CN114555539A - 由含钙岩石和矿物生产氧化钙或普通波特兰水泥的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明的方面包括水泥材料的生产方法，包括如下步骤：将含钙起始材料与第一酸进行第一反应以产生含水的第一钙盐；将含水的第一钙盐与第二酸进行第二反应以产生固体的第二钙盐；其中第二酸不同于第一酸且第二钙盐不同于第一钙盐；和将第二钙盐热处理以产生第一水泥材料。优选地但非必要地，在第二反应步骤期间，第一钙盐和第二酸之间的反应使第一酸再生。

Description

由含钙岩石和矿物生产氧化钙或普通波特兰水泥的工艺
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年8月13日提交的美国临时申请No.62/886,137、2019年10月10日提交的美国临时申请No.62/913,620、2019年11月7日提交的美国临时申请No.62/932,200和2020年5月4日提交的美国临时申请No.63/019,916的权益和优先权，所述美国临时申请各自特此在不与本文矛盾的程度上以其整体通过援引并入。
背景技术
水泥材料(包括普通波特兰水泥(Ordinary Portland Cement))的生产技艺面临相当大的挑战、不足和/或缺陷。例如，常规的水泥生产工艺为能量密集的，产生使环境恶化的副产物例如CO2和/或SO2，和仅利用受限范围的原料(主要是简单的基于钙的材料例如碳酸钙(石灰石)或开采的硫酸钙(石膏))。本申请克服本领域中的这些和其它挑战。
发明内容
本文中提供水泥材料的生产方法，其具有下面的优势或特征的任意组合：与现有途径相比为较不能量密集的，其中一些实施方式为净能量中和的(平衡的，neutral)或甚至产生净能量的，使某些反应物(试剂，reagent)再生，以净反应没有SO2和/或CO2为特征，回收某些副产物(byproduct)，不包括产生CO2，可利用更宽范围的原料材料(包括更复杂材料)，产生增值副产品(side product)，和/或产生复合水泥材料。
本文中包括生产水泥材料的方法，其使用其中材料与两种不同的酸和/或以两个不同的酸反应步骤反应的双酸途径。这些途径的优势包括上述的优势和特征的全部或大多数。例如，所公开的双酸途径提供如下能力：蒸煮(浸提，digest)复杂的含钙材料(包括具有Ca和其它金属(包括准金属)元素如Si、Al的那些材料以及其它物种(species))，和甚至由那些非-Ca金属形成增值副产品，同时还使反应物酸再生。显著地，这些方法还可没有CO2产生且可包括将SO2转化为反应物酸，由此消除或大幅减少基于CaSO4的水泥制造途径的SO2排放。
发明的方面包括水泥材料的生产方法，包括如下步骤：将含钙起始材料与第一酸进行第一反应以产生含水(水性，水相)的第一钙盐；将含水的第一钙盐与第二酸进行第二反应以产生固体的第二钙盐；其中第二酸不同于第一酸且第二钙盐不同于第一钙盐；和热处理一种或多种钙盐以产生第一水泥材料。优选地但非必要地，所述一种或多种钙盐为第二钙盐。优选地但非必要地，在第二反应步骤期间，第一钙盐和第二酸之间的反应使第一酸再生。优选地但非必要地，所述方法以净反应没有成酸气体产物为特征。优选地但非必要地，所述方法包括形成以纯度大于或等于90干重％纯度为特征的固体的第二钙盐。优选地但非必要地，本文中公开的所述方法的任一个包括在第一反应步骤之后且在第二反应步骤之前的第一分离步骤；第一分离步骤包括将第一含水级分与第一固体级分分离；其中第一含水级分包括含水的第一钙盐且第一固体级分包括在第一反应步骤期间形成的一种或多种固体副产物。优选地但非必要地，本文中公开的所述方法的任一个包括在第二反应步骤之后且在热处理步骤之前的第二分离步骤；第二分离步骤包括将第二固体级分与第二含水级分分离；其中第二固体级分包括固体的第二钙盐且第二含水级分包括在第二反应步骤期间形成的一种或多种含水副产物。优选地，固体级分以干质量的至少90wt.％是第二钙盐为特征。
优选地但非必要地，本文中公开的所述方法的任一个包括第二酸再生步骤；其中第二酸再生步骤包括将热处理步骤的一种或多种气体产物转化为第二酸。任选地，第二酸再生步骤为根据式FX1A进行的非电化学过程：SO2+1/2O2+H2O→H2SO4(FX1A)，其中：FX1A中的SO2为热处理步骤的气体产物；FX1A中产生的H2SO4在第二反应步骤期间用作第二酸的至少一部分。任选地，第二酸再生步骤为根据式FX1B进行的非电化学过程：SO2+H2O→H2SO3(FX1B)，其中：FX1B中的SO2为热处理步骤的气体产物；FX1B中产生的H2SO3在第二反应步骤期间用作第二酸的至少一部分。任选地，第二酸再生步骤包括(i)将二氧化硫电化学氧化为硫酸和(ii)经由还原反应形成氢气；和其中第二酸再生步骤根据式FX2进行：SO2+2H2O→H2SO4+H2(FX2)；其中：FX2中的SO2为热处理步骤的气体产物；FX2中产生的H2SO4在第二反应步骤期间用作第二酸的至少一部分。任选地，热处理步骤包括使用由将作为第二酸再生的结果形成的氢气氧化而产生的能量。例如，经由所述方法产生的氢气可用于例如经由燃料电池或涡轮机驱动电化学步骤。任选地，将二氧化硫电化学氧化包括使用作为第二酸再生步骤的结果产生的能量。注意，当将H2SO4加入到包含MgCl2和CaCl2两者的溶液时，只有CaSO4会沉淀。若将H2SO3加入到MgCl2和CaCl2的溶液，则MgSO3和CaSO3两者均会沉淀。考虑到目前存在法规反对在水泥中具有Mg，因此含钙起始材料优选地具有低-Mg含量以使沉淀的Mg材料的量最少化。
任选地，在第二反应步骤期间，第一钙盐和第二酸之间的反应根据式FX3使第一酸再生：CaCl2(aq)+H2SO4->CaSO4(s)+2HCl(FX3)；其中：第一钙盐为CaCl2；第一酸为HCl；第二酸为H2SO4；和第二钙盐为CaSO4。
含钙起始材料包含Ca。含钙起始材料具有包含元素Ca的化学组成。优选地，含钙起始材料具有如下的包含元素Ca的化学组成：其中所述含钙起始材料中的Ca的重量百分比和/或摩尔百分比为至少0.001％、优选地至少0.01％、优选地至少0.1％、更优选地至少1％、进一步更优选地至少5％、甚至更优选地至少10％和还更优选地至少20％。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，含钙起始材料具有如下的包含元素Ca的化学组成：其中所述含钙起始材料中的Ca的重量百分比和/或摩尔百分比选自1％至80％、任选的1％至60％、任选的1％至55％、任选的1％至50％的范围。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，含钙起始材料包括至少一种多元金属氧化物材料，其具有包含Ca和至少一种选自Al、Si、Fe、Mn和Mg的其它金属元素的组成。任选地，所述至少一种多元金属氧化物的组成包含小于或等于55wt.％的Ca。任选地，所述至少一种多元金属氧化物的组成包含小于或等于60wt.％的Ca。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，所述至少一种多元金属氧化物材料为至少一种天然岩石或矿物。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，所述至少一种天然岩石或矿物包括玄武岩、火成磷灰石(appetite)、硅灰石、斜长石、蒙脱石、膨润土、含钙长石、钙长石、透辉石、辉石、辉石岩、橄辉钾霞岩(mafurite)、钾霞橄黄长岩(kamafurite)、单斜辉石、硬硼钙石(colemonite)、钙铝榴石、普通辉石、易变辉石、珍珠云母、钙蛇纹石、石榴石、白钨矿(scheilite)、硅卡岩、石灰石、天然石膏、磷灰石、氟磷灰石或这些的任意组合。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，含钙起始材料包括水泥、混凝土、波特兰水泥、飞灰、熔渣(矿渣，炉渣，slag)或这些的任意组合。若含钙起始材料包括CaCO3，则在所述方法期间可产生CO2。然而，在产生CO2的情况下，CO2为高浓度的且可存储和/或利用。
任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一酸包括氢氯酸(HCl)。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一酸为氢氯酸。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第二酸包括硫酸(H2SO4)和/或亚硫酸(H2SO3)。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第二酸为硫酸和/或亚硫酸。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第二酸为硫酸。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第二酸为亚硫酸。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，含水的第一钙盐为氯化钙(CaCl2)。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，固体的第二钙盐为硫酸钙(CaSO4)和/或亚硫酸钙(CaSO3)。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，固体的第二钙盐为硫酸钙。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，固体的第二钙盐为亚硫酸钙(CaSO3)。优选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一水泥材料包括CaO。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一水泥材料为氧化钙(CaO)。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一水泥材料为氧化钙(CaO)或波特兰水泥熟料。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一水泥材料为波特兰水泥熟料。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，成酸气体产物为SO2和/或CO2。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，成酸气体产物为SO2。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，成酸气体产物为CO2。
优选地但非必要地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一反应步骤包括将含钙起始材料与氢氯酸反应以至少形成含水氯化钙、含水氯化铝和固体二氧化硅。优选地但非必要地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一分离步骤包括将包括含水氯化钙和含水氯化铝的第一含水级分与包括固体二氧化硅的第一固体级分分离。优选地但非必要地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第二反应步骤包括至少将含水氯化钙、含水氯化铝和硫酸反应以至少形成固体硫酸钙、含水硫酸铝和氢氯酸。优选地但非必要地，在本文中公开的所述方法的任一个中，热处理步骤包括加热硫酸钙以形成氧化钙。
优选地但非必要地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一反应步骤包括将含钙起始材料与氢氯酸反应以至少形成含水氯化钙、含水氯化铝、含水氯化铁、含水氯化镁和固体二氧化硅。优选地但非必要地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一分离步骤包括将包括含水氯化钙和含水氯化铝的第一含水级分与包括固体二氧化硅的第一固体级分分离。优选地但非必要地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第二反应步骤包括至少将含水氯化钙和硫酸反应以至少形成固体硫酸钙、固体硫酸钙和氢氯酸。优选地但非必要地，在本文中公开的所述方法的任一个中，热处理步骤包括加热硫酸钙以形成氧化钙。
任选地，本文中公开的所述方法的任一个包括离子交换步骤；其中离子交换步骤包括将第一钙盐和/或第二钙盐的一个或多个阴离子交换为一个或多个羟基阴离子以形成第三钙盐。任选地，离子交换步骤包括将第一钙盐和/或第二钙盐与螯合剂反应以形成钙-螯合剂化合物且将钙-螯合剂化合物与碱反应以形成第三钙盐。任选地，离子交换步骤包括将第一钙盐和/或第二钙盐与碱反应以形成第三钙盐。任选地，离子交换步骤包括使用离子交换膜来进行第一钙盐和/或第二钙盐的一个或多个阴离子交换为一个或多个羟基阴离子以形成第三钙盐。任选地，热处理步骤的一种或多种钙盐为第三钙盐。任选地，第三钙盐为Ca(OH)2。任选地，本文中公开的所述方法的任一个包括使螯合剂再生的步骤，其中使螯合剂再生的步骤包括产生第三钙盐。任选地，本文中公开的所述方法的任一个包括由第三钙盐形成第一水泥材料的步骤。任选地，由第三钙盐形成第一水泥材料的步骤包括将第三钙盐脱水或从钙-螯合剂化合物直接释放第一水泥材料(任选地经由碱进行)。例如，CaO可通过使用螯合剂或碱与CaCl2、CaSO3或CaSO4反应而形成。例如，然后螯合剂或碱可通过释放Ca(OH)2(其可脱水为CaO)或可从螯合剂直接释放CaO的方式而再生。例如，若CaSO4沉淀，则可将螯合剂例如EDTA与CaSO4反应以产生Ca-EDTA。例如，然后可使用碱例如NaOH直接产生Ca(OH)2和使EDTA再生。
优选地但非必要地，本文中公开的任一方法包括形成复合水泥材料的步骤；其中：(i)热处理步骤包括形成复合水泥材料的步骤且第一水泥材料为复合水泥材料或(ii)形成复合材料的步骤使用在热处理步骤期间形成的第一水泥材料进行。例如，在形成复合材料的步骤使用在热处理步骤期间形成的第一水泥材料进行的情况下，复合材料的形成可与第一水泥材料(如CaO)的形成同时发生或在第一水泥材料(如CaO)的形成之后接着发生。任选地，本文中公开的任一方法包括形成复合水泥材料的步骤；其中热处理步骤包括形成复合水泥材料的步骤且第一水泥材料为复合水泥材料。任选地，本文中公开的任一方法包括形成复合水泥材料的步骤；其中形成复合材料的步骤使用在热处理步骤期间形成的第一水泥材料进行。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，形成复合水泥材料的步骤包括将第二钙盐和/或第一水泥材料与一种或多种添加剂一起加热。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，形成复合水泥材料的步骤包括将第二钙盐与一种或多种添加剂一起加热。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个，形成复合水泥材料的步骤包括将第一水泥材料与一种或多种添加剂一起加热。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个，形成复合水泥材料的步骤是与热处理步骤同时进行的。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，在热处理步骤之后。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，复合水泥材料为波特兰水泥熟料。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，复合水泥材料为普通波特兰水泥和/或第一水泥材料为氧化钙。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一水泥材料为氧化钙。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，复合水泥材料为普通波特兰水泥。任选地，本文中公开的任一方法包括由含钙起始材料形成一种或多种添加剂。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，一种或多种添加剂为第一反应步骤的一种或多种副产物和/或由第一反应步骤的一种或多种副产物形成，和/或为第二反应步骤的一种或多种副产物和/或由第二反应步骤的一种或多种副产物形成。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，一种或多种添加剂为第一反应步骤的一种或多种副产物和/或由第一反应步骤的一种或多种副产物形成。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，一种或多种添加剂为第二反应步骤的一种或多种副产物和/或由第二反应步骤的一种或多种副产物形成。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，一种或多种添加剂为第一反应步骤的一种或多种副产物。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，一种或多种添加剂为第二反应步骤的一种或多种副产物。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，一种或多种添加剂为第一反应步骤的一种或多种副产物和/或为第二反应步骤的一种或多种副产物。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，一种或多种添加剂的组合的化学组成包括Al和Si。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，一种或多种添加剂至少为Al2O3和SiO2。
本文中公开的所述方法的优势在于，可形成增值副产品。例如，代替使用简单的钙源例如石灰石或石膏作为起始材料，可使用包括Ca和Si以及任选的其它金属例如Al、Mg和/或Fe的复杂矿物。代替成为污染水泥产品的不期望元素，例如，本文中公开的方法可包括形成和离析(分离出，isolate)具有这些额外元素的有价值产品例如Al的氧化物、Mg的氧化物和/或Fe的氧化物的步骤。这些步骤不造成显著的另外操作成本。
优选地但非必要地，本文中公开的任一方法包括由含钙起始材料形成和离析硅灰级二氧化硅、纳米二氧化硅和/或微米二氧化硅。优选地但非必要地，本文中公开的任一方法包括由含钙起始材料形成和离析氧化铝。
优选地但非必要地，在本文中公开的任一方法中，第一反应步骤包括将含钙起始材料与氢氯酸反应以至少形成含水氯化铝；其中所述方法进一步包括：将氯化铝在氢氯酸的存在下沉淀；和任选地将沉淀的氯化铝与硫酸反应以形成固体硫酸铝；加热硫酸铝和/或氯化铝以形成氧化铝。优选地但非必要地，在本文中公开的任一方法中，氢氯酸在这些步骤中再生。优选地但非必要地，在本文中公开的任一方法中，沉淀的氯化铝的反应形成氢氯酸。优选地但非必要地，在本文中公开的任一方法中，氢氯酸在这些步骤中再生。优选地但非必要地，在本文中公开的任一方法中，第二反应步骤包括使沉淀的氯化铝反应的步骤。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，热处理步骤包括加热硫酸铝步骤。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，热处理步骤包括加热氯化铝步骤。
任选地，本文中公开的任一方法包括由含钙起始材料形成和离析氧化铁。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，形成和离析氧化铁包括：形成具有在第二反应步骤期间作为副产物形成的含水硫酸铁和/或氯化铁和任选的至少一种其它金属镁的硫酸盐和/或氯化物盐的含水溶液；其中含水溶液不含钙盐且不含铝盐；将含水溶液干燥以形成固体硫酸铁和/或固体氯化铁和任选的至少一种其它金属硫酸盐；加热固体硫酸铁和任选的至少一种其它金属硫酸盐以形成水不溶性氧化铁；和任选地，将至少一种其它金属硫酸盐溶解以离析水不溶性氧化铁。
任选地，本文中公开的任一方法包括由含钙起始材料形成和离析氧化铁。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，形成和离析氧化铁包括：形成具有在第二反应步骤期间作为副产物形成的含水硫酸铁或氯化铁和任选的至少一种其它金属镁的硫酸盐或氯化物盐的含水溶液；其中含水溶液不含钙盐且不含铝盐；使用SO2以沉淀MgSO3；将含水铁盐与固体镁盐分离；将含水溶液干燥以形成固体硫酸铁或氯化铁和任选的至少一种其它金属硫酸盐；加热固体硫酸铁和任选的至少一种其它金属硫酸盐以形成水不溶性氧化铁；和任选地，将至少一种其它金属硫酸盐溶解以离析水不溶性氧化铁。
任选地，生产和销售氯化铁、硫酸铁、氯化铝和/或硫酸铝和/或任意其它铁和/或铝盐，和/或将其与电化学策略组合以由氯化铝、硫酸盐和/或其它盐产生铁和铝金属。例如，可离析氯化铝且铝可由氯化铝电解冶金(电解提取，电解沉积，electrowin)，同时共产生氯气。然后该氯气可与氢(可能地来自硫酸和氢的共产生的氢)反应而使HCl再生。另外的实例为铁可由硫酸铁电解冶金而使硫酸再生。
本文中公开的方法可包括一个或多个成酸反应。成酸反应可为使在所述方法的不同反应中消耗的酸再生的反应。成酸反应可为将酸供应到其中消耗酸的(第一和/或第二)反应步骤的反应。例如，代替将酸供应到其中消耗酸以形成钙盐的反应步骤，将形成所述酸的反应物供应到反应步骤使得所述反应步骤包括形成酸和相应酸的消耗(或盐形成)反应两者。
优选地但非必要地，本文中公开的任一方法包括形成第一酸的步骤；其中：(i)第一反应步骤包括形成第一酸的步骤且形成第一酸的步骤与第一反应步骤同时发生，或(ii)形成第一酸的步骤与第一反应步骤分开进行。任选地，本文中公开的任一方法包括形成第一酸的步骤；其中第一反应步骤包括形成第一酸的步骤且形成第一酸的步骤与第一反应步骤同时发生。任选地，本文中公开的任一方法包括形成第一酸的步骤；其中形成第一酸的步骤与第一反应步骤分开进行。
优选地但非必要地，本文中公开的任一方法包括形成第二酸的步骤；其中：(i)第二反应步骤包括形成第二酸的步骤且形成第二酸的步骤与第二反应步骤同时发生，或(ii)形成第二酸的步骤与第二反应步骤分开进行。任选地，本文中公开的任一方法包括形成第二酸的步骤；其中第二反应步骤包括形成第二酸的步骤且形成第二酸的步骤与第二反应步骤同时发生。任选地，本文中公开的任一方法包括形成第二酸的步骤；其中形成第二酸的步骤与第二反应步骤分开进行。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，形成第二酸的步骤包括将SO2与水反应以形成H2SO3和/或H2SO4；其中第二酸为H2SO3和/或H2SO4。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第二酸为H2SO3和/或H2SO4和其中第二钙盐相应地(分别地)为CaSO3和/或CaSO4。
任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一酸和/或第二酸为本体酸(bulk acid)。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一酸为本体酸。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第二酸为本体酸。
任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，形成第一酸的步骤包括经由水电解形成pH梯度；其中第一酸经由水电解形成。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，形成第二酸的步骤包括经由水电解形成pH梯度；其中第二酸经由水电解形成。
任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，根据式FX1A的第二酸再生步骤在选自400℃至1800℃的范围的温度下进行。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，根据式FX1A的第二酸再生步骤在选自400℃至600℃的范围的温度下进行。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，根据式FX1A的第二酸再生步骤在选自400℃至600℃的范围的温度下进行，是放热的，和在催化剂的存在下进行。任选地，催化剂包括氧化钒。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，所述方法以选自每公吨生产的水泥材料(如生产的第一水泥材料或生产的复合水泥材料，例如OPC)-2至+2GJ的范围的净能量为特征。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，所述方法以选自-10至+10GJ/t、任选地-5至+5GJ/t、任选地-5至+4GJ/t、任选地-5至+3GJ/t、任选地-5至+2GJ/t、任选地-5至+1GJ/t、任选地-5至+0.5GJ/t、任选地-5至+0.2GJ/t、任选地-5至+0.1GJ/t、任选地-5至0GJ/t、任选地-2至1GJ/t、任选地-2至-1.5GJ/t、任选地-2至+1.0GJ/t、任选地-2至+0.5GJ/t、任选地-2至+0.3GJ/t、任选地-2至+0.2GJ/t、任选地-2至+0.1GJ/t、任选地-2至+0GJ/t的范围的净能量为特征。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一反应步骤是放热的。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第二酸再生步骤是放热的。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一反应步骤在至少50℃的温度下进行。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一反应步骤在选自80℃至100℃、优选地90±5℃的范围的温度下进行。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，热处理步骤在选自1100℃至1800℃的范围的温度下进行。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，热处理步骤包括在化学还原剂的存在下热处理第二钙盐和在选自800℃至1200℃的范围的温度下进行。任选地，化学还原剂为水、碳(或碳的任意同素异形体或同素异形体组合)、氢气、甲烷、气体或这些的任意组合。任选地，化学还原剂为水、碳(或碳的任意同素异形体或同素异形体组合)、甲烷、气体或这些的任意组合。任选地，热处理步骤可根据式FX4A、FX4B、FX4C和FX4D的任一个或组合进行：CaSO4+H2O→CaO+H2SO4(FX4A)；CaSO4+2C→CaS+2CO2(FX4B)；CaSO4+CH4→CaS+CO2+2H2O(FX4C)；CaS+3CaSO4→4CaO(FX4D)。
本文中公开的所述方法的任一个可作为间歇工艺、塞流工艺、半连续工艺、分段(分级，staged)工艺、连续工艺或这些的任意组合进行。本文中公开的任一方法的任意步骤可作为间歇工艺、塞流工艺、半连续工艺、分段工艺、连续工艺或这些的任意组合进行。
本文中公开的发明的另外方面包括经由还原性热分解生产水泥材料的方法，所述方法包括如下步骤：将含钙材料与化学还原气体反应以产生甲烷和水泥材料。优选地但非必要地，在经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法中，含钙材料包括CaCO3、CaSO4、CaS、钙盐或其任意组合。优选地但非必要地，在经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法中，含钙材料为CaCO3、CaSO4、CaS或其任意组合。优选地但非必要地，在经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法中，含钙材料为CaCO3。优选地但非必要地，在经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法中，含钙材料包括CaCO3。优选地但非必要地，在经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法中，化学还原气体为氢气或包括氢气的气体(例如合成气体(形成气体，forming gas))。优选地但非必要地，在经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法中，水泥材料包括CaO。优选地但非必要地，在经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法中，水泥材料为CaO。优选地但非必要地，在经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法中，含钙材料与化学还原气体反应的摩尔比为1：4或1：2。任选地，在经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法中，反应在水的存在下进行。任选地，在经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法中，反应在不存在水的情况下进行。任选地，在经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法中，在反应步骤期间CaCO3与氢气的反应摩尔比为1：4的摩尔比。任选地，在经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法中，在反应步骤期间CaCO3与氢气的反应摩尔比为1：2的摩尔比。通常，根据1：4摩尔比的反应为较低能量但高OpEx的，因为需要制得更多H2但可使用较低温度。通常，根据1：2摩尔比的反应具有较高能量但较低OpEx。任选地，在经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法中，在反应步骤期间产生氧气、水、或氧气和水的组合。任选地，经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法包括将甲烷分解以产生氢气和一种或多种碳材料的步骤。任选地，在经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法中，所述方法不包括形成CO2。任选地，在经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法中，反应步骤以720kJ/mol或更小的低热值(LHV)和800kJ/mol或更小的高热值(HHV)为特征。任选地，在经由还原性热分解生产水泥材料的任一方法中，反应步骤在至少700℃的温度下进行。
本文中公开的发明的另外方面包括根据其中需要仅一种酸或仅一个酸反应步骤的单酸途径生产水泥材料的方法。在一个方面中，水泥材料的生产方法包括如下步骤：将含钙起始材料与第一酸进行第一反应以产生包括含水的第一钙盐的第一含水级分和包括一种或多种固体副产物的第一固体级分；其中：含钙起始材料具有包含至少包括Ca和Si的多种金属元素的化学组成；一种或多种固体副产物包括硅盐；将第一含水级分与第一固体级分进行第一分离；和处理第一钙盐以产生第一水泥材料。任选地，处理步骤包括将第一钙盐在水的存在下热处理(或热分解)以产生第一水泥材料。任选地，第一钙盐的热处理(或热分解)使第一酸再生。任选地，处理步骤包括离子交换步骤；其中离子交换步骤包括将第一钙盐的一个或多个阴离子交换为一个或多个羟基阴离子以形成第三钙盐。任选地，离子交换步骤包括将第一钙盐与螯合剂反应以形成钙-螯合剂化合物且将钙-螯合剂化合物与碱反应以形成第三钙盐。任选地，离子交换步骤包括将第一钙盐与碱反应以形成第三钙盐。任选地，离子交换步骤包括使用离子交换膜来进行将第一钙盐的一个或多个阴离子交换为羟基阴离子以形成第三钙盐。优选地，第三钙盐为Ca(OH)2。任选地，处理步骤包括将第三钙盐热处理(或热分解)以产生第一水泥材料。任选地，碱为氢氧化物化合物。任选地，第一钙盐为CaCl2。任选地，例如，处理步骤包括将CaCl2在空气的存在下根据如下式热分解：CaCl2+O2->CaO+Cl2+1/2O2。任选地，例如，处理步骤包括将CaCl2在水的存在下根据如下式热处理：CaCl2+H2O->CaO+2HCl。任选地，例如，处理步骤包括使用离子交换膜将Cl离子交换为OH离子由此形成Ca(OH)2的离子交换。任选地，处理步骤进一步包括将Ca(OH)2脱水以产生第一水泥材料。任选地，例如，处理步骤包括将第一钙盐与螯合剂反应以形成钙-螯合剂化合物。任选地，例如，处理步骤包括将碱例如NaOH、Mg(OH)2或MgCl(OH)与第一钙盐例如CaCl2反应以形成Ca(OH)2。任选地，例如，处理步骤进一步包括将Ca(OH)2热分解以产生第一水泥材料。第一水泥材料任选地为或任选地包括CaO。任选地，第一酸为氯化氢。任选地，一种或多种固体副产物包括SiO2。任选地，所述至少一种多元金属氧化物材料为至少一种天然岩石或矿物。
任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一钙盐和/或第二钙盐不同于Ca(OH)2或包括除Ca(OH)2外的盐。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第一反应步骤不是电化学步骤。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，第二反应步骤不是电化学步骤。任选地，在本文中公开的所述方法的任一个中，含钙起始材料不同于CaCO3或包括除CaCO3外的材料。
在不希望受任何特定理论束缚的情况下，本文中可存在对与本文中公开的装置和方法相关的潜在原理的认识或理解的讨论。认识到的是，无论任何机理解释或假设的最终正确性如何，发明实施方式可仍然是有操作性的和有用的。
附图说明
图1.以甲烷分压相对于温度显示管式炉中的甲烷产生的图。0.3lpm的合成气体(5％H2，95％N2)流速。
图2.以摩尔甲烷相对于时间显示管式炉中的甲烷产生的图。0.3lpm的合成气体(5％H2，95％N2)流速。
图3.由将CaCO3在还原环境中反应得到的产物的XPS图案，其说明似乎产生纯的CaO。
关于化学化合物和命名的声明
通常，本文中使用的术语和短语具有其领域认可的含义，这可通过参考本领域技术人员知晓的标准文本、杂志文献和上下文而发现。提供下面的定义是为了澄清其在发明上下文中的特定使用。
术语“热转化”和“以热方式转化”是指将第一化学物种经由热活化或热驱动过程转化为第二化学物种，也可称之为热化学过程。将化学物种热转化的示例性过程为燃烧，但热转化过程并不一定限于此。例如，硫热转化为二氧化硫可包括硫的燃烧(例如经由硫燃烧器系统进行)。物种热氧化为物种热转化的一种形式。例如，硫热转化为二氧化硫可称之为硫热氧化为二氧化硫。在一些实施方式中，热转化可由催化剂辅助。在一些实施方式中，热转化不需要催化剂或在没有催化剂下进行。应注意，热氧化和电化学氧化为不同过程，其中热氧化(经由热或燃烧)以热方式驱动或活化而电化学氧化(如经由施加或收回电能，任选地在电化学催化剂的辅助下)以电化学方式驱动。术语“热处理”是指将一种或多种材料(例如钙盐，例如CaSO4)热处理或暴露于热、优选地过量的室温热，使得该一种或多种材料可热转化、热分解或以其它方式经历热引发的化学变化而变成另外材料(例如水泥材料，例如CaO)。例如，硫酸钙(石膏)可热转化/分解为氧化钙(CaO)，一并形成副产物例如SO2和氧。热处理还可致使多种材料例如包含钙、铝和硅的多种材料转化成或以其它方式形成复合水泥材料例如普通波特兰水泥(OPC)。
术语“含钙起始材料”是指其化学组成包含Ca的一种或多种材料。含钙起始材料可为单一材料，例如其化学组成包括元素Ca(例如以作为离子材料(例如多元金属氧化物材料)的一部分的Ca阳离子的形式)的矿物。含钙起始材料可为多种材料，例如一种或多种岩石、矿物和/或工业加工的材料，其中所述多种材料的组合的化学组成包括元素Ca，例如以离子材料例如多元金属氧化物材料的Ca阳离子的形式。在含钙起始材料为多种材料的情况下，所述多种材料的任一种或任意组合可具有包含元素Ca的化学组成以使所述多种材料(其共同为含钙起始材料)的组合的化学组成包括元素Ca。优选地，具有包含元素Ca的化学组成的含钙起始材料是指，所述含钙起始材料中的Ca的重量百分比和/或摩尔百分比为至少0.001％、优选地至少0.01％、优选地至少0.1％、更优选地至少1％、进一步更优选地至少5％、甚至更优选地至少10％、和还更优选地至少20％。另一方面，本文中公开的所述方法与其化学组成具有低的重量百分比和/或摩尔百分比例如少于60％、少于55％、少于50％、少于45％、少于40％、和少于20％的含钙起始材料相容，至少因为Ca与相应的反荷离子一起可被离析。
通常，具有以包含元素X(其中“X”为元素周期表元素)为特征的化学组成的材料或物种是指，所述材料或物种中的X的重量百分比和/或摩尔百分比为至少0.001％、优选地至少0.01％、更优选地至少0.1％和甚至更优选地至少1％。
术语“钙盐”是指其化学组成包含元素Ca(例如以Ca阳离子的形式)的盐。盐为包含彼此至少部分地经由离子键缔合(结合)的离子物种的化学化合物。例如，CaSO4和CaCl2为其中Ca为阳离子且SO4和Cl相应地为阴离子的钙盐。
再生步骤是指使用如下的不同步骤的产物产生物种或材料的工艺步骤，该不同步骤消耗所述物种或材料(例如经由化学变化转化为其它物种或材料)。例如，以(A+B->C+D)为特征的反应消耗物种A和B以形成物种C和D。以(C+E->A+F)为特征的反应可称为使用消耗物种A的反应的产物(物种C)来使物种A再生的再生反应。
术语“固体级分”是指存在于固体和液体的混合物中的固体物种。术语“液体级分”是指在固体和液体的混合物中的液体物种和溶解在该液体物种中的物种。例如，固体级分可具有固体的化学反应产物而液体级分可具有液体和溶解的化学反应产物。固体级分和液体级分各自可任选地包括未反应的反应物。液体级分可包括溶剂和溶解在所述溶剂中的离子。
一种或多种材料例如固体级分的“干质量”是指，不含水、和任选地不含任何液体物种的一种或多种材料的质量。
术语“金属氧化物”通常是指其化学组成包含一种或多种金属元素和元素O的材料。任选地，金属氧化物材料为离子材料或至少部分地为离子材料，其中化学键的至少一部分以离子键为特征。金属元素为元素周期表的任意金属元素或准金属元素。通常，准金属元素选自B、Si、Ge、As、Se、Sb、Te、Po和At。
术语“天然岩石或矿物”是指在地球地壳中天然找到的且已经从地球地壳提取的一种或多种材料。天然岩石和矿物包括但不限于玄武岩、火成磷灰石、硅灰石、斜长石、蒙脱石、膨润土、含钙长石、钙长石、透辉石、辉石、辉石岩、橄辉钾霞岩、钾霞橄黄长岩、单斜辉石、硬硼钙石、钙铝榴石、普通辉石、易变辉石、珍珠云母、钙蛇纹石、石榴石、白钨矿、硅卡岩、石灰石、天然石膏、磷灰石、氟磷灰石和这些的任意组合。与之相比，水泥、混凝土、波特兰水泥、飞灰和熔渣不是天然岩石或矿物但可称之为工业衍生的材料。
术语“本体酸”是指如下的酸或酸溶液：其不需要连续输入能量(例如电能)和/或与电极表面交换电子来如其给定工艺或步骤所要求地那样存在和起作用。与之相比，如下的非均相或局部酸性溶液(例如水合氢离子或质子的非均相或局部酸性溶液)不是本体酸：其在电极附近并作为该电极和该溶液之间的电子交换的结果形成且基本上仅在该电子交换期间形成。例如，本体酸不是在水电解期间在电极处形成的与pH梯度对应的非均相或局部酸性溶液。在某些实施方式中，术语“本体酸”是指在不存在电能输入的情况下以至少10秒、优选地至少1分钟的时间尺度展现热力学、化学和/或动力学稳定性的酸或酸溶液。在某些实施方式中，术语“本体酸”是指在不存在电能输入的情况下以至少1秒的时间尺度和至少10cm、优选地距离本体材料表面至少10cm的长度尺度确实展现或能够展现热力学、化学和/或动力学稳定性的酸或酸溶液。
术语“电化学电池(单元电池，cell)”是指进行电化学的装置和/或装置部件。电化学是指将化学能转化为电能或将电能转化为化学能。化学能可对应于化学变化或化学反应。因此，电化学可指产生电能的化学变化(如一种或多种化学物种变为一种或多种其它物种的化学反应)和/或转化为化学变化或用于引发化学变化的电能。电能是指对应于电路中的电流和电势的组合的电势能。电化学电池具有两个或更多个电极(如正极和负极；如阴极和阳极)和一种或多种电解质。电解质可包括在电化学电池的充电或放电期间被氧化的物种和被还原的物种。在电极处发生的反应，例如化学物种的吸附和解吸或者例如氧化或还原反应，有助于电化学电池中的电荷转移过程。电化学电池包括但不限于电解电池例如电解器和燃料电池。电化学氧化可例如在正极处发生，且电化学还原可例如在负极处发生。电化学氧化是指伴有在电化学电池背景下发生的电能转移(例如驱动氧化反应的电能输入)的化学氧化反应。类似地，电化学还原是指伴有在电化学电池背景下发生的电能转移的化学还原反应。例如，在充电期间被电化学氧化的化学物种可在放电期间被电化学还原，和反之亦然。术语“以电化学方式(电化学地)”或“电化学(的)”可描述部分为化学能转化为电能或电能转化为化学能的反应、过程或其步骤。例如，当提供电能以帮助进行反应剂化学转化为产物时该产物可以电化学方式形成。术语“非-电化学”是指不包括电化学和/或不需要电化学来进行的反应或过程。
反应步骤是指其中化学反应发生的工艺步骤，其以一种或多种化学物种经历化学变化(例如经由彼此化学反应)而变为另外的一种或多种化学物种为特征。
术语“元素硫”是指硫的同素异形体例如但不限于S7、S8、S6、S12和S18的任意一种或组合，且包括结晶、多晶和/或无定形硫。
“RHE”是指常称为可逆氢电极的参比电极。“SCE”是指常称为饱和甘汞电极的参比电极。
术语“初始操作(运行)小时数”是指如下时间：从电池的最先/初始操作或“开启”开始，电池在该时间期间是可操作的。电池或系统未操作(即在其中未发生电化学还原或氧化，或未发生电能输入或输出)期间的时间不包括在初始操作小时数的测定中。
在一些实施方式中，术语“含水(水相)”是指其中溶剂为水使得溶液的其它物种或溶质基本上被水溶剂化的溶液。在一些实施方式中，术语“含水”可通常是指包含水的溶液。任选地但非必要地，含水溶液或含水溶剂包括5体积％或更小的非-含水(非水)溶剂和/或溶质物种。
术语“修补(amending)农业用水”是指改变农业用水或向农业用水加入某物例如溶质。例如，农业用水通过将硫酸例如包括硫酸的溶液加入到农业用水而酸化。农业用水是指用于农业意图例如灌溉的水。术语“修补土壤”是指改变土壤或向土壤加入某物。例如，土壤通过将硫酸例如包括硫酸的溶液加入到土壤而酸化。
术语“水泥”是指液压的、非液压的、或液压和非液压两者的水泥材料。示例性水泥为但不限于波特兰水泥。通常，水泥为例如可与细的聚集体颗粒(例如用以产生石工砂浆)或与砂和砾石(用以产生混凝土)混合的粘合剂材料。根据某些实施方式，水泥包括氧化钙。水泥可任选地进一步包括一种或多种其它材料，所述其它材料包括但不限于某(些)硅酸盐、SiO2、某(些)氧化物、Fe2O3、某(些)铝酸盐、Al2O3、硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙。“水泥材料”是指为或可为水泥成分的材料。优选地，水泥材料具有包含Ca或CaO的化学组成。例如，CaO为水泥材料。例如，水泥基(水泥质，cementitious)材料为水泥材料。复合水泥材料可包括多种材料，其包括至少一种水泥材料和任选的一种或多种添加剂。示例性复合水泥材料为但不限于波特兰水泥熟料和波特兰水泥，例如普通波特兰水泥(OPC)。
术语“基本上”是指这样的性质或条件：其与提及(参照)性质或条件相差20％以内、任选地10％以内、任选地5％以内、任选地1％以内，或任选地等同于提及性质或条件。术语“基本上等于”、“基本上等同”或“基本上不变”当结合描述性质或条件的提及值使用时是指这样的值或条件：其与提供的提及值或条件相差20％以内、任选地10％以内、任选地5％以内、任选地1％以内、任选地0.1％以内，或任选地等同于提供的提及值或条件。例如，基本上为500mV(或基本上等同于500mV)的电压为与500mV相差20％以内、任选地10％以内、任选地5％以内、任选地1％以内，或任选地等于500mV。术语“基本上大于(更大)”当结合描述性质或条件的提及值或条件使用时是指比提供的提及值或条件大至少2％、任选地至少5％、任选地至少10％或任选地至少20％的值。例如，若电压比500mV大至少20％、任选地大至少10％、任选地大至少5％、或任选地大至少1％，则电压基本上大于500mV。术语“基本上小于(更小)”当结合描述性质或条件的提及值或条件使用时是指比提供的提及值小至少2％、任选地至少5％、任选地至少10％、或任选地至少20％的值或条件。例如，若电压比500mV小至少20％、任选地小至少10％、任选地小至少5％、或任选地小至少1％，则电压基本上小于500mV。
进一步地，将可包含另外的有用术语、描述和实施方式的美国专利公布No.2019/0376191(Finke；U.S.App.No.16/415,275)在不与本文矛盾的程度上通过援引并入本文。
在一种实施方式中，将发明的组合物或化合物例如合金或合金前体离析或基本上纯化。在一种实施方式中，离析或纯化的化合物为至少部分地离析或基本上纯化的，如本领域中将会理解的。在一种实施方式中，发明的基本上纯化的组合物、化合物或制剂具有95％、任选地对于一些应用而言99％、任选地对于一些应用而言99.9％、任选地对于一些应用而言99.99％、和任选地对于一些应用而言99.999％纯的化学纯度。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述本发明的装置、装置部件和方法的大量具体细节以提供对发明的确切性质的透彻解释。然而，本领域技术人员将明晰，发明可在没有这些具体细节的情况下实践。
可进一步通过下面的非限制实施例来理解发明。
实施例1：由含钙岩石和矿物生产氧化钙或普通波特兰水泥的工艺
常规水泥通过将CaCO3热分解为CaO和然后将其与包括Al2Si2O5(OH)4、Fe2O3和CaSO4的其它材料混合而制成。热分解发生在～900C和最终OPC产生发生在～1450C。对于水泥生产而言所需的能量和CO2排放的大部分来自于石灰石的热分解：
CaCO3→CaO+CO2 ΔH＝178(非自发) (FX5)
常规水泥需要2.7-6GJ/公吨OPC和产生每公吨OPC(普通波特兰水泥)0.7-1.3公吨CO2。正常的水泥工艺放出大量CO2和耗费大量能量。
本公开中包括由任意含钙岩石或矿物生产CaO的工艺。实际上，酸(如H2CO3或H2SO4)使含钙矿物风化(weather)而典型地产生CaCO3或CaSO4。总的风化趋势于下：
H2CO3+CaAl2Si2O8+H2O→CaCO3+Al2Si2O5(OH)4(FX6)；
或者
H2SO4+CaAl2Si2O8+H2O→CaSO4+Al2Si2O5(OH)4(FX7)。
实际上，这些酸是非常稀的，且典型地该风化经过长时段(数周至几十年)发生。风化可在含钙矿物或岩石的情况下发生。常见实例为硅灰石、斜长石、Ca-膨润土、蒙脱石、斜长岩和玄武岩。所有的含钙岩石均是可行的，包括所有的镁铁质和超-镁铁质岩石。
本文中公开的方法可使用酸(如H2SO4、HF、HCl、H2CO3)或酸的组合加上含钙岩石或矿物(如斜长石、蒙脱石、硅灰石)以产生钙盐(如CaSO4、CaF2、CaCl2、CaCO3)。然后可将该盐水合或热分解以产生CaO。如下也可为可能的：实现正确的起始材料比率以将钙盐和副产物热分解为包括普通波特兰水泥或硫铝酸钙水泥的水泥基材料。所述酸的强度、浓度或品质和开采的含钙岩石的粒度可改变钙盐从含钙起始材料除去的动力学，且对于该工艺的不同形式而言不同的酸浓度和压碎的岩石尺寸可为最优的。
本文中公开的工艺的优势可包括，其可没有CO2且为能量中和的。例如：
H2SO4+CaAl2Si2O8+H2O→CaSO4+Al2Si2O5(OH)4(FX8)；
CaSO4→CaO+SO2+1/2O2(FX9)；
SO2+H2O+1/2O2→H2SO4(FX10)；
净的：CaAl2Si2O8+2H2O→CaO+Al2Si2O5(OH)4 (FX11)；
ΔH＝～0
若使用H2和H2SO4的电化学共产生，则该工艺还可用于生产清洁氢：
H2SO4+CaAl2Si2O8+H2O→CaSO4+Al2Si2O5(OH)4 (FX12)；
CaSO4→CaO+SO2+1/2O2 (FX13)；
SO2+2H2O→H2+H2SO4 (FX14)；
净的：CaAl2Si2O8+2H2O→CaO+Al2Si2O5(OH)4+1/2O2+H2 (FX15)；
ΔH＝50(略有上升)
实施例2：还原性热分解石灰石以生产石灰或水泥
石灰直接用作商品化学品以及作为地球上消耗最多的人造材料的水泥的主要成分。石灰目前经由石灰石在空气气氛中的热分解而产生(FX16)。
CaCO3→CO2+CaO (FX16)；
该反应的此分解热为178kJ/mol
本发明中包括由石灰石经由使用氢的还原性热分解来生产水泥的工艺。该工艺中的第一步骤可遵循下面的反应：
CaCO3+4H2→CH4+2H2O (FX17A)；
或者
CaCO3+2H2→CH4+O2 (FX17B)；
反应气体的水含量影响该反应是否按照FX17A、FX17B或两者进行。CaCO3可与H2反应以产生CaO+CH4+O2或CaO+CH4+2H2O。若形成H2O，则消耗4H2。若形成O2，则消耗仅2H2。例如，若存在水氛围，则可驱动该反应仅消耗2H2。
反应可停在那里或第二步骤可为甲烷热解而使氢再生或任何牵涉甲烷的化学反应：
CH4→2H2+C (FX18)；
该反应的一个益处是，我们可产生固体碳来代替CO2且因此不会污染大气。反应FX17A的另外益处在于，其能量要求比传统的石灰石热分解低(13.1kJ/mol)。反应FX17B的益处在于，100％的所需氢可由甲烷热解而再生。
在某些实施方式中，反应FX17A在700C以上的还原条件下例如在H2、H2/N2气氛或任意其它组合中发生。反应FX17B可用H2在700C以上在水氛围下发生。例如，我们将2.011g的CaCO3粉末投入到管式炉中并将其以每分钟7C加热。例如，我们将合成气体以0.3升/分钟(lpm)流动。例如，我们将气体分析仪附接到所述炉的背部以测量甲烷浓度。数据示于图1和图2中。XPS确定所得热分解产生>99％石灰(图3)。
通过在这些曲线下积分，我们确定我们实现了～100％脱碳。
实施例3：石膏和水泥材料的生产
示例性方面1：由任意含有钙的起始材料生产普通波特兰水泥(OPC)而没有净产生成酸气体(如SO2和CO2)。含有钙的起始材料的实例包括：玄武岩、火成磷灰石、硅灰石、熔渣、飞灰、斜长石、蒙脱石、膨润土、含钙长石、钙长石、透辉石、辉石、辉石岩、橄辉钾霞岩、钾霞橄黄长岩、单斜辉石、硬硼钙石、钙铝榴石、普通辉石、易变辉石、珍珠云母、钙蛇纹石、石榴石、白钨矿、OPC、混凝土、具有任意Ca或CaO质量的任意岩石(特别地具有>5％、>10％或>15％CaO的岩石)、任意硅卡岩、石灰石、石膏、磷灰石或氟磷灰石。
在某些实施方式中，我们通过如下达成这点：首先由以上的含有钙的岩石产生>90％纯的合成石膏(权利要求2中的细节)，和然后将该石膏热分解以产生CaO，和然后将其与适当比率的其它材料混合以形成OPC。然后将所产生的SO2重整(reform)为硫酸(经由接触工艺或经由硫去极化电解器)，其然后可回收以生产合成石膏。总的化学反应于下：
1.CaAl2Si2O8+H2SO4->CaSO4(>90干重％纯)+Al2O3+SiO2 (FX19)；
2.CaSO4+热->CaO+1/2O2+SO2 (FX20)；
3.CaO+xAl2O3+ySiO2->OPC (FX21)；
4.SO2+1/2O2+H2O->H2SO4 (FX22)；
普通波特兰水泥(OPC)现今在工业中仅仅由石灰石(主要为CaCO3)制成。OPC的生产包括，首先通过将CaCO3热分解而产生CaO(如CaCO3+热->CaO+CO2)，和然后将CaO与二氧化硅和氧化铝一起加热以形成OPC，其为以质量计～60％CaO。由水泥制造产生的CO2占全球CO2排放的>5％。
除石灰石之外，OPC还可由石膏(CaSO4)制成。开采的石膏(CaSO4)可被一些方法用于生产OPC。在该工艺中，将CaSO4热分解以产生CaO(如CaSO4+热→CaO+1/2O2+SO2)。该工艺还可伴有碳或氢的热还原，在该情形中通过将CaSO4与还原剂(如煤)反应而产生CaS并且然后将CaS与CaSO4共-热分解以产生CaO。该工艺称为穆勒-库内工艺(Mueller-KuehneProcess)。这些工艺现今均未在商业上得以实践，因为SO2不能释放到大气中并且全球对SO2的需求远低于对OPC的需求。
OPC可由“磷石膏”(通过将磷酸盐岩石与H2SO4反应以产生磷酸和石膏而生产的CaSO4)产生。肥料工业通过将硫酸与磷酸盐岩石(主要为Ca5(PO4)3OH)反应以生产磷酸而产生废弃物CaSO4。该合成石膏可热分解以生产CaO和然后的OPC，如在以上工艺中那样。
与常规方法相比，本文中公开的方法大幅扩展可制成OPC的起始材料。
示例性方面2：由任意含有钙的岩石生产>90％纯度CaSO4。例如，首先将HCl与岩石反应以溶解氯化钙，沉淀出>90干重％纯度的SiO2和其它副产物。例如，然后我们将溶解的溶液与硫酸反应，这选择性沉淀出CaSO4，因为CaSO4为常见硫酸盐(MgSO4、Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3)中仅有的不溶解于水中的硫酸盐。这还使HCl再生。样品化学反应于下：
1.CaAl2Si2O8+8HCl->CaCl2(aq)+2AlCl3(aq)+SiO2(s) (FX23)；
2.分离固体和含水级分 (FX24)；
3.CaCl2(aq)+2AlCl3(aq)+4H2SO4->CaSO4(s)+Al2(SO4)3(aq)+8HCl (FX25)；
本文中公开的方法包括产生>90干重％纯度CaSO4，这使该工艺较不昂贵、较不复杂、所需材料比率更可控以准确生产OPC。
90干重％硫酸钙还可作为将硫酸与石灰石(CaCO3)和磷酸盐岩石(Ca5(PO4)3OH或Ca5(PO4)3F)任一者反应的副产物产生。这些反应的产物为水溶性的(HF、H2PO4)、液体(H2O)或气态(CO2)。
有利地，本文中公开的方法可由任意岩石生产高纯的合成石膏，即使副产物不溶于硫酸中也是如此。
实施例4：有价值的共产物的产生
示例性方面3：由任意含有钙的岩石生产氧化铝。这可通过如下达成：首先用HCl浸出和然后将浸出溶液用HCl饱和，高HCl浓度致使AlCl3沉淀。然后可将AlCl3与H2SO4混合以产生Al2(SO4)3和使HCl再生。Al2(SO4)3可热分解而产生Al2O3和产生SO2以使硫酸再生。示例性化学反应于下：
1.CaAl2Si2O8+8HCl->CaCl2(aq)+2AlCl3(aq)+SiO2(s) (FX26)；
2.AlCl3(aq)+HCl(aq)->AlCl3(s)+HCl(aq) (FX27)；
3.2AlCl3(s)+H2SO4->Al2(SO4)3 (FX28)；
4.Al2(SO4)3+热->3SO2+Al2O3+3/2O2 (FX29)；
5.SO2+1/2O2+H2O->H2SO4 (FX30)；
示例性方面4：由任意含有钙的岩石生产氧化铁。一旦Al、Ca和Si经由上述工艺除去，只有含水硫酸铁和硫酸镁留在溶液中。若将水蒸发且将所述盐升高到500-700C，硫酸铁将分解成不溶性氧化铁且残留的硫酸镁可在水中溶掉，仅留下氧化铁。
示例性方面5：由含有钙的岩石生产包括硅灰的补给(supplementary)水泥基材料。我们工艺的附带益处在于，因为其溶解除二氧化硅以外的任何物质，所以任何物质的粒度极小且因此我们可生产合成硅灰。
增值共产物的产生为本文中公开的方法的显著优势。对应于“第一反应”步骤的浸出步骤或含钙起始材料与第一酸的反应的预料不到的附加益处为，其可产生大量共产物，包括Al2O3、SiO2、硅灰级二氧化硅、Fe2O3和MgO。这些产物也可为高纯的，因为使用化学分离。使用HCl浓缩来沉淀铝已经用于由含有铝的岩石生产AlCl3，但并非如本文中公开的生产Al2(SO4)3，这根据某些实施方式具有更高的热分解效率和使有价值的HCl再生的益处。
本文中公开的方法包括如下益处：扩展能够生产这些产物的起始材料，并且在很多情形中实现比常规工艺更好的工艺效率、产物纯度和品质。
关于通过援引并入和变型的声明
整个本申请中的所有引用文件(例如包括颁布或授权的专利或等同物的专利文件；专利申请公布；和非专利文献文件或其它来源材料)特此以其整体通过援引并入本文，就好像在如下程度上通过援引单独并入一样：各引用文件至少部分地不与本申请中的公开内容矛盾(例如，部分矛盾的引用文件除该引用文件的部分矛盾的部分外通过援引并入)。
已经在本文中使用的术语和表述用作叙述术语而非限制性的，且不希望这样的术语和表述的使用排除所显示的和描述的特征或其部分的任意等同物，而应领会到各种更改可在本发明主张的范围以内。因此，应理解，虽然本发明已经通过优选实施方式、示例性实施方式和任选特征而被具体地公开，但本领域技术人员可诉诸于本文中公开的构思的更改和变型，且这样的更改和变型被认为在本发明的如所附权利要求界定的范围以内。本文中提供的具体实施方式为本发明的可使用的实施方式的实例，且本领域技术人员将明晰本发明可使用本说明书中阐述的装置、装置部件、方法步骤的大量变型来实施。如对于本领域技术人员而言显然的是，可用于本方法的装置和方法可包括大量的任选组成以及加工要素和步骤。
如本文中和所附权利要求中使用的，单数形式“一(种)”、“一(个)”、和“所述(该)”包括复数的指代物，除非上下文另外清楚地指明。因此，例如，提及“一种(个)电池”包括多种(个)此类电池及其本领域技术人员知晓的等同物。而且，术语“一种”(或“一个”)、“一种(个)或多种(个)”和“至少一种(个)”在本文中可互换使用。还应注意，术语“包含”、“包括”和“具有”可互换使用。表述“权利要求XX-YY任一项的”(其中XX和YY是指权利要求序号)旨在以择一形式提供多项从属权利要求，且在一些实施方式中可与表述“如权利要求XX-YY任一项中的”互换。
当在本文中公开替代物的组时，应理解为该组和所有子组的所有单独成员(包括该组成员的任意异构体、对映体和非对映体)被单独公开。当在本文中使用马库什组或其它分组时，该组的所有单独成员以及该组可能的所有组合和子组合旨在单独地包括在本公开中。当化合物在本文中例如以式或化学名称进行描述而使得该化合物的特定异构体、对映体和非对映体未被具体说明时，该描述旨在包括所述化合物的单独的或以任意组合的各异构体和对映体。另外，除非另有规定，本文中公开的化合物的所有同位素变体旨在被本公开所涵盖。例如，将理解，公开的分子中的任意一个或多个氢可替换为氘或氚。分子的同位素变体通常可用作分子分析中以及与分子或其用途相关的化学和生物研究中的标准物。这样的同位素变体的生产方法为本领域所知晓。化合物的具体名称旨在为示例性的，因为所知晓的是，本领域普通技术人员可对相同化合物不同地命名。
本文中公开的某些分子可包含一种或多种可离子化基团[可除去(如-COOH)或增加(如胺)质子或可季铵化(如胺)的基团]。此类分子及其盐的所有可能的离子形式旨在单独地包括在本公开中。关于本文中的化合物的盐，本领域普通技术人员可从就给定应用而言对于本发明盐的制备适当的那些可利用的各种各样的反荷离子中选择。在具体应用中，对于盐制备选择给定的阴离子或阳离子可导致该盐溶解度的增大或减小。
本文中描述或示例的每个装置、系统、制剂、组合物、组分组合、或方法或其步骤可用于实践本发明，除非另外声明。
在说明书中每当给出范围(例如，温度范围、时间范围或者组成或浓度范围)时，在所给出范围中包括的所有中间范围和子范围以及所有单独值均旨在包括在本公开中。将理解，可将包括在本说明书中的范围或子范围中的任意子范围或单独值从本申请权利要求排除。
说明书中提到的所有专利和公开物指示本发明所属领域的技术人员的技术水平。本文中引用的文件以其整体通过援引并入本文中，以表明自从其公布或提交日期的现有技术状态，并且希望该信息可在本文中酌情采用以排除现有技术中的特定实施方式。例如，当请求保护物质组合物时应理解，在申请人发明之前的本领域中已知和可得的化合物(包括在本文中引用的文献中提供了充分公开的化合物)不拟包括在本文中请求保护的物质组合物中。
如本文中使用的，“包含”与“包括”、“含有”或“以……为特征”同义，且为包含性或开放式的，并且不排除另外的未述及的要素或方法步骤。如本文中使用的，“由……组成”排除在权利要求要素中未规定的任意要素、步骤或成分。如本文中使用的，“基本上由……组成”不排除对权利要求的基本和新颖特征无实质影响的材料或步骤。在本文中的各情形中，术语“包含”、“基本上由……组成”和“由……组成”的任一个可替换为其它两个术语的任一个。本文中说明性记载的发明可适宜地在不存在本文中未具体公开的任何一个或多个要素、一个或多个限制的情况下实践。
本领域普通技术人员将领会到，除具体示例的起始材料、生物材料、反应物、合成方法、纯化方法、分析方法、试验方法和生物方法之外的那些可在本发明实践中使用而不付诸于过度的实验。任意此类材料和方法的所有的本领域已知的功能等同物旨在包括在本发明中。已经使用的术语和表述用作叙述术语而非限制性的，且不希望这样的术语和表述的使用排除所显示的和描述的特征或其部分的任意等同物，而应领会到各种更改可在本发明主张的范围以内。因此，应理解，虽然本发明已经通过优选实施方式和任选特征而被具体地公开，但本领域技术人员可诉诸于本文中公开的构思的更改和变型，且这样的更改和变型被认为在本发明的如所附权利要求界定的范围以内。

Claims (103)

1.水泥材料的生产方法，所述方法包括如下步骤：
将含钙起始材料与第一酸进行第一反应以产生含水的第一钙盐；
将含水的第一钙盐与第二酸进行第二反应以产生固体的第二钙盐；其中第二酸不同于第一酸且第二钙盐不同于第一钙盐；和
热处理一种或多种钙盐以产生第一水泥材料。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种钙盐为第二钙盐。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，在第二反应步骤期间，第一钙盐和第二酸之间的反应使第一酸再生。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，特征在于净反应没有成酸气体产物。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其包括形成以纯度大于或等于90wt.％纯度为特征的固体的第二钙盐。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其包括在第一反应步骤之后且在第二反应步骤之前的第一分离步骤；第一分离步骤包括将第一含水级分与第一固体级分分离；其中第一含水级分包括含水的第一钙盐且第一固体级分包括在第一反应步骤期间形成的一种或多种固体副产物。
7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其包括在第二反应步骤之后且在热处理步骤之前的第二分离步骤；第二分离步骤包括将第二固体级分与第二含水级分分离；其中第二固体级分包括固体的第二钙盐且第二含水级分包括在第二反应步骤期间形成的一种或多种含水副产物。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述固体级分以干质量的至少90干重％是第二钙盐为特征。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其包括第二酸再生步骤；其中第二酸再生步骤包括将热处理步骤的一种或多种气体产物转化为第二酸。
10.如权利要求9所述的方法，其中第二酸再生步骤为根据式FX1A进行的非电化学过程：
SO2+1/2O2+H2O→H2SO4 (FX1A)；其中：
FX1A中的SO2为热处理步骤的气体产物；
FX1A中产生的H2SO4在第二反应步骤期间用作第二酸的至少一部分。
11.如权利要求9所述的方法，其中第二酸再生步骤为根据式FX1B进行的非电化学过程：
SO2+H2O→H2SO3 (FX1B)；其中：
FX1B中的SO2为热处理步骤的气体产物；
FX1B中产生的H2SO3在第二反应步骤期间用作第二酸的至少一部分。
12.如权利要求9所述的方法，其中第二酸再生步骤包括(i)将二氧化硫电化学氧化为硫酸和(ii)经由还原反应形成氢气；和其中第二酸再生步骤根据式FX2进行：
SO2+2H2O→H2SO4+H2 (FX2)；其中：
FX2中的SO2为热处理步骤的气体产物；
FX2中产生的H2SO4在第二反应步骤期间用作第二酸的至少一部分。
13.如权利要求12所述的方法，其中热处理步骤包括使用由将作为第二酸再生的结果形成的氢气氧化而产生的能量。
14.如权利要求12所述的方法，其中将二氧化硫电化学氧化包括使用作为第二酸再生步骤的结果产生的能量。
15.如权利要求1-14任一项所述的方法，其中，在第二反应步骤期间，第一钙盐和第二酸之间的反应根据式FX3使第一酸再生：
CaCl2(aq)+H2SO4->CaSO4(s)+2HCl (FX3)；其中：
第一钙盐为CaCl2；
第一酸为HCl；
第二酸为H2SO4；和
第二钙盐为CaSO4。
16.如权利要求1-15任一项所述的方法，其中含钙起始材料具有至少1干重％的Ca。
17.如权利要求1-16任一项所述的方法，其中含钙起始材料包括具有包含Ca和至少一种选自Al、Si、Fe、Mn和Mg的其它金属元素的组成的至少一种多元金属氧化物材料。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述至少一种多元金属氧化物的组成包含小于或等于55干重％的Ca。
19.如权利要求1-18任一项所述的方法，其中含钙起始材料包括至少一种天然岩石或矿物。
20.如权利要求17-18任一项所述的方法，其中所述至少一种多元金属氧化物材料为至少一种天然岩石或矿物。
21.如权利要求19-20任一项所述的方法，其中所述至少一种天然岩石或矿物包括玄武岩、火成磷灰石、硅灰石、斜长石、蒙脱石、膨润土、含钙长石、钙长石、透辉石、辉石、辉石岩、橄辉钾霞岩、钾霞橄黄长岩、单斜辉石、硬硼钙石、钙铝榴石、普通辉石、易变辉石、珍珠云母、钙蛇纹石、石榴石、白钨矿、硅卡岩、石灰石、天然石膏、磷灰石、氟磷灰石或这些的任意组合。
22.如权利要求1-21任一项所述的方法，其中含钙起始材料包括水泥、混凝土、波特兰水泥、飞灰、熔渣或这些的任意组合。
23.如权利要求1-22任一项所述的方法，其中第一酸为氢氯酸。
24.如权利要求1-23任一项所述的方法，其中第二酸为硫酸和/或亚硫酸。
25.如权利要求1-24任一项所述的方法，其中含水的第一钙盐为氯化钙。
26.如权利要求1-25任一项所述的方法，其中固体的第二钙盐为硫酸钙和/或亚硫酸钙。
27.如权利要求1-26任一项所述的方法，其中第一水泥材料为氧化钙。
28.如权利要求1-27任一项所述的方法，其中成酸气体产物为SO2和/或CO2。
29.如权利要求1-28任一项所述的方法，其中第一反应步骤包括将含钙起始材料与氢氯酸反应以至少形成含水氯化钙、含水氯化铝和固体二氧化硅。
30.如权利要求29所述的方法，其中第一分离步骤包括将包括含水氯化钙和含水氯化铝的第一含水级分与包括固体二氧化硅的第一固体级分分离。
31.如权利要求30所述的方法，其中第二反应步骤包括至少将含水氯化钙、含水氯化铝和硫酸反应以至少形成固体硫酸钙、含水硫酸铝和氢氯酸。
32.如权利要求31所述的方法，其中热处理步骤包括加热硫酸钙以形成氧化钙。
33.如权利要求1-32任一项所述的方法，其包括形成复合水泥材料的步骤；其中：(i)热处理步骤包括形成复合水泥材料的步骤且第一水泥材料为该复合水泥材料，或(ii)形成复合材料的步骤是使用在热处理步骤期间形成的第一水泥材料进行的。
34.如权利要求33所述的方法，其中形成复合水泥材料的步骤包括将第二钙盐和/或第一水泥材料与一种或多种添加剂一起加热。
35.如权利要求33-34任一项所述的方法，其中形成复合水泥材料的步骤是与热处理步骤同时进行的。
36.如权利要求33-35任一项所述的方法，其中形成复合水泥材料的步骤是在热处理步骤之后接着进行的。
37.如权利要求33-36任一项所述的方法，其中复合水泥材料为普通波特兰水泥或波特兰水泥熟料，和/或第一水泥材料为氧化钙。
38.如权利要求34-37任一项所述的方法，其包括由含钙起始材料形成所述一种或多种添加剂。
39.如权利要求34-38任一项所述的方法，其中所述一种或多种添加剂为第一反应步骤的一种或多种副产物和/或由第一反应步骤的一种或多种副产物形成，和/或为第二反应步骤的一种或多种副产物和/或由第二反应步骤的一种或多种副产物形成。
40.如权利要求34-39任一项所述的方法，其中所述一种或多种添加剂的组合的组成包括Al和Si。
41.如权利要求34-40任一项所述的方法，其中所述一种或多种添加剂至少为Al2O3和SiO2。
42.如权利要求1-41任一项所述的方法，其包括由含钙起始材料形成和离析硅灰级二氧化硅、纳米二氧化硅和/或微米二氧化硅。
43.如权利要求1-42任一项所述的方法，其包括由含钙起始材料形成和离析氧化铝。
44.如权利要求43所述的方法，其中第一反应步骤包括将含钙起始材料与氢氯酸反应以至少形成含水氯化铝；其中所述方法进一步包括：
将氯化铝在氢氯酸的存在下沉淀；
将沉淀的氯化铝与硫酸反应以形成固体硫酸铝；
加热硫酸铝和/或氯化铝以形成氧化铝。
45.如权利要求44所述的方法，其中沉淀的氯化铝的反应形成氢氯酸。
46.如权利要求44或45所述的方法，其中第二反应步骤包括将沉淀的氯化铝反应的步骤。
47.如权利要求44-46任一项所述的方法，其中热处理步骤包括加热硫酸铝和/或氯化铝步骤。
48.如权利要求1-47任一项所述的方法，其包括由含钙起始材料形成和离析氧化铁。
49.如权利要求48所述的方法，其中形成和离析氧化铁的步骤包括：
在第二反应步骤期间形成具有作为副产物形成的含水硫酸铁和/或氯化铁和任选的至少一种其它金属镁硫酸盐和/或氯化物盐的含水溶液；其中该含水溶液不含钙盐且不含铝盐；
将所述含水溶液干燥以形成固体硫酸铁和/或固体氯化铁和任选的至少一种其它金属硫酸盐；
加热固体硫酸铁和任选的至少一种其它金属硫酸盐，以形成水不溶性氧化铁；和
任选地，将所述至少一种其它金属硫酸盐溶解以离析水不溶性氧化铁。
50.如权利要求1-49任一项所述的方法，其进一步包括形成第一酸的步骤；其中：(i)第一反应步骤包括形成第一酸的步骤且形成第一酸的步骤与第一反应步骤同时发生，或(ii)形成第一酸的步骤与第一反应步骤分开进行。
51.如权利要求1-50任一项所述的方法，其进一步包括形成第二酸的步骤；其中：(i)第二反应步骤包括形成第二酸的步骤且形成第二酸的步骤与第二反应步骤同时发生，或(ii)形成第二酸的步骤与第二反应步骤分开进行。
52.如权利要求51所述的方法，其中形成第二酸的步骤包括将SO2与水反应以形成H2SO3和/或H2SO4；其中第二酸为H2SO3和/或H2SO4。
53.如权利要求52所述的方法，其中第二酸为H2SO3和/或H2SO4且其中第二钙盐相应地为CaSO3和/或CaSO4。
54.如权利要求1-53任一项所述的方法，其中第一酸和/或第二酸为本体酸。
55.如权利要求1-53任一项所述的方法，其中形成第一酸的步骤包括经由水电解形成pH梯度；其中第一酸经由水电解形成。
56.如权利要求1-53任一项所述的方法，其中形成第二酸的步骤包括经由水电解形成pH梯度；其中第二酸经由水电解形成。
57.如权利要求10所述的方法，其中根据式FX1A的第二酸再生步骤在选自400℃至1800℃的范围的温度下进行、是放热的、和在催化剂的存在下进行。
58.如权利要求1-57任一项所述的方法，其中所述方法以每公吨生产的水泥材料的选自-2至+2GJ的范围的净能量为特征。
59.如权利要求1-58任一项所述的方法，其中第一反应步骤是放热的。
60.如权利要求1-59任一项所述的方法，其中第二酸再生步骤是放热的。
61.如权利要求1-60任一项所述的方法，其中第一反应步骤在至少50℃的温度下进行。
62.如权利要求1-61任一项所述的方法，其中热处理步骤在选自1100℃至1800℃的范围的温度下进行。
63.如权利要求1-61任一项所述的方法，其中热处理步骤在化学还原剂的存在下进行且在选自800℃至1200℃的范围的温度下进行。
64.如权利要求1-62任一项所述的方法，其进一步包括离子交换步骤；其中离子交换步骤包括将第一钙盐和/或第二钙盐的一个或多个阴离子交换为一个或多个羟基阴离子以形成第三钙盐。
65.如权利要求64所述的方法，其中离子交换步骤包括将第一钙盐和/或第二钙盐与螯合剂反应以形成钙-螯合剂化合物且将钙-螯合剂化合物与碱反应以形成第三钙盐。
66.如权利要求64或65所述的方法，其中离子交换步骤包括将第一钙盐和/或第二钙盐与碱反应以形成第三钙盐。
67.如权利要求64-66任一项所述的方法，其中离子交换步骤包括使用离子交换膜来进行将第一钙盐和/或第二钙盐的一个或多个阴离子交换为一个或多个羟基阴离子以形成第三钙盐。
68.如权利要求64-67任一项所述的方法，其中热处理步骤的一种或多种钙盐为第三钙盐。
69.如权利要求64-68任一项所述的方法，其中第三钙盐为Ca(OH)2。
70.经由还原性热分解生产水泥材料的方法，所述方法包括如下步骤：
将含钙材料与化学还原气体反应以产生甲烷和水泥材料。
71.如权利要求70所述的方法，其中含钙材料包括CaCO3、CaSO4、CaS、钙盐或其任意组合。
72.如权利要求70所述的方法，其中含钙材料为CaCO3、CaSO4、CaS或其任意组合。
73.如权利要求70-72任一项所述的方法，其中化学还原气体为氢气或包括氢气的气体。
74.如权利要求70-73任一项所述的方法，其中水泥材料为CaO或水泥材料包括CaO。
75.如权利要求70-74任一项所述的方法，其中含钙材料与化学还原气体反应的摩尔比为1:4或1:2。
76.如权利要求70-75任一项所述的方法，其中反应在水的存在下进行。
77.如权利要求70-75任一项所述的方法，其中反应在不存在水的情况下进行。
78.如权利要求70-77任一项所述的方法，其中在反应步骤期间产生氧气、水、或氧气和水的组合。
79.如权利要求70-78任一项所述的方法，其进一步包括将甲烷分解以产生氢气和一种或多种碳材料的步骤。
80.如权利要求70-79任一项所述的方法，其中所述方法不包括形成CO2。
81.如权利要求70-80任一项所述的方法，其中反应步骤以720kJ/mol或更小的低热值(LHV)和800kJ/mol或更小的高热值(HHV)为特征。
82.如权利要求70-81任一项所述的方法，其中反应步骤在至少700℃的温度下进行。
83.水泥材料的生产方法，所述方法包括如下步骤：
将含钙起始材料与第一酸进行第一反应以产生包括含水的第一钙盐的第一含水级分和包括一种或多种固体副产物的第一固体级分；其中：
含钙起始材料具有包含至少包括Ca和Si的多种金属元素的化学组成；
所述一种或多种固体副产物包括硅盐；
将第一含水级分与第一固体级分进行第一分离；和
处理第一钙盐以产生第一水泥材料。
84.如权利要求83所述的方法，其中处理步骤包括将第一钙盐在水的存在下热处理以产生第一水泥材料。
85.如权利要求84所述的方法，其中热处理第一钙盐使第一酸再生。
86.如权利要求83-85任一项所述的方法，其中处理步骤包括离子交换步骤；其中离子交换步骤包括将第一钙盐的一个或多个阴离子交换为一个或多个羟基阴离子以形成第三钙盐。
87.如权利要求86所述的方法，其中离子交换步骤包括将第一钙盐与螯合剂反应以形成钙-螯合剂化合物且将钙-螯合剂化合物与碱反应以形成第三钙盐。
88.如权利要求86或87所述的方法，其中离子交换步骤包括将第一钙盐与碱反应以形成第三钙盐。
89.如权利要求86-88任一项所述的方法，其中离子交换步骤包括使用离子交换膜来进行将第一钙盐的一个或多个阴离子交换为羟基阴离子以形成第三钙盐。
90.如权利要求86-89任一项所述的方法，其中第三钙盐为Ca(OH)2。
91.如权利要求86-90任一项所述的方法，其中处理步骤包括热处理第三钙盐以产生第一水泥材料。
92.如权利要求83-91任一项所述的方法，其中第一酸为氯化氢。
93.如权利要求83-92任一项所述的方法，其中所述一种或多种固体副产物包括SiO2。
94.如权利要求83-93任一项所述的方法，其中含钙起始材料包括至少一种天然岩石或矿物。
95.如权利要求49-69任一项所述的方法，其中形成和离析氧化铁的步骤进一步包括：使用SO2以沉淀MgSO3；将含水铁盐与固体镁盐分离；将所述含水溶液干燥以形成固体硫酸铁或氯化铁和任选的至少一种其它金属硫酸盐；加热固体硫酸铁和任选的至少一种其它金属硫酸盐以形成水不溶性氧化铁；和任选地，将所述至少一种其它金属硫酸盐溶解以离析水不溶性氧化铁。
96.如权利要求1-69任一项所述的方法，其中第一反应步骤包括将含钙起始材料与氢氯酸反应以至少形成含水氯化钙、含水氯化铝、含水氯化铁、含水氯化镁和固体二氧化硅。
97.如权利要求96所述的方法，其中第一分离步骤包括将包括含水氯化钙和含水氯化铝的第一含水级分与包括固体二氧化硅的第一固体级分分离。
98.如权利要求96-97任一项所述的方法，其中第二反应步骤包括至少将含水氯化钙与硫酸反应以至少形成固体硫酸钙、固体硫酸钙和氢氯酸。
99.如权利要求96-98任一项所述的方法，其中热处理步骤包括加热硫酸钙以形成氧化钙。
100.如权利要求1-69和95-99任一项所述的方法，其包括形成和离析氯化铝，和经由将氯化铝电解冶金而形成铝金属。
101.如权利要求100所述的方法，其中形成和离析氯化铝包括共-形成氯气；所述方法进一步包括将氯气与氢反应以使氢氯酸再生。
102.如权利要求1-69和95-99任一项所述的方法，其包括形成和离析硫酸铁，和经由将硫酸铁电解冶金而形成铁金属。
103.如权利要求102所述的方法，其进一步包括使硫酸再生。
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