也可以是水平承重单元,其包括但不限于托梁、过梁、拱道和悬臂梁。横梁通常具有比其最长的截面尺寸长得多的长度,其中横梁的长度可比最长截面尺寸长5倍或更多、10倍或更多、25倍或更多。横梁可在机械和物理性能方面变化。例如,非增强混凝土横梁可具有在2-25MPa范围内变化的受弯承载能力,包括5-15MPa,例如7-12MPa,和在10-75MPa范围内变化的压缩强度,包括20-60MPa,比如40MPa。在结构上增强的混凝土横梁可具有在15-75MPa范围内的明显更大的受弯承载能力,包括如25-50MPa,例如30-40MPa,和在35-150MPa范围内的压缩强度,包括50-125MPa,比如75-100MPa。横梁可为内部的或外部的,并且可以是对称载荷的或不对称载荷的。在一些实施方式中,横梁可为复合结构,其中其通过引入适当的界面剪切机制而与其它结构单位复合地起作用。在其它实施方式中,横梁可为非复合结构,其中其仅利用了基础横梁的性能。在生产横梁的过程中,可将包含CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的建筑材料组合物浇注到横梁模具内或围绕相关的钢筋横梁结构(例如,钢筋)浇铸。在一些实施方式中,钢筋在围绕钢构架浇铸组合物之前得到预拉伸。在其它实施方式中,横梁可以用被机械锚固于混凝土横梁上的钢筋笼架浇铸。横梁也可使用另外的结构支承组件,例如但不限于由钢、延性铁、聚合纤维、铝或塑料构成的缆索、线和网。该结构支承组件可以与承载的载荷平行地、垂直地或成一定的其它角度地应用。所模塑或浇铸的组合物可通过滚筒压实、液压、振动压实或共振冲击压实而进一步压实。然后使组合物进一步成形并在温度和湿度得到控制的环境中固化。此外,横梁可包含多种另外的组分,例如但不限于:增塑剂、起泡剂、促进剂、缓凝剂和加气添加剂。当需要时,另外的组分可包括化学掺合物,以使横梁对由生物降解、冷冻、水、火和腐蚀引起的损害具有增强的抗性。
另一种建筑材料是柱,其在广义上是指主要通过轴向挤压承载负荷并包含诸如受压构件的结构部件的垂直承重结构。其它垂直承压构件可包括但不限于立柱、墩、支座或支柱。柱可为刚性的、直立的支柱,由相对较少的部件组成。柱也可以是装饰性立柱,其具有圆柱形或多边形的、平滑或有槽纹的、锥形或直轴,具有柱头并通常具有底座以及其它结构。柱的柱头和底座可具有与柱相似的形状,或者可具有与其不同的形状。柱上的柱头和底座的任何形状组合是可能的。多边形柱具有不超过其厚度的四倍的宽度。可构建柱以使其是实心、空心(例如,装饰性柱)、增强物填充的或其任意组合。柱可以是短柱(即,其中强度由结构组分及其横截面的几何形状决定的柱)或细长柱(即,横截面尺寸小于其长度的5倍)。柱的尺寸可根据结构的预期用途而发生很大变化,例如,从不到一层的高度到数层的高度或更高,并具有相应的宽度。柱在其机械和物理性能方面可能变化。诸如压缩强度和弯曲强度的性能可依柱的设计和预期用途而变化。例如,非增强的混凝土柱可具有在2-20MPa范围内的弯曲强度,包括5-15MPa,比如7-12MPa,和在10-100MPa范围内的压缩强度,包括25-75MPa,例如50MPa。在结构上增强的混凝土柱可具有显著更大的弯曲强度,在15-50MPa范围内,包括20-40MPa,比如25-35MPa,和在25-200MPa范围内的压缩强度,包括50-150MPa,比如75-125MPa。在一些实施方式中,柱可为复合结构,其中其可通过引入界面剪切机制与其它结构单元复合地起作用。在其它实施方式中,柱可为非复合结构,其中其仅利用了基础柱的性能。在生产柱的过程中,可将包含CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的建筑材料组合物浇注成柱形或围绕相关的钢筋柱结构(例如,钢筋)浇铸。在一些实施方式中,钢筋在围绕钢构架浇铸组合物之前得到预拉伸。在其它实施方式中,柱可用被机械锚固于混凝土柱的钢筋笼架浇铸。柱也可使用另外的结构支承组件,例如但不限于由钢、延性铁、聚合纤维、铝或塑料组成的缆索、线和网。结构支承组件可以与承载的载荷平行地、垂直地或成一定的其它角度地应用。所模塑或浇铸的组合物可通过滚筒压实、液压、振动压实或共振冲击压实而进一步压实。使组合物进一步凝固并在温度和湿度得到控制的环境中固化。此外,柱可包含多种另外的组分,例如但不限于:增塑剂、起泡剂、促进剂、缓凝剂和加气添加剂。当需要时,这些另外的组分可包括化学掺合物,以使柱对由生物降解、冷冻、水、火和腐蚀引起的损害具有增强的抗性。
提供的另一种建筑材料是混凝土板。混凝土板为在预制地基、地板和墙板(例如,景观墙)的构造中使用的那些建筑材料。在一些情况下,混凝土板可用作地板构件(例如,空心板材构件或四通设计)。在其它情况下,预浇铸混凝土板可以是用作原地混凝土模板的地基的薄的空心预浇铸板材。墙板在广义上为建筑物的垂直承重构件,其为多边形且具有大于其厚度的四倍的宽度。预浇铸混凝土地基、地板和墙板可根据预浇铸混凝土板的预期用途(例如,一层或两层建筑物)而在尺寸上显著变化。因此,预浇铸混凝土板可具有以下尺寸:长度在1-10m范围内或更长,包括3-8m,比如5-6m;高度在1-10m范围内或更高,包括4-10m,比如4-5m;而厚度可在0.005-0.25m范围内或更厚,包括0.1-0.2m,比如0.1-0.15m。成形建筑材料如板和由此制成的结构件可比不含CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的相应结构件更厚。此外,由包含CO2-截存组分的无定形建筑材料制成的结构件可比不含CO2-截存组分的相应结构件更厚。这种厚度增加直接与CO2-截存组分含量的增加有关。在一些实施方式中,成形建筑材料或相关结构件的厚度增加了1.5倍或更多、2倍或更多、或5倍或更多。混凝土板可依其预期用途而在机械和物理性能方面变化。例如,在地板构件中使用的预制板可比用作承重墙的板具有更大的弯曲强度和更小的压缩强度。例如,非增强的混凝土板可具有在2-25MPa范围内变化的弯曲强度,包括5-15MPa,比如7-12MPa,和在10-100MPa范围内的压缩强度,包括25-75MPa,比如50MPa。在结构上增强的混凝土板可具有显著更大的弯曲强度,在15-50MPa范围内,包括20-40MPa,比如25-35MPa,和在25-200MPa范围内的压缩强度,包括50-150MPa,比如75-125MPa。在生产混凝土板的过程中,可将包含CO2-截存组分的建筑材料组合物浇注到板模具中或围绕相关的钢筋结构(例如,钢筋)浇铸。在一些实施方式中,钢筋在围绕钢构架浇铸组合物之前得到预拉伸。在其它实施方式中,板可用被机械锚固于混凝土板的钢筋笼架浇铸。在一些实施方式中,混凝土板可通过浇铸被机械锚固于预先预浇铸的混凝土板的第二个支承性混凝土层而改善其结构能力。板也可使用另外的结构支承组件,例如但不限于由钢、延性铁、聚合纤维、铝或塑料构成的缆索、线和网。结构支承组件可以与承载的载荷平行地、垂直地或成一定的其它角度地应用。模塑的或浇铸的组合物可通过滚筒压实、液压、振动压实或共振冲击压实而进一步压实。使组合物进一步凝固并且在温度和湿度得到控制的环境中固化。此外,板可包含多种另外的组分,例如但不限于:增塑剂、起泡剂、促进剂、缓凝剂和加气添加剂。当需要时,另外的组分可包括化学掺合物,以使板对由生物降解、冷冻、水、火和腐蚀引起的损害具有增强的抗性。
提供的另一种建筑材料是隔音墙,隔音墙是指用作减弱或吸收声音的屏障的结构。因此,隔音墙可包括但不限于诸如吸音板、反射墙、吸收墙、反应性墙等结构。隔音墙可在尺寸和形状方面广泛变化。隔音墙根据其预期用途可为多边形、圆形或其它任何形状。隔音墙可用于减弱来自高速公路、道路、桥梁、工业设施、发电厂、装卸码头、公共交通车站、军用设施、枪炮靶场、综合住宅群、娱乐场所(例如,体育场馆、音乐厅)等的声音。隔音墙还可用于家庭、音乐播音室、电影院、教室等内部的隔音。隔音墙根据其预期用途可具有变化很大的尺寸,其长度为0.5-10m或更长,例如5m,高度/宽度为0.1-10m或更宽,例如5m,且厚度为10-100cm或更厚,例如25-50cm,包括40cm。在需要时,可对隔音墙应用多种涂层或衬层(例如,聚合的),并且其可被配置为易于彼此连接或与间隔另外隔音墙的立柱连接,以产生由多个隔音墙构成的长隔音墙结构。在一些实施方式中,隔音墙除结构上增强的构架外,还可使用吸音材料(例如,木屑、纺织纤维、玻璃棉、石棉、聚合泡沫、蛭石等)。在一些实施方式中,隔音墙可用作室外环境(例如,沿高速公路,机场附近,等等)中的消音屏,并且可与结构支承部件(例如,柱、支柱、横梁等)一起使用。在隔音墙的生产中,可将包含CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的建筑材料组合物浇注到模型内以形成期望的隔音墙形状和尺寸。也可将组合物浇注到片材模具内或者可用滚筒形成期望厚度的片材。成形的组合物可通过滚筒压实、液压、振动压实或共振冲击压实而被进一步压实。然后将片材切割成期望尺寸的隔音墙。在一些情况下,也可在成形前或在组合物凝固的同时使用以机械或化学方法引入的气体使所生成的组合物泡沫化,以形成轻质隔音板结构。使成形的组合物进一步凝固并在温度和湿度得到控制的环境中固化。此外,隔音墙可包含多种另外的组分,例如但不限于:增塑剂、起泡剂、促进剂、缓凝剂和加气添加剂。在需要时,另外的组分可包括化学掺合物,以使其对由生物降解、冷冻、水、火和腐蚀引起的损害具有增强的抗性。在一些实施方式中,隔音墙可使用结构支承部件,例如但不限于由钢、延性铁、聚合纤维、铝或塑料组成的缆索、线和网。
提供的另一种建筑材料为绝缘材料,绝缘材料是指用于减弱或抑制热传导的材料。绝缘材料还可包括减弱或抑制热辐射传导的那些材料。绝缘材料可由一种或多种以下组分组成:胶结性成形材料、分散剂、加气剂、惰性致密化颗粒、离子型和非离子型表面活性剂的混合物、增塑剂、促进剂、轻集料、有机和无机粘合剂以及玻璃颗粒。在某些实施方式中,一定量的胶结性成形材料可被CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)所替代,其中它可以是1%(重量)或更多,比如3%(重量)或更多,包括5%(重量)或更多,比如25%(重量)或更多、50%(重量)或更多,等等。用于绝缘材料的粘合组合物包括选自碳化物、石膏粉、耐火胶泥(Blakite)、氮化物、碳酸钙、氧化物、钛酸盐、硫化物、硒化锌、碲化锌、无机硅氧烷化合物及其混合物的组分。在某些实施方式中,一定量的粘合组合物可被CO2-截存组分替代,并且其可以是1%(重量)或更多,比如3%(重量)或更多,包括5%(重量)或更多,比如25%(重量)或更多、50%(重量)或更多,等等。当需要时,也可使用化学掺合物或任何其它便利的方案来制备绝缘材料以使其抵抗由白蚁、昆虫、细菌、真菌等引起的损害。可使用任何便利的方案制备绝缘材料以使其成为耐冻结/耐解冻、耐雨和耐火的。可根据此类材料的传统制造方案来制备绝缘材料,不同之处在于使用一定量的CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)。在绝缘材料的生产中,一定量的CO2-截存组分可与水和绝缘材料的其它组分结合,所述其它组分可包括但不限于分散剂、加气剂、惰性致密化颗粒、离子型和非离子型表面活性剂的混合物、增塑剂、促进剂、轻集料、有机和无机粘合剂及玻璃颗粒。所生成的绝缘材料然后可被模塑成期望的形状(例如,墙板),或被浇注到混凝土砌筑单元、地板部件、屋顶板的空隙空间中,或围绕管线、管道和凹池浇铸。
除了上述成形建筑材料之外,用于停车场的停车场砌块和相关的停车场结构件(例如,灯柱底座)也是可能的。此外,可生产包层型材料,此类材料包括但不限于窗户包层、顶冠饰条、基板和门饰板。
成形建筑材料的制备
本文提供了用于制备包含CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的CO2-截存组分)的成形建筑材料的方法。此类建筑材料可通过首先产生CO2-截存组分,然后由CO2-截存组分制备建筑材料来制备。本文所述的成形建筑材料的CO2-截存组分可由CO2源、质子去除剂源(和/或实现质子去除的方法)和二价阳离子源产生,这些材料中的每一种在以下紧接的章节得到进一步的详细描述。
二氧化碳
方法包括使一定体积的二价阳离子水溶液与CO2源接触,然后使所生成的溶液经受促进沉淀的条件。方法进一步包括使一定体积的二价阳离子水溶液与CO2源接触,同时使水溶液经受促进沉淀的条件。在含二价阳离子的溶液中可能存在充足的二氧化碳,从而沉淀大量含有碳酸盐的沉淀物料(例如,自海水沉淀);然而,通常使用另外的二氧化碳。CO2源可以是任何方便的CO2源。CO2源可以是气体、液体、固体(例如,干冰)、超临界流体或溶于液体中的CO2。在一些实施方式中,CO2源是气态CO2源。气体流可以是基本上纯的CO2,或包含包括CO2和一种或多种另外的气体和/或其它物质如灰分和其它颗粒的多种组分。在一些实施方式中,气态CO2源为废气流(即,工厂活动过程的副产物),如来自工厂的废气。工厂的性质可以不同,工厂包括但不限于发电厂、化学加工厂、机械加工厂、精炼厂、水泥厂、钢铁厂和其它产生CO2作为燃料燃烧或另一加工步骤(比如水泥厂的煅烧)的副产物的工厂。
包含CO2的废气流包括还原条件气流(例如,合成气、变换合成气、天然气、氢气等)和氧化条件气流(例如,燃烧产生的烟道气)。可能是方便的具体废气流包括燃烧工厂的含氧烟道气(例如,来自煤或另一种基于碳的燃料,而很少或没有对烟道气进行预处理)、增压锅炉产物气体、煤气化产物气体、变换煤气化产物气体、厌氧消化器产物气体、井口天然气流、重整天然气或甲烷水合物等。来自任何便利来源的燃烧气体可用于本文描述的方法和系统。在一些实施方式中,使用诸如发电厂、水泥厂和煤加工处理厂等工厂的燃烧后排放物堆集室中的燃烧气体。
因此,废物流可由多种不同类型的工厂产生。合适的废物流包括由燃烧化石燃料(例如,煤、油、天然气)的工厂产生的废物流和天然存在的有机燃料沉积物(例如,焦油砂、重油、油页岩等)的人为燃料产物。在一些实施方式中,适合本文描述的系统和方法的废物流来源于燃煤发电厂,比如粉煤发电厂、超临界煤发电厂、质量燃烧煤发电厂、流化床煤发电厂;在一些实施方式中,废物流来源于燃气或燃油锅炉和汽轮机发电厂、燃气或燃油锅炉简单循环燃气轮机发电厂、或燃气或燃油锅炉联合循环燃气轮机发电厂。在一些实施方式中,使用由燃烧合成气(即,由例如煤、生物质等有机物质气化产生的气体)的发电厂产生的废物流。在一些实施方式中,使用来自整体煤气化联合循环(IGCC)工厂的废物流。在一些实施方式中,根据本文描述的系统和方法使用由余热蒸汽发生器(HRSG)发电厂产生的废物流。
由水泥厂产生的废物流也适用于本文描述的系统和方法。水泥厂废物流包括来自湿法和干法工厂的废气流,所述工厂可使用竖窑或回转窑,并且可包括预煅烧炉。这些工厂可各自燃烧单一燃料,或者可连续或同时燃烧两种或多种燃料。其它工厂如冶炼厂和精炼厂也是包含二氧化碳的废物流的有用来源。
工业废气流可包含二氧化碳作为主要的非空气来源的组分,或者特别是在燃煤发电厂的情况下可包含另外的组分,比如氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)和一种或多种另外的气体。另外的气体和其它组分可包括CO、水银和其它重金属和粉尘颗粒(例如,来自煅烧和燃烧过程)。气流中的另外组分也可包括卤化物,如氯化氢和氟化氢;颗粒物,如飞灰、粉尘和金属,包括砷、铍、硼、镉、铬、铬VI、钴、铅、锰、汞、钼、硒、锶、铊和钒;以及有机物,如碳氢化合物、二噁英类和PAH化合物。在一些实施方式中,可处理的合适的废气流具有以200ppm-1,000,000ppm的量存在的CO2,比如200,000ppm-1000ppm,包括200,000ppm-2000ppm,例如180,000ppm-2000ppm,或180,000ppm-5000ppm,也包括180,000ppm-10,000ppm。废物流,特别是燃烧气体的多种废物流,可包含一种或多种另外的组分,例如水、NOx(一氮氧化物:NO和NO2)、SOx(一硫氧化物:SO、SO2和SO3)、VOC(挥发性有机化合物)、重金属如汞和颗粒物(悬浮于气体中的固体或液体颗粒)。烟道气的温度也可变化。在一些实施方式中,包含CO2的烟道气的温度为0℃-2000℃,比如60℃-700℃,并包括100℃-400℃。
在一些实施方式中,一种或多种另外的组分或联产物(即,在用于将CO2转化成碳酸盐的相同条件下由其它起始材料[例如,SOx、NOx等]生成的产物)在通过使包含这些另外组分的废气流与包含二价阳离子(例如,碱土金属离子,如Ca2+和Mg2+)的水溶液接触而形成的沉淀物料中被沉淀或捕集。钙和/或镁的硫酸盐、亚硫酸盐等可在由包含SOx(例如,SO2)的废气流产生的沉淀物料(还包含碳酸钙和/或碳酸镁)中被沉淀或捕集。镁和钙可分别反应形成MgSO4、CaSO4以及其它含镁和含钙的化合物(例如,亚硫酸盐),无需诸如烟道气脱硫(“FGD”)的脱硫步骤即可有效地从烟道气流中除硫。此外,可形成CaCO3、MgCO3和相关化合物,而不会另外释放CO2。在二价阳离子的水溶液含有高水平的硫化合物(例如,硫酸盐)的情况下,水溶液可能富含钙和镁以使钙和镁可用于在CaSO4、MgSO4和相关化合物形成之后或在CaSO4、MgSO4和相关化合物形成之外形成碳酸盐化合物。在一些实施方式中,可在含碳酸盐沉淀物料的沉淀的同时实施脱硫步骤,或者可在沉淀之前实施脱硫步骤。在一些实施方式中,在不同阶段收集多种反应产物(例如,MgCO3、CaCO3、CaSO4、上述的混合物等),而在其它实施方式中,收集单一的反应产物(例如,包含碳酸盐、硫酸盐等的沉淀物料)。在这些实施方式的步骤中,其它组分如重金属(例如,汞、汞盐、含汞化合物)可被捕集于含碳酸盐的沉淀物料中或可被分开沉淀。
来自工厂的一部分废气流(即,非全部废气流)可用于产生沉淀物料。在这些实施方式中,在沉淀物料的沉淀中使用的废气流部分可为废气流的75%或更少,比如60%或更少,并且包括50%和更少。在其它实施方式中,由工厂产生的基本上(例如,80%或更多)全部的废气流用于对沉淀物料的沉淀。在这些实施方式中,由来源产生的80%或更多,例如90%或更多,包括95%或更多,可达100%的废气流(例如,烟道气)也可用于对沉淀物料的沉淀。
虽然工业废气提供了相对浓缩的燃烧气体的来源,但本文提供的方法和系统也适用于从比例如烟道气含有更低浓度的污染物的浓缩度较低的来源(例如,大气)除去燃烧气体组分。因此,在一些实施方式中,方法和系统包括通过产生稳定的沉淀物料来降低大气中的污染物浓度。在这些情况下,一部分大气中的污染物例如CO2的浓度可降低10%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、99%或更多、99.9%或更多,或99.99%。大气污染物的这种减少可以本文所述的产率,或以更高或更低的产率而实现,并且可以在一个沉淀步骤或在一系列沉淀步骤中实现。
二价阳离子
方法包括使一定体积的二价阳离子水溶液与CO2源接触并使所生成的溶液经受促进沉淀的条件。在一些实施方式中,一定体积的二价阳离子水溶液与CO2源接触,同时使该水溶液经受促进沉淀的条件。根据在具体地点的可获得性,二价阳离子可来自任何数目的不同二价阳离子源。此类来源包括工业废物、海水、盐水、硬水、岩石和矿物质(例如,石灰、方镁石、包含金属硅酸盐的物料如蛇纹石和橄榄石)以及任何其它合适的来源。
在一些地点,来自多种工业生产过程的工业废物流提供便利的二价阳离子来源(以及在一些情况下,用于生产过程的其它原料,如金属氢氧化物)。此类废物流包括但不限于采矿废弃物;化石燃料的燃烧灰分(例如,燃烧灰,如飞灰、底灰、锅炉渣);矿渣(例如,铁渣、磷渣);水泥窑废物;炼油厂/石化炼油厂废物(如油田和甲烷层盐水);煤层废物(例如,气体生产盐水和煤层盐水);纸加工废物;水软化废盐水(例如,离子交换流出物);硅加工废物;农业废物;金属表面处理废物;高pH纺织废物;和碱渣。化石燃料燃烧灰、水泥窑灰和矿渣,总称为金属氧化物的废物源,在于2009年6月17日提交的美国专利申请第12/486,692号中有进一步描述,该申请的公开内容整体并入本文。可以混合和匹配本文所述的任何二价阳离子来源。例如,在于2009年7月10日提交的美国专利申请第12/501,217号(该申请通过引用并入本文)中进一步描述的包含金属硅酸盐的材料(例如,蛇纹石、橄榄石)可与本文描述的任何二价阳离子来源混合。
在一些地点,用于制备沉淀物料(例如,碳酸盐、碳酸氢盐或其组合)的二价阳离子的便利来源是水(例如,含有二价阳离子的水溶液,如海水或表面盐水),其可依据水来源的具体位置而不同。可使用的合适的二价阳离子水溶液包括含有一种或多种二价阳离子例如碱土金属阳离子如Ca2+和Mg2+的溶液。在一些实施方式中,二价阳离子的水性来源包含碱土金属阳离子。在一些实施方式中,碱土金属阳离子包括钙、镁或其混合物。在一些实施方式中,二价阳离子的水溶液包含含量为50-50,000ppm、50-40,000ppm、50-20,000ppm、100-10,000ppm、200-5000ppm或400-1000ppm的钙。在一些实施方式中,二价阳离子的水溶液包含含量为50-40,000ppm、50-20,000ppm、100-10,000ppm、200-10,000ppm、500-5000ppm或500-2500ppm的镁。在其中Ca2+和Mg2+都存在的一些实施方式中,二价阳离子水溶液中的Ca2+和Mg2+的比例(即,Ca2+∶Mg2+)为1∶1至1∶2.5;1∶2.5至1∶5;1∶5至1∶10;1∶10至1∶25;1∶25至1∶50;1∶50至1∶100;1∶100至1∶150;1∶150至1∶200;1∶200至1∶250;1∶250至1∶500;1∶500至1∶1000或其范围内。例如,在一些实施方式中,二价阳离子水溶液中的Ca2+和Mg2+的比例为1∶1至1∶10;1∶5至1∶25;1∶10至1∶50;1∶25至1∶100;1∶50至1∶500;或1∶100至1∶1000。在一些实施方式中,二价阳离子水溶液中的Mg2+与Ca2+的比例(即,Mg2+∶Ca2+)为1∶1至1∶2.5;1∶2.5至1∶5,1∶5至1∶10;1∶10至1∶25;1∶25至1∶50;1∶50至1∶100;1∶100至1∶150;1∶150至1∶200;1∶200至1∶250;1∶250至1∶500;1∶500至1∶1000或其范围内。例如,在一些实施方式中,二价阳离子水溶液中的Mg2+与Ca2+的比例为1∶1至1∶10;1∶5至1∶25;1∶10至1∶50;1∶25至1∶100;1∶50至1∶500;或1∶100至1∶1000。
二价阳离子的水溶液可包含来源于淡水、半咸水、海水或盐水(例如,天然存在的盐水或人工盐水如地热电厂废水、海水淡化厂废水)以及盐度大于淡水的其它盐水的二价阳离子,其中任一种可以是天然存在的或人工的。半咸水是比淡水咸但不如海水咸的水。半咸水具有约0.5至约35ppt(每一千份中的份数)的盐度。海水是来自海、海洋或任何其它盐度为约35至约50ppt的含盐水体的水。盐水是盐饱和的或接近饱和的水。盐水具有约50ppt或更高的盐度。在一些实施方式中,作为二价阳离子的来源的水源是富含矿物质(例如,富含钙和/或富含镁)的淡水源。在一些实施方式中,作为二价阳离子的来源的水源是天然存在的选自海、海洋、湖泊、沼泽、河口、咸水湖、表面盐水、深层盐水、碱性湖、内海等的盐水源。在一些实施方式中,作为二价阳离子的来源的水源是选自地热电厂废水或海水淡化厂废水的人工盐水。
淡水通常为二价阳离子(例如,碱土金属阳离子,如Ca2+和Mg2+)的便利来源。可使用任何数目的合适的淡水源,包括从相对不含矿物质的来源到相对富含矿物质的来源的淡水源。富含矿物质的淡水源可以是天然存在的,包括任何数目的硬水源、湖泊或内海。一些富含矿物质的淡水源,如碱性湖泊或内海(例如,土耳其的凡湖(LakeVan))还提供了pH调节剂来源。富含矿物质的淡水源也可以是人工的。例如,贫矿物质(软)水可与二价阳离子如碱土金属阳离子(例如,Ca2+、Mg2+等)的来源接触,以产生适合本文所述的方法和系统的富含矿物质的水。可使用任何便利的方案(例如,添加固体、悬浮液或溶液)向淡水(或本文所述的任何其它类型的水)中添加二价阳离子或其前体(例如,盐、矿物质)。在一些实施方式中,向淡水中添加选自Ca2+和Mg2+的二价阳离子。在一些实施方式中,向淡水中添加选自Na+和K+的一价阳离子。在一些实施方式中,将含有Ca2+的淡水与燃烧灰分(例如,飞灰、底灰、锅炉渣)或其产物或经过加工的形式混合,从而得到包含钙和镁阳离子的溶液。
在一些实施方式中,可从也提供燃气流的工厂获得二价阳离子的水溶液。例如,在水冷却工厂如海水冷却的工厂中,已由工厂用于冷却的水随后可用作生产沉淀物料的水。如果需要的话,水可在进入沉淀系统之前被冷却。例如,此类方法可与单程冷却系统一起使用。例如,城市或农业供水可用作工厂的单程冷却系统。来自工厂的水然后可用于生产沉淀物料,其中输出水具有降低的硬度和更高的纯度。
用于实现质子去除的质子去除剂和方法
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)以及使所得到的溶液经受促进沉淀的条件。在一些实施方式中,使一定体积的二价阳离子水溶液与CO2源接触(以溶解CO2),同时使该水溶液经受促进沉淀的条件。CO2溶解于二价阳离子水溶液中产生碳酸,一种与碳酸氢盐和碳酸盐都处于平衡状态的物质。为了产生含碳酸盐的沉淀物料,从含有二价阳离子的溶液中的各种物质(例如,碳酸,碳酸氢盐,水合氢离子等)中除去质子以使平衡向碳酸盐移动。由于去除了质子,更多的CO2进入溶液。在一些实施方式中,在使含有二价阳离子的水溶液与CO2接触的同时使用质子去除剂和/或方法,以增加在沉淀反应单相中的CO2吸收,其中pH可保持恒定、升高或者甚至降低,随后快速除去质子(例如,通过添加碱)以引起含碳酸盐的沉淀物料的快速沉淀。可以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、回收人造废物流以及使用电化学手段)从各种物质(例如,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以在可创造或具有碱性局部环境的更广泛的环境中发现的任何质子去除剂。一些实施方式提供了天然存在的质子清除剂,其包含在加入溶液之后创造出碱性环境的矿物质。此类矿物质包括但不限于:石灰(CaO);方镁石(MgO);氢氧化铁矿物质(例如,针铁矿和褐铁矿);以及火山灰。本文提供了用于消化此类矿物质和包含此类矿物质的岩石的方法。一些实施方式提供了使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,如美国加利福尼亚州的莫诺湖(Mono Lake))和地下水源(例如,碱性含水层,如位于美国加利福尼亚州塞尔斯湖(Searles Lake)的地质深层碱性含水层)。其它实施方式提供来自干燥的碱性水体(如沿非洲东非大裂谷中的纳特龙湖(Lake Natron)的地壳)的沉积物的应用。在一些实施方式中,在其正常新陈代谢中排出碱性分子或溶液的生物体被用作质子去除剂。此类生物体的实例是产生碱性蛋白酶的真菌(例如,最适pH为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的阿特林湿地的鞘丝藻(Lyngbya sp.),其提高光合作用的副产物的pH)。在一些实施方式中,使用生物体产生质子去除剂,其中生物体(例如,将尿素水解为氨的巴斯德氏芽孢杆菌(Bacillus pasteurii))代谢污染物(例如,尿素)以产生质子去除剂或含有质子去除剂(例如,氨、氢氧化铵)的溶液。在一些实施方式中,将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用于添加到沉淀反应混合物中。在一些实施方式中,将天然存在的或制备的酶与质子去除剂组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)加速了碳酸在水溶液中向碳酸氢盐的转化。因此,碳酸酐酶可用于增强CO2的溶解并加速沉淀物料的沉淀。
用于实现质子去除的化学剂一般是指大量生产的并可购买到的合成化学剂。例如,用于除去质子的化学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根阴离子的化学物质,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)。有机碱是通常为含氮碱的含碳分子,包括伯胺如甲胺,仲胺如二异丙胺,叔胺如二异丙基乙胺,芳胺如苯胺,杂芳族化合物如吡啶、咪唑和苯并咪唑,及其各种形式。在一些实施方式中,使用选自吡啶、甲胺、咪唑、苯并咪唑、组氨酸和磷腈的有机碱以从用于沉淀物料的沉淀的各种物质(例如,碳酸、碳酸氢盐、水合氢离子等)中除去质子。在一些实施方式中,使用氨来将pH提高至足以使沉淀物料从二价阳离子溶液和工业废物流中沉淀出来的水平。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、二异丙基氨基锂、二乙基氨基锂和双(三甲基甲硅烷基)氨基锂。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)在内的氧化物也是可使用的合适的质子去除剂。碳酸盐包括但不限于碳酸钠和碳酸钾。
除了包含感兴趣的阳离子和其他合适的金属形式之外,来自多种工业生产过程的废物流可提供质子去除剂。此类废物流包括但不限于采矿废物;化石燃料燃烧灰分(例如,燃烧灰分,如飞灰、底灰、锅炉渣);矿渣(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,气体生产盐水和煤层盐水);纸加工废物;水软化废盐水(例如,离子交换流出物);硅加工废物;农业废物;金属表面处理废物;高pH纺织废物;碱渣。采矿废物包括从泥土中提取金属或另一种珍贵的或有用的矿物质所产生的任何废物。在一些实施方式中,使用采矿产生的废物来改变pH,其中该废物选自拜耳铝提取过程的赤泥;从海水中提取镁产生的废物(例如,如在美国加利福尼亚州莫斯兰丁(Moss Landing)发现的Mg(OH)2);和来自包括沥滤的采矿过程的废物。例如,如于2009年3月18日提交的美国临时专利申请第61/161,369号(通过引用整体并入本文)所述,赤泥可用于改变pH。化石燃料的燃烧灰分、水泥窑灰和矿渣统称为金属氧化物废物源,在于2009年6月17日提交的美国专利申请第12/486692号(其公开内容整体并入本文)中有进一步描述,它们可以单独地使用或与其它质子去除剂联合使用以提供质子去除剂。通过动物废物或过量使用化肥而产生的农业废物可含有氢氧化钾(KOH)或氨(NH3)或两者。因此,在一些实施方式中,农业废弃物可用作质子去除剂。通常将这种农业废物收集到池塘中,但其也可下渗到蓄水层中,在其中它可以获取和使用。
电化学方法是通过从溶质除去质子(例如,碳酸或碳酸氢盐的去质子化)或者通过从溶剂除去质子(例如,水合氢离子或水的去质子化)而从溶液中的多种物质除去质子的另一种方法。例如,如果CO2溶解造成的质子产生相当于或超过电化学质子从溶质分子的去除,则可导致溶剂的去质子化。在一些实施方式中,例如,当CO2溶于沉淀反应混合物或沉淀反应混合物的前体溶液(即,可能包含或可能不包含二价阳离子的溶液)中时,使用低压电化学方法来去除质子。在一些实施方式中,通过低压电化学方法处理溶于不含二价阳离子的水溶液中的CO2,以从碳酸、碳酸氢盐、水合氢离子或由CO2溶解产生的任何物质或其组合除去质子。低压电化学方法在2、1.9、1.8、1.7或1.6V或更低,如1.5、1.4、1.3、1.2、1.1V或更低,如1V或更低,如0.9V或更低、0.8V或更低、0.7V或更低、0.6V或更低、0.5V或更低、0.4V或更低、0.3V或更低、0.2V或更低或0.1V或更低的平均电压下操作。不产生氯气的低压电化学方法便于在本文所述的系统和方法中使用。用于去除质子而不产生氧气的低压电化学方法也便于在本文所述的系统和方法中使用。在一些实施方式中,低压电化学方法在阴极产生氢气并将其输送到阳极,在阳极处氢气被转化为质子。不产生氢气的电化学方法也可能是方便的。在一些情况下,用于除去质子的电化学方法不产生任何气体副产物。用于实现质子去除的电化学方法在于2008年12月24日提交的美国专利申请第12/344,019号、于2008年12月23日提交的美国专利申请第12/375,632号、于2008年12月23日提交的国际专利申请第PCT/US08/088242号、于2009年1月28日提交的国际专利申请第PCT/US09/32301号和于2009年6月24日提交的国际专利申请第PCT/US09/48511号中有进一步的描述,其各自通过引用整体并入本文。
或者,电化学方法可用于通过例如氯碱方法或其改进方法生产苛性分子(例如,氢氧化物)。电极(即,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)的溶液的装置中,并且选择性屏障例如膜可以分隔电极。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),可将其收集并用于其他目的。可以在本文所述的系统和方法中使用的另外的电化学方法包括但不限于在于2008年7月16日提交的美国临时专利申请第61/081,299号和美国临时专利申请第61/091,729号中描述的那些方法,其公开内容通过引用并入本文。可使用以上提及的质子去除剂来源和用于实现质子去除的方法的组合。
CO2-截存组分的制备和由此形成的建筑材料
可使用多种不同的方法由CO2源、二价阳离子源和质子去除剂源来制备CO2-截存组分。感兴趣的CO2-截存方案包括但不限于在以下文献中公开的方案:于2008年5月23日提交的美国专利申请12/126,776;于2008年6月27日提交的12/163,205;于2008年12月24日提交的12/344,019;和于2009年5月29日提交的12/475,378;以及于2007年12月28日提交的美国临时专利申请61/017,405;于2007年12月28日提交的61/017,419;于2008年5月29日提交的61/057,173;于2008年5月29日提交的61/056,972;于2008年6月17日提交的61/073,319;于2008年7月10日提交的61/079,790;于2008年7月16日提交的61/081,299;于2008年7月22日提交的61/082,766;于2008年8月13日提交的61/088,347;于2008年8月12日提交的61/088,340;于2008年9月30日提交的61/101,629;和于2008年9月30日提交的61/101,631;其公开内容通过引用并入本文。
CO2-截存组分包括包含可通过从二价阳离子如钙和/或镁的溶液中沉淀而产生的碳酸盐、碳酸氢盐及其组合的组合物。碳酸盐化合物组合物包括沉淀的结晶和/或无定形碳酸盐化合物。组成CO2-截存组分的碳酸盐、碳酸氢盐及其组合包括可从二价阳离子溶液如海水中沉淀出来的亚稳态碳酸盐化合物,如下面更详细地描述的。为了方便起见,本文提供的描述有时从盐水的角度给出;然而,应当理解,可以使用包含二价阳离子的任何水源。
盐水来源的碳酸盐化合物组合物(即,来源于盐水且由含有或不含一种或多种氢氧化物结晶或无定形化合物的一种或多种不同碳酸盐结晶和/或无定形化合物组成的组合物)是来源于盐水的组合物。因此,它们是以某种方式从海水获得的组合物,例如,通过以足以由初始体积的盐水产生期望的碳酸盐化合物组合物的方式处理一定体积的盐水。某些实施方式的碳酸盐化合物组合物是通过从包含诸如钙和镁等碱土金属阳离子的二价阳离子溶液(例如,海水)沉淀出来而产生的,其中此类二价阳离子溶液可以统称为含碱土金属的水。
在方法中使用的盐水可以变化。如上所述,感兴趣的盐水包括半咸水、海水和盐水,以及具有比淡水(其具有小于5ppt溶解盐的盐度)更大的盐度的其他盐水。在一些实施方式中,富含钙的水可以与硅酸镁矿物质如橄榄石或蛇纹石在溶液中混合,该溶液由于加入二氧化碳形成碳酸而已变成酸性,其溶解硅酸镁,导致形成如以上提及的钙镁硅酸盐碳酸盐化合物。
在生产碳酸盐化合物组合物的方法中,使一定体积的水经受足以产生含碳酸盐的沉淀物料和母液(即,碳酸盐化合物从盐水中沉淀之后剩余的水部分)的碳酸盐化合物沉淀条件。所生成的沉淀物料和母液共同组成碳酸盐化合物组合物。可使用任何便利的沉淀条件,所述条件导致产生碳酸盐化合物组合物截存产物。
促进沉淀的条件(即,沉淀条件)可以改变。例如,水的温度可在发生所需矿物质沉淀的合适的范围内。在一些实施方式中,水的温度可在5-70℃的范围内,比如20-50℃,并且包括25-45℃。因此,虽然给定的一组沉淀条件可能具有0-100℃的温度,但在某些实施方式中,可能必须对水的温度进行调整以产生期望的沉淀物料。
在正常海水中,93%的溶解的CO2为碳酸氢根离子(HCO3 -)形式,而6%为碳酸根离子(CO3 2-)形式。当碳酸钙从正常海水沉淀出时,释放CO2。在淡水中,在pH10.33以上,超过90%的碳酸盐为碳酸根离子形式,并且在碳酸钙沉淀期间无CO2释放。在海水中,这种转换在接近pH9.7的略低的pH下发生。虽然在方法中采用的水的pH值在给定的沉淀过程中可在5-14的范围内,但在某些实施方式中,在需要时,将pH升至碱性水平以促使碳酸盐化合物以及其它化合物如氢氧化物化合物的沉淀。在这些实施方式的某些实施方式中,使pH升高至使沉淀期间的CO2产生最小化(如果未消除的话)的水平,从而导致例如碳酸盐和碳酸氢盐形式的溶解的CO2捕集于沉淀物料中。在这些实施方式中,pH可升高至10或更高,比如11或更高。
可以使用任何便利的方法提高水的pH。在某些实施方式中,使用质子去除剂,其中此类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、水镁石(Mg(OH)2)等)、碳酸盐(例如,碳酸钠)等,其中许多在以上描述。一种这样的提高沉淀反应混合物或其前体(例如,含二价阳离子的溶液)的pH的方法是使用来自燃煤发电厂的煤灰,其包含多种氧化物。用于产生合成气的其他煤加工,如煤的气化,也产生氢气和一氧化碳,并且也可作为氢氧化物的来源。一些天然存在的矿物质如蛇纹石含有氢氧化物,且可溶解以得到氢氧化物的来源。蛇纹石的加入还将二氧化硅和镁释放到溶液中,导致含二氧化硅的沉淀物料的形成。添加到沉淀反应混合物或其前体中的质子去除剂的量将取决于质子去除剂的具体性质和所调节的沉淀反应混合物或其前体的体积,并且应足以将沉淀反应混合物或其前体的pH提高至期望的pH。或者,可通过如上所述的电化学方法将沉淀反应混合物或其前体的pH提高至期望水平。在某些条件下,可以使用另外的电化学方法。例如,可以采用电解法,其中使用汞电池法(也称为卡斯讷-凯尔讷法(Castner-Kellner process))、隔膜电池法、膜电池法或其某些组合。在需要时,可收获水解产物的副产物,如H2、金属钠等,并根据需要将其用于其他用途。在其它实施方式中,可使用在于2008年7月16日提交的美国临时专利申请61/081,299和于2008年8月25日提交的61/091,729中描述的pH提升方法,其公开内容通过引用并入本文。
也可将除pH提升剂以外的添加剂加入到水中以影响所产生的沉淀物料的性质。因此,该方法的某些实施方式包括在水经受沉淀条件之前或期间在水中提供添加剂。痕量的某些添加剂可能有利于某些碳酸钙多晶型物。例如,以多种不同的形态沉淀并快速转化为方解石的六方碳钙石(一种高度不稳定的CaCO3多晶型物)可通过在碳酸钙的过饱和溶液中包含作为氯化镧的痕量镧而以非常高的产率获得。除感兴趣的镧之外的其它添加剂包括但不限于过渡金属等。例如,已知加入亚铁或三价铁有利于无序白云石(原白云石)的形成,否则它不会形成。
沉淀物料的性质也可受到适当的主要离子比率的选择的影响。主要离子比率也对多晶型物的形成具有显著影响。例如,随着水中镁∶钙比率增加,文石成为与低镁方解石相比占优势的碳酸钙多晶型物。在低镁∶钙比率下,低镁方解石为优选的多晶型物。因此,可以采用广泛范围的镁∶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或上面提到的任何比率。在某些实施方式中,镁∶钙比率取决于在沉淀过程中使用的水源(例如,海水、盐水、半咸水、淡水),而在其它实施方式中,调节镁∶钙比率以使其落在特定范围内。
沉淀速率也对化合物相的形成具有很大影响。可以通过用所需的相给溶液引晶来实现最快速的沉淀。在不引晶的情况下,可通过快速提高海水的pH来实现快速沉淀,这导致更多的无定形组分。当存在二氧化硅时,反应速率越快,则引入含碳酸盐的沉淀物料中的二氧化硅越多。pH越高,沉淀越快且沉淀物料中的无定形越多。
因此,用于从二价阳离子溶液产生所需的沉淀物料的一组沉淀条件在某些实施方式中包括水的温度和pH,并且在一些情况下包括水中添加剂和离子物质的浓度。沉淀条件也可包括诸如混合速率、搅拌形式如超声波及晶种、催化剂、膜或基底的存在等因素。在一些实施方式中,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。用于制备含碳酸盐的沉淀物料的方案可为分批或连续方案。应当理解,与分批系统相比,在连续流系统中生产给定的沉淀物料的沉淀条件可以是不同的。
在某些实施方式中,该方法进一步包括使经受矿物质沉淀条件的一定体积的水与CO2源接触。水与CO2源的接触可在水经受CO2沉淀条件之前和/或期间发生。因此,实施方式包括其中在使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。实施方式包括其中使一定体积的盐水与CO2源接触,同时使一定体积的盐水经受碳酸盐化合物沉淀条件的方法。实施方式包括其中在使一定体积的盐水经受碳酸盐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均使一定体积的水与CO2源接触的方法。在一些实施方式中,相同的水可循环使用多次,其中沉淀的第一循环主要除去碳酸钙和碳酸镁矿物质而留下可向其中加入其它碱土金属离子源的剩余碱水,该碱水可能有更多的二氧化碳通过它循环,从而沉淀更多的碳酸盐化合物
在这些实施方式中,与一定体积的盐水接触的CO2源可以是任何方便的CO2源,并且接触方案可以是任何方便的方案。当CO2是气体时,感兴趣的接触方案包括但不限于:直接接触方案,例如将气体鼓泡通过一定体积的盐水;并流接触方法,即单向流动的气相流与液相流之间接触;逆流方法,即反向流动的气相流与液相流之间的接触,等等。因此,可以通过使用注入器、鼓泡器、流体文氏反应器、分布器、气体过滤器、喷雾器、塔盘或填充塔反应器等实现接触,因为这可能是方便的。对于用于使二价阳离子溶液与CO2源接触的示例性系统和方法,参见于2009年3月10日提交的美国临时专利申请61/158,992;于2009年4月9日提交的61/168,166;于2009年4月16日提交的61/170,086;于2009年5月14日提交的61/178,475;于2009年7月24日提交的61/228,210;于2009年7月30日提交的61/230,042;和于2009年9月2日提交的61/239,429,其各自通过引用并入本文。
以上方案导致产生包含含有碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的沉淀物料的浆状组合物和母液。在需要时,由沉淀物料和母液组成的组合物可在沉淀后和进一步加工之前储存一段时间。例如,组合物可在1-40℃,如20-25℃的温度下储存1-1000天或更长,如1-10天或更长的一段时间。
然后分离浆状物组分。实施方式可包括处理母液,其中母液可以存在于或可以不存在于与产物相同的组合物中。例如,当母液将要返回到海洋时,母液可以足以增加母液中存在的碳酸根离子浓度的方式与气态CO2源接触。可使用任何方便的方案,例如以上描述的那些方案进行接触。在某些实施方式中,母液具有碱性pH,并且以足以使pH降至5-9,例如6-8.5,包括7.5-8.2的范围内的方式进行与CO2源的接触。在某些实施方式中,所处理的盐水可与例如如上所述的CO2源接触以截存另外的CO2。例如,当母液将要返回到海洋时,母液可以足以增加母液中存在的碳酸根离子浓度的方式与气态CO2源接触。可使用任何便利的方案,例如以上描述的那些方案进行接触。在某些实施方式中,母液具有碱性pH,并且以足以使pH降至5-9,例如6-8.5,包括7.5-8.2范围内的方式进行与CO2源的接触。
可使用任何便利的方案处理反应生成的母液。在某些实施方式中,可将其送到尾渣池进行处理。在某些实施方式中,可在天然存在的水体例如海洋、大海、湖泊或河流中对其进行处理。在某些实施方式中,母液返回到给水源(例如,海洋、大海等)。或者,可进一步处理母液,例如经受如美国申请序列号12/163,205中进一步描述的脱盐方案;其公开内容通过引用并入本文。
在某些实施方式中,在沉淀物料(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组合物)产生以后,可从母液分离沉淀物料以产生分离的沉淀物料。可使用任何方便的方法实现沉淀物料从母液的分离,包括单独通过重力或施加真空从沉淀物料排出母液(或上清液);从母液中过滤沉淀物料以产生滤液;等等。在某些实施方式中,大量水的分离产生湿的、脱水的沉淀物料。脱水沉淀物料可包含至少1%、5%、10%、15%、20%、22%、24%、26%、28%、30%、32%、34%、36%、38%、40%、42%、44%、46%、48%、50%、52%、54%、56%、58%、60%、62%、64%、66%、68%、70%、72%、74%、76%、78%、80%、82%、84%、86%、88%或90%(w/w)或(w/v)的固体(例如,碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合)。脱水沉淀物料可包含少于90%、88%、86%、84%、82%、80%、78%、76%、74%、72%、70%、68%、66%、64%、62%、60%、58%、56%、54%、52%、50%、48%、46%、44%、42%、40%、38%、36%、34%、32%、30%、28%、26%、24%、22%、20%、15%、10%、5%或1%(w/w)或(w/v)的固体(例如,碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的组合)。上述比例的组合也可用于脱水沉淀物料。例如,在一些实施方式中,脱水沉淀物料是沉淀物料的浓缩组合物,针对碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐而浓缩,其可包含至少20%的固体和少于90%的固体,至少25%的固体和少于90%的固体,或至少30%的固体和少于90%的固体。可部分除去工艺用水(即,用于处理CO2以生产包含碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸盐与碳酸氢盐的混合物的沉淀物料的水),以使包含沉淀物料的浆状物中的剩余水可用作制备用于生产成形建筑材料的组合物(例如,具有如表A1和表A2中描述的那些组分的组合物)的混合水(例如,掺合物溶液)。因此,包含沉淀物料的浆状物可脱水,以使水∶沉淀物料小于0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2或0.1(如在制备水泥或混凝土混合物中测量水∶水泥那样测量的)。包含沉淀物料的浆状物可脱水,以使水∶沉淀物料大于0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6或0.7(如在制备水泥或混凝土混合物中测量水∶水泥那样测量的)。上述比例的组合也是可用的。例如,在一些实施方式中,包含沉淀物料的浆状物可脱水,以使水∶沉淀物料小于0.6且大于0.1,小于0.5且大于0.2,或小于0.4且大于0.2。
然后可根据需要对可能仍带有残留水的生成的脱水沉淀物料(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组合物)进行干燥,以生产干沉淀物料。任选地,可在干燥之前洗涤脱水沉淀物料。例如,可在干燥之前用淡水洗涤沉淀物料以从脱水沉淀物料除去盐(比如,NaCl)。可通过对脱水沉淀物料进行风干来实现干燥。当对脱水沉淀物料进行风干时,风干可在室温或升高的温度下进行。在一些实施方式中,升高的温度高于室温,比如高于20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃或250℃。在一些实施方式中,升高的温度低于250℃、240℃、230℃、220℃、210℃、200℃、190℃、180℃、170℃、160℃、150℃、140℃、130℃、120℃、110℃、100℃、90℃、80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、30℃或20℃,但高于室温。在描述可用于干燥沉淀物料的升高的温度时,上述温度的组合可能是有用的。例如,在一些实施方式中,沉淀物料可在高于25℃且低于100℃、高于35℃且低于90℃、高于35℃且低于90℃、高于50℃且低于90℃和高于60℃且低于85℃下干燥。可以通过常用于干燥的任何常规方式或装置达到升高的温度。在一些实施方式中,例如,可用于干燥沉淀物料的常规装置是烘箱。在一些实施方式中,可喷雾干燥脱水沉淀物料以干燥沉淀物料,其中可通过将其输送通过热气(比如,来自发电厂的废气流)而干燥包含沉淀物料的浆状物(任选地在工艺用水或淡水中,例如,在洗涤除去可溶性盐后)(例如,可通过喷雾器将浆状物料泵送至主干燥室,而热气可以相对于喷雾器方向并流或逆流地通过)。在一些实施方式,使用旋涡式流化床对脱水沉淀物料进行干燥。取决于具体干燥方案,系统可包括含有过滤元件、冷冻干燥结构、喷雾干燥结构等的干燥站。已干燥(例如,喷雾干燥;通过旋涡式流化床干燥)的沉淀物料可以有多于80%、85%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%或99.9%的固体。已干燥(例如,喷雾干燥;通过旋涡式流化床干燥)的沉淀物料可以有少于99.9%、99%、98%、97%、96%、95%、94%、93%、92%、91%、90%、85%或80%(w/w)或(w/v)的固体。上述比例的组合也可用于描述已干燥的沉淀物料。例如,在一些实施方式中,已干燥的沉淀物料可以有多于80%且少于99.9%的固体,多于85%且少于99.9%的固体,或多于95%且少于99.9%的固体。
在某些实施方式中,在随后用作CO2-截存组分之前可以某种方式对沉淀物料进行精制(即,加工),虽然其未必需要精制。精制可包括多种不同的方案,并且可对包含残余水的沉淀物料或已进一步干燥的沉淀物料进行。在某些实施方式中,产物可经受机械精制以获得具有期望的物理性质(例如,粒径等)的产品。可通过任何常规研磨机(包括但不限于球磨机、棒磨机、自磨机、半自磨(“SAG”)机、砾磨机、高压磨辊、石磨机、立轴冲击式磨机(VSI磨机)、塔式磨机和振动磨机)来实现沉淀物料的研磨。在精制之前或之后,本文描述的沉淀物料中的颗粒的平均粒径可为至少0.1、.05、1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、75、100、150、200、250、300、350、400、450、500、600、700、800、900或1000微米。在一些实施方式中,在精制之前或之后,本文描述的沉淀物料中的颗粒的平均粒径可为小于1000、900、800、700、600、500、450、400、350、300、250、200、150、100、75、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5、1、0.5或0.1微米。上述范围的组合(例如,至少0.1微米且小于100微米;至少1微米且小于100微米;至少1微米且小于50微米;至少10微米且小于40微米;等等)也可用于描述沉淀物料的平均粒径。
图1提供了用于生产包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的沉淀物料的工艺流程示意图。在图1中,来自盐水源110的盐水在沉淀步骤120经受沉淀条件(例如,碳酸盐化合物沉淀条件)。如上所述,盐水指除淡水以外的任何数目的不同类型的水性流体,包括半咸水、海水和盐水(包括人造盐水,例如地热电厂废水、脱盐废水,等)以及具有比淡水更高的盐度的其它盐水。作为水泥的碳酸盐化合物组合物的来源的盐水源可以是天然存在的来源,比如大海、海洋、湖泊、沼泽、河口、咸水湖等,或人造来源。
在某些实施方式中,可从也提供废气流的发电厂获得水。例如,在水冷发电厂如海水冷却发电厂中,发电厂已使用的水随后可被送至沉淀系统并用作沉淀反应中的水。在这些实施方式的某些实施方式中,水可在进入沉淀反应器之前被冷却。
在图1中描绘的实施方式中,首先向来自盐水源110的水加载CO2,以产生负载CO2的水,然后使CO2经受碳酸盐化合物沉淀条件。如图1所示,CO2气流130在沉淀步骤120与水接触。所提供的气流130在步骤120与合适的水接触以产生负载CO2的水。负载CO2的水是指已使CO2气体与之接触的水,其中CO2分子已与水分子结合,产生例如碳酸、碳酸氢根和碳酸根离子。在该步骤中加载水导致水中例如碳酸、碳酸氢根和碳酸根离子形式的CO2含量增加,伴随着与水接触的废物流的pCO2降低。负载CO2的水是酸性的,pH为6或更小,比如5或更小,并且包括4或更小。在某些实施方式中,用于加载水的气体中的CO2浓度为10%或更高,25%或更高,包括50%或更高,比如75%或甚至更高。感兴趣的接触方案包括但不限于:直接接触方案,例如将气体鼓泡通过一定体积的水;并行接触方法,即在单向流动的气相流与液相流之间接触;逆流方法,即在反向流动的气相流与液相流之间接触,等等。因此,可以通过使用注入器、鼓泡器、流体文氏反应器、分布器、气体过滤器、喷雾器、塔盘或填充塔反应器等来完成接触,因为这可能是方便的。
在沉淀步骤120中,将可为无定形或结晶的碳酸盐化合物沉淀出来。感兴趣的沉淀条件包括改变水的物理环境以产生所需的沉淀物料的那些沉淀条件。例如,可将水的温度升高至适合发生所需碳酸盐化合物的沉淀的水平。在此类实施方式中,可将水的温度升高至5-70℃,例如20-50℃,并包括25-45℃的值。因此,虽然给定的一组沉淀条件可能具有0-100℃的温度,但是在某些实施方式中可升高温度以产生所需的沉淀物料。在某些实施方式中,使用由低或零二氧化碳排放源例如太阳能源、风能源、水电能源等产生的能量来升高温度。虽然水的pH在给定的沉淀过程期间可在7-14范围内,但是在某些实施方式中将pH升高至碱性水平以便根据需要促使碳酸盐化合物沉淀。在这些实施方式的某些实施方式中,将pH升高至使沉淀期间的CO2气体生成的产生最小化(如果未消除的话)的水平。在这些实施方式中,可将pH升高至10或更高,比如11或更高。当需要时,可使用任何方便的方法升高水的pH。在某些实施方式中,可使用pH提升剂,其中此类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。添加到盐水源中的pH提升剂的量将取决于试剂的具体性质和所调节的盐水的体积,并且将足以将盐水源的pH升高至期望值。或者,盐水源的pH可通过水的电解作用升至期望水平。
CO2加载和碳酸盐化合物沉淀可在连续过程或分开的步骤中发生。因此,在一些实施方式中,加载和沉淀可在系统的同一反应器中发生(例如,如图1中步骤120所示)。在其它实施方式中,这两个步骤可在分开的反应器中发生,以使首先在加载反应器中向水加载CO2,然后在分开的反应器中使生成的负载CO2的水经受沉淀条件。
在由水产生沉淀物料(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的物料)之后,可如图1中的步骤140所示,从一些或全部母液中分离沉淀物料,以产生分离的沉淀物料。可使用任何方便的方法实现沉淀物料的分离,包括例如单独通过重力或施加真空从沉淀物料排出大量过剩水分的机械方法;通过从母液过滤沉淀物料以产生滤液的机械压制法,等等。对于可使用的用于除去大量水的示例性系统和方法,参见于2009年3月10日提交的美国临时专利申请61/158,992;于2009年4月9日提交的61/168,166;于2009年4月16日提交的61/170,086;于2009年5月14日提交的61/178,475;于2009年7月24日提交的61/228,210;于2009年7月30日提交的61/230,042;和于2009年9月2日提交的61/239,429,其各自通过引用并入本文。大量水的分离产生湿的或脱水的沉淀物料。
脱水沉淀物料可直接用于本文所述的成形建筑材料中,或者可进一步对脱水沉淀物料进行干燥。在一些实施方式中,可直接使用脱水沉淀物料。直接使用所生成的脱水沉淀物料在需要一定量的水的应用中是方便的。在非限制性实例中,脱水沉淀物料可与普通波特兰水泥混合,其中脱水沉淀物料提供水泥混合物的水合和填筑所需的至少一部分水。在一些实施方式中,脱水沉淀物料含有多于5%的水、多于10%的水、多于20%的水、多于30%的水、多于50%的水、多于60%的水、多于70%的水、多于80%的水、多于90%的水或多于95%的水。在一些实施方式中,脱水沉淀物料提供使用脱水沉淀物料的应用所需的至少5%的水、至少10%的水、至少20%的水、至少30%的水、至少40%的水、至少50%的水、至少60%的水、至少70%的水、至少80%的水、至少90%的水或至少95%的水。在一些实施方式中,脱水沉淀物料提供使用脱水沉淀物料的应用所需的全部水。例如,脱水沉淀物料可提供脱水沉淀物料和普通波特兰水泥的水泥混合物的水合和填筑所需的全部水。例如,沉淀物料可脱水,以使脱水沉淀物料含有接近70%的水,如66.5%的水。然后可将沉淀物料的浆状物与普通波特兰水泥混合,以使所生成的水泥混合物包含80%的普通波特兰水泥和20%的沉淀物料,其中水与水泥(即,普通波特兰水泥和沉淀物料)的比例约为40%。通过控制从沉淀物料除去的水的量,由沉淀物料制备的物料(例如,混凝土、成形建筑材料等)的碳足迹也得以控制,特别是如果物料需要水的话。基于这一点,仅通过从沉淀物料除去与所需量一样多的水,可进一步降低本文所述的任何产物物料的低、中性或负性碳足迹。
如上所述,还可如图1中的步骤160所示干燥所生成的脱水沉淀物料以生产产品。可通过对滤液进行风干而实现干燥。当对滤液进行风干时,风干可以在室温或升高的温度下进行。可以对脱水沉淀物料进行风干以生产含有少于50%的水、少于40%的水、少于30%的水、少于20%的水、少于10%的水或少于5%的水的沉淀物料。例如,可对脱水沉淀物料进行风干以生产含有30%或更少的水的沉淀物料。需要或无需另外的加工(例如,高剪切混合)即可粉碎这种沉淀物料,并且将其与其它物料如普通波特兰水泥组合,以生产包含水泥混合物的水合和填筑所需的一部分水的水泥混合物。还可通过对沉淀物料进行喷雾干燥来实现干燥,其中通过将其输送通过热气(比如,来自发电厂的废气流)而干燥包含沉淀物料的液体,例如,可通过喷雾器将液体物料泵送至主干燥室内,而热气相对于喷雾器方向并流或逆流地通过。取决于系统的具体干燥方案,干燥站可包括过滤元件、冷冻干燥结构、喷雾干燥结构等。
在需要时,如图1的可选步骤150所示,可在干燥之前洗涤来自分离反应器140的脱水沉淀物料。可用淡水洗涤沉淀物料,例如以从脱水沉淀物料除去盐(比如NaCl)。如果方便,可处理用过的洗涤水,例如在尾渣池中对其进行处理,等等。
在步骤170中,任选地精制干燥的沉淀物料,以例如提供期望的物理特性,如粒径、表面积等,或向沉淀物料添加一种或多种组分,如掺合物、集料、补充性胶结材料等,从而生成终产物180。关于粒径,并且任选地在精制之后,可包含六方碳钙石、方解石、文石、无定形碳酸钙或其任意组合的沉淀物料中的颗粒的平均粒径可为至少0.1、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、75、100、150、200、250、300、350、400、450、500、600、700、800、900或1000微米。在一些实施方式中,任选地在精制之后,可包含六方碳钙石、方解石、文石、无定形碳酸钙或其任意组合的沉淀物料中的颗粒的平均粒径小于1000、900、800、700、600、500、450、400、350、300、250、200、150、100、75、50、45、40、35、30、25、20、15、10、9、8、7、6、5、4、3、2、1、0.5或0.1微米。上述范围的组合(例如,至少0.1微米且小于100微米;至少1微米且小于100微米;至少1微米且小于50微米;至少10微米且小于40微米;等等)也可用于描述沉淀物料的平均粒径。在某些实施方式中,沉淀物料可由如使用任何方便的粒径测量方案如多检测器激光散射或筛选(即,<38微米)所确定的,平均粒径为0.1-100微米如10-40微米的颗粒组成。在某些实施方式中,存在多峰(例如双峰或其它)分布。双峰分布使表面积最小化,从而使水泥的液体/固体质量比更小,还提供用于早期反应的更小的反应性颗粒。在这些情况下,较大的尺寸级别的平均粒径可超过1000微米(1mm)。组成沉淀物料的组分的表面积可变化。指定的水泥在与液体组合以产生成形建筑材料后,可具有足以提供某种液体∶固体比例的平均表面积,其范围为0.5m2/gm-50m2/gm,比如0.75-20m2/gm,并且包括0.80-10m2/gm。在某些实施方式中,如使用Breunner、Emmit和Teller(1953)中描述的表面积测定方案所确定的,水泥的表面积在0.9-5m2/gm的范围内,比如0.95-2m2/gm,并且包括1-2m2/gm。
沉淀物料,因而CO2-截存组分,可包含从如本文所述的二价阳离子溶液如盐水沉淀而来的亚稳态碳酸盐化合物;然而,碳酸盐化合物不限于亚稳态碳酸盐化合物。碳酸盐化合物可包括沉淀结晶的和/或无定形的碳酸盐化合物。感兴趣的具体碳酸盐矿物质包括但绝不限于碳酸钙矿物质、碳酸镁矿物质和碳酸钙镁矿物质。感兴趣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)和无定形碳酸钙(CaCO3·nH2O)。在一些实施方式中,沉淀物料,因而CO2-截存组分,可包含至少1%、2%、3%、4%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%、99%、99.9%的无定形碳酸钙,剩余的沉淀物料包含方解石、文石、六方碳钙石或其某些组合。在一些实施方式中,沉淀物料,因而CO2-截存组分,可包含少于99.9%、99%、98%、97%、96%、95%、90%、85%、80%、75%、70%、65%、60%、55%、50%、45%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%、5%、4%、3%、2%或1%的无定形碳酸钙,剩余沉淀物料包含方解石、文石、六方碳钙石或其某些组合。例如,在一些实施方式中,沉淀物料包含至少1%且少于25%的无定形碳酸钙、至少1%且少于20%的无定形碳酸钙、至少1%且少于15%的无定形碳酸钙或至少1%且少于10%的无定形碳酸钙。在一些实施方式中,建筑材料的CO2-截存组分可包含至少1%、2%、3%、4%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%、99%、99.9%的六方碳钙石,剩余沉淀物料包含方解石、文石、无定形碳酸钙或其某些组合。在一些实施方式中,沉淀物料,因而CO2-截存组分,可包含少于99.9%、99%、98%、97%、96%、95%、90%、85%、80%、75%、70%、65%、60%、55%、50%、45%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%、5%、4%、3%、2%或1%的六方碳钙石,剩余沉淀物料包含方解石、文石、无定形碳酸钙或其某些组合。在一些实施方式中,沉淀物料,因而CO2-截存组分,可包含至少1%、2%、3%、4%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%、99%、99.9%的文石,剩余沉淀物料包含方解石、六方碳钙石、无定形碳酸钙或其某些组合。在一些实施方式中,沉淀物料,因而CO2-截存组分,可包含少于99.9%、99%、98%、97%、96%、95%、90%、85%、80%、75%、70%、65%、60%、55%、50%、45%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%、5%、4%、3%、2%或1%的文石,剩余沉淀物料包含方解石、六方碳钙石、无定形碳酸钙或其某些组合。在一些实施方式中,沉淀物料,因而CO2-截存组分,可包含至少1%、2%、3%、4%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%、99%、99.9%的方解石,剩余沉淀物料包含六方碳钙石、文石、无定形碳酸钙或其某些组合。在一些实施方式中,沉淀物料,因而CO2-截存组分,可包含少于99.9%、99%、98%、97%、96%、95%、90%、85%、80%、75%、70%、65%、60%、55%、50%、45%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%、5%、4%、3%、2%或1%的方解石,剩余沉淀物料包含六方碳钙石、文石、无定形碳酸钙或其某些组合。在一些实施方式中,沉淀物料和CO2-截存组分中的六方碳钙石与方解石的比率(v/c比率)大于1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90或99.9。在一些实施方式中,沉淀物料和CO2-截存组分中的六方碳钙石与方解石的比率(v/c比率)小于99.9、90、80、70、60、50、40、30、20、10、9、8、7、6、5、4、3、2或1。通过方解石与六方碳钙石的比率(c/v比率)可更好地描述一些沉淀物料,特别是当沉淀物料中存在比六方碳钙石的量更多的方解石时。例如,在一些实施方式中,沉淀物料和CO2-截存组分中的方解石与六方碳钙石的比率(c/v比率)大于1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90或99.9。在一些实施方式中,沉淀物料和CO2-截存组分中的方解石与六方碳钙石的比率(c/v比率)小于99.1、90、80、70、60、50、20、40、30、20、10、9、8、7、6、5、4、3、2或1。如本文所指出的,沉淀物料的碳酸盐化合物可以是在盐水中比在淡水中更稳定的亚稳态碳酸盐化合物(并且可包含一种或多种亚稳态氢氧化物化合物),使得在与任何pH的淡水接触后,它们(例如,亚稳态碳酸盐,比如无定形碳酸钙;六方碳钙石;等等)溶解并再沉淀成其它淡水稳定的化合物(例如,诸如低镁方解石的矿物质)。可在衍生的材料(例如,成形建筑材料)的制造中使用这样的热力学驱动力。例如,在一些实施方式中,亚稳态碳酸盐化合物可储存在稳定量的盐水(任选地包含另外的亚稳态碳酸盐化合物稳定剂)中,亚稳态碳酸盐化合物从该盐水中沉淀出来,并且在用于促进亚稳态碳酸盐化合物转化为更稳定的碳酸盐化合物(例如,无定形碳酸钙到六方碳钙石;六方碳钙石到文石;六方碳钙石到方解石;等等)之前或期间用淡水洗涤。可根据其自胶结性质利用此转化。例如,包含95%的六方碳钙石和5%的文石且初始压缩强度为0psi的沉淀物料样品在第14天可包含19%的六方碳钙石和81%的文石且具有2260psi的压缩强度,并且在第28天可包含0%的六方碳钙石和100%的文石并具有3300psi的压缩强度。在图10中可见上述沉淀物料样品的SEM图像和XRD衍射图。亚稳态化合物的这种自胶结性质可用于制备本文所述的成形建筑材料。关于碳酸镁矿物质,沉淀物料和CO2-截存组分可包括但不限于菱镁矿(MgCO3)、二菱镁矿(MgCO3·2H2O)、三水菱镁矿(MgCO3·3H2O)、五水菱镁矿(MgCO3·5H2O)和无定形碳酸镁钙(MgCO3·nH2O)。感兴趣的碳酸钙镁矿物质包括但不限于白云石(CaMgCO3)、碳酸钙镁石(CaMg3(CO3)4)和水碳镁钙石(sergeevite)(Ca2Mg11(CO3)13·H2O)。在某些实施方式中,非碳酸盐化合物如水镁石(Mg(OH)2)也可与以上列出的化合物组合成形。如上所述,碳酸盐化合物组合物的化合物可以是在盐水中比在淡水中更稳定的亚稳态碳酸盐化合物(并且可包含一种或多种亚稳态氢氧化物化合物),使得在与任何pH的淡水接触后,它们溶解并再沉淀成其它淡水稳定的化合物,例如,诸如低镁方解石的矿物质。可在成形建筑材料的制备中利用这种现象。例如,在一些实施方式中,亚稳态碳酸盐化合物可储存在稳定量的盐水(任选地包含另外的亚稳态碳酸盐化合物稳定剂)中,亚稳态碳酸盐化合物从该盐水中沉淀出来,并且在用于促进亚稳态碳酸盐化合物转化为更稳定的碳酸盐化合物之前或期间用淡水洗涤。
由于沉淀物料(例如,碳酸盐、碳酸氢盐或其组合)可来源于水(例如,从水中沉淀而来),沉淀物料,因而CO2-截存组分,可包含存在于其所来源的水中的一种或多种组分。例如,当二价阳离子溶液是盐水时,沉淀物料可包含在盐水源中发现的一种或多种成分(“标志物”)。例如,如果盐水源是海水,可存在于沉淀物料中的海水成分包括但不限于氯化物、钠、硫、钾、溴、硅、锶等。任何此类标志物通常少量存在,如20,000ppm或更少,或2000ppm或更少。在一些实施方式中,并且不限于海水,沉淀物料中的标志物可以是10,000ppm或更少、3-10,000ppm或更少、5-5000ppm或更少、5-1000ppm或更少、5-500ppm或更少、或5-100ppm或更少的锶。在沉淀物料包含文石的实施方式中,可将锶可引入到文石晶格中。存在于组合物中的标志物可根据用于生产沉淀物料的具体水源而变化。同样感兴趣的是标识水源的同位素标志物。
CO2-截存组分(例如,包含含有碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的沉淀物料的组分)包含CO2,CO2将以其它方式释放到大气中,其大多数来源于燃烧化石燃料,该化石燃料最初为植物来源的。因此,CO2-截存组分(这种组分包含一种或多种来源于工业CO2的合成碳酸盐)反映了作为工业CO2(来自化石燃料的燃烧)的来源的化石燃料(例如,煤、油、天然气或烟道气)的相对碳同位素组成(δ13C)。以‰(每千分之一)为单位的相对碳同位素组成(δ13C)值是相对于石化箭石标准(PDB标准),两种稳定的碳同位素即12C和13C的浓度比例的量度。
δ13C‰=[(13C/12C样品-13C/12CPDB标堆)/(13C/12CPDB标堆)]×1000
因此,本文所述的沉淀物料(例如,合成的碳酸盐、碳酸氢盐或其组合)中的碳的δ13C值充当CO2气体源、特别是由燃烧化石燃料释放的CO2的指纹。来源与来源(即,化石燃料源)之间的δ13C值可变化,但是CO2-截存组分的δ13C值通常但不一定在-9‰至-35‰之间。在一些实施方式中,沉淀物料中的碳的δ13C值在-1‰至-50‰、-5‰至-40‰、-5‰至-35‰、-7‰至-40‰、-7‰至-35‰、-9‰至-40‰或-9‰至-35‰之间。在一些实施方式中,沉淀物质中的碳的δ13C值小于(即,负性大于)0、-1‰、-2‰、-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‰、-45‰、-46‰、-47‰、-48‰、-49‰或-50‰,其中δ13C值负性越大,合成的碳酸盐、碳酸氢盐或其组合越富含12C。在一些实施方式中,含碳化合物或组合物的δ13C值大于(即,负性小于)-50‰、-49‰、-48‰、-47‰、-46‰、-45‰、-44‰、-43‰、-42‰、-41‰、-40‰、-39‰、-38‰、-37‰、-36‰、-35‰、-34‰、-33‰、-32‰、-31‰、-30‰、-29‰、-28‰、-27‰、-26‰、-25‰、-24‰、-23‰、-22‰、-21‰、-20‰、-19‰、-18‰、-17‰、-16‰、-15‰、-14‰、-13‰、-12‰、-11‰、-10‰、-9‰、-8‰、-7‰、-6‰、-5‰、-4‰、-3‰、-2‰、-1‰或0。上述范围的组合也是可能的。例如,在一些实施方式中,沉淀物料中的碳的δ13C值小于-1‰且大于-50‰、小于-5‰且大于-50‰、小于-10‰且大于-50‰、小于-15‰且大于-50‰、或小于-20‰且大于-50‰。任何合适的方法可用于测量δ13C值,方法包括但不限于质谱分析法或离轴积分腔输出光谱法(离轴ICOS)。
关于本文提供的成形建筑材料,如包含CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的道路材料、砖、砌块、板(例如,水泥板)、管道、横梁、凹池、柱、瓦、纤维挡板产品(例如,纤维-水泥挡板)、板材、隔音墙、干式墙、绝缘件或其组合,特别是如果成形建筑材料包含大量CO2-截存组分(例如,>50%直到100%[w/w]),CO2-截存组分以及成形建筑材料本身中的碳可具有小于-5‰的δ13C值。在一些实施方式中,成形建筑材料的δ13C值在-1‰至-50‰、-5‰至-40‰、-5‰至-35‰、-7‰至-40‰、-7‰至-35‰、-9‰至-40‰或-9‰至-35‰之间。在一些实施方式中,成形建筑材料的δ13C值小于(即,负性大于)0、-1‰、-2‰、-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‰、-45‰、-46‰、-47‰、-48‰、-49‰或-50‰,其中δ13C值负性越大,含碳酸盐的材料越富含12C。在一些实施方式中,成形建筑材料的δ13C值大于(即,负性小于)-50‰、-49‰、-48‰、-47‰、-46‰、-45‰、-44‰、-43‰、-42‰、-41‰、-40‰、-39‰、-38‰、-37‰、-36‰、-35‰、-34‰、-33‰、-32‰、-31‰、-30‰、-29‰、-28‰、-27‰、-26‰、-25‰、-24‰、-23‰、-22‰、-21‰、-20‰、-19‰、-18‰、-17‰、-16‰、-15‰、-14‰、-13‰、-12‰、-11‰、-10‰、-9‰、-8‰、-7‰、-6‰、-5‰、-4‰、-3‰、-2‰、-1‰或0,其中δ13C值负性越小,含碳酸盐的材料越不富含12C。上述范围的组合也是可能的。在一些实施方式中,成形建筑材料的δ13C值小于-1‰且大于-50‰、小于-5‰且大于-50‰、小于-10‰且大于-50‰、小于-15‰且大于-50‰、或小于-20‰且大于-50‰。
在某些实施方式中,使用系统来实施上述方法和组合物。
在例如如上所述产生CO2-截存组分之后,可以使用CO2-截存组分(例如,沉淀物料;包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)生产成形建筑材料。可根据此类结构的传统制造方案来制备成形建筑材料,不同之处是使用一定量的CO2-截存组分。用CO2-截存组分替代的常规组分的比例可根据成形建筑材料或应用而变化,并且在某些情况下为5%(重量)或更多,包括10%(重量)或更多、15%(重量)或更多、20%(重量)或更多、25%(重量)或更多、30%(重量)或更多、50%(重量)或更多、70%(重量)或更多、75%(重量)或更多、80%(重量)或更多、85%(重量)或更多、90%(重量)或更多、95%(重量)或更多、99%(重量)或更多,或甚至100%(重量)。例如,在一些实施方式中,可用CO2-截存组分替代20%(重量)或更多的常规水泥组分(例如,OPC)以生产本文所述的成形建筑材料。在一些实施方式中,可用CO2-截存组分替代100%(重量)的常规水泥组分(例如,OPC)以生产本文所述的成形建筑材料。
以下的表1给出了可在混合物中使用以生产成形建筑材料的组分(例如,水泥组分、集料、补充性胶结材料(“SCM”)的各种组合,其中CO2-截存组分用于排除任何另外的水泥组分,如普通波特兰水泥(OPC)。
表A1.用于成形建筑材料的组合物
表A1中描述的细集料可以是常规的细集料,如沙子,或者如在2009年5月29日提交的美国专利申请第12/475,378号中所述的包含CO2-截存组分的细集料,该申请通过引用整体并入本文。表A1中描述的粗集料可以是常规粗集料,如砾石、碎石、矿渣、再生混凝土、土工合成集料、玻璃,或如美国专利申请第12/475,378号中所述的粗CO2-截存集料。本领域技术人员认为飞灰、矿渣和/或变高岭石是补充性胶结材料。
令人惊讶地发现,用于排除任何另外的水泥组分的CO2-截存组分的作用非常像常规水泥(例如,OPC)。当制备(例如,添加混合水、浇铸为成形建筑材料,等等)CO2-截存组分并使其硬化时,如以下参考包含表A1组合物的成形建筑材料的压缩强度所述,CO2-截存组分达到高压缩强度。如以下参考包含表A1组合物的成形建筑材料的压缩强度所述,可制备(例如,混合、添加混合水、浇铸为成形建筑材料,等等)并使其硬化的包含细集料如沙子的组合物达到高压缩强度。包含CO2-截存组分的此类组合物的表现非常像图11中所示的结合了细集料(例如,沙子)的常规水泥。CO2-截存组分和细集料(例如,沙子)的二元混合物可包含至少1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%、80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%、94%或95%(重量)的细集料(例如,沙子),其余的为本文所述的CO2-截存组分。CO2-截存组分和细集料(例如,沙子)的二元混合物可包含少于95%、94%、93%、92%、91%、90%、89%、88%、87%、86%、85%、84%、83%、82%、81%、80%、79%、78%、77%、76%、75%、74%、73%、72%、71%、70%、69%、68%、67%、66%、65%、64%、63%、62%、61%、60%、55%、50%、45%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%或1%(重量)的细集料(例如,沙子),其余的为本文所述的CO2-截存组分。上述比例的组合也用于描述包含CO2-截存组分和细集料(例如,沙子)的二元混合物。例如,在一些实施方式中,CO2-截存组分和细集料(例如,沙子)的此类二元混合物可包含至少1%且少于95%(重量)的细集料、至少25%且少于95%(重量)的细集料、至少50%且少于95%(重量)的细集料、至少50%且少于90%(重量)的细集料、至少50%且少于85%(重量)的细集料、至少55%且少于85%(重量)的细集料。在一些实施方式中,CO2-截存组分和细集料(例如,沙子)的此类二元混合物包含至少65%且少于95%(重量)的细集料(例如,沙子),具有至少3000psi且小于8000psi的压缩强度,并且任选地具有至少25%且小于60%的孔隙率。在一些实施方式中,CO2-截存组分和细集料(例如,沙子)的此类二元混合物包含至少85%且少于95%(重量)的细集料(例如,沙子),具有至少3000psi且小于8000psi的压缩强度,并且任选地具有至少25%且小于60%的孔隙率。在一些实施方式中,CO2-截存组分和细集料(例如,沙子)的此类二元混合物包含至少75%且少于85%(重量)的细集料(例如,沙子),具有至少3000psi且小于8000psi的压缩强度,并且任选地具有至少25%且小于60%的孔隙率。在一些实施方式中,CO2-截存组分和细集料(例如,沙子)的此类二元混合物包含至少70%且少于80%(重量)的细集料(例如,沙子),具有至少3000psi且小于8000psi的压缩强度,并且任选地具有至少25%且小于60%的孔隙率。在一些实施方式中,CO2-截存组分和细集料(例如,沙子)的此类二元混合物包含至少65%且少于75%(重量)的细集料(例如,沙子),具有至少3000psi且小于8000psi的压缩强度,并且任选地具有至少25%且小于60%的孔隙率。上述组合物可进一步包含一种或多种掺合物或添加剂(例如,7500)。还应当注意,已发现对包含水泥替代物(例如,用于排除任何另外的胶结组分的CO2-截存组分)的成形建筑材料进行干燥对此类组合物的压缩强度和孔隙率具有令人惊奇的效果。
可使用粗集料替代CO2-截存组分和细集料的上述二元混合物中的一些或全部细集料,以生产成形建筑材料。因此,上述CO2-截存组分和细集料的二元混合物可包含至少1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%、80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%、99.9%或100%(重量)的粗集料(例如,岩石),其中以重量计,一定量的粗集料替代等量的细集料(例如,沙子),并且其中该组合物的其余部分包含本文所述的CO2-截存组分。CO2-截存组分和细集料的上述二元混合物可包含少于100%、99.9%、99%、98%、97%、96%、95%、94%、93%、92%、91%、90%、89%、88%、87%、86%、85%、84%、83%、82%、81%、80%、79%、78%、77%、76%、75%、74%、73%、72%、71%、70%、69%、68%、67%、66%、65%、64%、63%、62%、61%、60%、55%、50%、45%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%或1%(重量)的粗集料(例如,岩石),其中以重量计,一定量的粗集料替代等量的细集料(例如,沙子),并且其中该组合物的剩余部分包含本文所述的CO2-截存组分。上述比例的组合也用于描述包含CO2-截存组分、细集料和/或粗集料的组合物。例如,在一些实施方式中,可被认为是CO2-截存组分、细集料(例如,沙子)和/或粗集料(例如,岩石)的三元混合物的组合物可包含至少1%且少于95%(重量)的粗集料、至少25%且少于95%(重量)的粗集料、至少50%且少于95%(重量)的粗集料、至少50%且少于90%(重量)的粗集料、至少50%且少于85%(重量)的粗集料、至少55%且少于85%(重量)的粗集料,其中以重量计,一定量的粗集料替代等量的细集料(例如,沙子),并且其中该组合物的剩余部分包含本文所述的CO2-截存组分。在一些实施方式中,组合物包含至少65%且少于95%(重量)的集料(例如,诸如沙子的细集料与诸如岩石的粗集料的混合物),具有至少3000psi且小于8000psi的压缩强度,并且任选地具有至少25%且小于60%的孔隙率。在一些实施方式中,组合物包含至少85%且少于95%(重量)的集料(例如,诸如沙子的细集料与诸如岩石的粗集料的混合物),具有至少3000psi且小于8000psi的压缩强度,并且任选地具有至少25%且小于60%的孔隙率。在一些实施方式中,组合物包含至少75%且少于85%(重量)的集料(例如,诸如沙子的细集料与诸如岩石的粗集料的混合物),具有至少3000psi且小于8000psi的压缩强度,并且任选地具有至少25%且小于60%的孔隙率。在一些实施方式中,组合物包含至少70%且少于80%(重量)的集料(例如,诸如沙子的细集料与诸如岩石的粗集料的混合物),具有至少3000psi且小于8000psi的压缩强度,并且任选地具有至少25%且小于60%的孔隙率。在一些实施方式中,组合物包含至少65%且少于75%(重量)的集料(例如,诸如沙子的细集料与诸如岩石的粗集料的混合物),具有至少3000psi且小于8000psi的压缩强度,并且任选地具有至少25%且小于60%的孔隙率。上述组合物可进一步包含一种或多种掺合物或添加剂(例如,7500),后者可为本文所述的成形建筑材料提供改进的性能。还应当注意,已发现对包含水泥替代物的成形建筑材料进行干燥对包含水泥替代物的此类组合物的压缩强度和孔隙率具有令人惊奇的效果。
在一些实施方式中,由表A1的组合物(其中水泥组分是用于排除任何另外的水泥组分(例如,OPC)的本文所述的CO2-截存组分)生产的成形建筑材料的孔隙率可为至少5%、10%、15%、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%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、75%、80%、85%、90%或95%。在一些实施方式中,由表A1的组合物生产的成形建筑材料的孔隙率可以小于95%、90%、85%、80%、75%、70%、69%、68%、67%、66%、65%、64%、63%、62%、61%、60%、59%、58%、57%、56%、55%、54%、53%、52%、51%、50%、49%、48%、4/%、46%、45%、44%、43%、42%、41%、40%、39%、38%、37%、36%、35%、34%、33%、32%、31%、30%、29%、28%、27%、26%、25%、24%、23%、22%、21%、20%、15%、10%或5%。上述孔隙率的组合也用于描述由表A1的组合物生产的成形建筑材料的孔隙率。例如,在一些实施方式中,成形建筑材料的孔隙率可以是至少20%且小于70%,比如至少30%且小于60%。图11提供了包含可在本文所述的成形建筑材料中用作完全水泥替代物的沉淀物料的硬化糊状物的SEM图像。如图所示,这样的硬化糊状物包含可被混合水或掺合物溶液占据的孔。包含细集料和粗集料的成形建筑材料也可包含可被混合水或掺合物溶液占据的孔。
在一些实施方式中,由表A1的组合物(其中水泥组分是用于排除任何另外的水泥组分(例如,OPC)的本文所述的CO2-截存组分)生产的成形建筑材料在第1、7、14或28天的压缩强度可为至少500psi、750psi、1000psi、1250psi、1500psi、1750psi、2000psi、2250psi、2500psi、2750psi、3000psi、3250psi、3500psi、3750psi、4000psi、4250psi、4500psi、4750psi、5000psi、5250psi、5500psi、5750psi、6000psi、6250psi、6500psi、6750psi、7000psi、7250psi、7500psi、7750psi、8000psi、8250psi、8500psi、8750psi、9000psi、9,250psi、9,500psi、9,750psi或10,000psi。在一些实施方式中,由表A1的组合物(其中水泥组分是用于排除任何另外的水泥组分(例如,OPC)的本文所述的CO2-截存组分)生产的成形建筑材料在第1、7、14或28天的压缩强度可以小于10,000psi、9750psi、9500psi、9250psi、9000psi、8750psi、8500psi、8250psi、8000psi、7750psi、7500psi、7250psi、7000psi、6750psi、6500psi、6250psi、6000psi、5750psi、5500psi、5250psi、5000psi、4750psi、45000psi、4250psi、4000psi、3750psi、3500psi、3250psi、3000psi、2750psi、2500psi、2250psi、2000psi、1750psi、1500psi、1250psi、1000psi、750psi或500psi。上述压缩强度的组合也用于描述由表A1的组合物(其中水泥组分是用于排除任何另外的水泥组分(例如,OPC)的本文所述的CO2-截存组分)生产的成形建筑材料。例如,在一些实施方式中,由表A1的组合物(其中水泥组分是用于排除任何另外的水泥组分(例如,OPC)的本文所述的CO2-截存组分)生产的成形建筑材料在第1、7、14或28天的压缩强度可以为至少2000psi且小于6000psi。
实验已显示,干燥对包含本文所述的CO2-截存组分的成形建筑材料的压缩强度具有惊奇的效果。例如,根据ASTM方法(C109)制备其中70%的CO2-截存组分(例如,如本文所述的包含六方碳钙石的沉淀物料)被细集料(例如,沙子)替代的灰浆立方块。七天后的压缩强度为4500psi,并且详细的成像显示,CO2-截存组分的碳酸盐(六方碳钙石或另一种碳酸钙多晶型物,比如较低能量的多晶型物[例如,方解石])用作沙子的粘合剂(即,CO2-截存组分的作用非常像常规水硬水泥,如OPC)(关于与沙子结合的CO2-截存组分,见图12)。令人惊讶地,对于其中通过在80℃下干燥来去除残余水的示例性灰浆,达到4500psi的压缩强度。在不去除残余水的情况下,达到3000psi的压缩强度。在一些实施方式中,包含CO2-截存组分和集料(例如,诸如沙子的细集料和/或诸如岩石的粗集料)的成形建筑材料的压缩强度可以如本文中关于表A1和表A2所给出的,例如在第1、7、14或28天为至少1000psi且小于10,000psi、至少2000psi且小于9000psi、至少2000psi且小于8,000、至少3000psi且小于7,000psi。在一些实施方式中,包含CO2-截存组分和集料(例如,诸如沙子的细集料和/或诸如岩石的粗集料)的成形建筑材料的孔隙率可以如本文中关于表A1和表A2所给出的,比如至少20%且小于70%,比如至少30%和小于60%。
如本文所述,用于生产成形建筑材料的组合物中的水泥组分可以全部是CO2-截存组分;然而,用于生产本文所述的成形建筑材料的组合物中的水泥组分可进一步包含常规水硬水泥(例如,OPC)。常规的水硬水泥并不是CO2-截存组分或来源于本文所述的沉淀物料。用于生产含有常规水泥组分的成形建筑材料的组合物可含有一种或多种以下水硬水泥组合物:波特兰水泥混合物,如波特兰高炉水泥;波特兰飞灰水泥;波特兰火山灰水泥;波特兰硅灰水泥;包含石灰石、熟石灰、加气剂、缓凝剂、防水剂和着色剂的砌筑水泥;塑性水泥、灰泥水泥;膨胀水泥;白色掺合水泥;着色水泥;极细碾磨的水泥;和非波特兰水泥,如火山灰-石灰水泥;矿渣-石灰水泥;富硫酸盐水泥;硫铝酸钙水泥;天然水泥;土聚水泥。在某些实施方式中,感兴趣的常规水硬水泥是波特兰水泥。波特兰水泥组分可以是任何方便的波特兰水泥。如本领域已知的,波特兰水泥是通过碾磨波特兰水泥熟料(大于90%)、控制凝固时间的限定量的硫酸钙和可达5%的微量组分(如各种标准所允许的)而生产的粉末组合物。如欧洲标准EN197.1所定义的,波特兰水泥熟料是包含至少三分之二质量的硅酸钙(3CaO.SiO2和2CaO.SiO2)、剩余部分由含铝和含铁的熟料相和其它化合物组成的水硬性材料。CaO与SiO2的比例应不小于2.0。镁含量(MgO)应不超过5.0%(质量)。在某些实施方式中,波特兰水泥成分可以是满足美国材料试验协会(American Society for Testingof Materials)的C150(I-VIII型)的ASTM标准和规范(波特兰水泥的ASTM C50-标准规范)的任何波特兰水泥。ASTM C150覆盖8种类型的波特兰水泥,每种具有不同的性质并针对这些性质而具体使用。
可使用多种包含CO2-截存组分的水泥掺合物,并且每种水泥掺合物可有助于大大降低本文所述的成形建筑材料的碳足迹。例如,CO2-截存组分可用作普通波特兰水泥的部分水泥替代物,任选地与飞灰、矿渣和/变高岭石结合,以生产用于具有小、中性(即,接近0)或负性碳足迹的成形建筑材料的水泥掺合物。如本文所提供的,此类CO2-截存组分可包含以本文进一步描述的比例存在的碳酸钙多晶型物,如无定形碳酸钙、六方碳钙石、文石和/或方解石。在一些实施方式中,水泥掺合物,如表A2中的水泥掺合物,可包含常规水泥和CO2-截存组分,并且可具有至少1%、2%、3%、4%、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%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%、80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%或99.9%(重量)的CO2-截存组分,剩余的主要为常规水泥(例如,OPC),任选地与细集料和/或粗集料结合,并且任选地进一步与补充性胶结材料如飞灰、矿渣和/或变高岭石结合。在一些实施方式中,水泥掺合物,如表A2中的水泥掺合物,可包含常规水泥和CO2-截存组分,并且可具有少于99.9%、99%、98%、97%、96%、95%、94%、93%、92%、91%、90%、89%、88%、87%、86%、85%、84%、83%、82%、81%、80%、79%、78%、77%、76%、75%、74%、73%、72%、71%、70%、69%、68%、67%、66%、65%、64%、63%、62%、61%、60%、59%、58%、57%、56%、55%、54%、53%、52%、51%、50%、49%、48%、47%、46%、45%、44%、43%、42%、41%、40%、39%、38%、37%、36%、35%、34%、33%、32%、31%、30%、29%、28%、27%、26%、25%、24%、23%、22%、21%、20%、19%、18%、17%、16%、15%、14%、13%、12%、11%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%或1%(重量)的CO2-截存组分,剩余的主要为常规水泥(例如,OPC),任选地与细集料和/或粗集料结合,并且进一步任选地与补充性胶结材料如飞灰、矿渣和/或变高岭石结合。上述比例的组合也用于描述包含CO2-截存组分和常规水泥的水泥掺合物。例如,包含CO2-截存组分和常规水泥的水泥掺合物可以含有至少5%且少于30%(重量)的CO2-截存组分,剩余的主要是水泥(例如,OPC),任选地与细集料和/或粗集料结合,并且进一步任选地与补充性胶结材料如飞灰、矿渣和/或变高岭石结合。不受理论所约束,据认为包含碳酸盐的CO2-截存组分的添加提供成核位点,导致如图13所示的成形建筑材料的早期强度增加。进一步认为,在沉淀物料中形成了铝硫酸钙水合物的类似物,其中硫酸盐被碳酸盐取代。由于碳酸盐主要与含Al(或Fe)的相相互作用以形成碳铝酸盐水合物,并且因为Al2O3在水泥(例如,OPC)中的含量可能低,所以当生产本文所述的成形建筑材料时可使用矿渣(如本文所述)来增加Al2O3的含量。表A2描述了包含此类组分(例如,水泥组分、集料、补充性胶结材料(“SCM”))的成形建筑材料的组合物:
表A2.用于成形建筑材料的组合物
表A2中描述的细集料可以是常规细集料,如沙子,或如于2009年5月29日提交的美国专利申请第12/475,378号中所述的包含CO2-截存组分的集料,该申请通过引用整体并入本文。表A2中描述的粗集料可以是常规粗集料,如砾石、碎石、矿渣、再生混凝土、土工合成集料、玻璃或如美国专利申请第12/475,378号中所述的包含CO2-截存组分的集料。本领域技术人员认为飞灰、矿渣和/或变高岭石是补充性胶结材料。
在一些实施方式中,由表A2的组合物(其中,水泥组分是包含常规水泥和CO2-截存组分的水泥掺合物)生产的成形建筑材料的孔隙率可为至少5%、10%、15%、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%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、75%、80%、85%、90%或95%。在一些实施方式中,表A2的成形建筑材料的孔隙率可以小于95%、90%、85%、80%、75%、70%、69%、68%、67%、66%、65%、64%、63%、62%、61%、60%、59%、58%、5/%、56%、55%、54%、53%、52%、51%、50%、49%、48%、47%、46%、45%、44%、43%、42%、41%、40%、39%、38%、37%、36%、35%、34%、33%、32%、31%、30%、29%、28%、27%、26%、25%、24%、23%、22%、21%、20%、15%、10%或5%。上述孔隙率的组合也用于描述表A2的成形建筑材料的孔隙率。例如,在一些实施方式中,成形建筑材料的孔隙率可为至少20%且小于70%,比如至少30%且小于60%。
例如,在一些实施方式中,包含常规水泥和CO2-截存组分的水泥掺合物可含有至少10%且小于90%(重量),比如至少30%且小于70%(重量),包括至少40%且小于60%(重量)等的CO2-截存组分,其余的主要为水泥(例如,OPC),任选地与飞灰、矿渣和/或变高岭石结合。在一些实施方式中,CO2-截存组分可用作例如普通波特兰水泥(或任何其它水泥)的完全(即,100%)水泥替代物,任选地与飞灰、矿渣和/或变高岭石结合,以生产用于具有小、中性(即,接近0)或负性碳足迹的成形建筑材料的水泥掺合物。
在一些实施方式中,由表A2的组合物(其中水泥组分可以是与一种或多种另外的水泥组分(例如,OPC)结合的CO2-截存组分)生产的成形建筑材料在第1、7、14或28天的压缩强度可至少为500psi、750psi、1000psi、1250psi、1500psi、1750psi、2000psi、2250psi、2500psi、2750psi、3000psi、3250psi、3500psi、3750psi、4000psi、4250psi、4500psi、4750psi、5000psi、5250psi、5500psi、5750psi、6000psi、6250psi、6500psi、6750psi、7000psi、7250psi、7500psi、7750psi、8000psi、8250psi、8500psi、8750psi、9000psi、9,250psi、9,500psi、9,750psi或10,000psi。此类成形建筑材料在第1、7、14或28天可具有小于10,000psi、9750psi、9500psi、9250psi、9000psi、8750psi、8500psi、8250psi、8000psi、7750psi、7500psi、7250psi、7000psi、6750psi、6500psi、6250psi、6000psi、5750psi、5500psi、5250psi、5000psi、4750psi、45000psi、4250psi、4000psi、3750psi、3500psi、3250psi、3000psi、2750psi、2500psi、2250psi、2000psi、1750psi、1500psi、1250psi、1000psi、750psi或500psi的压缩强度。上述压缩强度的组合也用于描述表A2的成形建筑材料(其中水泥组分是水泥掺合物)的压缩强度。例如,此类成形建筑材料的压缩强度在第1、7、14或28天可具有至少2000psi且小于6000psi的压缩强度。因此,具有小、中性或负性碳足迹的成形建筑材料适合在使用成形建筑材料的任何应用中使用。
水泥组分,无论是单独的CO2-截存组分还是包含常规水泥和CO2-截存组分的水泥掺合物,都可形成具有高达80%(重量)的补充性胶结材料、剩余的材料为水泥组分(集料和水除外)的二元混合物;包含至少两种补充性胶结材料的三元混合物、包含至少三种补充性胶结材料的四元混合物等,也可以具有高达80%(重量)的补充性胶结材料,剩余的材料为水泥组分(例如,单独的CO2-截存组分或包含常规水泥和CO2-截存组分的水泥掺合物)。表A1和表A2提供了关于补充性胶结材料可如何与水泥组分结合以生产包含此类补充性胶结材料的成形建筑材料的进一步信息。除非另有指出,假设可在组合物中使用以生产成形建筑材料的其它添加剂(例如,7500)相对于水泥组分(例如,普通波特兰水泥(“OPC”);CO2-截存组分;包含常规水泥和CO2-截存组分的水泥掺合物)和补充性胶结材料是微不足道的。在一些实施方式中,包含补充性胶结材料和水泥组分(无论是单独的CO2-截存组分还是包含常规水泥和CO2-截存组分的水泥掺合物)的二元混合物可具有至少1%、2%、3%、4%、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%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%或80%(重量)的补充性胶结材料(例如,如表A1或表A2中的飞灰、矿渣和/或变高岭石),剩余的主要是水泥组分。在一些实施方式中,包含补充性胶结材料和水泥组分(无论是单独的CO2-截存组分还是包含常规水泥和CO2-截存组分的水泥掺合物)的二元混合物可具有少于80%、79%、78%、77%、76%、75%、74%、73%、72%、71%、70%、69%、68%、67%、66%、65%、64%、63%、62%、61%、60%、59%、58%、57%、56%、55%、54%、53%、52%、51%、50%、49%、48%、47%、46%、45%、44%、43%、42%、41%、40%、39%、38%、37%、36%、35%、34%、33%、32%、31%、30%、29%、28%、27%、26%、25%、24%、23%、22%、21%、20%、19%、18%、17%、16%、15%、14%、13%、12%、11%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%或1%(重量)的补充性胶结材料(例如,如表A1或表A2中的飞灰、矿渣和/或变高岭石),剩余的主要是水泥组分。上述比例的组合也是可能的。例如,在一些实施方式中,包含水泥组分和补充性胶结材料(例如,如表A1或表A2中的飞灰、矿渣和/或变高岭石)的二元混合物可具有至少1%且少于60%、至少5%且少于30%、至少10%且少于30%(重量)的补充性胶结材料,剩余的主要是水泥组分。在一些实施方式中,提供了用于包含90%水泥组分(例如,70%OPC和10%CO2-截存组分)和20%飞灰的成形建筑材料的二元混合物。并且任选地,在此类实施方式中,所生成的成形建筑材料可在第7天具有至少4000psi的压缩强度和/或在第28天具有至少6000psi的压缩强度。在收缩率方面,此类实施方式中的成形建筑材料可具有第7天小于-0.015%、第14天小于-0.020%、第21天小于-0.025%和/或第28天小于-0.030%的收缩率(SEAONC方法)。在一些实施方式中,提供了用于包含85%水泥组分(例如,70%OPC和15%CO2-截存组分)和15%飞灰的成形建筑材料的二元混合物。并且任选地,在此类实施方式中,所生成的成形建筑材料可在第7天具有至少4000psi的压缩强度和/或在第28天具有至少6000psi的压缩强度。在收缩率方面,此类实施方式中的成形建筑材料可具有第7天小于-0.015%、第14天小于-0.020%、第21天小于-0.025%和/或第28天小于-0.030%的收缩率(SEAONC方法)。在一些实施方式中,提供了用于包含85%水泥组分(例如,70%OPC和15%CO2-截存组分)和15%矿渣的成形建筑材料的二元混合物。在一些实施方式中,提供了用于包含60%水泥组分(例如,40%OPC和20%CO2-截存组分)和40%矿渣的成形建筑材料的二元混合物。并且任选地,在此类实施方式中,所生成的成形建筑材料可在第7天具有至少6000psi的压缩强度和/或在第28天具有至少8000psi的压缩强度。在收缩率方面,此类实施方式中的成形建筑材料可具有第7天小于-0.015%、第14天小于-0.020%、第21天小于-0.025%和/或第28天小于-0.030%的收缩率(SEAONC方法)。在一些实施方式中,提供了用于包含50%水泥组分(例如,30%OPC和20%CO2-截存组分)和50%矿渣的成形建筑材料的二元混合物。并且任选地,在此类实施方式中,所生成的成形建筑材料可在第7天具有至少6000psi的压缩强度和/或在第28天具有至少8000psi的压缩强度。在收缩率方面,此类实施方式中的成形建筑材料可具有第7天小于-0.015%、第14天小于-0.020%、第21天小于-0.025%和/或第28天小于-0.030%的收缩率(SEAONC方法)。在一些实施方式中,提供了用于包含40%水泥组分(例如,20%OPC和20%CO2-截存组分)和60%矿渣的成形建筑材料的二元混合物。并且任选地,在此类实施方式中,所生成的成形建筑材料可在第7天具有至少5000psi的压缩强度和/或在第28天具有至少6000psi的压缩强度。在收缩率方面,此类实施方式中的成形建筑材料可具有第7天小于-0.015%、第14天小于-0.020%、第21天小于-0.025%和/或第28天小于-0.030%的收缩率(SEAONC方法)。
关于水泥组分(无论是单独的CO2-截存组分还是包含常规水泥和CO2-截存组分的水泥掺合物)与散状补充性胶结材料(所述散状补充性胶结材料包括,例如,相对于任何其他补充性胶结材料过量的飞灰、矿渣或变高岭石之一)的组合,最佳地描述了三元混合物(以及四元混合物、五元混合物等)。在此类三元混合物(以及四元混合物、五元混合物等)中,散状补充性胶结材料(例如,飞灰、矿渣或变高岭石)可以是水泥组分与散状补充性胶结材料(例如,表A1或表A2中的飞灰、矿渣和/或变高岭石)的组合的至少1%、2%、3%、4%、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%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%或80%(重量)。在一些实施方式中,散状(bulk)补充性胶结材料(例如,飞灰、矿渣或变高岭石)可以少于水泥组分与散状补充性胶结材料(如表A1或表A2中的飞灰、矿渣和/或变高岭石)的组合的80%、79%、78%、77%、76%、75%、74%、73%、72%、71%、70%、69%、68%、67%、66%、65%、64%、63%、62%、61%、60%、59%、58%、57%、56%、55%、54%、53%、52%、51%、50%、49%、48%、47%、46%、45%、44%、43%、42%、41%、40%、39%、38%、37%、36%、35%、34%、33%、32%、31%、30%、29%、28%、27%、26%、25%、24%、23%、22%、21%、20%、19%、18%、17%、16%、15%、14%、13%、12%、11%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%或1%(重量)。上述比例的组合也是可能的。例如,在一些实施方式中,散状补充性胶结材料可以是水泥组分与散状补充性胶结材料(如表A1或表A2中的飞灰、矿渣和/或变高岭石)的组合的至少1%且小于60%、至少5%且小于30%、至少10%且小于30%(重量)。
进一步关于此类三元混合物(以及四元混合物、五元混合物等),在一些实施方式中,散状补充性胶结材料与水泥组分(无论水泥组分是单独的CO2-截存组分还是包含常规水泥和CO2-截存组分的水泥掺合物)的组合可占该三元混合物的至少1%、2%、3%、4%、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%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%或79%(重量),剩余的是一种或多种另外的补充性胶结材料,比如飞灰、矿渣和/或变高岭石(例如,表A1或表A2中的补充性胶结材料)。在一些实施方式中,散状补充性胶结材料与水泥组分(无论水泥组分是单独的CO2-截存组分还是包含常规水泥和CO2-截存组分的水泥掺合物)的组合可占该三元混合物的不到79%、78%、77%、76%、75%、74%、73%、72%、71%、70%、69%、68%、67%、66%、65%、64%、63%、62%、61%、60%、59%、58%、57%、56%、55%、54%、53%、52%、51%、50%、49%、48%、47%、46%、45%、44%、43%、42%、41%、40%、39%、38%、37%、36%、35%、34%、33%、32%、31%、30%、29%、28%、27%、26%、25%、24%、23%、22%、21%、20%、19%、18%、17%、16%、15%、14%、13%、12%、11%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%或1%(重量),剩余的是一种或多种另外的补充性胶结材料,比如飞灰、矿渣和/或变高岭石(例如,表A1或表A2中的补充性胶结材料)。在一些实施方式中,剩余的另外的补充性胶结材料可包含至少1%、2%、3%、4%、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%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%或79%的飞灰,任选地与一定量(重量百分比)的如本文(例如,表A1或表A2)所述的矿渣和/或变高岭石组合。在一些实施方式中,剩余的另外的补充性胶结材料可包含少于79%、78%、77%、76%、75%、74%、73%、72%、71%、70%、69%、68%、67%、66%、65%、64%、63%、62%、61%、60%、59%、58%、57%、56%、55%、54%、53%、52%、51%、50%、49%、48%、47%、46%、45%、44%、43%、42%、41%、40%、39%、38%、37%、36%、35%、34%、33%、32%、31%、30%、29%、28%、27%、26%、25%、24%、23%、22%、21%、20%、19%、18%、17%、16%、15%、14%、13%、12%、11%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%或1%的飞灰,任选地与一定量(重量百分比)的如本文(例如,表A1或表A2)所述的矿渣和/或变高岭石组合。在一些实施方式中,剩余的另外的补充性胶结材料可包含至少1%、2%、3%、4%、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%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%或79%的矿渣,任选地与一定量(重量百分比)的如本文(例如,表A1或表A2)所述的飞灰和/或变高岭石组合。在一些实施方式中,剩余的另外的补充性胶结材料可包含少于79%、78%、77%、76%、75%、74%、73%、72%、71%、70%、69%、68%、67%、66%、65%、64%、63%、62%、61%、60%、59%、58%、57%、56%、55%、54%、53%、52%、51%、50%、49%、48%、47%、46%、45%、44%、43%、42%、41%、40%、39%、38%、37%、36%、35%、34%、33%、32%、31%、30%、29%、28%、27%、26%、25%、24%、23%、22%、21%、20%、19%、18%、17%、16%、15%、14%、13%、12%、11%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%或1%的矿渣,任选地与一定量(重量百分比)的如本文(例如,表A1或表A2)所述的飞灰和/或变高岭石组合。在一些实施方式中,剩余的另外的补充性胶结材料可包含至少1%、2%、3%、4%、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%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%或79%的变高岭石,任选地与一定量(重量百分比)的如本文(例如,表A1或表A2)所述的矿渣和/或飞灰组合。在一些实施方式中,剩余的另外的补充性胶结材料可包含少于79%、78%、77%、76%、75%、74%、73%、72%、71%、70%、69%、68%、67%、66%、65%、64%、63%、62%、61%、60%、59%、58%、57%、56%、55%、54%、53%、52%、51%、50%、49%、48%、47%、46%、45%、44%、43%、42%、41%、40%、39%、38%、37%、36%、35%、34%、33%、32%、31%、30%、29%、28%、27%、26%、25%、24%、23%、22%、21%、20%、19%、18%、17%、16%、15%、14%、13%、12%、11%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%或1%的变高岭石,任选地与一定量(重量百分比)的如本文(例如,表A1或表A2)所述的矿渣和/或飞灰组合。
在生产成形建筑材料的过程中,一定量的CO2-截存组分可与水和其它额外的组分组合,所述额外组分可包括但不限于粘土、页岩、软板岩、硅酸钙、采石场原石、波特兰水泥、飞灰、矿渣水泥、集料(例如,高炉矿渣、底灰、砾石、石灰石、花岗石、沙子等)、硅灰、火山灰、增强材料(如钢或聚合结构等),然后成形为最终所需的建筑材料结构。制造方案可包括挤出,伴随或不伴随干粉的加热,用淡水、来自反应器的浆液将粉末制成糊状物,等等。同样感兴趣的是包括使用滚筒例如生产片材或使用具有印痕的滚筒产生形状的制造方案。此外,压缩模塑制造方案可具有用途,例如干式模塑、添加一些水并模塑,随后在一些情况下烧结,等等。制造方案可包括向CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的沉淀物料)的干组合物加水(需要或无需额外的粘合剂,如塑料、波特兰水泥等)并铸造物品。某些方案可包括加热材料以通过将水转变为内部蒸汽来生产成形建筑材料。同样感兴趣的是这样的方案:其中将一定量的沉淀物料保持在户外场地以使其淋雨,使淡水再循环通过该材料以溶解亚稳态形式并再沉淀为稳定形式,将其在室温或升高的温度下置于水中一段时间,然后由凝固的产物生产成形材料。
不用于生产成形建筑材料的材料可用作无定形建筑材料。与成形建筑材料一样,使用无定形建筑材料可引起显著的碳减少。例如,抵消波特兰水泥的使用所致的水泥信用度(cement credit)(即,避免CO2)与来自化石点源的截存碳的量这两方面的结合可引起显著的碳减少。每吨包含CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的材料可导致高达1吨或更多,比如1.2吨或更多,包括1.6吨或更多,例如2吨或更多CO2的CO2减少。包含CO2-截存组分(例如,包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的多种二元、三元、四元等掺合物可导致这样的减少。无论是针对成形建筑材料还是无定形建筑材料,CO2-截存组分连同飞灰、矿渣和/或波特兰水泥一起可用作例如水泥替代物(或部分水泥替代物),以生产具有低、中性(即,0)或负性碳足迹的掺合水泥。这样的掺合水泥在28天或更短时间,例如14天或更短时间,也可以具有1,000psi或以上,包括2,000psi或以上,例如2,500psi或以上的压缩强度。因此,具有低、中性(即,0)或负性碳足迹的掺合水泥可生产适合在混凝土路面应用中使用的优质混凝土。
本文还提供了用作无定形建筑材料或在成形建筑材料中使用的低、中性和负性碳足迹的混凝土混合物。在一些实施方式中,低、中性或负性碳足迹的混凝土混合物包含掺合水泥(例如,包含含有碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的CO2-截存组分的补充性胶结材料,与飞灰、矿渣和/或波特兰水泥组合)和集料(例如,集料是粗集料;细集料,如沙子;等等),所述集料可根据于2009年5月29日提交的美国专利申请第12/475,378号由CO2-截存组分来制备,该申请通过引用并入本文。此类组合物可包括例如具有大约20%或更高,例如35%或更高,包括50%或更高的CO2-截存组分含量的细集料(例如,沙子)。在一些实施方式中,低、中性或负性碳混凝土的压缩强度在第28天为2,500psi或更大,例如3000psi或更大,包括在第28天为4,000psi。一些实施方式提供在第28天呈现4,000psi的压缩强度的负性碳足迹混凝土。同等的早期强度(即,第28天)允许使用低、中性或负性碳足迹混凝土,而不会不利地影响施工进度。
实施方式获得了不仅满足强度和早期强度标准(如上),而且像普通混凝土一样修整的低、中性或负碳足迹混凝土。掺合水泥-混凝土组合物以与常规波特兰水泥-混凝土组合物相似的方式表现,从而使得掺合水泥-混凝土组合物能够在相似的位置使用且发挥相似的功能。在一些实施方式中,可在成形建筑材料中使用掺合水泥-混凝土组合物。在一些实施方式中,掺合水泥-混凝土组合物可用于无定形建筑材料。例如,可将掺合水泥-混凝土组合物铺设于停车区(例如,5,000平方英尺的停车场)。由于此类组合物具有较高的反照率,掺合水泥-混凝土组合物通过降低照明需求而减少碳排放。这种碳排放的减少可在掺合水泥-混凝土组合物的整个使用寿命期间发生。例如,与沥青停车区相比较,低、中性或负性碳足迹混凝土停车区的反照率和亮度测量值可用于确定所需的光照的差异,并因此可用于确定由于使用较高反照率的混凝土组合物而成为可能的碳减排水平。对此类组合物的反照率试验证实了都市热岛减低能力,例如,减低2倍或更多、5倍或更多、10倍或更多、20倍或更多。
应用
建筑材料在多种不同的应用中具有用途。可应用该建筑材料的具体结构包括但不限于:建筑物(商业和住宅两者),基础结构,如墙壁、声屏障、管线等,以及其它人造结构。
本发明的方法和系统在CO2截存,尤其是通过在建筑环境中的截存方面具有用途。截存CO2包括除去或隔离来自气流如废气流的CO2并将其固定成稳定的非气体形式,以使CO2无法逃逸到大气中。CO2截存包括将CO2设置成储存稳定的形式,例如建筑环境的组分,如建筑物、道路、水坝、堤坝、地基等。因此,CO2的截存导致防止CO2气体进入大气并以CO2不会成为大气的一部分的方式长期储存CO2。所谓储存稳定的形式是指这样一种物质形式,它可以在暴露的条件(即,对大气、水下环境等开放)下储存于地上或水下,而在例如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年或更长的长期时间内没有显著的(如果有的话)降解,假设感兴趣的建筑材料保持在其预期用途的正常环境下。
提出了以下实施例,以便向本领域普通技术人员提供完整的公开内容和描述,而并非旨在限制本发明人视为其发明的范围,也并非旨在表示以下实验是全部或者仅仅是被实施的实验。已努力确保所用数字(例如,量、温度等)的准确性,但是应该会有一些实验误差和偏差。
实施例
根据本公开内容生产的材料使用一种或多种以下分析仪器和/或方法进行表征。
库仑法:用2.0N高氯酸(HClO4)酸化液体和固体含碳样品,以将二氧化碳气体析出到载气流中,并且随后在用无机碳库仑计(UICInc,型号CM5015)分析之前用pH3.0的3%w/v硝酸银擦洗,以除去任何析出的含硫气体。在添加高氯酸之后,用加热模块加热水泥、飞灰和海水样品以帮助样品的消化。
Brunauer-Emmett-Teller(“BET”)比表面积:比表面积(SSA)测量是通过双氮表面吸附(BET法)进行的。在用FlowprepTM 060样品脱气系统准备样品之后,用Micromeritics TristarTM II3020比表面积和孔隙率分析器测量干样品的SSA。简单地说,样品准备包括在暴露于双氮气体流的同时于升高的温度下对约1.0g干样品进行脱气,以从样品表面除去残余水蒸气和其它吸附物。随后排空样品架中的吹扫气体,并且冷却样品,之后暴露于一系列递增压力(与吸附膜厚度有关)下的双氮气体。在覆盖表面之后,通过系统性降低样品架中的压力使双氮从颗粒表面释放出来。测量解吸附的气体并将其转变为总表面积测量值。
粒径分析(“PSA”):使用静态光散射测量粒径分析和分布。将干颗粒悬浮于异丙醇中,并在双波长/激光设置中用Horiba粒径分布分析仪(型号LA-950V2)对其进行分析。使用米氏散射理论计算作为0.1mm-1000mm的粒级的函数的颗粒群。
粉末X射线衍射(“XRD”):使用Rigaku MiniflexTM(Rigaku)进行粉末X射线衍射,以鉴定结晶相,并估计不同的可鉴定的样品相的质量分数。将干燥的固体样品手工磨成细粉,并将其载于样品架上。X射线源是以30kV和15mA供电的铜阳极(Cu kα)。X射线扫描在5-90°2θ内以2°2θ/分钟的扫描速率和0.01°2θ/步的步长运行。使用X射线衍射图样分析软件JadeTM(第9版,Materials Data Inc.(MDI))通过Rietveld精修分析X射线衍射谱。
傅里叶变换红外(“FT-IR”)光谱分析:在配备有灵敏漫反射(Smart Diffuse Reflectance)模块的Nicolet380上进行FT-IR分析。所有样品称取3.5±0.5mg,并用0.5g KBr手工研磨,随后按压并弄平,之后插入到FTIR中进行5分钟氮吹扫。在400-4000cm-1范围内记录光谱。
扫描电子显微镜检查(“SEM”):使用在30-65Pa的工作压力下采用15kV的固定加速电压的Hitachi TM-1000钨丝台式显微镜和单一BSE半导体检测器进行SEM。使用碳基粘合剂将固体样品固定于台面上;在分析之前将湿样品于石墨台上真空干燥。使用OxfordInstruments SwiftED-TM系统进行EDS分析,该系统的传感器的检测范围为11Na-92U且能量分辨率为165eV。
或者,使用能够在10-8-300Pa的工作压力下以0.5-30kV的加速电压运行的Hitachi SU-6600场发射显微镜进行SEM。可利用的检测器包括SE、BSE和ESED。EDX分析采用Oxford Instruments INCAEnergy SEM350能量色散微量分析(Energy Dispersive Microanalysis)系统,其带有INCA X-ACT分析漂移检测器(Analytical DriftDetector),检测范围为Be-Pu,分辨率为129eV。样品准备包括利用碳基粘合剂或银涂料固定于台面上。在分析之前给非导电性样品涂覆一薄层金或碳。
氯化物:使用ChlorideTest Strips(产品编号:2751340)测定氯化物浓度,其检测范围为300-6000mg氯化物/升溶液,以100-200ppm增量测量。
X射线荧光(“XRF”):使用配备有银阳极X射线源和Peltier冷却的Si(Li)X射线检测器的Thermo Scientific ARL QUANT′X能量色散XRF分光仪对固体粉末样品进行XRF分析。使用铝制样品杯将样品压成31mm的丸粒。对于每个样品,获取三个不同的光谱,每个光谱都针对特定元素的分析进行调整:第一个在4kV下不使用X射线滤波器,第二个在18kV下使用薄的银滤波器,而第三个在30kV下使用厚的银滤波器,均在真空条件下。使用WinTrace软件,采用通过用经认证的标准材料校准而获得的Fundamental Parameters分析法分析光谱。
热重分析(“TGA”):使用TA Instruments SDT O600对固体粉末样品进行TGA分析,同时进行TGA/DSC(差示扫描量热法)。将氧化铝坩埚中的样品置于加热炉中,将加热炉以20℃/分钟的恒定升温速率从室温加热至1000℃。使用通用分析(Universal Analysis)软件对该温度上的重量损失谱进行分析。
电感耦合等离子体发射光谱法(“ICP-OES”):使用配备有CETAC自动进样器的Thermo ICAP6500对典型酸化的液体样品进行ICP-OES分析。使用iTEVA控制软件进行数据采集和分析。虽然尚未确定这种方法的检出限,但典型的检出限处于ppm范围内。使用配备有ESI SEA快速自动进样器(其配备有用于基质消除分析物预浓缩的螯合柱)的ICAP6500分析含有高浓度溶解盐(Na、Ca、Mg)的样品。
实施例1
用作混凝土中的部分水泥替代物的沉淀物料的制备
将900加仑海水以大约20加仑/分钟泵送至具有带盖的顶部空间的1000加仑罐中。用于搅拌、仪器装设、罐进入和试剂添加的开放进入口位于罐的顶部。一排气体分布器位于底部,用于鼓入二氧化碳/空气混合物。喷入反应器的气体混合物中大约30%(v/v)是二氧化碳气体。当气体以40-501pm的总流速喷入罐中时,用顶置混合器搅拌海水。初始海水温度在15-20℃范围内。
将50%氢氧化钠(w/w)的水溶液泵送至搅拌中的鼓泡容器中以维持大约pH9.0的pH。用于维持所需pH的自动控制器调节氢氧化钠的流速。
在向搅拌中的鼓泡容器中添加12kg的50%氢氧化钠之后,停止向容器中加入苛性添加剂和二氧化碳气流。继续向容器中鼓入气体,并且维持搅拌,直到用二氧化碳吹扫气体管道。然后停止气体鼓入,但是维持搅拌,以保持浆状物为悬浮状态。最终浆状物的温度在15-25℃范围内。
将生成的浆状物泵送至另一个具有圆锥形底部并在底部具有出口的带盖罐中。使浆状物沉降过夜。第二天倾出上清液,并对沉降的浆状物进行真空过滤。
将滤饼再悬浮于淡水中,以生成可泵送的浆状物用于喷雾干燥。将浆状物进行喷雾干燥,并从喷雾干燥器产物收集旋风分离器中收集产物。
X射线荧光(“XRF”)(表8)和库仑法(表9)数据表明沉淀物料主要由碳酸钙组成。
Na | Mg | Al | Si | S | Cl | K | Ca | Fe | |
重量% | 1.44 | 0.27 | 0.22 | 0.24 | 0.14 | 1.52 | 0.01 | 37.99 | 0.14 |
表8:沉淀物料的XRF元素分析
%CO2 |
重量% | 40.85 |
表9:CO2百分含量(库仑法)
对沉淀物料的X射线衍射(“XRD”)分析(图2)表明存在作为主相的文石(CaCO3)和作为次要组分的石盐(NaCl)。
还提供了沉淀物料在1000x(左)和4000x(右)下的扫描电子显微镜(SEM)图像。
实施例2
成形材料
A.混凝土圆柱(或立柱)
混凝土圆柱是由一批用如实施例1中所述的喷雾干燥沉淀物料制备的混凝土制成的。沉淀物料用作波特兰水泥的部分水泥替代物,替代17%(质量)的波特兰水泥。所述批次在小混合鼓中混合,采用以下混合重量。
根据ASTM C31形成测量为4″×8″的圆柱。每个圆柱在两个同样的层面加固并且每层用3/8″棒杆夯实25次。然后用混凝土馒刀修整圆柱并封端。圆柱的完整性允许将圆柱切割成0.75″-1.5″厚的部分,然后将各部分的两侧磨光。
B.混凝土瓦(改变的尺寸)
将如实施例1所述制备的沉淀物料的滤饼喷雾干燥至约4%的含水量。然后将喷雾干燥的物料与普通V型波特兰水泥以4∶1的比例(普通波特兰水泥∶喷雾干燥的沉淀物料)干混,从而获得总胶结混合物。将总胶结混合物与细集料、粗集料和水混合,从而形成混凝土混合物。产物在小混凝土混合鼓中混合在一起。添加的量如下:48.4磅总胶结物料(9.7磅碳酸盐文石、38.7磅V型波特兰水泥)、24.2磅自来水、111磅细集料和136磅粗集料。将混凝土混合物从混合鼓中转移到推车中。然后从推车中舀出混凝土以形成瓦的形式。瓦的尺寸为609.6mm×609.6mm×88.9mm,为上文所述的瓦厚度的大约3倍(即,“改变的”)。混凝土用5/8″捣固杆加固到模板(forms)中,以防止出现孔洞。将瓦刮平并用平滑馒刀修整。第二天,移去模板,得到改变的混凝土瓦。
C.铺石
本研究涉及使用碳酸盐组合物制造铺石。通过掺合六批使用相似条件和试剂制备的碳酸盐组合物来制备碳酸盐组合物。通过在15加仑的沉淀罐中混合盐水溶液(海水中包含0.19M Ca)和碱性溶液(包含0.5M NaOH(pH10.8-11.2)和通过将CO2混入NaOH溶液而获得的碳酸盐)来制备碳酸盐组合物。使用Lamella和Andritz进行脱水,并对组合物进行喷雾干燥。罐或沉淀器中的浆状物显示在2.4std下的粒径分析(PSA)结果为4.2μm;且六方碳钙石含有痕量的方解石。Lamella中的浆状物显示在3.5std下的PSA结果为7μm;且六方碳钙石含有痕量的方解石。Andritz中的浆状物显示在2.6std下的PSA结果为3.7μm和可检测量的方解石。干燥的物料显示3.5μm的平均粒径;BET 12m2/g;83%的六方碳钙石;和17%的方解石。
在用水处理之后,将掺合的碳酸盐组合物浇注成铺石。
下面在表10中提供了关于含有20%碳酸盐组合物(如上所述为六种组合物的掺合物)和80%OPC的组合物的一些数据。
表10:关于含有20%碳酸盐组合物的组合物的数据
D.铺石
本研究涉及使用碳酸盐组合物制造铺石。通过掺合三批使用相似条件和试剂制备的碳酸盐组合物来制备该碳酸盐组合物。
通过在带有直列式混合器的15加仑沉淀罐中混合盐水溶液(在城市用水中含有0.17M Ca、0.02M Mg(Mg作为MgCl2)和0.01M SO4(Na2SO4作为硫酸盐来源))和碱性溶液(包含0.5M NaOH(pH10.7-10.9)和通过将CO2混入NaOH溶液而获得的碳酸盐)来制备碳酸盐组合物1。
通过在带有直列式混合器的15加仑沉淀罐中混合盐水溶液(在城市用水中含有0.2M Ca、0.01M Mg(Mg作为MgCl2)和0.01M SO4(Na2SO4作为硫酸盐来源))和碱性溶液(包含0.5M NaOH(pH10.7-10.9)和通过将CO2混入NaOH溶液而获得的碳酸盐)来制备碳酸盐组合物2。
通过在带有直列式混合器的15加仑沉淀罐中混合盐水溶液(在城市用水中含有0.2M Ca、0.01M Mg(Mg作为MgCl2)和0.01M SO4(Na2SO4作为硫酸盐来源))和碱性溶液(包含0.5M NaOH(pH10.7-10.9)和通过将CO2混入NaOH溶液而获得的碳酸盐)来制备碳酸盐组合物3。
将这三种碳酸盐组合物掺合在一起。将由此获得的碳酸盐组合物与OPC和矿渣混合,使得混合设计为40%的OPC、40%的矿渣和20%的碳酸盐组合物。在用水和集料处理之后,将掺合的组合物浇注到铺石模具中并压制。一旦完成,将铺石从模具中移出并储存在架子上进行固化。表11示出了单独的普通波特兰水泥以及与该碳酸盐组合物混合的普通波特兰水泥的压缩强度。
表11.采用单独的普通波特兰水泥(OPC)混合物以及与碳酸盐组合物混合的OPC混合物的铺石混合物的性质。
E.铺石
本研究涉及使用碳酸盐组合物制造铺石。使用与如上述实施例中给出的相似的试剂和条件制备碳酸盐组合物。该碳酸盐组合物(约99%的单分散的六方碳钙石;粒径约2.5微米)与OPC和矿渣(XRF:Al2O3 11%、SiO2 30%、CaO 45%;BET 107m2/g;PSA 8μm;XRD:无定形,无水石膏-CaSO4)混合,以使混合设计为40%的OPC、40%的矿渣和20%的碳酸盐组合物。在添加集料并用水(水:水泥比为0.39)处理后,将掺合的组合物浇注到铺石模具中并压制。一旦完成,将铺石从模具中移出并储存在架子上。铺石在没有额外的热量或湿度的情况下固化。XRD显示添加碳酸盐组合物引起单碳铝酸盐的形成。表12提供了根据ASTM C140-8A第7部分测出的铺石的压缩强度:
表12.包含40%OPC、40%矿渣和20%碳酸盐组合物的铺石的性质。
在此列举的所有实例和条件语言主要旨在帮助读者理解本发明的原理和本发明人提出的概念以便推广技术,并且应理解为不对这些具体列举的实例和条件加以限制。而且,在此列举本发明的原理、方面和实施方式及其具体实施例的所有阐述旨在涵盖结构及其功能等价物二者。另外,这样的等价物旨在包括目前已知的等价物及未来开发的等价物,即所开发的执行相同功能的任何部件,而与结构无关。因此,本发明的范围不打算限于本文显示和描述的示例性实施方式,因为这些实施方式仅通过举例提供。实际上,在不背离本发明的情况下,本领域技术人员现在可想到许多改变、变化和取代。下面的权利要求旨在限定本发明的范围,并且也由此涵盖这些权利要求范围内的方法和结构及其等价物。
Claims (20)
1.一种干式墙产品,其包含:CO2-截存组分,其中所述CO2-截存组分包含含有选自无定形碳酸钙、六方碳钙石及其组合的亚稳态碳酸盐的碳酸钙,其中所述CO2-截存组分具有小于-15%的δ13C,并且其中所述干式墙产品具有5%-90%的孔隙率和500-3000psi的压缩强度。
2.如权利要求1所述的干式墙产品,其中所述干式墙产品进一步包含纸浆。
3.如权利要求1或2所述的干式墙产品,其中所述干式墙产品进一步包含石膏。
4.如任一项前述权利要求所述的干式墙产品,其中所述干式墙产品进一步包含选自抗干燥剂、增塑剂、纤维材料、促进剂、缓凝剂、起泡剂、防霉剂、防火剂、聚乙烯醇及其组合的添加剂。
5.如任一项前述权利要求所述的干式墙产品,其中所述干式墙产品具有0.1-3MPa的弯曲强度。
6.如任一项前述权利要求所述的干式墙产品,其中所述干式墙产品进一步包含选自飞灰、矿渣、水泥窑灰及其组合的回收材料。
7.如任一项前述权利要求所述的干式墙产品,其中所述干式墙产品不包含纸。
8.如任一项前述权利要求所述的干式墙产品,其中所述干式墙产品在其外部进一步包含两片纸或玻璃纤维。
9.如任一项前述权利要求所述的干式墙产品,其中所述干式墙产品包含50-99重量%的碳酸盐、碳酸氢盐、或碳酸盐与碳酸氢盐的组合。
10.如任一项前述权利要求所述的干式墙产品,其中所述干式墙产品的厚度为5-50mm。
11.一种生产干式墙产品的方法,包括:
a)用工艺用水处理包含二氧化碳的废气流以生产组合物,其中所述组合物包含含有选自无定形碳酸钙、六方碳钙石及其组合的亚稳态碳酸盐的碳酸钙,其中所述碳酸钙具有小于-15%的δ13C;
b)由所述组合物生产干式墙浆状混合物;和
c)沉积所述干式墙浆状混合物以形成所述干式墙产品,其中所述干式墙产品具有5-90%的孔隙率和500-3000psi的压缩强度。
12.如权利要求11所述的方法,其中所述亚稳态碳酸盐在所述干式墙产品成形时转化为稳定的碳酸盐。
13.如权利要求11或12所述的方法,进一步包括将所述组合物浓缩至干,以生产干组合物。
14.如权利要求13所述的方法,其中所述干组合物用浆水进行浆化以生产干式墙浆状混合物。
15.如权利要求11-14中任一项所述的方法,其中所述生产步骤进一步包括向所述干式墙浆状混合物中加入石膏。
16.如权利要求11-15中任一项所述的方法,其中所述方法进一步包括向所述干式墙浆状混合物中加入添加剂,其中所述添加剂选自抗干燥剂、纤维材料、促进剂、缓凝剂、增塑剂、起泡剂、聚乙烯醇、防火剂、防霉剂及其组合。
17.如权利要求11-16中任一项所述的方法,其中所述方法进一步包括向所述干式墙浆状混合物中添加回收材料,其中所述回收材料选自飞灰、矿渣、水泥窑灰及其组合。
18.如权利要求11-17中任一项所述的方法,其中所述干式墙浆状混合物在不具有背衬材料的模具中或在两片背衬材料之间沉积,其中所述背衬材料包括纸片或玻璃纤维片。
19.如权利要求11-18中任一项所述的方法,其中所述废气流是来自发电厂的烟道气。
20.根据权利要求11-19中任一项所述的方法生产的干式墙产品。
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