EA032774B1

EA032774B1 - Системы отверждения для материалов, поглощающих диоксид углерода

Info

Publication number: EA032774B1
Application number: EA201591735A
Authority: EA
Inventors: Джон П. Капплер; Вахит Атакан; Кеннет Смит; Сюйдун Ху
Original assignee: Солидия Текнолоджиз, Инк.
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2019-07-31
Also published as: JP2017196904A; IL241628A0; CN105579209A; US9221027B2; US10668443B2; US10016739B2; TWI643833B; JP6598818B2; EP2969439B1; EA201591735A1; BR112015023238A2; MX2015012656A; US20180311632A1; KR20160007499A; EP2969439A1; CA2904720A1; KR101695746B1; TW201500329A; MX359648B; UA119440C2

Abstract

В изобретении предложена система отверждения, подходящая для отверждения материалов, поглощающих диоксид углерода в качестве реагента. Система содержит камеру отверждения, которая содержит отверждаемый материал и газ, содержащий диоксид углерода. Система содержит устройство, которое может обеспечивать доставку диоксида углерода с вытеснением атмосферного воздуха при загрузке системы; доставку диоксида углерода по мере необходимости и по мере его расходования; регулирование концентрации диоксида углерода, температуры и влажности в камере отверждения во время цикла отверждения и которое запись и отображение пользователю значений переменных, появляющихся во время процесса отверждения.

Description

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Заявка на данное изобретение испрашивает приоритет и преимущество на основании находящейся на рассмотрении предварительной заявки на патент США с серийным номером 61/785226, поданной 14 марта 2013 г., полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.

Область техники

Изобретение относится, в целом, к системам и способам получения новых композиционных материалов. Более конкретно, изобретение относится к оборудованию и способам, используемым для получения синтетических материалов из различных широко доступных сырьевых материалов (или материалов-предшественников), включая воду и диоксид углерода. Указанные композиционные материалы подходят для различных применений в строительстве, системах коммуникаций, искусстве и декоративной отделке.

Уровень техники

Бетонные и каменные материалы.

С древних времен люди знали и использовали бетон и камень. Например, такие материалы как бетон, сланец, гранит и мрамор используют при строительстве различных конструкций.

Бетон используют для всевозможных конструкций, включая дороги, здания и элементы конструкции, такие как трубы, строительные блоки, брусчатые камни и железнодорожные шпалы. Бетон имеет множество благоприятных свойств, таких как твердость (или устойчивость к деформации под действием механических сил), огнестойкость, водостойкость и устойчивость к различным факторам, включая устойчивость к образованию плесени и росту грибков.

Сланец представляет собой мелкозернистую метаморфическую породу, состоящую, главным образом, из кварца и слюды (иногда записываемую формулой KAl₂(AlSi₃O₁₀)). Благодаря плоскому строению, твердости, огнестойкости, водостойкости и устойчивости к различным факторам, включая устойчивость к образованию плесени и росту грибков, сланец находит широкое применение в строительстве зданий и сооружений, например в качестве брусчатки и кровельных материалов. Сланец может иметь разную окраску, например может быть серого (от светло-серого до темно-серого), зеленого, голубого (голубоватозеленого) или пурпурного цвета. Обычно сланец имеет чешуйчатую или слоистую структуру, за счет чего он расщепляется на отдельные пластины с плоской поверхностью. Уникальные эстетические и физические свойства сланца обусловили его привлекательность в качестве материала для строительства зданий и сооружений, а также для прикладного искусства и создания скульптур.

В поисках замены дорогого и редкого природного сланца недорогими, легко получаемыми аналогами исследовали искусственные сланцеподобные материалы. Предпринятые попытки, однако, пока не смогли обеспечить возможность получения синтетического материала, который обладает требуемыми внешним видом, текстурой, плотностью, твердостью, пористостью и другими эстетическими характеристиками сланца, но в то же время может быть изготовлен в больших количествах при низкой стоимости и минимальном воздействии на окружающую среду.

Композиционный сланец представляет собой искусственный заменитель сланца из вторичного каучука и пластмассы. Хотя указанные продукты похожи на сланец по своему внешнему виду и некоторым свойствам (в основном в том, что они являются водостойкими и устойчивы к различным факторам), они не имеют такой прочности, как сланец, не являются такими же огнестойкими, как сланец, и существенно отличаются на ощупь. Вблизи они выглядят иначе. Наконец, несмотря на то что они могут содержать вторичные материалы, в качестве основы для их изготовления используют материалы из нефтехимического сырья.

Слоистые асфальтовые листы имеют вид искусственного продукта, что делает их существенно менее привлекательными, чем природный сланец. Другие искусственные заменители сланца получают с применением синтетического смолистого связующего. Указанные способы имеют ряд недостатков, включая слабую воспроизводимость, низкий выход, физический износ, высокую стоимость отделки, неудовлетворительные механические свойства и т.п.

Гранит представляет собой вулканическую породу, содержащую, главным образом, кварц, слюду и полевой шпат. Обычно он встречается в виде крупных зерен, распределенных в тонкозернистой матрице. В природе встречается гранит разного цвета.

С древних времен люди знали и использовали гранит. Уникальные эстетические и физические свойства гранита обусловили его привлекательность в качестве материала для строительства зданий и сооружений, а также для прикладного искусства и создания скульптур. В поисках замены этого дорогого и редкого материала недорогими, легко получаемыми аналогами исследовали искусственные гранитоподобные материалы. Предпринятые попытки, однако, пока не смогли обеспечить возможность получения синтетического материала, который обладает требуемыми внешним видом, текстурой, плотностью, твердостью, пористостью и другими эстетическими характеристиками гранита, но в то же время может быть изготовлен в больших количествах при низкой стоимости и минимальном воздействии на окружающую среду.

Большинство искусственных заменителей гранита получают смешиванием порошка из природного камня и минералов с синтетической смолой (например, акриловой смолой, смолой на основе сложного

- 1 032774 ненасыщенного полиэфира, эпоксидной смолой). Указанные способы имеют ряд недостатков, включая неудовлетворительную воспроизводимость, низкий выход, физический износ, высокую стоимость отделки, неудовлетворительные механические свойства и т.п.

С древних времен люди знали и использовали мрамор. Уникальные эстетические и физические свойства мрамора обусловили его привлекательность в качестве материала для строительства зданий и сооружений, а также для прикладного искусства и создания скульптур. В поисках замены этого дорогого и редкого материала недорогими, легко получаемыми аналогами исследовали искусственные подобные мрамору материалы. Предпринятые попытки, однако, пока не смогли обеспечить возможность получения синтетического материала, который обладает требуемыми внешним видом, текстурой, плотностью, твердостью, пористостью и другими эстетическими характеристиками мрамора, но в то же время может быть изготовлен в больших количествах при низкой стоимости и минимальном воздействии на окружающую среду.

Большинство искусственных заменителей мрамора получают смешиванием порошка из природного камня и минералов с синтетической смолой (например, акриловой смолой, смолой на основе сложного ненасыщенного полиэфира, эпоксидной смолой). Указанные способы имеют ряд недостатков, включая слабую воспроизводимость, низкий выход, высокую стоимость отделки, физический износ, неудовлетворительные механические свойства и т.п.

Стандартные камеры отверждения бетона.

Традиционные камеры отверждения бетона используют при получении различных сборных бетонных изделий. Камера отверждения представляет собой полностью или частично закрытый объем, в котором может быть создана среда с регулируемыми условиями. Закрытый объем может быть ограничен твердыми стенками жесткой структуры, такой как камера, или гибким барьером, таким как брезентовое покрытие в форме тента. После изготовления бетонного образца его помещают в среду с регулируемыми условиями с достаточным содержанием влаги и достаточно высокой температурой для обеспечения достижения надлежащего отверждения за разумное время, обычно представляющее собой несколько дней. Отверждение необходимо для получения качественных бетонных продуктов и сильно влияет на их свойства, такие как долговечность, прочность и сопротивление истиранию. Надлежащее отверждение способствует также минимизации вторичных реакций, которые возникают с течением времени и могут вызывать появление дефектов и нежелательное изменение цвета готовых изделий.

Отверждение бетона происходит за счет химической реакции портландцементного бетона, известной как гидратация. Камера выполнена с возможностью поддержания регулируемых условий среды и поддержания надлежащей влажности в продукте в течение всего процесса отверждения. Любое ощутимое снижение содержания влаги приведет к значительной задержке или предотвращению гидратации и, следовательно, к ухудшению свойств продукта. Кроме того, в процессе отверждения важную роль играет температура, поскольку температуры ниже 10°С или выше 70°С весьма неблагоприятны для отверждения, и при этом оптимальной является температура 60°С.

Некоторые компании, выпускающие готовые бетонные изделия, стремятся упростить процесс отверждения за счет использования больших помещений или пространств, покрытых брезентом, в которых выдерживают готовые изделия для поддержания температуры и влажности. Такие системы могут быть использованы как способ сохранения теплоты, выделенной образцами в результате экзотермической реакции, которая протекает в процессе гидратации, или для сохранения теплоты или влажности, которые могут быть обеспечены внешними нагревателями или системами распыления воды. Однако наиболее производительный и эффективный способ отверждения бетонных изделий промышленного производства основан на использовании постоянных и контролируемых условий отверждения в изолированной среде.

Есть несколько компаний, которые специализируются на проектировании, изготовлении и установке камер отверждения бетона на основе портландцемента для отрасли готовых бетонных изделий для изготовления широкого ряда продуктов, включая, но не ограничиваясь ими, брусчатые камни, бетонные строительные блоки (CMU), подпорные стены и кровельную черепицу. Такие системы отверждения наиболее часто конструируют из стали, обычно гальванизированной стали, и изолируют для предотвращения потери тепла и сохранения энергоэффективности. Некоторые системы имеют высокую степень автоматизации и содержат вагонетки для кирпича, которые представляют собой автоматические системы транспортировки, обеспечивающие перемещение предварительно изготовленных заготовок из формовочной машины на стеллажи камеры отверждения. Промышленные системы отверждения могут иметь размер от размера стандартного транспортного контейнера (примерно 40 футовх10 футовх8 футов), включая все промежуточные размеры, до крупномасштабных промышленных систем, размер которых может достигать 200 футовх100 футовх50 футов. Камеры могут быть сконструированы в виде системы из одной большой камеры, если продукт является однообразным, но производители широкого ассортимента обычно используют многорядную систему, позволяющую контролировать профиль температуры и влажности по отдельности на каждом участке, где могут находиться разные производственные линии.

- 2 032774

Фиг. 1 представляет собой схематический чертеж традиционной (известной до настоящего изобретения) камеры отверждения бетона, содержащей основные компоненты, представляющие собой систему циркуляции, теплообменник и систему увлажнения. Указанная система может содержать один или более нагнетателей для циркуляции газа, которые обеспечивают достаточно высокие скорости движения газа через продукты для достижения требуемого распределения температуры и влажности. Теплообменник может работать за счет горелки прямого сжигания газа, горелки косвенного сжигания газа или электрического нагревателя. Система увлажнения обычно содержит распылительные струйные форсунки или генератор нагретого пара для подачи паров воды в систему. Температуру и влажность контролируют с помощью датчиков, которые направляют сигналы в компьютер или программируемый логический контроллер, используемые для регулирования параметров отверждения. Многие системы обеспечивают возможность полной последовательной автоматизации стадий повышения температуры и влажности, выдержки и охлаждения, изображенными на фиг. 2. Фиг. 2 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую традиционный (известный до настоящего изобретения) профиль отверждения бетона как зависимость температуры от времени.

Системы обработки с применением диоксида углерода.

Описания систем, в которых в качестве реагента используют диоксид углерода, включают публикацию Kraft Energy, где описано их применение в ряде документов, например в Системах отверждения бетона Kraft Energy. На стр. 195 Kraft Energy указывает, что карбонизация (бетона) представляет собой [a] процесс, посредством которого диоксид углерода из воздуха проникает в бетон и взаимодействует с гидроксидами, такими как гидроксид кальция, с образованием карбонатов. В этой реакции с гидроксидом кальция образуется карбонат кальция. На стр. 37 Kraft Energy приводит изображение карбонизированного брусчатого камня. Подпись под изображением: Типичная карбонизация после отверждения блока прочностью 7 Н/мм² в течение 24 ч в присутствии паров, (определение с фенолфталеином). На изображении показан прямоугольный блок, который имеет серый участок на поверхностях и пурпурную центральную область. Известно, что фенолфталеин представляет собой химическое соединение формулы С₂₀Н₁₄О₄. Он становится бесцветным в кислых растворах и приобретает розовую окраску в щелочных растворах. При высокой концентрации индикатора цвет становится пурпурным. Как можно видеть из указанного изображения, карбонизация происходит лишь до небольшой глубины и не происходит в центральной части блока.

Из предшествующего уровня техники известен также патент США № 4117060, принадлежащий Murray, выданный 26 сентября 1978 года, в котором описан способ и устройство для изготовления бетонных или аналогичных конструкций, где смесь известкового цементного связующего вещества, такого как цемент, заполнителя, сополимера винилацетата и дибутилмалеата и такого количества воды, которого достаточно для получения относительно сухой смеси, прессуют в требуемой конфигурации в форме, а затем на указанную смесь в форме воздействуют газообразным диоксидом углерода перед прессованием, в результате чего газообразный диоксид углерода взаимодействует с ингредиентами с образованием затвердевшего продукта с более высокой степенью отверждения, обладающего превосходными физическими свойствами.

Из предшествующего уровня техники известен также патент США № 4362679, принадлежащий Malinowski, выданный 7 декабря 1982 г., в котором описан способ литья различных типов бетонных изделий без необходимости использования камеры отверждения или автоклава для бетона, при этом после замеса бетон отливают и подвергают внешней и/или внутренней вакуумной обработке с получением обезвоженного и уплотненного бетона. Затем в массу подают газообразный диоксид углерода, поддерживая пониженное давление или разрежение, так чтобы газ под действием пониженного давления диффундировал в капилляры, образованные в бетонной массе, с обеспечением быстрого затвердевания массы. В одном из вариантов реализации (см. фиг. 2), в котором массу (1) обезвоживают и уплотняют с помощью плиты или пластины (2), установленной на ней, и подвергают пониженному давлению с помощью трубы или трубопровода (5), при этом газообразный диоксид углерода подают (по линии 6) через указанную плиту или пластину (2), при этом используют преобладающее пониженное давление в массе. В другом варианте реализации (см. фиг. 3) используют разрежение (по линии 5) в направлении от одной или более сторон (2b) формы во внутреннюю часть отливаемого элемента с помощью специальных вставок, отверстий или полостей внутри элемента, либо через слой (Ib) пористого материала) в его внутренней части. Затем подают газообразный диоксид углерода соответствующим образом (по линии 6). Два указанных основных варианта реализации в некоторых случаях могут быть различным образом скомбинированы. Дополнительно в то же время или впоследствии бетон может подвергаться обработке другого типа, такой как пропитывание подходящим раствором.

Из предшествующего уровня техники известен также патент США № 4862827, принадлежащий Getson, выданный 5 сентября 1989 года, в котором в кол. 3, строки 26-32, указано, что на фиг. 1 изображено впускное отверстие 33 и выпускное отверстие 37 для воздуха и камера 35, расположенная по пути движения воздуха после впускного отверстия 33 для воздуха. Указанная камера может быть использована для введения диоксида углерода для ускорения и отверждения некоторых композиций и/или может быть использована для введения 30 дополнительной влаги для дополнительного ускорения отверждения

- 3 032774 систем, затвердевающих под действием влаги. Из предшествующего уровня техники известен также патент США № 5800752, принадлежащий Charlebois, выданный 1 сентября 1998 года, в котором описаны полимерные композиционные продукты, включая продукты, полученные из полимерного бетона, армированного полимерного бетона и армированных пластмасс, такие как компаунды для объемного прессования, листовые формовочные материалы, минеральные формовочные массы и новейшие системы формовочных масс, которые получают путем воздействия на смесь наполнителя и полимерного связующего одновременно вибрацией, нагревом и давлением. Одновременное применение вибрации, нагревания и давления приводит к образованию защитного слоя полимеризованного связующего, который защищает поверхности формы и обеспечивает получение продуктов, которые, по существу, не содержат закручиваний, трещин или пустот. Способ согласно настоящему изобретению обеспечивает значительное сокращение времени, необходимого для отверждения полимерных композиционных продуктов.

Из предшествующего уровня техники известен также патент США № 5935317, принадлежащий Soroushian et al., выданный 10 августа 1999 года, в котором описан период предварительного отверждения с CO₂, используемый перед ускоренным (с помощью пара или пара под высоким давлением) отверждением цементных и бетонных продуктов для: (1) получения продуктов, выдерживающих высокие температуры и давление паров в условиях ускоренного отверждения без микрорастрескивания и повреждений; и (2) обеспечения преимуществ реакций карбонизации в отношении стабильности размеров, химической стойкости, повышенных прочности и твердости и улучшенной стойкости к истиранию цементных и бетонных продуктов без существенной модификации стандартных процедур ускоренного отверждения. В зависимости от содержания влаги в продукте предварительное отверждение под действием CO₂ согласно настоящему изобретению может быть осуществлено посредством сначала высушивания продукта (например, при немного повышенной температуре) с последующим воздействием на него среды с высоким содержанием диоксида углерода. Энергичные реакции цементного теста в присутствии диоксида углерода обеспечивают получение продуктов с улучшенной прочностью, целостностью и химической стабильностью и стабильностью размеров за относительно короткий период времени. Последующее ускоренное отверждение, даже выполняемое за более короткие промежутки времени (с меньшими энергетическими и стоимостными затратами), обеспечивает достижение более высоких характеристик качества, чем могут быть достигнуты с применением стандартного периода предварительного схватывания с последующим ускоренным отверждением цементных и бетонных продуктов.

Из предшествующего уровня техники известен также патент США № 7390444, принадлежащий Ramme et al., выданный 24 июня 2008 года, в котором описан способ поглощения диоксида углерода из дымовых газов, выходящих из камеры сгорания. В указанном способе получают пену, содержащую пенообразующий агент и дымовой газ, и добавляют ее к смеси, содержащей цементный материал (например, золу-унос) и воду, с получением вспененной смеси. Затем вспененную смесь оставляют оседать, предпочтительно на материал с контролируемой низкой прочностью, имеющий прочность на сжатие 1200 psi или менее. Диоксид углерода из дымового газа и отработанной теплоты взаимодействует с продуктами гидратации в материале с контролируемой низкой прочностью, в результате чего повышается прочность материала. В указанном способе происходит поглощение диоксида углерода. Материал с контролируемой низкой прочностью может быть раздроблен или гранулирован с получением легковесного заполнителя со свойствами, похожими на свойства природного минерала пемзы. Из предшествующего уровня техники известна также публикация международной заявки на патент компании CARBONCURE TECHNOLOGIES INC. WO 2012/079173 A1, опубликованная 21 июня 2012 года, в которой описаны бетонные изделия, включая блоки, по существу, плоские продукты (такие как брусчатые камни) и полые продукты (такие как полые трубы), которые получают в форме, нагнетая диоксид углерода в бетон, находящийся в форме, через отверстия.

Все вышеперечисленные документы, в которых описаны реакции диоксида углерода с бетоном, относятся к бетону, в котором в качестве связующего агента используют портландцемент. Портландцемент затвердевает по реакции гидратации в отсутствие CO2.

Кроме того, существующие способы обычно характеризуются большим расходом энергии и большими выбросами диоксида углерода с неблагоприятным углеродным следом.

Существует постоянная потребность в устройстве и способах получения новых композиционных материалов, которые обладают подходящими эстетическими и физическими характеристиками и могут быть произведены в больших количествах при низких затратах, улучшенном энергопотреблении и требуемом углеродном следе.

Краткое описание изобретения

Изобретение частично основано на неожиданном обнаружении новых композиционных материалов, таких как материалы, подобные бетону и камню, которые могут быть легко получены из широко доступных, недорогих материалов-предшественников в виде частиц в соответствии со способом, подходящим для крупномасштабного производства. Материалы-предшественники включают связующие элементы, которые содержат силикат кальция в виде частиц (например, измельченный волластонит) и материалы-наполнители в виде частиц, которые содержат минералы (например, кварц и другие материалы, содержащие SiO₂, гранит, слюда и полевой шпат). В качестве реакционной среды обеспечивают также

- 4 032774 жидкий компонент, содержащий жидкую воду и/или водяные пары и реагент - диоксид углерода (CO2). Дополнительные материалы могут включать природные или вторично используемые материалы и материалы с высоким содержанием карбоната кальция и высоким содержанием карбоната магния, а также добавки к жидкому компоненту, такие как водорастворимый диспергирующий агент.

Для точного регулирования внешнего вида и механических свойств готового композиционного материала могут быть использованы различные добавки, такие как частицы окрашенных материалов, такие как частицы цветного стекла, цветного песка и цветного кварца, и пигменты (например, черный оксид железа, оксид кобальта и оксид хрома). Термин красящие вещества может быть использован для обозначения в общем цветных материалов и/или пигментов. Для имитации внешнего вида, подобного сланцу, материалы-наполнители в виде частиц могут содержать крупные частицы и мелкие частицы. Крупные частицы представляют собой, главным образом, материалы на основе силиката для обеспечения твердости, а мелкие частицы могут быть из различных материалов, включая песок, истолченные, дробленые или иным образом измельченные вещества, выбранные из минералов и материалов добавок.

Указанные композиционные материалы могут иметь эстетические визуальные рисунки, а также демонстрировать прочность на сжатие, прочность на изгиб и водопоглощение, аналогичные указанным свойствам соответствующих природных материалов. Композиционные материалы согласно изобретению могут быть получены с применением эффективного процесса газового гидротермического жидкофазного спекания (HLPS) при низких затратах и значительно улучшенном энергопотреблении и углеродном следе. Фактически, в предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения происходит расходование CO₂ в качестве реакционноспособных частиц, что приводит к нетто-поглощению CO₂.

В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение относится к системе отверждения для отверждения материала, для которого в качестве отверждающего реагента необходим CO2. Указанный материал не отверждается в отсутствие CO2. Указанный материал не поглощает воду в качестве реагента. Система отверждения содержит камеру отверждения, выполненную с возможностью размещения материала, который поглощает CO2 в качестве реагента (или реактива) и который не отверждается в отсутствие CO₂. Камера отверждения имеет по меньшей мере одно отверстие, выполненное с возможностью введения материала в камеру отверждения и его выгрузки из камеры отверждения, и имеет по меньшей мере один закрывающий элемент для указанного отверстия, которая выполнена с возможностью обеспечения изоляции от внешней среды в закрытом состоянии для предотвращения загрязнения газа, находящегося в камере отверждения, газом, находящимся за пределами камеры отверждения; источник диоксида углерода, выполненный с возможностью подачи газообразного диоксида углерода в камеру отверждения через отверстие для подачи газа в камере отверждения, при этом источник диоксида углерода имеет по меньшей мере одно устройство регулирования потока, выполненное с возможностью регулирования скорости потока газообразного диоксида углерода в камеру отверждения; подсистему потока газа, выполненную с возможностью циркуляции газа по камере отверждения в течение периода времени, когда происходит отверждение материала, который поглощает CO2 в качестве химического реагента; подсистему контроля температуры, выполненную с возможностью регулирования температуры газа в камере; подсистему контроля влажности, выполненную с возможностью регулирования влажности газа в камере для повышения или понижения влажности; и по меньшей мере один контроллер, сообщающийся с по меньшей мере одним из следующих: источник диоксида углерода, подсистема потока газа, подсистема контроля температуры и подсистема контроля влажности; и по меньшей мере один контроллер, выполненный с возможностью независимого регулирования, соответственно, по меньшей мере одного из следующих: скорость потока газообразного диоксида углерода, циркуляция газа в камере отверждения, температура газа и влажность газа, в течение периода времени, когда происходит отверждение материала, поглощающего CO2 в качестве химического реагента.

В одном из вариантов реализации камера отверждения выполнена с возможностью поддержания давления газа в ней на уровне выше атмосферного давления. В другом варианте реализации по меньшей мере одно устройство регулирования потока содержит по меньшей мере один из регулятора давления и контроллера потока, выполненный с возможностью подачи газообразного диоксида углерода со скоростью, которая, по существу, равна скорости поглощения диоксида углерода материалом, поглощающим CO₂ в качестве химического реагента в процессе отверждения.

В другом варианте реализации по меньшей мере одно устройство регулирования потока содержит по меньшей мере один из регулятора давления и контроллера потока, выполненный с возможностью подачи газообразного диоксида углерода со скоростью, достаточной для вытеснения атмосферного воздуха из камеры отверждения в течение периода времени от 2 до 120 мин для достижения целевой концентрации CO₂, составляющей 50-90 об.%.

В другом варианте реализации по меньшей мере одно устройство регулирования потока содержит по меньшей мере один из регулятора давления и контроллера потока, выполненный с возможностью подачи газообразного диоксида углерода со скоростью, которая по существу равна скорости выхода газа из камеры отверждения.

В дополнительном варианте реализации подсистема потока газа содержит измерительное устройство, выполненное с возможностью измерения количества диоксида углерода в газе, присутствующего в

- 5 032774 камере отверждения.

В одном из вариантов реализации подсистема потока газа содержит измерительное устройство, выполненное с возможностью измерения скорости газа, присутствующего в камере отверждения.

В одном из вариантов реализации измерительное устройство, выполненное с возможностью измерения скорости газа, выбрано из трубки Пито, измерительной диафрагмы, анемометра и лазерной доплеровской системы обнаружения.

В одном из вариантов реализации подсистема потока газа содержит нагнетатель с регулируемой скоростью, выполненный с возможностью обеспечения циркуляции газа в камере отверждения с требуемой скоростью.

В дополнительном варианте реализации подсистема контроля температуры содержит датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры газа в камере отверждения.

В дополнительном варианте реализации подсистема контроля температуры содержит теплообменник для регулирования температуры газа в камере отверждения.

В другом варианте реализации подсистема контроля температуры содержит теплообменник для регулирования температуры газообразного диоксида углерода, подаваемого в камеру отверждения через отверстие для подачи газа в камере отверждения.

В дополнительном варианте реализации подсистема контроля температуры содержит нагреватель, расположенный на внешней поверхности камеры отверждения или встроенный в стенки камеры.

В одном из вариантов реализации подсистема контроля влажности содержит измерительное устройство, выполненное с возможностью определения относительной влажности газа в камере.

В другом варианте реализации подсистема контроля влажности содержит конденсатор и односторонний водоотвод для конденсата, выполненный с возможностью снижения влажности газа в камере.

В другом варианте реализации подсистема контроля влажности содержит выпускной клапан, выполненный с возможностью снижения влажности газа в камере.

В другом варианте реализации подсистема контроля влажности содержит устройство подачи воды, выполненное с возможностью повышения влажности газа в камере.

В дополнительном варианте реализации по меньшей мере один контроллер представляет собой программируемый логический контроллер.

В дополнительном варианте реализации по меньшей мере один контроллер представляет собой программируемый компьютер общего назначения, работающий под управлением набора инструкций, записанных на машиночитаемом носителе.

В дополнительном варианте реализации по меньшей мере один контроллер содержит дисплей, выполненный с возможностью отображения пользователю любых из следующих данных: продолжительность цикла отверждения, скорость потока газообразного диоксида углерода, концентрация диоксида углерода в камере отверждения, давление газа в камере отверждения, скорость циркуляции газа в камере отверждения, температура газа и влажность газа.

В дополнительном варианте реализации по меньшей мере один контроллер выполнен с возможностью записи любых из следующих данных: продолжительность цикла отверждения, скорость потока газообразного диоксида углерода, концентрация диоксида углерода в камере отверждения, давление газа в камере отверждения, скорость циркуляции газа в камере отверждения, температура газа и влажность газа.

В дополнительном варианте реализации по меньшей мере один контроллер содержит сенсорный дисплей.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена принципиальная схема традиционной (известной до настоящего изобретения) камеры отверждения бетона;

на фиг. 2 - диаграмма, иллюстрирующая традиционный (известный до настоящего изобретения) профиль отверждения бетона в виде зависимости температуры от времени;

фиг. 3(а)-3(с) представляют собой схематические изображения поперечных сечений связующих элементов в соответствии с иллюстративными вариантами реализации настоящего изобретения, включая три иллюстративных морфологии ядра: (a) волокнистая, (b) эллиптическая и (c) равноосная;

фиг. 4(a)-4(f) представляют собой схематические изображения вида сбоку и поперечного сечения композиционных материалов в соответствии с иллюстративными вариантами реализации настоящего изобретения, демонстрирующие (a) ID-ориентированные связующие элементы в форме волокон в разбавленной связующей матрице (связующие элементы не соприкасаются), (b) 2D-ориентированные связующие элементы пластинчатой формы в разбавленной связующей матрице (связующие элементы не соприкасаются), (c) 3D-ориентированные связующие элементы пластинчатой формы в разбавленной связующей матрице (связующие элементы не соприкасаются) и (d) случайным образом ориентированные связующие элементы пластинчатой формы в разбавленной связующей матрице (связующие элементы не соприкасаются), при этом композиционный материал содержит связующую матрицу и компонентынаполнители, такие как полимеры, металлы, неорганические частицы, заполнители и т.д., (e) концентрированную связующую матрицу (с объемным содержанием, достаточным для обеспечения проникающей

- 6 032774 сетчатой структуры) связующих элементов, где матрица является 3П-ориентированной, и (f) концентрированную связующую матрицу (с объемным содержанием, достаточным для обеспечения проникающей сетчатой структуры) случайным образом ориентированных связующих элементов, в которую могут быть включены компоненты-наполнители, такие как полимеры, металлы, неорганические частицы, заполнители и т.д;

на фиг. 5 представлено схематическое изображение камеры отверждения бетона с CO₂, спроектированной и эксплуатируемой в соответствии с сущностью настоящего изобретения;

на фиг. 6 - схематическое изображение камеры отверждения бетона с CO₂, в которой обеспечивается увлажнение в соответствии с сущностью настоящего изобретения;

на фиг. 7 - схематическое изображение камеры отверждения с CO₂, в которой обеспечивается осушение посредством выдувания влажного газа в соответствии с сущностью настоящего изобретения;

на фиг. 8 - схематическое изображение камеры отверждения с CO₂, в которой обеспечивается осушение с помощью охлажденного теплообменника в соответствии с сущностью настоящего изобретения;

на фиг. 9 - схематическое изображение камеры отверждения, имеющей линию продувания CO₂ и линию постоянного пополнения потока CO₂ в соответствии с сущностью настоящего изобретения;

на фиг. 10 - схематическое изображение камеры отверждения, которая имеет линию продувания CO₂ и которая может обеспечивать пополнение CO₂ с регулируемым давлением в соответствии с сущностью настоящего изобретения;

на фиг. 11 - схематическое изображение камеры отверждения среднего размера, которая имеет несколько способов регулирования влажности и имеет возможность регулирования и пополнения CO₂ посредством постоянного потока или регулирования давления и которая может обеспечивать регулирование влажности в соответствии с сущностью настоящего изобретения;

на фиг. 12 - фотография нескольких барабанных реакторов, сделанных из барабанов из нержавеющей стали объемом 55 галлонов;

на фиг. 13 - фотография внутренней части барабанного реактора, содержащего стеллажи для установки паллет с материалами, подлежащими обработке в нем;

на фиг. 14 - фотография внешнего вида барабанного реактора, окруженного нагревательной рубашкой, на которой показаны несколько разъемов термопар и отверстие для подачи газа;

на фиг. 15 - фотография панели управления барабанного реактора, на которой показаны четыре контроллера, которые регулируют (слева направо) погружаемый нагреватель, нагревательную рубашку, встроенный нагреватель газа и вентилятор, а также показания температуры трех нагревателей;

на фиг. 16 - фотография коммерчески доступной камеры отверждения бетона производства CDS Inc., модернизированной для отверждения под низким давлением CO₂ в соответствии с сущностью настоящего изобретения;

на фиг. 17 - фотография части внутреннего оснащения камеры, изображенной на фиг. 16, демонстрирующая дополнительные изменения, сделанные в традиционной системе отверждения портландцемента;

на фиг. 18 - другая фотография анализатора CO₂ NDIR 1740;

на фиг. 19 - фотография внутренней части камеры отверждения, демонстрирующая дополнительные установленные компоненты;

на фиг. 20 - скриншот дисплея, подключенного к программируемому логическому контроллеру, регулирующему параметры камеры отверждения в соответствии с сущностью настоящего изобретения;

на фиг. 21 - профиль температуры и влажности, соответствующий примеру 5; на фиг. 22 - профиль температуры и влажности, соответствующий примеру 6.

Подробное описание изобретения

Сущность изобретения заключается в обеспечении системы отверждения, создающей среду с регулируемыми условиями, посредством чего обеспечивается контроль и регулирование температуры, давления, концентрации CO2, относительной влажности и скорости газа с получением готовых продуктов на основе бетона, которые отверждаются преимущественно в присутствии CO₂ и в отсутствие CO₂ отверждаются не полностью.

Композиционные материалы, полученные гидротермическим жидкофазным спеканием.

В настоящем изобретении предложено устройство и способы, используемые для изготовления новых композиционных материалов, которые отверждаются преимущественно в результате реакции с поглощением CO₂ и которые обладают полезными свойствами и могут быть легко получены из широко доступных, недорогих материалов-предшественников в соответствии со способом, подходящему для крупномасштабного производства при минимальным воздействии на окружающую среду. Материалыпредшественники включают недорогие и широко распространенные материалы с высоким содержанием силиката кальция и карбоната кальция, например измельченный волластонит, измельченный известняк, крупные частицы и мелкие частицы. Крупные частицы и мелкие частицы представляют собой, главным образом, материалы на основе SiO₂ для обеспечения твердости. Крупные частицы и мелкие частицы могут содержать минералы (например, кварц и другие материалы, содержащие SiO₂, гранит, слюду и полевой шпат). Другие основные компоненты процесса включают воду и CO₂. Для модификации и точного

- 7 032774 регулирования внешнего вида и/или механических свойств готового композиционного материала могут быть использованы различные добавки, такие как пигменты (например, черный оксид железа, оксид кобальта и оксид хрома) и окрашенное стекло и/или окрашенный кварц.

Указанные композиционные материалы имеют различные рисунки, текстуры и другие характеристики, такие как визуальные рисунки различных цветов. Кроме того, композиционные материалы согласно настоящему изобретению имеют такие же свойства прочности на сжатие, прочности на изгиб и водопоглощения, что и обычный бетон или соответствующие природные материалы. Кроме того, указанные композиционные материалы могут быть получены, как описано в настоящем документе, с применением энергоэффективного способа HLPS и могут быть изготовлены при низких затратах и минимальном воздействии на окружающую среду. Например, в предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения в качестве реакционноспособных частиц используют CO₂, что обуславливает поглощение CO₂ для изготовленных композиционнов материалов с таким углеродным следом, который невозможно достичь ни в одной существующей технологии производства. Процесс HLPS термодинамически регулируется свободной энергией химической реакции(-ий) и снижением поверхностной энергии (площади), обусловленным ростом кристаллов. Кинетика процесса HLPS позволяет проводить его с приемлемой скоростью при низкой температуре, поскольку для переноса реакционноспособных частиц используют раствор (водный или неводный) вместо применения жидкости с высокой температурой плавления или среды с высокой температурой перехода в твердое состояние.

Обзор различных аспектов HLPS представлен в патенте США № 8114367, публикации заявки на патент США № US 2009/0143211 (заявка с серийным номером 12/271566), публикации заявки на патент США № US 2011/0104469 (заявка с серийным номером 12/984299), публикации заявки на патент США № 20090142578 (заявка с серийным номером 12/271513), WO 2009/102360 (PCT/US2008/083606), WO 2011/053598 (PCT/US2010/054146), WO 2011/090967 (PCT/US2011/021623), в заявке на патент США с серийным номером 13/411218, поданной 2 марта 2012 г. (Riman et al.), в заявке на патент США с серийным номером 13/491098, поданной 7 июня 2012 г. (Riman et al.), в предварительной заявке на патент США № 61/708423, поданной 1 октября 2012 г., и в предварительных заявках на патент США № 61/709435, 61/709453, 61/709461 и 61/709476, поданных 4 октября 2012 г., полное содержание которых в явном виде и во всех отношениях включено в настоящий документ посредством ссылки.

В некоторых вариантах реализации композиционный материал дополнительно содержит пигмент. Пигмент может быть равномерно диспергирован или, по существу, неравномерно диспергирован в связующих матрицах в зависимости от требуемого композиционного материала. Пигмент может быть любым подходящим пигментом, включая, например, оксиды различных металлов (например, оксид железа, оксид кобальта, оксид хрома). Пигмент может быть любого цвета или цветов, например, выбранных из черного, белого, синего, серого, розового, зеленого, красного, желтого и коричневого. Пигмент может содержаться в любом подходящем количестве в зависимости от требуемого композиционного материала, например в количестве от примерно 0,0 до примерно 10 мас.% (например, от примерно 0,0 до примерно 8%, от примерно 0,0 до примерно 6%, от примерно 0,0 до примерно 5%, от примерно 0,0 до примерно 4%, от примерно 0,0 до примерно 3%, от примерно 0,0 до примерно 2%, от примерно 0,0 до примерно 1%, от примерно 0,0 до примерно 0,5%, от примерно 0,0 до примерно 0,3%, от примерно 0,0 до примерно 2%, от примерно 0,0 до примерно 0,1%).

Множество связующих элементов могут иметь любой подходящий медианный размер частиц и распределение по размеру в зависимости от требуемого композиционного материала. В некоторых вариантах реализации множество связующих элементов имеют медианный размер частиц в диапазоне от примерно 5 до примерно 100 мкм (например, от примерно 5 до примерно 80 мкм, от примерно 5 до примерно 60 мкм, от примерно 5 до примерно 50 мкм, от примерно 5 до примерно 40 мкм, от примерно 5 до примерно 30 мкм, от примерно 5 до примерно 20 мкм, от примерно 5 до примерно 10 мкм, от примерно 10 до примерно 80 мкм, от примерно 10 до примерно 70 мкм, от примерно 10 до примерно 60 мкм, от примерно 10 до примерно 50 мкм, от примерно 10 до примерно 40 мкм, от примерно 10 до примерно 30 мкм, от примерно 10 до примерно 20 мкм).

Множество частиц наполнителя могут иметь любой подходящий медианный размер частиц и распределение по размеру. В некоторых вариантах реализации множество частиц наполнителя имеют медианный размер частиц в диапазоне от примерно 5 мкм до примерно 7 мм (например, от примерно 5 мкм до примерно 5 мм, от примерно 5 мкм до примерно 4 мм, от примерно 5 мкм до примерно 3 мм, от примерно 5 мкм до примерно 2 мм, от примерно 5 мкм до примерно 1 мм, от примерно 5 мкм до примерно 500 мкм, от примерно 5 мкм до примерно 300 мкм, от примерно 20 мкм до примерно 5 мм, от примерно 20 мкм до примерно 4 мм, от примерно 20 мкм до примерно 3 мм, от примерно 20 мкм до примерно 2 мм, от примерно 20 мкм до примерно 1 мм, от примерно 20 мкм до примерно 500 мкм, от примерно 20 мкм до примерно 300 мкм, от примерно 100 мкм до примерно 5 мм, от примерно 100 мкм до примерно 4 мм, от примерно 100 мкм до примерно 3 мм, от примерно 100 мкм до примерно 2 мм, от примерно 100 мкм до примерно 1 мм).

В некоторых предпочтительных вариантах реализации частицы наполнителя состоят из материала с высоким содержанием карбоната кальция, такого как известняк (например, измельченный известняк). В

- 8 032774 некоторых материалах частицы наполнителя состоят из одного или более материалов на основе SiO2 или силиката, таких как кварц, слюда, гранит и полевой шпат (например, измельченный кварц, измельченная слюда, измельченный гранит, измельченный полевой шпат).

В некоторых вариантах реализации частицы наполнителя могут содержать природные, синтетические и вторично используемые материалы, такие как стекло, вторичное стекло, угольный шлак, материалы с высоким содержанием карбоната кальция и материалы с высоким содержанием карбоната магния.

Множество связующих элементов могут быть получены путем химического превращения из любых подходящих материалов-предшественников, например, из предшественника - силиката кальция, отличного от волластонита. Предшественник силикат кальция может содержать один или более химических элементов из следующих: алюминий, магний и железо.

При использовании в настоящем документе термин силикат кальция относится к природным минералам или синтетическим материалам, которые состоят из одного или более из группы соединений, содержащих кальций и диоксид кремния, включая CaSiO₃ (также известный как волластонит или псевдоволластонит и иногда записываемый формулой CaO-SiO₂), Ca₃Si₂O₇ (также известный как ранкинит и иногда записываемый формулой 3CaO-2SiO₂), Ca₂SiO₄ (также известный как белит и иногда записываемый формулой 2CaO-SiO₂), Ca₃SiO₅ (также известный как алит и иногда записываемый формулой 3CaO-SiO₂), где указанный материал может содержать один или более других ионов и оксидов металлов (например, оксиды алюминия, магния, железа или марганца) или их смеси, или может содержать некоторое количество силиката магния в природной или синтетической форме(ах) в количестве, начиная от следового количества (1 мас.%) до примерно 50 мас.% или более.

Следует понимать, что композиции и способы, описанные в настоящем документе, могут быть изменены таким образом, что вместо или вместе с силикатом кальция будут использовать силикат магния. При использовании в настоящем документе термин силикат магния относится к природным минералам или синтетическим материалам, которые состоят из одного или более из группы соединений, содержащих магний и диоксид кремния, включая, например, Mg₂SiO₄ (также известный как фостерит) и Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂) (также известный как тальк, где указанный материал может содержать один или более других ионов и оксидов металлов (например, оксиды кальция, алюминия, железа или марганца) или их смеси, или может содержать некоторое количество силиката кальция в природной или синтетической форме(-ах) в количестве, начиная от следового количества (1 мас.%) до примерно 50 мас.% или более.

Термин кварц, используемый в настоящем документе, относится к любому материалу на основе SiO2, включая обычный песок (для строительства и кладки), а также стекло и вторично используемое стекло. Указанный термин включает также любые другие вторично используемые природные и синтетические материалы, которые содержат значительное количество SiO₂ (например, слюда, иногда записываемая формулой KAl₂(AlSi₃O₁₀)).

Массовое соотношение (связующие элементы):(частицы наполнителя) может быть любым подходящим соотношением в зависимости от требуемого композиционного материала, например, в диапазоне от примерно (от 15 до 50):до примерно (от 50 до 85).

В некоторых предпочтительных вариантах реализации множество связующих элементов получают путем химического превращения из измельченного волластонита (или предшественника силиката кальция или силиката магния, отличного от волластонита) посредством его взаимодействия с CO2 в процессе газового HLPS. В некоторых вариантах реализации композиционный материал характеризуется прочностью на сжатие от примерно 90 до примерно 175 МПа (например, от примерно 90 до примерно 150 МПа, от примерно 90 до примерно 140 МПа, от примерно 90 до примерно 130 МПа, от примерно 90 до примерно 120 МПа, от примерно 90 до примерно 110 МПа, от примерно 100 до примерно 175 МПа, от примерно 120 до примерно 175 МПа, от примерно 130 до примерно 175 МПа, от примерно 140 до примерно 175 МПа, от примерно 150 до примерно 175 МПа, от примерно 160 до примерно 175 МПа).

В некоторых вариантах реализации композиционный материал характеризуется прочностью на изгиб от примерно 5 до примерно 30 МПа (например, от примерно 5 до примерно 25 МПа, от примерно 5 до примерно 20 МПа, от примерно 5 до примерно 15 МПа, от примерно 5 до примерно 10 МПа, от примерно 10 до примерно 30 МПа, от примерно 20 до примерно 30 МПа, от примерно 25 до примерно 30 МПа).

В некоторых вариантах реализации композиционный материал характеризуется водопоглощением менее примерно 10% (например, менее примерно 8, 5, 4, 3, 2, 1%).

В некоторых вариантах реализации композиционный материал содержит менее примерно 10 мас.% одного или более минералов, выбранных из кварца, слюды, полевого шпата, карбоната кальция и карбоната магния.

Композиционный материал может демонстрировать любые требуемые текстуры, рисунки и физические свойства, в частности такие, которые характерны для природного камня. В некоторых предпочтительных вариантах реализации композиционный материал имеет такой же визуальный рисунок, что и природный камень. Другие характеристики включают окраску (например, черный, белый, синий, розовый, серый (от светло-серого до темно-серого), зеленый, красный, желтый, коричневый, бирюзовый (си

- 9 032774 невато-зеленый) или пурпурный) и текстуру.

В другом аспекте настоящее изобретение относится, в целом, к способу получения композиционного материала. Указанный способ включает смешивание композиции в виде частиц и жидкой композиции с получением суспензионной смеси; формование суспензионной смеси в требуемую форму посредством литья суспензии в форму, прессования суспензии в форме, прессования суспензии в вибрирующей форме, экструзии суспензии, шликерного литья суспензии или с применением другого способа создания формы, общепринятого в производстве бетонных изделий; и обеспечение отверждения сформированной суспензионной смеси при температуре в диапазоне от примерно 20 до примерно 150°С в течение от примерно 1 до примерно 80 ч в атмосфере пара, содержащего воду и CO₂ и имеющего давление в диапазоне от примерно атмосферного давления до давления, примерно на 50 psi выше внешнего атмосферного давления, и имеющего концентрацию CO₂ в диапазоне от примерно 10 до примерно 90%, с получением композиционного материала, имеющего определенную текстуру и/или рисунок.

Композиция в виде частиц содержит измельченный силикат кальция, имеющий медианный размер частиц в диапазоне от примерно 1 до примерно 100 мкм, и измельченный карбонат кальция или материал, содержащий SiO₂, имеющий медианный размер частиц в диапазоне от примерно 3 мкм до примерно 7 мм. Жидкая композиция содержит воду и водорастворимый диспергирующий агент. В некоторых вариантах реализации композиция в виде частиц дополнительно содержит второй измельченный карбонат кальция, медианный размер частиц которого значительно меньше или больше, чем первого измельченного известняка. Указанный способ может дополнительно включать стадию высушивания отлитой смеси перед ее отверждением. Композиция в виде частиц дополнительно содержит пигмент или красящее вещество, как описано в настоящем документе.

В некоторых вариантах реализации отверждение сформированной суспензионной смеси выполняют при температуре в диапазоне от примерно 30 до примерно 120°С в течение от примерно 1 до примерно 70 ч в атмосфере пара, содержащего воду и CO2 и имеющего давление в диапазоне от примерно внешнего атмосферного давления до давления, примерно на 30 psi выше внешнего атмосферного давления.

В некоторых вариантах реализации отверждение сформированной суспензионной смеси выполняют при температуре в диапазоне от примерно 60 до примерно 110°С в течение от примерно 1 до примерно 70 ч в атмосфере пара, содержащего воду и CO2 и имеющего давление в диапазоне от примерно внешнего атмосферного давления до давления, примерно на 30 psi выше внешнего атмосферного давления.

В некоторых вариантах реализации отверждение сформированной суспензионной смеси выполняют при температуре в диапазоне от примерно 80 до примерно 100°С в течение от примерно 1 до примерно 60 ч в атмосфере пара, содержащего воду и CO2 и имеющего давление в диапазоне от примерно внешнего атмосферного давления до давления, примерно на 30 psi выше внешнего атмосферного давления.

В некоторых вариантах реализации отверждение сформированной суспензионной смеси выполняют при температуре, равной или менее примерно 60°С, в течение от примерно 1 до примерно 50 ч в атмосфере пара, содержащего воду и CO2 и имеющего внешнее атмосферное давление.

В некоторых вариантах реализации измельченный силикат кальция содержит, главным образом, измельченный волластонит, первый измельченный карбонат кальция содержит, главным образом, первый измельченный известняк, и второй измельченный карбонат кальция содержит, главным образом, второй измельченный известняк.

Например, в некоторых вариантах реализации измельченный волластонит имеет медианный размер частиц от примерно 5 до примерно 50 мкм (например, примерно 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 90 мкм), объемную плотность от примерно 0,6 до примерно 0,8 г/мл (разрыхленный) и от примерно 1,0 до примерно 1,2 г/мл (после утряски), площадь поверхности от примерно 1,5 до примерно 2,0 м²/г. Первый измельченный материал, содержащий SiO₂, имеет медианный размер частиц от примерно 40 до примерно 90 мкм (например, примерно 40, 50, 60, 70, 80, 30, 90 мкм), объемную плотность от примерно 0,7 г/мл до примерно 0,9 г/мл (разрыхленный) и от примерно 1,3 до примерно 1,6 г/мл (после утряски).

В некоторых предпочтительных вариантах реализации жидкая композиция содержит воду и водорастворимый диспергирующий агент, содержащий полимерную соль (например, соль акрилового гомополимера), имеющую концентрацию от примерно 0,1% до примерно 2 мас./мас.%, жидкой композиции.

В другом аспекте настоящее изобретение относится, в целом, к композиционному материалу, полученному в соответствии со способом, описанным в настоящем документе, например к композиционному материалу, имеющему прочность на сжатие от примерно 90 до примерно 175 МПа и прочность на изгиб от примерно 5,4 до примерно 20,6 МПа.

В другом аспекте настоящее изобретение относится, в целом, к изделию промышленного производства, полученному из композиционного материала, описанного в настоящем документе.

Могут быть использованы любые подходящие материалы-предшественники.

Например, частицы силиката кальция, образованные, главным образом, из волластонита, CaSiO₃, могут взаимодействовать с диоксидом углерода, растворенным в воде. Катионы кальция предположительно выщелачиваются из волластонита и превращают периферическую часть ядра волластонита в волластонит с низким содержанием кальция. Поскольку катионы кальция продолжают выщелачиваться из периферической части ядра, структура периферической части в конечном итоге становится неустойчивой

- 10 032774 и разрушается, в результате чего происходит превращение периферической части ядра волластонита с низким содержанием кальция в первый слой с преимущественно высоким содержанием диоксида кремния. В то же время второй слой, содержащий, главным образом, карбонат кальция, выпадает в осадок из воды.

Более конкретно, первый слой и второй слой могут быть образованы из частицы-предшественника по следующему уравнению (1):

CaSiO₃ (тв.) + СО₂ (г) = СаСОз (тв.) + SiO₂ (тв.) ΔΗ° = -87 кДж/моль СО₂ (1)

Например, в реакции карбонизации силикатного минерала, как в случае с волластонитом, CO₂ вводят в виде газовой фазы, которая растворяется в пропитывающей жидкости, такой как вода. В результате растворения CO₂ образуются кислотные углеродсодержащие частицы, что приводит к снижению pH раствора. Слабокислотный раствор вызывает инконгруэнтное растворение частиц кальция из CaSiO₃. Высвобожденные катионы кальция и диссоциированные карбонатные частицы выпадают в осадок в виде нерастворимых карбонатов. Слои с высоким содержанием диоксида кремния предположительно остаются на частицах минерала в виде слоя, обедненного кальцием.

Так, согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, CO₂ преимущественно взаимодействует с катионами кальция ядра предшественника волластонита, что приводит к превращению периферической части ядра предшественника в первый слой с высоким содержанием диоксида кремния и второй слой с высоким содержанием карбоната кальция. Кроме того, наличие первого и второго слоев на ядре создает барьер для дальнейшего взаимодействия между волластонитом и диоксидом углерода, что приводит к образованию связующего элемента, имеющего ядро, первый слой и второй слой.

В некоторых вариантах реализации силикатные материалы, содержащие металлы, отличные от Ca или в дополнение к Ca, например фостерит (Mg₂SiO₄), диопсид (CaMgSi₂O₆) и тальк (Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂), могут взаимодействовать с диоксидом углерода, растворенным в воде, таким же образом, как и волластонит, как описано выше. Указанные силикатные материалы предположительно могут быть использованы по отдельности, в комбинации друг с другом и/или в комбинации с волластонитом, в качестве предшественников связующих элементов согласно принципам настоящего изобретения.

Предпочтительно, в процессах газового HLPS используют частично пропитанное пространство пор для обеспечения возможности быстрого пропитывания пористой преформы под действием газовой диффузии и насыщения растворенным CO₂ тонких межповерхностных жидких пленок растворителя в порах. Частицы на основе CO₂ слабо растворимы в чистой воде (1,5 г/л при 25°С, 1 атм.). Поэтому для обеспечения существенного превращения карбоната должно непрерывно поступать и распределяться по пористой преформе значительное количество CO₂. Применение газофазной диффузии обеспечивает резкое (примерно 100-кратное) увеличение длины диффузии по сравнению с диффузией растворимого CO₂ в жидкой фазе за эквивалентное время. (Handbook of chemistry and physics, ред.: D.R. Lide, главы 6 и 8, 87-е изд., 2006-2007, CRC). Указанное частично пропитанное состояние позволяет достигать высокой степени протекания реакции карбонизации за фиксированный промежуток времени.

Наличие жидкой воды в порах увеличивает скорость реакции, поскольку вода необходима для ионизации карбоновой кислоты и частиц кальция. Однако содержание воды должно быть достаточно низким, чтобы газообразный CO₂ мог диффундировать в пористую матрицу до его растворения в водной фазе, связанной с порами. Кроме того, активно растворяющаяся пористая преформа служит в качестве матрицы для масштабного роста реакционноспособных кристаллов. Следовательно, связующие элементы и матрицы могут быть получены с минимальным искажением и остаточным напряжением. Это позволяет создавать крупные и сложные формы, такие как формы, необходимые для систем коммуникации и строительных материалов, а также для многих других применений.

Так, для обеспечения требуемого технологического процесса могут быть разработаны различные комбинации условий отверждения, включая различные температуры и давление реакции, а также продолжительность реакций. В первом иллюстративном варианте реализации в материал-предшественник подают жидкую воду, в которой растворен CO₂, и процесс отверждения проводят при температуре примерно 90°С и давлении примерно 20 psig (т.е. примерно на 20 psi выше внешнего давления) в течение примерно 48 ч. Во втором иллюстративном варианте реализации вода содержится в материалепредшественнике (например, остаточная вода после предыдущей стадии смешивания), и в материал предшественника подают водяной пар (например, для сохранения содержания воды и/или предотвращения потери воды в результате испарения) вместе с CO₂ и проводят процесс отверждения при температуре примерно 60°С и давлении 0 psig (при внешнем атмосферном давлении) в течение примерно 19 ч. В третьем иллюстративном варианте реализации в материал предшественника подают водяной пар вместе с CO₂ и проводят процесс отверждения при температуре примерно 90°С и давлении 20 psig (на 20 psi выше внешнего атмосферного давления) в течение примерно 19 ч.

В другом аспекте настоящее изобретение относится, в целом, к композиционному материалу, который содержит множество связующих элементов и множество частиц наполнителя. Каждый связующий элемент содержит ядро, содержащее, главным образом, силикат магния, первый или внутренний слой с

- 11 032774 высоким содержанием диоксида кремния и второй или внешний слой с высоким содержанием карбоната магния. Множество связующих элементов вместе с множеством частиц наполнителя образует одну или более связующих матриц, и связующие элементы и частицы наполнителя по существу равномерно диспергированы в них и связаны друг с другом, в результате чего композиционный материал имеет одну или более текстур, рисунков и физических свойств.

Композиции и способы, описанные в настоящем документе в отношении силиката кальция, могут быть изменены так, что вместо силиката кальция или вместе с ним можно применять силикат магния.

В. Связующие элементы, связующие матрицы и композиционные материалы.

В1. Связующие элементы.

Как схематично показано на фиг. 3(ц)-3(с), связующий элемент содержит ядро (представленное черной внутренней частью), первый слой (представленный белой средней частью) и второй или инкапсулирующий слой (представленный внешней частью). Первый слой может содержать только один слой или несколько подслоев и может полностью или частично покрывать ядро. Первый слой может существовать в виде кристаллической фазы, аморфной фазы или их смеси и может быть в виде непрерывной фазы или в виде дискретных частиц. Второй слой может содержать только один слой или несколько подслоев и также может полностью или частично покрывать первый слой. Второй слой может содержать множество частиц или может быть непрерывной фазой с минимальным содержанием дискретных частиц.

Связующий элемент может иметь любой размер и любую правильную или неправильную, твердотельную или полую морфологию в зависимости от предполагаемого применения. Иллюстративные морфологии включают кубы, кубоиды, призмы, диски, пирамиды, полиэдры или многогранные частицы, цилиндры, сферы, конусы, кольца, трубки, серпы, иглы, волокна, нити, хлопья, сферы, субсферы, бисер, виноградины, гранулы, продолговатые формы, стержни, чешуйки и т.д.

В общем, как подробнее описано в настоящем документе, связующий элемент получают из реакционноспособных материалов-предшественников (например, частиц предшественника) в процессе превращения. Частицы предшественника могут иметь любой размер и форму при условии, что они соответствуют требованиям предполагаемого применения. Процесс превращения, как правило, приводит к получению соответствующих связующих элементов, имеющих такой же размер и форму, что и частицы предшественника.

Частицы предшественника могут быть выбраны из любого подходящего материала, который может подвергаться подходящему превращению с образованием требуемых связующих элементов. Например, частицы предшественника могут включать оксиды и неоксидные соединения кремния, титана, алюминия, фосфора, ванадия, вольфрама, молибдена, галлия, марганца, циркония, германия, меди, ниобия, кобальта, свинца, железа, индия, мышьяка, тантала и/или щелочноземельных элементов (бериллия, магния, кальция, стронция, бария и радия).

Иллюстративные материалы-предшественники включают оксиды, такие как силикаты, титанаты, алюминаты, фосфаты, ванадаты, вольфраматы, молибдаты, галлаты, манганаты, цирконаты, герминаты, купраты, станнаты, гафнаты, хроматы, ниобаты, кобальтаты, плюмбаты, ферриты, индаты, арсенаты, танталаты и их комбинации. В некоторых вариантах реализации частицы предшественника включают силикаты, такие как ортосиликаты, соросиликаты, циклосилкаты, иносиликаты, филлосиликаты, тектосиликаты и/или гидрат силиката кальция.

Для некоторых применений в качестве частиц предшественника могут быть использованы некоторые отходы. Отходы могут включать, например, минералы, промышленные отходы или промышленный химический материал. Некоторые иллюстративные отходы включают минеральный силикат, железную руду, периклаз, гипс, гидроксид железа (II), золу-унос, зольный остаток, шлак, стекло, нефтеносные сланцы, красный шлам, отходы батареек, вторично используемый бетон, шахтные отходы, бумажную золу или соли из концентрированного солевого раствора обратного осмоса. Дополнительные частицы предшественника могут включать различные типы горных пород, содержащих минералы, такие как известково-силикатная порода, формация Фитча, гнейс Хеврона, слоистый гнейс, средний элемент, аргиллит, кварцит, промежуточные докембрийские осадочные отложения, темноокрашенный полевошпатовый кварцит с небольшими пластами известняка, метаосадочный биотитовый сланец высокой марки, биотитовый гейс, слюдяной сланец, кварцит, формация Хузака, формация Партриджа, гнейс Вашингтона, девонская, силурийская карстовая формация Гринвейл, формация Осоее Supergroup, метапесчаник, метаграувакка, формация Рэнгели, амфиболиты, кальцитовый и доломитовый мрамор, формация Манхэттена, рыжий и серый биотит-кварц-полевошпатовый гнейс и группа Уотерфорда.

Частицы предшественника также могут включать магматические породы, такие как андезит, анортозит, базинит, бонинит, карбонатит и харнокит, осадочные материалы, такие как, но не ограничиваясь ими, аргиллит, аркоз, брекчия, катаклазит, мел, окаменелая глина, роговик, кремень, угловато-зернистый песчаник, лигхин, известняк, иловый известняк, песчаник, глинистый и тонкозернистый песчаник, метаморфические материалы, такие как, но не ограничиваясь ими, амфиболиты, эпидиорит, гнейс, гранулит, зеленокаменная порода, контактовый роговик, мрамор, пелит, филлит, кварцит, кристаллический сланец, скарн, аспидный сланец, карбонат талька и тальковая порода, а также другие разновидности горных пород, такие как, но не ограничиваясь ими, адамеллит, аппинит, афанит, бороланит, голубой гранит, эпидо

- 12 032774 зит, фельзит, кремень, ганистер, ийолит, жадеитит, жаспроид, кенит, вогезит, ларвикит, личфильдит, луксуллианит, мангерит, минетта, новакулит, пиролит, раппакиви-гранит, ромбен-порфир, шонкинит, таконит, тешенит, тералит и вариолит.

В табл. 1 представлены иллюстративные варианты реализации различных типов химических составов для первого и второго слоев, которые могут быть достигнуты с использованием различных материалов-предшественников. В отношении первого слоя применение различных материаловпредшественников может приводить к получению диоксида кремния, оксида алюминия или диоксида титана. Второй слой также может быть модифицирован выбором материала-предшественника. Например, второй слой может содержать различные типы карбонатов, таких как чистые карбонаты, многокатионные карбонаты, карбонаты с водой или группой OH, слоистые карбонаты с водой или группой OH, анионосодержащие карбонаты, силикатсодержащие карбонаты и минералы, содержащие карбонат.

Таблица 1. Иллюстративные предшественники и инкапсулирующие слои

Исходный материал (предшественник)	Первый слой	Инкапсулирующий слой
Волластонит (CaSiO₃)	С высоким содержанием диоксида кремния	СаСОз
Фостерит (Mg₂SiO₄)	MgCO₃
Диопсид (CaMgSi₂O₆)	(Са, Mg)CO₃
Тальк (Mg₃Si₄Oio(OH)₂)	MgCO₃xH₂O (х=1-5)
Глаукофан (Na₂Mg₃Al₂Si₈O₂₂(OH)₂)	С высоким содержанием оксида алюминия и/или диоксида кремния	MgCO₃ и/или NaAlCO₃(OH)₂
Палыгорскит ((Mg,Al)₂Si₄O₁₀(OH)-4(H₂O))	Mg₆Al₂CO₃(OH)₁₆4H₂O
Мейонит (Ca₄(Al₂Si₂O₈)₃(Cl₂CO₃,SO₄))	Ca₂SO₄CO₃.4H₂O
Танзанит (Ca₂Al₃O(SiO₄)(Si₂O₇)(OH))	Ca₅Si₂O₈CO₃ и/или Ca₅Si₂O₈CO₃, и/или Ca₇Si₆Oi₈CO₃.2H₂O
(Вао.б8го.₃Сао.\| )TiO₃	С высоким содержанием диоксида титана	Sr(Sr,Ca,Ba)(CO₃)₂

Второй слой может быть модифицирован введением дополнительных анионов и/или катионов. Такие дополнительные анионы и катионы могут быть использованы для модификации второго слоя для улучшения его физических и химических свойств, таких как огнестойкость или кислотоустойчивость. Например, как показано в табл. 2, при сохранении первого слоя как слоя с высоким содержанием диоксида кремния, второй слой может быть модифицирован добавлением в реакционную смесь дополнительных анионов или катионов, таких как PO₄ ^2- и SO₄ ^2-. В результате второй слой может содержать, например, различные фосфаты, сульфаты, фториды или их комбинации.

Таблица 2. Примеры источников катионов/анионов (в дополнение к CO₃ ^2-)

Частицаядро	Первый слой	Источник дополнительных анионов/катионов	Инкапсулирующий слой	Тип карбоната
CaSiO₃	Слой с высоки м содержа нием диоксид а кремния	Фосфаты	Са₅(РО₄,СО₃)₃ОН	Фосфатсодержащие карбонаты
Сульфаты	Ca₂SO₄CO₃.4H₂O	Сульфатсодержащие карбонаты
Фториды	Ca₂CO₃F₂	Фторидсодержащие карбонаты
Фосфаты и фториды	Ca₅(PO₄,CO₃)₃F	Фторид- и фосфатсодержащие карбонаты
Источник Mg⁺² типа хлоридов, нитратов, гидроксидов и т.д.	CaMg(CO₃)₂	Карбонаты с несколькими катионами
Комбинация источников катионов и анионов	Ca₆Mg₂(SO₄)₂(CO₃)₂Cl₄(OH)₄ .ЗИЮ	Карбонатсодержащие минералы, известные с 1992 года

В2. Связующая матрица и композиционный материал.

Связующая матрица содержит множество связующих элементов, образующих трехмерную сетчатую структуру. Связующая матрица может быть пористой или непористой. Степень пористости зависит от многих переменных, которые могут быть использованы для регулирования пористости, таких как температура, конструкция реактора, материал-предшественник и количество жидкости, введенной в процессе превращения. В зависимости от предполагаемого применения может быть задана практически любая степень пористости от примерно 1 об.% до примерно 99 об.%.

Связующая матрица может содержать один или более материалов-наполнителей, которые смешивают с материалами-предшественниками до или во время процесса превращения для получения компо

- 13 032774 зиционного материала. Концентрация связующих элементов в связующей матрице может варьироваться. Например, концентрация связующих элементов в объемном выражении может быть относительно высокой, при этом, по меньшей мере, некоторые связующие элементы соприкасаются друг с другом. Такая ситуация может возникать, если материал наполнителя введен в связующую матрицу, но тип материала наполнителя и/или количество материала наполнителя являются такими, что степень объемного разбавления связующего элемента является относительно низкой. В другом примере концентрация связующих элементов в объемном выражении может быть относительно низкой, при этом связующие элементы более широко диспергированы в связующей матрице, так что лишь некоторые связующие элементы соприкасаются друг с другом, если вообще соприкасаются. Такая ситуация может возникать, если материал наполнителя введен в связующую матрицу, и тип материала наполнителя и/или количество материала наполнителя являются такими, что степень разбавления является относительно высокой.

В общем, материал наполнителя может содержать любой из множества типов материалов, которые могут быть введены в связующую матрицу. Материал наполнителя может быть инертным или активным. Инертный материал не подвергается какой-либо химической реакции в процессе превращения и не действует как центр зародышеобразования, хотя он может физически или механически взаимодействовать со связующей матрицей. Инертный материал может включать полимеры, металлы, неорганические частицы, заполнители и т.п. Конкретные примеры могут включать, но не ограничиваются ими, базальт, гранит, вторичный ПВХ, каучук, металлические частицы, частицы оксида алюминия, частицы оксида циркония, частицы углерода, частицы коврового плетения, частицы Kevlar™ и их комбинации. Активный материал химически взаимодействует со связующей матрицей в процессе превращения, подвергаясь всевозможным химическим взаимодействиям в процессе превращения, и/или действует как центр зародышеобразования. Например, гидроксид магния может быть использован в качестве материала наполнителя и может химически взаимодействовать с фазой растворяющегося кальциевого компонента из связующей матрицы, с образованием карбоната кальция-магния.

Связующая матрица может составлять практически любую процентную долю композиционного материала. Так, например, связующая матрица может занимать от примерно 1 до примерно 99 об.% композиционного материала (например, объемная доля связующей матрицы может быть меньше или равна примерно 90, 70, 50, 40, 30, 20, 10 об.%). Предпочтительный диапазон объемной доли связующей матрицы составляет от примерно 8 до примерно 90 об.% (например, от примерно 8 до примерно 80 об.%, от примерно 8 до примерно 70 об.%, от примерно 8 до примерно 50 об.%, от примерно 8 до примерно 40 об.%), и более предпочтительный диапазон составляет от примерно 8 до 30 об.%.

Композиционный материал также может быть пористым или непористым. Степень пористости зависит от многих переменных, которые могут быть использованы для регулирования пористости, таких как температура, конструкция реактора, материал-предшественник и количество жидкости, введенной в процессе превращения, а также наличие наполнителя. В зависимости от предполагаемого применения может быть задана практически любая степень пористости от примерно 1 до примерно 99 об.% (например, меньше или равно примерно 90, 70, 50, 40, 30, 20, 10 об.%). Предпочтительный диапазон пористости композиционного материала составляет от примерно 1 до примерно 70 об.%, более предпочтительно от примерно 1 до примерно 10 об.% для обеспечения высокой плотности и износостойкости и от примерно 50 до примерно 70 об.% для обеспечения низкой массы и малой теплопроводности.

Связующие элементы в связующей матрице могут быть расположены друг относительно друга в любой из множества ориентации. На фиг. 4(a)-4(f) схематично изображена иллюстративная связующая матрица, содержащая связующие элементы волокнистой или пластинчатой формы в различных ориентациях, возможно разбавленные посредством добавления материала наполнителя, как показано промежутками между связующими элементами. Например, на фиг. 4(a) изображена связующая матрица, которая содержит связующие элементы волокнистой формы, расположенные в одномерной (1-D) ориентации (например, выровненные по направлению x). На фиг. 4(b) изображена связующая матрица, которая содержит связующие элементы пластинчатой формы, расположенные в двухмерной (2-D) ориентации (например, выровненные по направлениям x и y). На фиг. 4(c) изображена связующая матрица, которая содержит связующие элементы пластинчатой формы, расположенные в трехмерной (3-D) ориентации (например, выровненные по направлениям x, y и z). На фиг. 4(d) изображена связующая матрица, которая содержит связующие элементы пластинчатой формы в случайной ориентации, где связующие элементы не выровнены по какому-либо определенному направлению. На фиг. 4(е) изображена связующая матрица, которая содержит относительно высокую концентрацию связующих элементов пластинчатой формы, выровненных в 3-D ориентации. На фиг. 4(f) изображена связующая матрица, которая имеет относительно низкую концентрацию связующих элементов пластинчатой формы, которые находятся в случайной ориентации (проникающая сетчатая структура). Композиционный материал, изображенный на фиг. 4(f), достигает порога проникновения благодаря соприкосновению друг с другом значительной доли связующих элементов с образованием непрерывной сети точек соприкосновения от одного конца материала к другому концу. Порог проникновения представляет собой критическую концентрацию, выше которой связующие элементы демонстрируют масштабную взаимосвязанность связующих элементов в упорядоченной, например, как показано на фиг. 4(е), или случайной ориентации, как показано, например, на фиг.

- 14 032774

4(f). Примеры схем описанной взаимосвязанности представлены, например, в публикации Newnham, et al., Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites, Mat. Res. Bull. том 13, c. 525-536, 1978).

Кроме того, может быть достигнута одноуровневая или многоуровневая повторяющаяся иерархическая структура, что приводит к ускорению плотной упаковки, в результате чего, среди других потенциально применимых функциональных свойств, получают прочный материал. Иерархия описывает то, как структуры образуют схемы в нескольких линейных масштабах. Посредством изменения пористости матрицы и внедрения базовых волокон различных размеров могут быть получены различные типы связующих матриц. Для изготовления различных типов структур с различной взаимосвязанностью могут быть использованы различные типы дисперсных и волокнистых компонентов с иерархическими структурами.

C. Способы получения связующих элементов, связующих матриц и композиционных материалов.

Процесс превращения (отверждения) осуществляют воздействием на материал предшественника реакционноспособной жидкости. Реагент, связанный с жидкостью, взаимодействует с химическими ингредиентами, из которых состоят частицы-предшественники, и более конкретно с химическими реагентами в периферической части частиц-предшественников. Указанная реакция в конечном итоге приводит к образованию первого и второго слоев.

В некоторых вариантах реализации частицы-предшественники содержат два или более химических элементов. В процессе превращения реагент, содержащийся в жидкости, преимущественно взаимодействует по меньшей мере с первым из химических элементов, при этом реакция между указанным реагентом, содержащимся в жидкости (например, CO₂ и родственными частицами в растворе), и по меньшей мере одним первым химическим элементом (например, Са²⁺) приводит к образованию первого и второго слоев, где первый слой содержит производное частицы-предшественника, обычно за исключением по меньшей мере одного первого химического элемента, тогда как второй слой содержит комбинацию (например, CaCO₃) реагента и по меньшей мере одного первого химического элемента. Для сравнения, ядро имеет такой же или почти такой же химический состав, что и частица-предшественник (например, CaSiO₃). Например, периферические части ядра могут отличаться от химического состава частицыпредшественника из-за селективного выщелачивания определенных химических элементов из ядра.

Так, ядро и второй слой имеют по меньшей мере один общий первый химический элемент (например, Са²⁺) частицы-предшественника, а ядро и первый слой имеют по меньшей мере один общий другой химический элемент частицы-предшественника (например, Si⁴⁺). По меньшей мере один первый химический элемент, общий для ядра и второго слоя, может представлять собой, например, по меньшей мере один щелочно-земельный элемент (бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий). По меньшей мере один другой химический элемент, общий для ядра и первого слоя, может представлять собой, например, кремний, титан, алюминий, фосфор, ванадий, вольфрам, молибден, галлий, марганец, цирконий, германий, медь, ниобий, кобальт, свинец, железо, индий, мышьяк и/или тантал.

В некоторых вариантах реализации реакция между реагентом в жидкой фазе и по меньшей мере одни первым химическим элементом частиц-предшественников может быть проведена до конца, что приводит к образованию первого слоя, который становится ядром связующего элемента и имеет химический состав, отличный от состава частиц-предшественников, и по меньшей мере одного дополнительного или второго слоя оболочки, содержащего композицию, которая может содержать или не содержать по меньшей мере один первый химический элемент из двух или более химических элементов частицпредшественников.

C1. Газовое гидротермическое жидкофазное спекание.

Связывание элементов может быть достигнуто, например, посредством способа, основанного на газовом HLPS. В таком способе пористое твердое тело, содержащее множество частиц-предшественников, подвергают воздействию жидкости (растворителя), которая частично насыщает поры пористого твердого тела, что означает, что объем пор частично заполнен водой.

В некоторых системах, таких как системы, образующие карбонаты, полное заполнение пор водой предположительно является нежелательным, поскольку реакционноспособный газ не может диффундировать с внешней поверхности пористого твердого тела ко всем внутренним порам за счет газовой диффузии. Напротив, реагент, представляющий собой реакционноспособный газ, будет растворяться в жидкости и диффундировать с внешней поверхности к внутренним порам в жидкой фазе, что значительно медленнее. Такая жидкофазная диффузия может быть подходящей для превращения тонких пористых твердых тел, но не подходит для более толстых пористых твердых тел.

В некоторых вариантах реализации газ, содержащий реагент, вводят в частично насыщенные поры пористого твердого тела, и реагент растворяется в растворителе. Затем растворенный реагент взаимодействует с по меньшей мере первым химическим элементов частицы-предшественника с превращением периферической части частицы-предшественника в первый слой и второй слой. В результате реакции содержание растворенного реагента в растворителе уменьшается. В то же время газ, содержащий реагент, продолжает поступать в частично насыщенные поры и обеспечивать дополнительное количество реагента в растворителе.

По мере продолжения реакции между реагентом и по меньшей мере первым химическим элементом частиц-предшественников периферическая часть частиц-предшественников превращается в первый слой

- 15 032774 и второй слой. Наличие первого слоя по периферии ядра в конечном итоге затрудняет последующее взаимодействие за счет разделения реагента и по меньшей мере первого химического элемента частицыпредшественника, что приводит к практически полной остановке реакции с получением связующего элемента, имеющего ядро и непрореагировавший центр частицы-предшественника, первый слой по периферии ядра и второй слой, расположенный на первом слое.

Полученный связующий элемент содержит ядро, первый слой и второй слой и имеет в целом больший размер, чем частица-предшественник, заполняя окружающие пористые области пористого твердого тела и возможно связываясь с соседними материалами в пористом твердом теле. В результате могут быть получены продукты с окончательной формой, которая, по существу, имеет такой же размер и геометрию, но более высокую плотность, чем пористое твердое тело. Это является преимуществом по сравнению со стандартными процессами спекания, которые вызывают усадку в результате переноса массы с получением более плотного материала, чем исходный порошковый брикет.

C2. HLPS в автоклаве.

В иллюстративном варианте способа HLPS пористое твердое тело, содержащее множество частицпредшественников, помещают в автоклавную камеру и нагревают. В поры пористого твердого тела в качестве растворителя вводят воду посредством испарения воды в указанной камере. На охлаждающей плите, расположенной над пористым твердым телом, происходит конденсация испаренной воды, которая затем по каплям стекает на пористое тело и просачивается в поры пористого твердого тела, посредством этого частично насыщая поры пористого твердого тела. Однако способ введения воды в указанном примере представляет собой лишь один из нескольких способов доставки воды. Например, вода также может быть нагрета и подвергнута распылению.

В то же время в камеру в качестве реагента закачивают диоксид углерода, который диффундирует в частично насыщенные поры пористого тела. Попав в поры, диоксид углерода растворяется в воде, что обеспечивает возможность протекания реакции между частицами-предшественниками и диоксидом углерода с превращением периферических частей частиц-предшественников в первый и второй слои.

По мере протекания реакции между вторым реагентом и первым слоем второй реагент продолжает взаимодействовать с первым слоем, превращая периферическую часть первого слоя во второй слой. Образование второго слоя может быть обусловлено внешним раствором компонента в первом слое, и такой второй слой может быть градиентным слоем, в котором концентрация одного из химических элементов (катионов), образующих второй слой, меняется от высокой к низкой по мере движения от поверхности ядра частицы к концу первого слоя. Возможно, что второй слой также может иметь градиентный состав, как в случае если слои являются либо аморфными, либо полученными из твердых растворов, имеющих постоянный или переменный состав.

Наличие второго слоя на периферии ядра-предшественника в конечном итоге затрудняет дальнейшее взаимодействие, разделяя второй реагент и первый слой, что приводит к практически полной остановке реакции с получением связующего элемента, имеющего ядро, первый слой на периферии ядра и второй слой на первом слое. Полученный связующий элемент имеет в целом больший размер, чем исходная частица-предшественник, и поэтому заполняет окружающие пористые области пористого твердого тела и связывается с соседними материалами пористого твердого тела. В результате указанный способ обеспечивает возможность получения продуктов с окончательной формой, которая, по существу, имеет такую же геометрию, но более высокую плотность, чем исходное пористое твердое тело. Это является преимуществом по сравнению со стандартными процессами спекания, которые вызывают усадку в результате переноса массы с получением более плотного материала, чем исходный порошковый брикет.

С3. Пропитывающая среда.

Пропитывающая среда, которую используют для переноса по меньшей мере в часть пористой матрицы, содержит растворитель (например, воду) и реакционноспособные частицы (например, CO₂). Растворитель может быть водным или неводным. Растворитель может содержать один или более компонентов. Например, в некоторых вариантах реализации растворитель может представлять собой воду и этанол, этанол и толуол или смеси различных ионных жидкостей, таких как ионные жидкости на основе алкилзамещенных катионов имидазолия и пиридиния с галогенидными или тригалогеналюминатными анионами. Для упрощения технологического оборудования смачивающие системы являются предпочтительными по сравнению с несмачивающими.

Растворитель должен быть химически инертным по отношению к пористой матрице, хотя растворитель может химически взаимодействовать с реакционноспособными частицами. Растворитель может быть удален многочисленными способами разделения, такими как объемный поток, испарение, сублимация или растворение в промывающей среде, или любым другим подходящим способом разделения, известным специалистам в данной области техники.

Более конкретно, растворитель представляет собой жидкость при температуре, при которой растворенные реакционноспособные частицы взаимодействуют с пористой матрицей. Указанная температура варьируется в зависимости от конкретного выбранного растворителя и реакционноспособных частиц. Низкие температуры предпочтительны по сравнению с высокими температурами для экономии энергии и упрощения технологического оборудования, что приводит к снижению производственных затрат.

- 16 032774

Роль растворителя отличается от известного уровня техники, где использовали реакционноспособные системы, такие как, например, портландцемент, где растворитель, такой как вода, взаимодействует с пористой матрицей с получением продуктов, которые содержат молекулы растворителя, такие как гидраты металлов или гидроксиды металлов, а также другие продукты осаждения.

Независимо от фазы чистых реакционноспособных частиц реакционноспособные частицы растворяются в растворителе в виде нейтральных, анионных или катионных частиц. Например, по меньшей мере одна реакционноспособная частица может представлять собой CO₂, который является газом при комнатной температуре и который может растворяться в воде в виде нейтрального CO₂, но может образовывать реакционноспособные частицы, такие как H₃O⁺, HCO3^-, Н2СО₃ и CO₃ ^2-. Независимо от первоначальной фазы реакционноспособных частиц и растворителя в естественном состоянии пропитывающая среда находится в порах (например, во внутренних пространствах) пористой матрицы в жидком состоянии.

Например, для самопроизвольного просачивания пропитывающей среды в пористую матрицу могут быть использованы капиллярные силы. Такой тип смачивания происходит в случае очень малого угла контакта (например, <90°) пропитывающей среды. В этом случае среда может частично заполнять (частично насыщать) или полностью заполнять (насыщать) поры. Пропитывание также может происходить таким образом, что некоторые поры являются заполненными, а другие являются пустыми и/или частично заполненными. Возможно также, что пропитанная пористая масса с градиентами заполнения или насыщения пор может за счет капиллярного течения впоследствии превратиться в равномерно пропитанную массу. Кроме того, самопроизвольное смачивание не происходит, если угол контакта пропитывающей среды является большим (например, >90°). В таких случаях жидкости не проникают в пористую матрицу в отсутствие внешнего давления. Такой подход уместен, если необходимо откачать пропитывающую среду путем сброса давления (например, реакция может быть инициирована или остановлена с помощью давления).

При пропитывании с помощью самопроизвольного капиллярного течения в порах объемный поток прекращается при заполнении (насыщении) пор. Во время HLPS реакционноспособные частицы взаимодействуют с матрицей с образованием одного или более продуктов в результате различных реакций. Происходит уменьшение содержания по меньшей мере одной из участвующих в реакции частиц во внутренней части пор и, следовательно, в ходе реакции необходимо пополнять их. При полном насыщении пор пропитывающей средой реакционноспособные частицы должны подлежать переносу из пропитывающей среды, находящейся за пределами пористой матрицы, через поры матрицы. В невозмущенной жидкости диффузия представляет собой процесс, посредством которого происходит перенос. Так, для некоторых способов HLPS, в которых реакции внутри пор являются быстрыми по сравнению с другими процессами переноса массы, реакция становится ограниченной значительным увеличением толщины пористой матрицы. В таком случае лишь внешняя часть матрицы эффективно взаимодействует с реакционноспособными частицами, а внутренние области пористой массы либо взаимодействуют менее полно, либо совсем не взаимодействуют. Такой тип реакций подходит для получения градиентных микроструктур, в которых концентрации продуктов процесса HLPS выше на внешней части (возле внешних поверхностных областей), чем во внутренней части структуры.

С4. Выбор и регулирование процесса.

При медленном протекании реакций с высоким экзотермическим эффектом по сравнению с переносом пропитывающей среды и при термической изоляции матрицы уловленная теплота может увеличивать скорость реакции во внутренней части матрицы, обеспечивая возможность более высокого содержания продуктовой фазы во внутренней части (т.е. продукта реакции по меньшей мере между одной из реакционноспособных частиц и частью пористой матрицы), чем во внутренней части. В тех процессах HLPS, в которых реакции протекают изотермично со средней скоростью относительно переноса массы пропитывающей среды, диффузия может продолжать доставку реакционноспособных частиц в поры, при этом не будет наблюдаться градиент степени реакции (или концентрации продукта). В таком случае существует незначительная разница химического и/или фазового состава внутренней и внешней части материала твердотельной структуры или тела.

Во многих случаях для монолитной структуры желательна равномерная в отношении фаз и состава микроструктура. Кроме того, желательно также проводить реакции HLPS за относительно короткий промежуток времени, например, если необходимы крупногабаритные монолитные структуры большой толщины для таких применений как строительство дорог или мостов. Для процессов HLPS желательно находить оптимальное сочетание скорости реакции и переноса массы. Важна стратегия выбора предшественника и способа введения предшественников, содержащих пропитывающую среду. Предпочтительный выбор предшественников и способа введения пропитывающей среды, по меньшей мере, частично зависит от толщины образца в наименьшем направлении, от временного интервала, считающегося приемлемым для процесса, и от термодинамических и кинетических ограничений, необходимых для экономической целесообразности процесса, таких как температура, давление и состав.

В табл. 3 представлены стратегии выбора предшественника и способа введения. Пористая матрица может быть пропитана напрямую, или пористая матрица может быть вакуумирована перед возможными

- 17 032774 последовательностями пропитки, описанными в табл. 3. Описаны способы, в которых в качестве предшественников используют газы, жидкости или твердые вещества. Кроме того, могут быть использованы также фазовые смеси, такие как смеси твердых веществ и жидкостей, газов и жидкостей и газов и твердых веществ. Например, реагент, такой как CO₂, является газообразным в чистом состоянии, но превращается в растворенные частицы, будучи растворенным в воде. Такое явление может возникать в результате газовой диффузии в пористую матрицу и последующей конденсации при столкновении с порой. Такой тип системы предшественника является релевантным, если необходимы микроструктуры с карбонатными фазами. Порядок добавления предшественников (растворителя и реакционноспособных частиц) может влиять на выход реакции и микроструктуру материала.

Таблица 3. Предшественники и способы введения

Систе ма	Реакцио нноспос обные частицы	Раство рител ь	Растворяю щийся материал	Способы введения (при необходимости может быть использован обратный/другой порядок)
Т)	Газ	Газ		Предварительное смешивание (параллельное введение) двух газов и их охлаждение до более низкой температуры для конденсации одного или более газов в матрице с получением пропитывающего раствора, содержащего реакционноспособные частицы и растворитель, или для конденсации газообразной смеси в матрице посредством охлаждения матрицы; или Газы также могут быть введены последовательно, где один газ конденсируется до инфильтрации или после инфильтрации, а другой газ вводят позже для растворения в жидкой фазе.
:2)	Газ	Газ	Твердое вещество	Предварительное смешивание растворяющегося твердого вещества с матрицей, затем пропускание предварительно смешанных газов (параллельное введение) и/или диффузия газовой смеси через матрицу с образованием пропитывающего раствора; или В предварительную смесь растворяющегося твердого вещества и матрицы газы могут быть введены последовательно. Предпочтительный порядок является таким, чтобы получить газ, растворяющий растворимое твердое вещество, а затем газ, который растворяется сам с образованием реакционноспособных частиц.
3)	Газ	Жидко сть	Твердое вещество	Предварительное смешивание растворяющегося твердого вещества с матрицей, затем пропитывание жидким растворителем, затем добавление газа (или наоборот) с получением пропитывающего раствора в порах матрицы; или Газ и жидкость могут быть предварительно смешаны в виде раствора, подлежащего введению в предварительную смесь растворяющегося твердого вещества и матрицы, но выход реакции может быть снижен.
:4)	Жидкое ть	Жидко сть		Предварительное смешивание (параллельное введение) жидкостей, затем пропитывание матрицы; или Последовательная инфильтрация жидкостей через матрицу, предпочтительно сначала жидкий растворитель, затем жидкость, обеспечивающая реакционноспособные частицы.
(5)	Жидкое ть	Жидко сть	Твердое вещество	Предварительное смешивание растворяющегося твердого вещества с матрицей, затем добавление жидкого растворителя для растворения растворимого твердого вещества, затем добавление жидких реакцоинноспособных частиц (или наоборот) с получением пропитывающего раствора; или

- 18 032774

			Предварительное смешивание растворителя и реакционноспособных частиц в жидких фазах в качестве пропитывающего раствора для введения в предварительную смесь растворяющегося твердого вещества и матрицы.
(6)	Жидкое ть	Газ	Пропитывание матрицы газом и конденсация в матрице в виде жидкости, затем инфильтрация в матрицу второй жидкости для смешивания с первой жидкостью в матрице; или Предпочтительный способ представляет собой предварительное смешивание газа и жидкости путем конденсации газа и смешивание со второй жидкостью, затем введение раствора в пористую матрицу.
(7)	Газ	Жидко сть	Пропитывание жидкостью, затем введение газа; или Предварительное растворение газа в жидкости, затем пропитывание.
(8)	Твердое веществ о	Твердо е вещест во	Смешивание твердых веществ с пористой матрицей, затем повышение давления или нагревание с получением пропитывающей жидкости. Одно твердое вещество может протекать в другое с образованием жидкой фазы, которая может быть затем удалена промыванием. Могут быть добавлены другие твердые вещества для понижения температуры плавления с образованием жидкой фазы, при условии что она может быть впоследствии удалена.
(9)	Жидкое ть	Твердо е вещест во	Получение пропитывающего раствора путем растворения твердого вещества в жидкости, затем пропитывание; или Предварительное смешивание твердого вещества с пористой матрицей, затем пропитывание жидкостью.
(Ю)	Твердое веществ о	Жидко сть	Получение пропитывающего раствора путем растворения твердого вещества в жидкости, затем пропитывание; или Предварительное смешивание твердого вещества с пористой матрицей, затем пропитывание жидкостью.

В некоторых вариантах реализации растворитель и реакционноспособные частицы могут быть предварительно смешаны с получением пропитывающей среды, а затем в одну стадию введены в матрицу. В других вариантах реализации может быть предпочтительно использовать несколько последовательностей пропитывания. Например, сначала может быть введен предшественник растворителя с последующим пропитыванием реакционноспособных частиц или vice versa.

Ни растворитель, ни предшественники реакционноспособных частиц не обязательно должны изначально быть в той же фазе, что и пропитывающая среда, которая находится в порах матрицы. Например, предшественник растворителя может быть паром, таким как вода, которая является газообразной при температурах 100°С или выше при атмосферном давлении и может конденсироваться в жидкость при охлаждении матрицы до температуры ниже 100°С или за счет поверхностной энергии в случае применения пористых матриц с размером пор в кельвиновском диапазоне (менее 100 нм). Если поры являются крупными, то температура повышается так, что газообразные частицы не могут быть термически конденсированы, необходимы небольшие количества пропитывающего раствора или могут быть другие причины, не рассмотренные в настоящем документе, и может быть желательно получить жидкость в порах с применением растворяющегося соединения. Примеры таких соединений включают борную кислоту, нитрат железа и гидроксид калия. В таком случае пар, такой как вода, может превращать растворимую твердую фазу в порах в жидкость, и в порах может протекать рост кристалла продуктовой фазы. Это особенно целесообразно, если инфильтрация и диффузия жидкости ограничивает толщину продукта, изготовленного с помощью HLPS. Альтернативно, для переноса частиц на гораздо более дальние расстояния с получением внутри пор матрицы пропитывающей среды, необходимой для HLPS, может быть использована диффузия газов.

Для улучшения процесса HLPS и готовых продуктов могут быть введены различные добавки. Добавки могут быть твердыми, жидкими или газообразными в чистом состоянии, но либо растворимыми в фазе растворителя, либо совместно переработанными (например, предварительно смешанными) с пористой матрицей перед их введением в пропитывающую среду. Примеры включают катализаторы зародышеобразования, агенты ингибирования зародышеобразования, кондиционирующие добавки для растворителей (например, умягчающие агенты для воды), смачивающие агенты, несмачивающие агенты, добавки для цемента или бетона, добавки для строительных материалов, добавки для регулирования морфологии кристаллов, катализаторы роста кристаллов, добавки, замедляющие рост кристаллов, pH буферы, ионные регуляторы прочности, диспергирующие агенты, связующие агенты, агенты для регулирования реологических свойств, катализаторы скорости реакции, электростатические, стерические, электростерические, полиэлектролитные и Вольд-слойные диспергирующие агенты, защитные агенты, связующие агенты и другие поверхностно-адсорбтивные частицы, кислотные или основные модификаторы pH, газообразующие добавки, жидкости или твердые вещества (например, при нагревании, повышении дав

- 19 032774 ления, понижении давления, взаимодействии с другими частицами или при воздействии любых не перечисленных технологических переменных) и биологические или синтетические компоненты (например, служащие для любой из вышеперечисленных функций и/или в качестве растворителя, реакционноспособных частиц или пористой матрицы).

В некоторых вариантах реализации может быть использовано растворимое твердое вещество. Растворимое твердое вещество может быть предварительно смешано с пористой матрицей. Затем предварительная смесь растворителя и по меньшей мере одной реакционноспособной частицы может быть введена в смесь растворимого твердого вещества и пористой матрицы. И растворитель, и по меньшей мере одна реакционноспособная частица в предварительной смеси могут быть в газообразных фазах или в жидких фазах. В некоторых вариантах реализации в предварительной смеси растворитель может быть жидким, а по меньшей мере одна реакционноспособная частица может быть в газообразной фазе или vice versa.

Паровой поток газа и воды может быть подан над растворимой солью в пористой матрице для получения пропитывающей среды в жидкой фазе во внутреннем пространстве пористой матрицы. Например, влажный паровой поток газа и воды может служить в качестве растворителя для растворения и ионизации CO₂. Известно большое количество солей, которые являются растворимыми веществами и могут быть использованы для получения жидких растворов из потока влажного воздуха на поверхности соли. Выбор подходящей соли зависит от степени влажности воздуха. Некоторые соли могут работать при очень низкой относительной влажности. Примеры растворимых солей включают Mg(NO₃)₂, CaCl₂ и NaCl.

Что касается доставки пропитывающей среды, то она может быть доставлена в виде основного объема раствора, который самопроизвольно смачивает пористую матрицу. Существует множество способов доставки указанного раствора. Во-первых, пористая матрица может быть погружена в жидкость. Вовторых, пропитывающий раствор может быть распылен на пористую матрицу. В пропитывающей системе, если объем пропитывающего раствора больше объема пор пористой матрицы, то диффузия ускоряет реакцию посредством доставки реакционноспособных частиц в полости пор.

Альтернативно, поток жидкости (за счет механической конвекции) через пористую матрицу может быть обеспечен с помощью разных способов. Для обеспечения потока жидкой пропитывающей среды через пористое тело могут быть использованы такие способы как поток под давлением, высушиванием, электроосмотический поток, магнитоосмотический поток и поток под действием градиента температуры и химического градиента. Указанный динамический поток обеспечивает непосредственную близость свежего реагента к пористой матрице, в отличие от простого диффузного процесса. Такой подход имеет преимущество, если распределение пор матрицы по размеру обеспечивает возможность достаточно высокой скорости потока жидкости, доставляющей реакционноспособные частицы быстрее, чем диффузный процесс, и является оптимальным, если скорость доставки равна или превосходит скорость реакции с образованием продукта. Кроме того, проточная пропитывающая среда особенно применима для реакций с высоким экзотермическим эффектом. Это особенно благоприятно для толстых монолитных структур, которые могут создавать внутреннюю теплоту, способную создавать внутреннее давление, достаточное для разрушения монолитной структуры.

Существует множество применений, в которых толщина материала превышает его длину. В таких случаях предпочтительна механическая конвекция жидкости, которая может быть обеспечена любыми подходящими способами, известными специалистам в данной области техники. Альтернатива заключается во введении растворителя или реакционноспособных частиц в виде газообразных частиц. Кроме того, для достижения скорости переноса на границе жидкостей и газов могут быть использованы сверхкритические условия. Механическая конвекция газообразных частиц может быть обеспечена с помощью градиента давления вдоль пористой матрицы. Если газ представляет собой реакционноспособные частицы, то жидкий растворитель из заполненных пор может вытекать из них, оставляя на порах пленку растворителя, которая может абсорбировать реакционноспособные частицы газа. Альтернативно, частично заполненные поры обеспечивают возможность течения газа в порах, поскольку растворитель абсорбирует часть газа, протекающего через них.

В системе могут быть использованы низкие температуры и низкое давление для обеспечения экономической эффективности процесса. Следовательно, процессы, в которых растворитель частично удерживается в порах и способствует диффузии газообразных реакционных частиц, являются предпочтительными по сравнению с процессами, в которых для реакций используют растворимые жидкости, где необходимо высокое содержание продукта. Существует множество конструкций устройств, которые могут обеспечивать эффективный перенос частиц реагента и растворителя в поры. Некоторые из указанных конструкций имеют обычное реакторное оборудование, такое как фильтр-прессы, форсуночные камеры орошения, автоклавы и паровые установки.

- 20 032774

D. Камеры отверждения с СО₂.

В настоящем изобретении предложено устройство и способы отверждения бетона с низким углеродным следом с низкими затратами и высокой энергоэффективностью, в которых в качестве реагента используют диоксид углерода. Далее описаны проектно-технические принципы и способы, которые обеспечивают улавливание и поглощение углерода с минимальным повышением или отсутствием повышения затрат по сравнению с традиционными камерами отверждения портландцементного бетона.

D1. Отверждение бетона с применением СО₂.

Системы и способы согласно настоящему изобретению используют с применением материалов и химических веществ, отверждение которых обусловлено присутствием CO₂, например CO₂ в реакционной среде, такой как вода, в которой обеспечена карбоновая кислота, карбонат-ионы и бикарбонат-ионы. Примеры таких материалов и веществ описаны выше в настоящем документе.

Процесс отвердевания бетона с помощью CO2, описанный в настоящем документе, в значительной степени похож на обычный процесс затвердевания бетона, описанный выше, с тем существенным отличием, что в условиях контролируемого отверждения независимо регулируют пять параметров, в отличие от двух параметров, описанных для традиционного отверждения. Помимо температуры и влажности в камере регулируют также давление системы, концентрацию диоксида углерода и скорость газа. Отличие в отношении регулирования влажности заключается в том, что в обычных, известных до настоящего изобретения системах, влажность повышают до значений выше влажности внешней среды благодаря применению воды в качестве реагента при отверждении портландцемента, тогда как в системах и способах согласно настоящему изобретению вода является не реагентом, а лишь реакционной средой. В системах и способах согласно настоящему изобретению реагентом является CO2. Соответственно, настоящее изобретение заключается в том, что можно контролировать содержание водяных паров, температуру и скорость газа для удаления воды из продукта отверждения или для ее добавления в продукт отверждения по необходимости. В системах отверждения с применением СО2 могут быть использованы системы отверждения типа большой камеры и многорядного типа, описанные для обычных систем отверждения бетона.

На фиг. 5 представлено схематическое изображение камеры отверждения бетона с помощью CO₂, спроектированной и эксплуатируемой в соответствии с принципами настоящего изобретения. На фиг. 5 в камеру отверждения подают CO₂ из источника через дозирующий клапан, который может обеспечивать регулирование давления, скорости потока и продолжительности потока CO₂. Атмосферу CO₂ рециркулируют через нагнетатель и теплообменник или нагреватель, так чтобы температуру атмосферы в камере отверждения можно было регулировать или изменять. В некоторых вариантах реализации для охлаждения атмосферы в камере отверждения может быть использован теплообменник, например, если реакция отверждения протекает с экзотермическим эффектом, обеспечивающим избыточный нагрев атмосферы.

В описанных вариантах реализации используют промышленную марку CO2 с чистотой примерно 99%, которую выпускают многочисленные компании-производители промышленных газов, такие как Praxair, Inc., Linde AG, Air Liquide и др. Указанное сырье может храниться в больших баках-накопителях в форме сжиженного диоксида углерода под давлением с регулируемой температурой для поддержания давления паров на уровне примерно 300 psig. Затем газ может быть отрегулирован по давлению и подан по трубопроводу и в камеру отверждения с CO₂. Альтернативно, может быть использован CO₂, уловленный на промышленных установках (включая, но не ограничиваясь ими, заводы по производству аммиака, заводы по переработке природного газа, цементные заводы, стекольные заводы, CO₂ из растительных остатков и других биогазов, биодизельные заводы) и установках-источниках горения (например, электростанциях или парогенераторных установках). Кроме того, может быть использован также CO2, полученный из скважин добычи диоксида углерода, которые бурят для извлечения потока диоксида углерода из геологического пласта или группы пластов, содержащих залежи диоксида углерода.

D2. Регулирование температуры при отверждении бетона с СО₂.

В некоторых вариантах реализации температуру измеряют с помощью датчика, такого как термопара или резисторный датчик температуры (RTD). Сигнал от измерительного прибора поступает обратно в контроллер или компьютер, который может регулировать энергию, подаваемую в теплообменник, и тем самым регулировать с течением времени температуру системы в целом. Нагнетатель представляет собой важную деталь нагревательной системы, поскольку он может способствовать передаче тепловой энергии газу, который переносится к продуктам и самой камере, что является важной частью контролируемого увлажнения образцов. Нагревание может быть электрическим или газовым. Нагревательные рубашки могут быть использованы для регулирования температуры CO2, двигающегося в камере, контактирующей с нагревательной рубашкой, и может быть использован любой источник нагревания. Способы внешнего нагрева могут включать, но не ограничиваются ими, электрический нагрев, нагрев с помощью горячей воды или нагрев с помощью горячего масла. В настоящее время для камер отверждения с CO2 используют системы сжигания газа косвенного действия, а горелки сжигания газа прямого действия не применяют, поскольку она затягивают воздух и продукты сжигания в систему, разбавляя CO2 и усложняя регулирование концентрации CO₂. В некоторых мелкомасштабных системах, таких как барабанные реакторы, вместо нагревательного элемента внутри камеры используют электрические нагревательные ру

- 21 032774 башки для обогрева всей поверхности камеры.

D3. Возможности регулирования влажности в камере отверждения с СО₂.

На фиг. 6 представлено схематическое изображение камеры отверждения бетона с помощью CO₂, которая обеспечивает увлажнение в соответствии с принципами настоящего изобретения. На фиг. 6 изображено устройство подачи воды, с помощью которого в атмосферу, циркулирующую в камере отверждения, добавляют пары воды. Вода может быть питьевой водой из любого обычного источника. В некоторых вариантах реализации используют обычную водопроводную воду. В некоторых вариантах реализации вода может быть превращена в пар посредством пропускания через разбрызгивающее сопло или распылительное сопло, электрический парогенератор или парогенератор, работающий на газообразном топливе, или посредством нагревания до температуры выше температуры газа в камере для инициации испарения жидкой воды, например барабанный реактор с погружаемым нагревателем. В другом варианте реализации подаваемый CO2 может поступать в систему после его пропускания через нагретый источник воды для повышения относительной влажности входящего потока газа, например барабанный реактор, выполненный с возможностью проточной обработки или обработки в разомкнутом контуре.

Относительная влажность представляет собой важный параметр и для традиционного отверждения бетона, и для отверждения бетона с CO₂. В традиционной камере отверждения существует атмосфера влажного воздуха, которая состоит, главным образом, из азота, кислорода и водяных паров. В указанных системах относительную влажность чаще всего измеряют с помощью стандартной технологии емкостного датчика. Однако камеры отверждения с CO2 содержат газовую атмосферу, состоящую, главным образом, из диоксида углерода, который несовместим с некоторыми типами таких датчиков. В системах отверждения бетона с CO2, описанных в настоящем документе, могут быть использованы сенсорные технологии, такие как технология сухого и мокрого термометра, в которых используют приборы измерения психрометрических соотношений диоксида углерода и водяных паров или дипольной поляризации водяных паров, или гигрометры с охлаждаемым зеркалом, или емкостные датчики влажности.

В зависимости от типа и геометрии затвердевающего продукта, конструкции камеры и эффективности упаковки продукта в камере может быть необходимо снизить или повысить влажность и отрегулировать ее до определенного заданного значения. Заданные значения могут варьироваться от 1 до 99% относительной влажности. В способах отверждения бетона с помощью CO₂ могут быть использованы три различных способа регулирования влажности, которые могут быть объединены в одну систему. Способ увлажнения в одном из вариантов реализации системы отверждения с CO₂ представлен на фиг. 6.

На фиг. 7 представлено схематическое изображение камеры отверждения с CO₂, обеспечивающей осушение посредством выдувания влажного газа в соответствии с принципами настоящего изобретения. Как уже было упомянуто, в некоторых случаях необходимо удалять влагу из системы для отверждения бетонных продуктов с помощью CO2. Простой способ снижения относительной влажности заключается в вытеснении влажного газа из системы сухим газом, в данном случае диоксидом углерода. Влажную газообразную смесь CO2 выводят через выпускной клапан, который может быть дозирующим регулирующим клапаном или автоматическим стравливающим клапаном, и пополняют смесь сухим CO2, который поступает в систему рециркуляции, для снижения относительной влажности до требуемого заданного значения, в то же время поддерживая регулируемое давление и поток газа в системе отверждения. Недостаток такого типа выдувного осушения заключается в том, что из системы выходит более высокое количество диоксида углерода. Однако преимущество заключается в том, что содержание водяных паров может быть снижено до концентрации водяных паров во входящем продувочном газе, которое в некоторых случаях может быть чрезвычайно низким, если продувочный газообразный CO2 получен испарением жидкого CO2.

На фиг. 8 представлено схематическое изображение камеры отверждения с CO2, обеспечивающей осушение с помощью охлажденного теплообменника в соответствии с принципами настоящего изобретения. В альтернативном варианте реализации устройство осушения и способ, изображенный на фиг. 8, иллюстрируют технологию снижения относительной влажности и, следовательно, удаления водяных паров из газа с помощью способа, отличного от продувания. В указанной конкретной технологии используют устройство экстракции воды и способ удаления воды, который в одном из предпочтительных вариантов реализации представляет собой охлажденный теплообменник. Рециркулирующая холодильная установка обеспечивает циркуляцию раствора воды и этиленгликоля, охлажденного до температуры от -15 до 15°С, по змеевику теплообменника из нержавеющей стали с большой площадью поверхности, который установлен по направлению движения потока влажного газа. Некоторое количество воды из газообразного потока подвергается фазовому переходу и конденсируется с образованием на змеевике жидкости, которая может быть затем собрана и слита из системы через дренажный бачок, стационарный клапан или соленоидный клапан, оснащенный таймером для слива жидкости, но не газа. Преимущество использования указанного типа системы заключается в том, что во время указанного процесса происходит выброс и потеря минимального количества газообразного диоксида углерода по сравнению с осушением посредством выдувания, изображенным на фиг. 7. Один из недостатков указанной технологии заключается в необходимости некоторого дополнительного оборудования, которое не является стандартным для традиционных камер отверждения бетона. Другой недостаток заключается в повышении энергопотреб

- 22 032774 ления системы для работы холодильной установки.

В некоторых случаях, например при необходимости удаления из системы большого количества воды, для поддержания минимальных уровней влажности могут быть вместе использованы два способа осушения, описанные выше.

D4. Наполнение и повышение концентрации диоксида углерода в системе отверждения.

В начале процесса отверждения сначала может иметь место предварительный период выдержки с диоксидом углерода с регулированием параметров, таких как температура, относительная влажность и скорость газа, и в это время концентрация диоксида углерода в камере отверждения может быть повышена посредством нагнетания в систему CO2 из источника газа и вытеснения из камеры воздуха, и указанный период называют циклом продувания. Во время цикла продувания используют избыток диоксида углерода, рассчитанный на некоторые неизбежные потери в процессе. В некоторых вариантах реализации предполагают, что исходящий газ может быть собран и фракционирован для выделения CO2, который иначе будет потерян в результате вентиляции или переноса в камеру вторичного отверждения или дополнительный участок многорядной системы отверждения. Цикл продувания завершают по достижении требуемой концентрации CO₂ в камере отверждения. Концентрация CO₂ может быть измерена с помощью многочисленных измерительных технологий, таких как недисперсионное инфракрасное обнаружение или газовая хроматография. Скорость реакций, протекающих в карбонизирующихся цементных композициях, описанных выше, в значительной степени зависит от концентрации диоксида углерода и, следовательно, в начале реакционного цикла обычно достигают высоких концентраций CO₂, но это не обязательно имеет место во всех случаях. После цикла продувания при необходимости могут быть отрегулированы относительная влажность, температура и скорость газа в камере для снижения испарения воды из образцов, находящихся в камере.

В различных вариантах реализации, описанных в настоящем документе, диоксид углерода является реагентом и расходуется в процессе. Следовательно, важно пополнять источник CO2 в течение всего процесса для поддержания требуемой скорости реакции. После окончания цикла продувания с подачей в камеру интенсивного потока CO₂ существует несколько возможностей сохранения высоких уровней CO₂в ходе реакции.

D5. Пополнение СО₂ посредством постоянного потока и выпуска (разомкнутый контур).

Один из методов, который может быть использован, заключается в применении равномерного достаточно слабого потока CO₂ в течение всего времени процесса отверждения с одновременным выпуском слабого потока исходящего газа. Такой тип системы отверждения может быть наиболее простым и требующим минимальной обратной связи и регулирования системы и может быть использован, если профиль получения продукта еще не известен или если нет необходимости точного контроля. Однако она также может быть сконструирована более сложным образом и иметь расходометры, установленные на входе и выходе из системы для управления массовым балансом CO2 и определения скорости и общего количества поглощенного CO2 с помощью компьютеризированной системы управления, которая может в конечном итоге показывать скорость реакции и определять момент завершения процесса отверждения. Это позволит пополнять концентрации CO₂. Скорость потока пополняемого CO₂ должна быть лишь такой же высокой, как скорость расходования газа в процессе. Вторичный эффект указанного способа заключается в осушении продуванием, как описано ранее, с применением сухого газа для уноса влажного газа. Указанный способ может быть осуществлен посредством обеспечения клапана для интенсивного потока CO2 для цикла продувания и клапана для слабого потока CO2 или контроллера потока для пополнения в течение цикла отверждения, как показано на фиг. 9. Как описано ранее, указанный способ пополнения и осушения CO2 требует избытка CO2 по сравнению с его количеством, необходимым для реакции.

Указанный способ применения постоянного потока называют проточным взаимодействием, и он подходит также для процессов с применением непрерывных потоков отходящих газов с высоким содержанием CO2. Такие отходящие потоки могут быть газообразными продуктами горения, получаемыми в различных отраслях промышленности, включая, но не ограничиваясь ими, печи для обжига цемента, стеклоплавильные печи, электростанции, биогаз и т.п. Следовательно, указанные камеры с постоянным потоком могут быть выполнены с возможностью и могут быть совместимы с источниками промышленного газообразного CO₂ и с потоками отходящих газов. Барабанные реакторы Solidia, изображенные на фиг. 12-15, представляют собой пример мелкомасштабной установки, которая может быть использована в качестве системы пополнения слабого потока CO₂.

D6. Регулируемое пополнение низкого давления.

После цикла продувания CO2 существует другой способ поддержания концентрации CO2 в течение цикла отверждения. В указанном альтернативном способе используют регулирование с помощью низкого давления. В механически регулируемой системе используют мембранный регулятор низкого давления. Такой регулятор может регулировать давление, составляющее лишь 1 дюйм H2O (или примерно 1/400 атм). Указанные регуляторы являются высокочувствительными и обеспечивают возможность пополнения CO₂ лишь при снижении давления в результате поглощения CO₂ в процессе реакции. Пример системы такого типа представляет собой мелкомасштабный барабанный реактор Solidia, который может

- 23 032774 быть выполнен с возможностью пополнения, регулируемого с помощью низкого давления, а также пополнения с постоянным потоком.

В другом варианте реализации может быть использован электронный подход, который обеспечивает измерение давления в системе с помощью высокоточного преобразователя низкого давления, подключенного к дозирующему регулирующему клапану, а не к механическому мембранному клапану. На фиг. 10 представлено схематическое изображение камеры отверждения, которая имеет линию продувания CO₂ и которая может обеспечивать пополнение CO₂ с регулируемым давлением посредством указанной технологии. Примером является автоклавная система Solidia, работающая при низком давлении.

D7. Регулирование концентрации СО₂ в замкнутом контуре.

Другой способ поддержания концентрации диоксида углерода в процессе реакции основан на сохранении постоянной концентрации, хотя он является наиболее дорогой технологией. В указанном способе используют измерение концентрации CO2 непосредственно в системе и используют контроллер, такой как PLC, для регулирования концентрации CO₂ на установленном значении при помощи электронного/автоматического регулирующего клапана. Предпочтительно используют технологию непосредственного измерения концентрации CO₂, такую как недисперсионный инфракрасный газовый анализ (NDIR). В измерительном способе NDIR образец потока газа берут из системы с помощью насоса малой производительности. Для конденсации влаги из потока газа используют холодильник, а затем берут образец для прибора NDIR. Таким образом, измерение, выполняемое указанным анализатором, исключает компонент водяного пара из потока газа и требует поправки на содержание влаги, удаленной из исследуемого образца. Измерение влажности в газовом потоке системы может быть выполнено с помощью психрометрической технологии с сухим и мокрым термометром, как показано на фиг. 19 (см. устройство 1930 для измерения влажности с помощью сухого и мокрого термометра), или с помощью датчика влаги другого типа. Реальная концентрация CO2 может быть рассчитана с помощью компьютерной системы управления или PLC. Как только стала известна фактическая концентрация CO2, включенный дозирующий регулирующий клапан может обеспечить добавление в систему сухого CO2 при его расходовании и падении концентрации ниже установленного значения, требуемого в данной точке времени. В различных вариантах реализации установленное значение при необходимости может варьироваться в зависимости от времени на основании опыта отверждения конкретных композиций, форм и размеров бетонных образцов.

На фиг. 11 представлено схематическое изображение камеры отверждения среднего размера, которая имеет несколько способов регулирования влажности и имеет возможность регулирования и пополнения CO2 посредством постоянного потока или регулирования давления и которая может обеспечивать регулирование влажности в соответствии с принципами настоящего изобретения.

D8. Регулирование скорости газа.

Другой важный управляемый параметр представляет собой скорость газа вдоль материала, подлежащего отверждению в системе, которая может в значительной степени зависеть от ряда различных аспектов, включая, но не ограничиваясь ими, конструкция камеры, конструкция перегородок, размер вентилятора, скорость/мощность вентилятора, количество вентиляторов, градиент температуры в системе, дизайн стеллажа в системе и геометрия образцов в системе. Простейшим способом регулирования скорости газа в камере является регулирование скорости нагнетателя (об/мин), обычно осуществляемое с помощью частотно-регулируемого привода для обеспечения возможности регулирования скорости двигателя нагнетателя. Нагнетатель может быть использован для циркуляции газа в камере отверждения с требуемой скоростью. Скорость газа в системе измеряют с помощью множества различных технологий, включая, но не ограничиваясь ими, измерение трубками Пито и лазерными доплеровскими системами обнаружения. Измеренный сигнал для скорости газа может быть направлен в компьютерную систему или программируемый логический контроллер и может быть использован в качестве управляемого параметра профиля затвердевания.

Примеры оборудования

На фиг. 12-20 изображены различные варианты реализации устройств, сконструированных и эксплуатируемых в соответствии с описанием систем согласно настоящему изобретению, представленным в настоящем документе;

на фиг. 12 представлена фотография нескольких барабанных реакторов, сделанных из барабанов из нержавеющей стали объемом 55 галлонов;

на фиг. 16 - фотография промышленной камеры отверждения CDS (производства CDS Inc., Cinderhill Trading Estate, Weston Coyney Road, Лонгтон, Stoke-on-Trent ST3 5JU, Великобритания), мо

- 24 032774 дернизированной для отверждения под низким давлением CO₂ в соответствии с принципами настоящего изобретения. На фиг. 16 добавлено и изображено отверстие 1610 подачи в камеру CO₂ из источника CO₂, такого как баллон. Указанная камера представляет собой пример системы отверждения с регулируемой концентрацией CO₂, называемой переносным реактором из транспортного контейнера Solidia;

на фиг. 17 - фотография части внутреннего оснащения камеры, изображенной на фиг. 16, демонстрирующая дополнительные модификации, сделанные в традиционной системе отверждения портландцемента. Добавлен датчик 1710 содержания влаги, работающий по принципу дипольной поляризации. Добавлен промышленный недисперсионный инфракрасный (NDIR) анализатор 1740, который обеспечивает возможность определения концентрации CO₂ (Siemens Ultramat 23 производства Siemens AG, One Internet Plaza, Джонсон Сити, штат Теннеси, 37604). На линии потока, поступающего в анализатор, добавлен охладитель 1730 пробы. В охладителе пробы сначала происходит конденсация влаги из потока газа, поэтому датчик может считывать концентрацию CO₂ без влияния водяных паров. Охладитель 1730 может быть использован для конденсации воды в системе и для осушения потока газа, подаваемого в систему. Добавлен дозирующий регулирующий клапан 1720 CO2, который используют для повышения концентрации CO₂ и последующего сохранения содержания CO₂ в течение реакции отверждения;

на фиг. 19 - фотография внутренней части камеры отверждения, демонстрирующая дополнительные установленные компоненты. Добавлен газовый пробоотборник 1910, работающий по принципу дипольной поляризации, который используют для измерения процентного содержания H₂O по объему с исключительно высокой точностью. Со стороны всасывания патрубка возврата CO₂, до входа циркулирующего газа в нагнетатель и электронагреватель мощностью 50 кВт добавлен конденсирующий змеевик 1920. Водяные пары, выделяемые в виде жидкости из охладителя, расположенного внутри возвратного патрубка, сливают с помощью устройства для слива конденсата для осушения потока газообразного CO2, и с помощью расходометра может быть измерено содержание водяных паров для определения скорости высушивания образцов в камере. Добавлено устройство 1930 измерения влажности с помощью сухого или мокрого термометра, работа которого аналогична вращающемуся психрометру. Разность температур между мокрым термометром и сухим термометром дает показатель относительной влажности. В одном из вариантов реализации программируемый логический контроллер (PLC) программируют инструкциями, которые обеспечивают расчет относительной влажности на основании термических измерений, психрометрического отношения газов и уравнения, представляющего поток в диапазоне используемых температур. Камера отверждения модифицирована наличием отверстия 1940, через который берут пробы газа со скоростью 1 л/мин для анализа в анализаторе 1740 NDIR CO₂ (расположенном за пределами активной части камеры отверждения). В примере, изображенном на фиг. 19, отверстие 1950 подачи газообразного CO2, поступающего через дозирующий клапан, расположено в нижней части камеры отверждения. В других вариантах реализации впускное отверстие может быть расположено на другой поверхности камеры, или может быть использовано несколько впускных отверстий;

на фиг. 20 - скриншот дисплея, подключенного к программируемому логическому контроллеру или другому регулирующему прибору, такому как программируемый компьютер общего назначения, который работает под управлением набора инструкций, записанных на машиночитаемом носителе. В изображенном варианте реализации камера отверждения представляет собой прочный резервуар, эксплуатируемый как реактор атмосферного давления с избыточным давлением примерно 0,25 psig CO₂ чистотой 50-99%, получаемого в качестве отпарного газа резервуара, содержащего сжиженный CO₂ под высоким давлением, а остальное составляет, главным образом, водяной пар. Экран автоматической системы управления, который может быть сенсорным экраном, отображает различные элементы управления и показатели переменных процесса, такие как время, температура, относительная влажность, давление, скорость потока газа и т.д. Автоматическая система управления обеспечивает регулирование профиля температуры и влажности в присутствии высокой концентрации газообразного CO₂. При первоначальной загрузке и начале работы камеры отверждения используют систему продувания CO2, закачивая CO2 в течение 15 мин, что соответствует времени вытеснения воздуха в камере газообразным CO₂. Системы согласно настоящему изобретению обеспечивают динамический контроль, при котором температуру, влажность, концентрацию CO₂, скорость потока CO₂ и давление в системе независимо регулируют в течение цикла отверждения, и каждый параметр может быть изменен, например повышен или понижен, независимо или в зависимости от изменений других переменных. Контроллер может записывать любые отображаемые данные.

Примеры способов отверждения

Пример 1. Брусчатые камни размером 6 дюймов на 9 дюймов, отвержденные в барабанном реакторе в атмосфере CO₂ с самогенерирующейся влажностью.

Сырьевые материалы.

Синтетический волластонит (SC-C2), Donghai Golden Resources Industries, Дунхай, Китай; '/₄ трапповый заполнитель производства Stavola (штат Нью-Джерси), строительный песок производства Bound Brook (штат Нью-Джерси) и Glenium 7500 (BASF). В табл. 4 представлены пропорции смеси сырьевых материалов, используемых для получения брусчатых камней.

- 25 032774

Таблица 4. Пропорции смешивания (для замеса 100 кг)

Твердые компоненты:	94,3 %
Синтетический волластонит (SC-C2)	18%	17,1 кг
Строительный песок	55,2%	52,2 кг
Заполнитель	26,8%	25 кг

Жидкие компоненты:	5,7%
Водопроводная вода	98,81%	5,632 кг
Glenium 7500	1,19%	0,068 кг

Процедура смешивания.

1. Взвесить и загрузить 25 кг заполнителя ¹/₄ в планетарный смеситель (Sicoma МР375/250).

2. Взвесить и загрузить в смеситель 55,2 кг строительного песка.

3. Взвесить и загрузить в смеситель 17,1 кг синтетического волластонита (SC-C2).

4. Перемешивать твердые компоненты, загруженные в смеситель, в течение примерно 3 мин. В результате получают сухую смесь.

5. Взвесить и загрузить в смеситель, содержащий сухую смесь, жидкий компонент (в данном примере 5,632 кг воды и 0,068 кг Glenium 7500) и продолжать перемешивание в течение примерно 2 мин до получения равномерной суспензии. В результате получают влажную смесь.

Процедура прессования.

1. Влажную смесь выгружают в лоток и по конвейеру подают в машину формования брусчатых камней (модель Columbia 1600).

2. Затем влажную смесь выгружают в загрузочный бункер машины формования брусчатых камней.

3. Затем влажную смесь выгружают из загрузочного бункера в полость формы для брусчатых камней. При выгрузке влажной смеси в полость формы для брусчатых камней форму покачивают для эффективного заполнения полости.

4. Прессующей головкой пресса машины для формования брусчатых камней прессуют влажную смесь в течение примерно 1,5 с или до достижения высоты влажной смеси 2 ⁵/₈ дюйма. В результате получают сырую керамическую заготовку.

5. Затем сырую керамическую заготовку в форме брусчатого камня вынимают из полости формы. Процедура отверждения.

Сырые керамические заготовки в форме брусчатых камней отверждают в барабанном реакторе следующим образом. Промышленную нагревательную рубашку мощностью 1,6 кВт, контактирующую с внешней частью барабана из нержавеющей стали объемом 55 галлонов, нагревают до 110°С для предварительного разогрева корпуса в течение примерно двадцати минут. Сырые керамические заготовки загружают на алюминиевые листы и помещают на стеллажи системы, которая оснащена вентилятором мощностью 373 кубических футов в минуту (CFM) и отклоняющей системой для направления потока вдоль образцов. Закрывающим элементом, имеющим отверстие диаметром ¹/2, герметично закрывают барабан с помощью уплотнительного прокладочного кольца. Включают вентилятор и начинают обдув CO2 со скоростью 200-500 л/мин, который проходит через систему и выходит через отверстие размером ¹/2, расположенное в закрывающем элементе. Через пятнадцать минут поток CO₂ прекращают и закрывают отверстие размером ¹/₂ спускной пробкой низкого давления, сбрасывая давление, превышающее 1/2 psig. Нагревательную рубашку регулируют так, чтобы температура газа внутри системы составляла 60°С. Поскольку в результате выделения газов при нагревании растет давление, а также растет давление водяных паров в результате испарения воды из образцов, то спускная пробка низкого давления должна обеспечивать периодический сброс давления и выпуск некоторого количества влажного CO₂. Открывают альтернативную линию СО₂, которая содержит регулятор низкого давления, обеспечивающий регулирование давления газа в барабанном реакторе на уровне 0,33 psig. Указанный регулятор обеспечивает добавление газа в систему, если давление падает ниже 0,33 psig, что происходит по достижении термического равновесия и расходовании CO₂ в реакционной камере. Относительную влажность в системе поддерживают на относительно высоком уровне, в диапазоне 60-96%. Через 20 ч поток газа в систему прекращают и открывают закрывающий элемент. Сырые керамические заготовки, превращенные в затвердевшие брусчатые камни, вынимают из системы, и они содержат примерно 3-5% CO₂ по массе и имеют прочность на сжатие, измеренную по ASTM С 936, в диапазоне 2000-13000 psi.

Пример 2. Брусчатые камни размером 6 на 9 дюймов, отвержденные в барабанном реакторе в атмосфере СО2 со сливом конденсата для осушения.

Сырые керамические заготовки в форме брусчатых камней получают таким же образом, как в примере 1.

Процедура отверждения.

Выполняют процедуру отверждения, описанную в примере 1, используя соленоидный клапан, оснащенный таймером (открывается на 5 с каждые 10 мин), расположенный в нижней части барабанного реактора, для удаления конденсата из нижней части реактора и снижения таким образом влажности в

- 26 032774 системе в течение цикла отверждения. Используют такое время, что система остается герметичной, и происходит лишь периодический слив конденсата без потери слишком большого количества газа из системы. Могут быть использованы дренажные бачки, но это может быть затруднительно из-за низкого давления газа. В течение процесса относительную влажность поддерживают на уровне 37-67%. Через 20 ч поток газа в систему прекращают и открывают закрывающий элемент. Затвердевшие брусчатые камни вынимают из системы, и они содержат примерно 3-5% CO₂ по массе и имеют прочность на сжатие, измеренную по ASTM С 936, в диапазоне 2000-13000 psi.

Пример 3. Брусчатые камни размером 6 на 9 дюймов, отвержденные в барабанном реакторе в атмосфере СО2 с повышением влажности за счет нагретой воды на дне камеры.

Выполняют процесс отверждения, описанный в примере 1, при этом нижняя часть барабанного реактора оснащена погружаемым нагревателем мощностью 1 кВт, расположенным в нижней части барабана. Барабан наполняют водой объемом примерно 3-5 галлонов, достаточным для того, чтобы покрыть погружаемый нагреватель мощностью 1 кВт. Закрывающим элементом, имеющим отверстие диаметром А, герметично закрывают барабан с помощью уплотнительного прокладочного кольца. Включают вентилятор и начинают обдув CO₂ со скоростью 200-500 л/мин, который проходит через систему и выходит через отверстие размером ^!/₂, расположенное в закрывающем элементе. Через десять минут поток CO₂прекращают и закрывают отверстие размером '/₂ спускной пробкой низкого давления, сбрасывая давление, превышающее 1/2 psig. Нагревательную рубашку регулируют так, чтобы температура газа внутри системы составляла 60°С. Для повышения относительной влажности в системе выходную мощность погружаемого нагревателя регулируют для нагрева воды до температуры 64°С, которую измеряют с помощью отдельной термопары, погруженной в воду. Поскольку в результате выделения газов при нагревании растет давление, а также растет давление водяных паров в результате испарения воды из образцов, то спускная пробка низкого давления должна обеспечивать периодический сброс давления и выпуск некоторого количества влажного CO₂. Открывают альтернативную линию СО₂, которая содержит регулятор низкого давления, обеспечивающий регулирование давления газа в барабанном реакторе на уровне 0,33 psig. Указанный регулятор обеспечивает добавление газа в систему, если давление падает ниже 0,33 psig, что происходит по достижении термического равновесия и расходовании CO₂ в реакционной камере. Относительную влажность в системе поддерживают на очень высоком уровне, в диапазоне 83-99%. Через 20 ч поток газа в систему прекращают и открывают закрывающий элемент. Брусчатые камни вынимают из системы, и они содержат примерно 3-5% CO₂ по массе и имеют прочность на сжатие, измеренную по ASTM С 936, в диапазоне 5000-13000 psi.

Пример 4. Брусчатые камни размером 6 дюймов на 9 дюймов, отвержденные в барабанном реакторе в атмосфере СО2 с входящим потоком увлажненного CO2, поступающим за счет барботирования газообразного потока через систему горячей воды.

Процедура отверждения.

Образцы отверждают в проточном барабанном реакторе следующим образом.

Промышленную нагревательную рубашку мощностью 1,6 кВт, контактирующую с внешней частью барабана из нержавеющей стали объемом 55 галлонов, нагревают до 110°С для предварительного разогрева корпуса в течение примерно двадцати минут. Образцы загружают на алюминиевые листы и помещают на стеллажи системы, которая оснащена вентилятором мощностью 373 кубических футов в минуту (CFM) и отклоняющей системой для направления потока вдоль образцов. Закрывающим элементом, имеющим отверстие диаметром '/₂ герметично закрывают барабан с помощью уплотнительного прокладочного кольца. Для указанного эксперимента создают разбавленный поток CO2. Поток газообразного СО₂ промышленной пищевой марки с чистотой 99,9% и сжатый воздух регулируют с помощью смесительного газового расходометра, который обеспечивает возможность регулирования потока каждого газа, и разбавляют СО₂ до концентрации 25-40% при общей скорости потока в диапазоне 20-50 л/мин. Промышленный резервуар для работы под давлением с паровым обогревом мощностью 1,1 кВт (автоклав) наполняют водой и подключают к отверстию подачи CO₂. Газообразный поток барботируют через нагретую до 75°С воду и подают в барабанный реактор, обеспечивая сильно увлажненный поток газа. Для регулирования влажности можно контролировать температуру воды. Линии, исходящие из горячей паровой установки в барабанный реактор, изолируют для предотвращения конденсации, и они также могут быть нагреты за счет сопровождающего подогрева для достижения еще более высокой влажности. Включают вентилятор и начинают обдув системы через отверстие размером '/₂ расположенное в закрывающем элементе. Постоянный исходящий поток влажной газообразной смеси выходит из системы через отверстие размером '/₂ расположенное на передней стороне, в течение всего цикла отверждения. Нагревательную рубашку регулируют так, чтобы температура газа внутри системы составляла 60°С и чтобы стенки системы оставались теплыми для предотвращения конденсации входящего потока увлажненного газа. Относительную влажность системы поддерживают на относительно высоком уровне, в диапазоне

- 27 032774

92-98%. Через 20 ч поток газа в систему прекращают и открывают закрывающий элемент.

Пример 5. Легковесный блок, содержащий 18% измельченного силиката кальция, отвержденный в автоклаве при атмосферном давлении в атмосфере CO₂ с применением холодильника для снижения влажности.

Сырьевые материалы.

Синтетический волластонит (SC-C2), Donghai Golden Resources Industries, Дунхай, Китай; ¹/₄ трапповый заполнитель производства Stavola (штат Нью-Джерси), строительный песок производства Bound Brook (штат Нью-Джерси), топочная зола производства Austral Masonry (Австралия), каменная пыль производства Austral Masonry (Австралия), Sika Viscocrete (Sika) и Glenium 7500 (BASF). В табл. 5 представлены пропорции смеси сырьевых материалов, используемых для получения брусчатых камней.

Таблица 5. Пропорции смешивания (для замеса 100 кг)

Твердые компоненты	92,61%
Синтетический волластонит (SC-C2)	18%	16,67 кг
Строительный песок	25,20%	23,33 кг
Заполнитель 14”	16,10%	14,91 кг
Топочная зола	19,50%	18,06 кг
Каменная пыль	21,20%	19,63 кг
Жидкие компоненты	7,31%
Водопроводная вода	99,30%	7,26 кг
Glenium 7500	0,30%	0,02 кг
Sika Viscocrete	0,40%	0,03 кг

Процедура смешивания.

1. Взвесить и загрузить 23,33 кг строительного песка в планетарный смеситель (Sicoma™ MP375/250).

2. Взвесить и загрузить в смеситель 14,91 кг заполнителя ¹/₄.

3. Взвесить и загрузить в смеситель 18,06 кг топочной золы.

4. Взвесить и загрузить в смеситель 19,63 кг каменной пыли.

5. Взвесить и загрузить в смеситель 16,67 кг синтетического волластонита (SC-G2).

6. Перемешивать твердые компоненты, загруженные в смеситель, в течение примерно 3 мин. В результате получают сухую смесь.

7. Взвесить и загрузить в смеситель, содержащий сухую смесь, жидкий компонент (в данном примере 7,26 кг воды и 0,02 кг Glenium 7500 и 0,068 кг Glenium 7500) и продолжать перемешивание в течение примерно 2 мин до получения однородной суспензии. В результате получают влажную смесь.

Процедура прессования.

5. Затем сырую керамическую заготовку в форме блока вынимают из полости формы.

Процедура отверждения.

Сырые керамические заготовки в форме блоков укладывают по 3 штуки на доску. Каждую доску помещают на алюминиевую тележку и перевозят в горизонтальный автоклав диаметром 7 футов и длиной 12 футов, предварительно нагретый до 60°С с помощью змеевика теплообменника с вторичным паром с давлением пара 140 psi. Затем через автоклав продувают газообразный CO₂, нагретый до 75°С, удерживая верхнее газовыпускное отверстие в открытом положении при включенном нагнетателе мощностью 7,5 лошадиных сил, работающем со скоростью 3600 об/мин, и продувая газообразный СО₂ под давлением 60 psi из бака-накопителя сжиженного СО₂ в камеру. Продувание выполняют в течение 12 мин до достижения концентрации СО₂ 97 об.%. Затем закрывают стравливающий клапан в верхней части автоклава и регулируют давление CO2 в автоклаве до 0 psig, поддерживая температуру газа при 60°С. В указанном варианте реализации не выполняют точное регулирование относительной влажности,

- 28 032774 и ее регулируют вручную. В течение первых 5 ч профиля поток газа охлаждают с помощью теплообменника с высокой площадью поверхности, охлажденного до 4°С смесью этиленгликоля и воды, поступающей из холодильника мощностью 10 кВт, что обеспечивает возможность осушения атмосферы в камере в течение этого периода времени. Вода, конденсировавшаяся на холодильнике, стекает вниз, и ее сливают из реактора с помощью промышленного дренажного бачка Armstrong. Через 5 ч холодильник выключают, и влажность в системе начинает расти и сохраняется на уровне 60-55%. По окончании 20-часового цикла отверждения в камеру отверждения насосом подают свежий воздух и вытесняют СО₂ из камеры отверждения для безопасного открывания дверцы камеры. После завершения цикла отверждения в нижней части системы накапливается некоторое количество конденсированной воды, которое равно или почти равно потерям воды из блоков.

На фиг. 21 представлен профиль температуры и влажности, соответствующий примеру 5.

Пример 6. Блоки обычной массы, отвержденные в автоклаве при атмосферном давлении в атмосфере CO₂ с использованием самогенерирующейся влажности.

Сырьевые материалы.

Синтетический волластонит (SC-C2), Donghai Golden Resources Industries, Дунхай, Китай; ¹/₄ трапповый заполнитель производства Stavola (штат Нью-Джерси), строительный песок производства Bound Brook (штат Нью-Джерси) и Glenium 7500 (BASF). В табл. 6 представлены пропорции смешивания сырьевых материалов, использованных в данном примере.

Таблица 6. Пропорции смешивания (для замеса 100 кг)

Твердые компоненты:	93,9 %
Синтетический волластонит (SC-C2)	18%	16,902 кг
Строительный песок	55,2%	51,832 кг
Заполнитель	26,8%	25,165 кг

Жидкие компоненты:	6,1 %
Водопроводная вода	98,81%	6,02 кг
Glenium 7500	1,19%	0,08 кг

Процедура смешивания.

Процедура смешивания аналогична процедуре для прессованных брусчатых камней, описанной в примере 1.

Процедура прессования.

Для прессования блоков использовали такую же процедуру, как описана в примере 1 для прессованных брусчатых камней, за исключением геометрии формы для получения сырых керамических заготовок. Размеры прессованных блоков составили 7 5/8х7 5/8х15 5/8 (49% твердого объема).

Процедура отверждения.

Сырые керамические заготовки в форме блоков укладывают по 3 штуки на доску. Каждую доску помещают на алюминиевую тележку и перевозят в горизонтальный автоклав диаметром 7 футов и длиной 12 футов, предварительно нагретый до 60°С с помощью змеевика теплообменника с вторичным паром с давлением пара 140 psi. Затем через автоклав продувают газообразный CO₂, нагретый до 75°С, удерживая верхнее газовыпускное отверстие в открытом положении при включенном нагнетателе мощностью 7,5 лошадиных сил, работающем со скоростью 3600 об/мин, и продувая газообразный СО₂ под давлением 60 psi из бака-накопителя сжиженного СО₂ в камеру. Продувание выполняют в течение 12 мин до достижения концентрации СО₂ 97% по объему. Затем закрывают стравливающий клапан в верхней части автоклава и регулируют давление CO₂ в автоклаве до 0 psig, поддерживая температуру газа при 60°С. В течение 8 ч цикла отверждения относительная влажность естественным образом повышается до примерно 70% в результате испарения воды из образцов, а затем медленно понижается до примерно 65% в результате конденсации в системе. По окончании 8-часового цикла отверждения в камеру отверждения насосом подают свежий воздух и вытесняют СО₂ из камеры отверждения для безопасного открывания дверцы камеры. После завершения цикла отверждения в нижней части системы накапливается некоторое количество конденсированной воды, которое равно или почти равно потерям воды из блоков. На фиг. 22 представлен профиль температуры и влажности, соответствующий примеру 6.

Испытание.

Затвердевшую керамическую массу в форме прессованного блока испытывали на неограниченную прочность на сжатие по ASTM C90. Прочность на сжатие полученных блоков составила 17,2 МПа (2500 psi).

- 29 032774

Определения

При использовании в настоящем документе термины химический реагент, реагент, реактив и химический реактив являются синонимами, и их используют для обозначения химических веществ, которые взаимодействуют с другими химическими веществами.

Запись результатов, полученных при осуществлении способов или регистрации данных, как, например, запись результатов в определенное время или в определенных технологических условиях, в настоящем документе следует понимать как энергонезависимую запись выходных данных на запоминающий носитель, машиночитаемый запоминающий носитель или устройство хранения данных. Энергонезависимые машиночитаемые запоминающие носители, которые могут быть использованы согласно настоящему изобретению, включают электронные, магнитные и/или оптические запоминающие носители, такие как гибкие магнитные диски и жесткие диски; привод DVD, привод CD, который в некоторых вариантах реализации может принимать DVD диски, любые диски CD-ROM (т.е. оптические запоминающие диски, доступные только для чтения), CD-R диски (т.е. оптические запоминающие диски с однократной записью для многократного чтения) и CD-RW диски (т.е. перезаписываемые оптические запоминающие диски); и электронные запоминающие носители, такие как RAM, ROM, EPROM, карты памяти формата Compact Flash, карты PCMCIA или, альтернативно, запоминающий носитель SD или SDIO; и электронные компоненты (например, дисковод для гибких дисков, дисковод DVD, дисковод CD/CDR/CD-RW или адаптер Compact Flash/PCMCIA/SD), которые принимают и считывают и/или записывают информацию на запоминающий носитель. Если в явной форме не указано иное, то в настоящем документе упоминание записи или записывания следует понимать как энергонезависимую запись или энергонезависимое записывание.

Специалистам в области машиночитаемых запоминающих носителей известно, что постоянно разрабатываются новые носители и форматы хранения данных, и любой удобный, имеющийся в продаже запоминающий носитель, а также соответствующее считывающее/записывающее устройство, которое может стать доступным в будущем, также подходит для применения, особенно если оно обеспечивает что-либо из более высокой емкости памяти, более высокой скорости доступа, меньшего размера и более низкой стоимости на бит записанной информации. В некоторых случаях применимы также общеизвестные машиночитаемые носители старого поколения, например бумажные перфоленты или перфокарты, магнитные записи на ленте или проволоке, оптическое или магнитное считывание печатных символов (например, OCR и символов, закодированных магнитным способом), а также машиночитаемых символов, таких как одномерные и двумерные штрих-коды. Запись данных изображения для последующего использования (например, запись изображения на запоминающее устройство или цифровое запоминающее устройство) может быть выполнена для обеспечения возможности использования записанной информации в качестве выходных данных, в качестве данных для отображения пользователю или в качестве данных, подлежащих использованию в будущем. Такие цифровые запоминающие элементы или чипы могут представлять собой автономные запоминающие устройства или могут быть вмонтированы в требуемое устройство. Запись выходных данных или запись изображения на запоминающее устройство в настоящем документе включает запись преобразованных данных на регистры микрокомпьютера.

Микрокомпьютер в настоящем документе является синонимом микропроцессора, микроконтроллера и цифрового сигнального процессора (DSP). Следует понимать, что память, используемая в микрокомпьютере, включая, например, инструкции по обработке данных, кодируемые прошивкой может физически сохраняться в памяти чипа микрокомпьютера или во внешней памяти микрокомпьютера, или в комбинации внутренней и внешней памяти. Точно так же аналоговые сигналы, оцифрованные внешним преобразователем аналоговых сигналов в цифровые (ADC) или одним или более ADC, или мультиплексными каналами ADC, могут сохраняться в комплекте микрокомпьютера. Также следует понимать, что матричные чипы, программируемые пользователем (FPGA), или чипы заказных или специализированных интегральных микросхем (ASIC) могут выполнять функции микрокомпьютера по аппаратной логической схеме, посредством эмуляции программного средства микрокомпьютера или комбинацией двух вариантов. Устройство, имеющее любую из особенностей, описанных в настоящем изобретении, может полностью работать на одном микрокомпьютере или может содержать более одного микрокомпьютера.

Программируемые компьютеры общего назначения, подходящие для регулирующего оборудования, записи сигналов и анализа сигналов или данных согласно настоящему изобретению могут быть любым из персонального компьютера (PC), микропроцессорного компьютера, портативного компьютера или другого типа устройства обработки информации. Программируемый компьютер общего назначения обычно содержит центральный процессор, устройство хранения или запоминания, которое может записывать и считывать информацию и программы с машиночитаемого запоминающего носителя, связной терминал, такой как проводное устройство связи, устройство вывода, такое как дисплейный терминал, и устройство ввода данных, такое как клавиатура. Дисплейный терминал может представлять собой сенсорный экран, и в этом случае он может действовать как дисплейное устройство и устройство ввода данных. Могут быть использованы другие и/или дополнительные устройства ввода данных, такие как указательное устройство, например мышь или джойстик, могут быть использованы другие или дополнитель

- 30 032774 ные устройства вывода, такие как прибор тревожной сигнализации, например громкоговоритель, второй дисплей или принтер. Компьютер может работать с использованием любой из множества операционных систем, такой как, например, любая из нескольких версий Windows или MacOS, или UNIX, или Linux. Результаты вычислений, получаемые при эксплуатации компьютера общего назначения, могут быть сохранены для дальнейшего использования и/или могут быть отображены пользователю. Каждый микропроцессорный компьютер общего назначения имеет по меньшей мере регистры, в которых хранятся результаты каждого шага вычислений, выполняемых микропроцессором, и эти результаты затем обычно хранятся в сверхоперативной памяти для дальнейшего использования, например, результаты могут быть отображены на экране, записаны на энергонезависимое запоминающее устройство или использованы для дальнейшей обработки или анализа данных.

При использовании в тексте настоящего описания и прилагаемой формуле изобретения единственная форма включает множественную форму, если из контекста явно не следует иное.

Если не указано иное, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют такое же значение, которое обычно понимается специалистами в данной области техники. Хотя при практическом осуществлении или испытании настоящего изобретения также могут быть использованы любые способы и материалы, аналогичные или эквивалентные тем, которые описаны в настоящем документе, в настоящем документе представлено описание предпочтительных способов и материалов. Способы, описанные в настоящем документе, могут быть осуществлены в любом другом логически возможном порядке, помимо конкретного описанного порядка.

Включение посредством ссылки.

В настоящем описании сделаны ссылки на другие документы и цитаты из них, такие как патенты, патентные заявки, патентные публикации, журналы, книги, газеты, веб-страницы. Все указанные документы в полном объеме и во всех отношениях включены в настоящий документ посредством ссылки. Материалы или их части, которые включены в настоящий документ посредством ссылки, но противоречат описаниям, утверждениям или иному материалу настоящего описания, в явной форме изложенного в настоящем документе, включены лишь до той степени, до которой не существует противоречий между включенным материалом и материалом настоящего описания. В случае противоречий для их разрешения следует руководствоваться настоящим описанием как предпочтительным описанием.

Эквиваленты.

Иллюстративные примеры, описанные в настоящем документе, предназначены для облегчения иллюстрации изобретения, и они не предназначены, и их не следует толковать как ограничение границ объема настоящего изобретения. Конечно, специалистам в данной области техники из полного содержания настоящего документа станут понятны различные модификации настоящего изобретения и его многие дополнительные варианты, помимо тех, которые показаны и описаны в настоящем документе, включая примеры и ссылки на научную и патентную литературу, цитируемую в настоящем документе. Примеры содержат важную дополнительную информацию, иллюстрацию и руководство, которые могут быть адаптированы для практического осуществления настоящего изобретения в его различных вариантах реализации и эквивалентах.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Система отверждения для отверждения материала, для которого в качестве отверждающего агента необходим CO₂, содержащая камеру отверждения, выполненную с возможностью размещения материала, который поглощает CO2 в качестве реагента и который не отверждается в отсутствие CO2 при отверждении, при этом указанная камера отверждения имеет по меньшей мере одно отверстие, выполненное с возможностью введения указанного материала в указанную камеру отверждения и выгрузки указанного материала из указанной камеры отверждения, и имеет по меньшей мере один закрывающий элемент для указанного отверстия, при этом указанный закрывающий элемент выполнен с возможностью обеспечения изоляции от внешней среды в закрытом состоянии для предотвращения загрязнения газа, находящегося в указанной камере отверждения, газом, находящимся за пределами указанной камеры отверждения;

источник диоксида углерода, выполненный с возможностью подачи газообразного диоксида углерода в указанную камеру отверждения через отверстие для подачи газа в указанной камере отверждения, при этом указанный источник диоксида углерода имеет по меньшей мере один контроллер потока, выполненный с возможностью регулирования скорости потока указанного газообразного диоксида углерода в указанную камеру отверждения;

подсистему потока газа, выполненную с возможностью циркуляции указанного газа по указанной камере отверждения в течение периода времени, когда происходит отверждение материала, который поглощает CO₂ в качестве реагента, где указанная подсистема потока газа включает измерительное устройство, выполненное с возможностью измерения скорости указанного газа, присутствующего в указанной камере отверждения, и нагнетатель с регулируемой скоростью, выполненный с возможностью обеспечения циркуляции газа в указанной камере отверждения с требуемой скоростью;

- 31 032774 подсистему контроля температуры, выполненную с возможностью регулирования температуры указанного газа в указанной камере;

подсистему контроля влажности, выполненную с возможностью регулирования влажности указанного газа в указанной камере; и по меньшей мере один контроллер, при этом указанный по меньшей мере один контроллер выполнен с возможностью независимого регулирования указанной скорости потока указанного газообразного диоксида углерода, указанной циркуляции указанного газа в указанной камере отверждения, указанной температуры указанного газа и указанной влажности указанного газа в течение периода времени, когда происходит отверждение указанного материала, который поглощает CO2 в качестве реагента.
2. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанная камера отверждения выполнена с возможностью поддержания давления газа в камере отверждения выше атмосферного давления.
3. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанный источник диоксида углерода содержит регулятор давления и контроллер потока, выполненный с возможностью подачи газообразного диоксида углерода со скоростью, которая, по существу, равна скорости поглощения указанного диоксида углерода указанным материалом, поглощающим CO₂ в качестве реагента в процессе отверждения.
4. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанный источник диоксида углерода содержит контроллер потока, выполненный с возможностью подачи газообразного диоксида углерода со скоростью, достаточной для вытеснения атмосферного воздуха из указанной камеры отверждения в течение периода времени 15 мин или менее.
5. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанный источник диоксида углерода содержит регулятор давления и контроллер потока, выполненный с возможностью подачи газообразного диоксида углерода со скоростью, которая, по существу, равна скорости выхода указанного газа из указанной камеры отверждения.
6. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанная подсистема регулирования потока газа содержит измерительное устройство, выполненное с возможностью измерения количества диоксида углерода в указанном газе, присутствующем в указанной камере отверждения.
7. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанное измерительное устройство, выполненное с возможностью измерения скорости газа, выбрано из трубки Пито и лазерной доплеровской системы обнаружения.
8. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанная подсистема контроля температуры содержит датчик температуры, выполненный с возможностью измерения указанной температуры указанного газа в указанной камере отверждения.
9. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанная подсистема контроля температуры содержит теплообменник для регулирования указанной температуры указанного газа в указанной камере отверждения.
10. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанная подсистема контроля температуры содержит теплообменник для регулирования температуры указанного газообразного диоксида углерода, подаваемого в указанную камеру отверждения через указанное отверстие для подачи газа в указанной камере отверждения.
11. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанная подсистема контроля температуры содержит нагреватель, расположенный на внешней поверхности или встроенный в стенки указанной камеры отверждения.
12. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанная подсистема регулирования влажности содержит измерительное устройство, выполненное с возможностью определения относительной влажности указанного газа в указанной камере.
13. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанная подсистема регулирования влажности содержит конденсатор, выполненный с возможностью снижения указанной влажности указанного газа в указанной камере.
14. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанная подсистема регулирования влажности содержит выпускной клапан, выполненный с возможностью снижения указанной влажности указанного газа в указанной камере.
15. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанная подсистема регулирования влажности содержит источник подачи воды, выполненный с возможностью повышения указанной влажности указанного газа в указанной камере.
16. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанный по меньшей мере один контроллер выбран из одного из следующих: программируемый логический контроллер, контроллер, имеющий сенсорный дисплей, и программируемый компьютер общего назначения, работающий под управлением набора инструкций, записанных на машиночитаемом носителе.
17. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанный по меньшей мере один контроллер содержит дисплей, выполненный с возможностью отображения пользователю любого из следующих: продолжительность цикла отверждения, указанная скорость потока указанного газообразного диоксида углерода, концентрация диоксида углерода в указанной камере отверждения, скорость цирку

- 32 032774 ляции указанного газа по указанной камере отверждения, указанная температура указанного газа и указанная влажность указанного газа.
18. Система отверждения по п.1, отличающаяся тем, что указанный по меньшей мере один контроллер выполнен с возможностью записи любого из следующих: продолжительность цикла отверждения, указанная скорость потока указанного газообразного диоксида углерода, концентрация диоксида углерода в указанной камере отверждения, скорость циркуляции указанного газа по указанной камере отверждения, указанная температура указанного газа и указанная влажность указанного газа.