JP2019517979A - 合成ポゾラン - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、2016年5月5日に出願された同時係属中の米国仮特許出願第62/332,318号に基づく優先権及び利益を主張する。
一態様によれば、本発明は、活性化可能なアモルファス相をかなりの割合で有する材料の製造方法について説明する。
本発明は、伝統的に生産された水硬性セメントのCO2フットプリントを削減するであろう。SCMは、典型的には、塩基の存在下で活性化され得る、アモルファスシリケート及び/又はアモルファスアルミノ−シリケートで構成される。活性化可能なアモルファス相は、活性化されてセメント質特性を有することができるような、アモルファスシリケート及び/又はアモルファスアルミノ−シリケートの相を含むアモルファス相である。
Ca(OH)2(aq) + H4SiO4(aq)→ CaH2SiO4・2H2O(s) (1)
4Ca(OH)2(aq) + 2Al(OH)3(aq)+ 6H2O(l) → Ca4Al2O7・13H2O(s) (2)
3Ca(OH)2(aq) + 2Al(OH)3(aq)→ Ca3Al2O6・6H2O(s) (3)
2Ca(OH)2(aq) + 2Al(OH)3(aq)+ H4SiO4(aq) + H2O(l) → Ca2Al2SiO7・8H2O(s) (4)
3Ca(OH)2(aq) + 2Al(OH)3(aq)+ 3CaSO4(aq) + 26H2O(l)
→ Ca6Al2(SO4)3(OH)12・26H2O(s) (5)
4Ca(OH)2(aq) + 2Al(OH)3(aq)+ H2CO3(aq) + 10H2O(l)
→ Ca3Al2O6・CaCO3・11H2O(s) (6)
一つの経路は、既存の原料を用いて既存のセメントキルンで実行可能となり得る高温手法である。高温で、クリンカーを形成する、二つの化学について説明する。
黄長石鉱物は、ゲーレン石(Ca2Al2SiO7)とオケルマン石(Ca2MgSi2O7)との間の結晶固溶体で構成されるソロシリケートである。黄長石はまた、相当な割合の鉄又はナトリウムも含有し得、特定条件下において、鉄−オケルマン石(Ca2Fe2+Si2O7)、鉄−ゲーレン石(Ca2Fe3+AlSiO7)、又はソーダ黄長石(NaCaAlSi2O7)組成に達する。特定条件下において、黄長石は代わりにカリウムイオンを更に取り入れ得る。黄長石は一般式(Ca,Na,K)2[(Mg,Fe2+,Fe3+,Al,Si)3O7]を用いて表記することができる。
他の高温活性化可能な鉱物組成は斜長石及び正長石の長石に基づく。灰長石(CaAl2Si2O8)は、CaO - Al2O3- SiO2三元系平衡状態図におけるゲーレン石に近い鉱物システムである。ナトリウム及びカリウムと組合わせた灰長石は、斜長石及びアルカリの長石として知られる、より大規模な鉱物系列を引き起こす。簡潔のため、この鉱物科は一般に「長石」と呼ばれるであろう。長石系の活性化可能な鉱物は、合成するために必要なCaがより少なく、従って必要なCaCO3がより少ないため、黄長石系の活性化可能な鉱物よりも更に低い体化CO2フットプリントを有することができる。
生成される材料は、結晶相とアモルファス相との混合物であろうことが意図される。アモルファス相が多く存在するほど、より良好である。しかしながら、ロータリーキルンの稼働にとっては、アモルファス相が生成物の30%、40%又は50%を構成し得ることが期待される。全投入物が溶けているような他の種類のキルンにとっては、アモルファス相が更に高い割合、例えば、生成物の60%、70%、又は80%を構成していてもよい。
SCMとして使用するための活性化可能なアモルファス相の合成に対する代替的なアプローチは、多くの一般的なシリケート鉱物の溶解メカニズムを活用することで達成される。多くの鉱物、特にカルシウムシリケートは、金属カチオンが元の結晶性マトリックスから浸出される不調和溶解(incongruent dissolution)として知られるプロセスを受けることが可能である。金属カチオンの除去は結晶相中の不安定性を引き起こすが、SiO2は溶解しない代わりにアモルファス固体相として取り残される。このナノ多孔性アモルファスSiO2反応生成物は、ポゾランSCMとして使用するための理想的な候補である。
CO2(aq)+ H2O(l) → H2CO3(aq) (7)
H2CO3(aq)→ H+ (aq) + HCO3 1- (aq) (8)
HCO3 2- (aq)→ H+ (aq) + CO3 2- (aq) (9)
CaSiO3(s)+ CO2(aq) → CaCO3(s) + SiO2(s) (10)
Ca3Si2O7(s)+ 3CO2(aq) → 3CaCO3(s) + 2SiO2(s) (11)
Ca2SiO4(s)+ 2CO2(aq) → 2CaCO3(s) + SiO2(s) (12)
Ca3SiO5(s)+ 3CO2(aq) → 3CaCO3(s) + SiO2(s) (13)
H2C2O4→ H+ (aq) + HC2O4(aq) (14)
HC2O4(aq)→ H+ (aq) + C2O4 2- (aq) (15)
CaSiO3(s)+ H2C2O4(aq) → CaC2O4・nH2O(s)+ SiO2(s) + H2O(l) (16)
Ca3Si2O7(s)+ 3H2C2O4(aq) → 3CaC2O4・nH2O(s)+ 2SiO2(s) + 3H2O(l) (17)
Ca2SiO4(s)+ 2H2C2O4(aq) → 2CaC2O4・nH2O(s)+ SiO2(s) + 2H2O(l) (18)
Ca3SiO5(s)+ 3H2C2O4(aq) → 3CaC2O4・nH2O(s)+ SiO2(s) + 3H2O(l) (19)
(Mgx,Fey)2SiO4(s)+ 2H2C2O4(aq) →
XMgC2O4・nH2O(s) + YFeC2O4・nH2O(s)+ SiO2(s) + 2H2O(l) (20)
CaAl2Si2O8(s) + H2C2O4(aq)→ CaC2O4・nH2O(s) + Al2O3(s)+ 2SiO2(s) (21)
2NaAlSi3O8(s) + H2C2O4(aq)→ Na2C2O4・nH2O(s) + Al2O3(s)+ 6SiO2(s) + H2O(l)(22)
2KAlSi3O8(s) + H2C2O4(aq)→ K2C2O4・nH2O(s) + Al2O3(s)+ 6SiO2(s) + H2O(l)(23)
Ca2Al2SiO7(s) + 2H2C2O4(aq)→ 2CaC2O4・nH2O(s) + Al2O3(s)+ SiO2(s) + 2H2O(l) (24)
Ca2MgSi2O7(s)+ 2H2C2O4(aq) →
2CaC2O4・nH2O(s) + MgC2O4・nH2O(s)+ 2SiO2(s) + 2H2O(l) (25)
活性剤は、個々に又は組合わせで、以下の材料の内の一つとすることができる:OPC(1〜90重量%)、遊離石灰(1〜20重量%)、水酸化カルシウム(1〜20重量%)、及びアルカリ水酸化物(NaOH、KOHが1〜10重量%)。一般に、活性剤は、無機及び有機の塩基を含む材料群から選択される活性剤であり得る。
本開示に記載されたどの合成ポゾランも水硬性セメント系コンクリート混合物中に統合され得る。ポゾランは水硬性セメントの代替物として1%〜99%の代替レベルで添加される。
本明細書中でなされる理論的説明は正しいものであると考えられるが、本明細書及び特許請求の範囲に記載された装置の動作は、本理論的説明の正確性又は有効性に依存しない。つまり、本明細書中に提示された理論とは異なる基礎に基づく観察結果を説明し得る、後の理論的展開は、本明細書に記載された本発明を損なうものではない。
Claims (25)
- 一つ以上の珪質、アルミノ珪質及びアルミニウム質の材料を含む少なくとも10質量%の活性化可能なアモルファス相を含み、
前記活性化可能なアモルファス相が、化学反応を行うことで活性化されてセメント質化合物を形成するように構成された、合成ポゾラン。 - 結晶相を更に含む、請求項1に記載の合成ポゾラン。
- 前記結晶相が、その大部分に結晶性黄長石を含む、請求項2に記載の合成ポゾラン。
- 前記結晶相が、その大部分に結晶性斜長石を含む、請求項2に記載の合成ポゾラン。
- 前記結晶相が、その大部分に結晶性アルカリ長石を含む、請求項2に記載の合成ポゾラン。
- 少なくとも10質量%の活性化可能なアモルファス相を含む合成ポゾランの製造方法であり、
前記方法が、クリンカーを生成するために高温プロセスで固相反応を行う工程を含む、合成ポゾランの製造方法。 - 前記高温プロセスで固相反応を行う工程が:
一つ以上の前駆体原料を選択する工程;
前記一つ以上の前駆体原料の化学組成を分析する工程;
前記一つ以上の前駆体原料を混合して、Al、Fe、Mg、Siの合計に対するCaのバルクモル比が0.5〜1.0であり、且つAl、Fe及びMgの金属酸化物の合計が少なくとも14重量%である混合前駆体組成物を得る工程;及び、
前記混合前駆体組成物を、前記混合前駆体組成物が反応して黄長石系クリンカーを生成するのに十分な時間、800°C〜1400°Cの間の温度に加熱する工程;
を含む、請求項6に記載の合成ポゾランの製造方法。 - 前記高温プロセスで固相反応を行う工程が:
一つ以上の前駆体原料を選択する工程;
前記一つ以上の前駆体原料の化学組成を分析する工程;
前記一つ以上の前駆体原料を混合して、一つ以上のCaAl(灰長石端成分)、NaSi(曹長石端成分)、又はKAl(正長石端成分)が、CaAl+NaSi+KAl成分対AlSi2O8のモル比にして0.8〜1.2対1で添加されたAlSi2O8のバルク化学を有する混合前駆体組成物を得る工程;及び、
前記混合前駆体組成物を、前記混合前駆体組成物が反応して斜長石長石系クリンカーを生成するのに十分な時間、800°C〜1400°Cの間の温度に加熱する工程;
を含む、請求項6に記載の合成ポゾランの製造方法。 - 前記固相反応の反応速度又は反応の最大範囲を、前処理化学物質の不存在下で確認される前記反応速度又は前記反応の最大範囲よりも改善するために、前記前処理化学物質を使用する工程を更に含む、請求項6に記載の合成ポゾランの製造方法。
- 前記前処理化学物質が、酢酸、クエン酸、酒石酸、グルコン酸、及びシュウ酸の内少なくとも一つを含有する有機酸溶液である、請求項9に記載の合成ポゾランの製造方法。
- 前記クリンカーの粉砕中に前記前処理化学物質を導入する工程を含む、請求項6に記載の合成ポゾランの製造方法。
- 粉砕クリンカーに前記前処理化学物質を導入する工程を含む、請求項6に記載の合成ポゾランの製造方法。
- 少なくとも10質量%の活性化可能なアモルファス相を含む合成ポゾランの製造方法であり、
前記方法が、低温プロセスで水性反応を行う工程を含む、合成ポゾランの製造方法。 - 前記低温プロセスで水性反応を行う工程が、
分解又は不調和溶解して活性化可能なアモルファス相を形成するように構成されたシリケート鉱物と、前駆体鉱物の前記分解又は溶解を補助するように構成された前駆体化学物質と、を含む前駆体を使用することを含む、請求項13に記載の合成ポゾランの製造方法。 - 反応器を通じてCO2含有廃ガスを浸出させる工程を更に含む、請求項13に記載の合成ポゾランの製造方法。
- 前記前駆体化学物質が酸である、請求項13に記載の合成ポゾランの製造方法。
- 前記前駆体化学物質がCO2ガスに由来する、請求項13に記載の合成ポゾランの製造方法。
- 前記前駆体化学物質がCO2ガスから合成される、請求項13に記載の合成ポゾランの製造方法。
- 前記前駆体鉱物が、天然で得られた鉱物、珪質石灰岩、粘土、珪灰石、カンラン石、及び長石から選択されてなる、請求項13に記載の合成ポゾランの製造方法。
- 前記前駆体鉱物が、普通ポルトランドセメント、カルシウムサルホアルミネートセメント、カルシウムアルミネートセメント、炭酸塩化可能なカルシウムシリケートセメント、及び合成鋳物砂から選択される人工材料である、請求項13に記載の合成ポゾランの製造方法。
- 前記前駆体鉱物が合成的に生産されたポゾランである、請求項13に記載の合成ポゾランの製造方法。
- 前記前駆体鉱物が、廃棄材料、スラグ及びフライアッシュから選択されてなる、請求項13に記載の合成ポゾランの製造方法。
- 前記活性化可能なアモルファス相がSiO2及びAl2O3を含む、請求項13に記載の合成ポゾランの製造方法。
- 請求項1に記載の合成ポゾランを活性剤及び水と混合してなる複合材料。
- 前記活性剤が、水硬性セメント(1〜70重量%)、遊離石灰(1〜20重量%)、水酸化カルシウム(1〜20重量%)、及びアルカリ水酸化物(NaOH、KOHが1〜10重量%)から、個々に又は組合せで選択されてなる、請求項24に記載の複合材料。
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