JP2022517780A - 炭酸塩骨材組成物ならびにその製造および使用方法 - Google Patents
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Abstract
Description
上記に要約したように、本発明の態様は、炭酸塩被覆骨材などの炭酸塩骨材を製造する方法を含む。「骨材」という用語は、その従来の意味で、粒状材料、すなわち、粒または粒子からなる材料を指すために使用される。骨材が炭酸塩骨材であるとき、粒状材料の粒子は、1つ以上の炭酸塩化合物を含み、炭酸塩化合物(複数可)成分は、必要に応じて、他の物質(例えば、基質)と組み合わされ得るか、または粒子全体を構成し得る。本発明の方法によって製造される炭酸塩骨材は、以下により詳細に記載される。
上記に要約したように、本方法の態様は、炭酸塩スラリーの製造を含む。本発明の方法で製造される炭酸塩スラリーは、以下により詳細に記載されるような、アルカリ土類金属炭酸塩粒子、例えば、炭酸カルシウム粒子、炭酸マグネシウム粒子などの金属炭酸塩粒子を含むスラリーである。炭酸塩スラリーの固形分パーセントは様々であり得るが、いくつかの例では、炭酸塩スラリーは、40~60%の固形分などの30~80%の固形分を含む。炭酸塩スラリーの粘度は様々であり得るが、いくつかの例では、炭酸塩スラリーは、300~30,000を含む、9~900などの2~300,000センチポアズ(cPまたはcp)の範囲の粘度を有する。スラリー中に存在する炭酸塩粒子のサイズは様々であり得るが、いくつかの例では、粒子のサイズは、5~50μmを含む、0.5~5μmなどの0.1~50μmの範囲である。
例えば上記のような炭酸塩スラリーの製造に続いて、炭酸塩スラリーは、回転ドラム内に導入され、炭酸塩骨材を製造するために十分な条件下で回転ドラム内で混合される。いくつかの例では、炭酸塩スラリーは、骨材基質とともに回転ドラム内に導入され、そして回転ドラム内で混合されて、炭酸塩被覆骨材を製造する。いくつかの例では、スラリー(および基質)が回転ドラム内に導入され、混合は、炭酸塩スラリーの製造直後、例えば、炭酸塩スラリーを調製してから12時間以内、例えば、6時間以内、4時間以内に開始される。いくつかの例では、全プロセス(すなわち、スラリー調製の開始から炭酸塩骨材生成物の入手まで)が15時間以内、例えば、10時間以内、5時間以内、例えば、3時間以内、1時間以内に実施される。
図3は、本発明の実施形態による方法のプロセスフローチャートを提供し、例えば、陽イオン源と水性炭酸塩とを組み合わせてCO2隔離炭酸塩沈殿物を製造することを、炭酸塩スラリーの調製と結合して、炭酸塩被覆骨材を製造するために骨材基質と混合する。
また、適切な硬化液(以下に説明するような)と組み合わせると、コンクリートまたはモルタルへと固まって硬化する硬化可能組成物を生成するコンクリート乾燥複合材も提供される。本明細書に記載のコンクリート乾燥複合材は、例えば上記のような、ある量のCO2隔離骨材、および水硬性セメントなどのセメントを含む。「水硬性セメント」という用語は、その従来の意味で採用され、水、または溶媒が水である溶液、例えば混和剤溶液と組み合わせた後に固まって硬化する組成物を指す。本発明のコンクリート乾燥複合材と水性液体との組み合わせによって製造された生成物が固まって硬化することは、水との反応時にセメントから形成される水和物の製造に起因し、水和物は本質的に水に不溶性である。
水硬性セメントをある量の骨材(モルタル、例えば砂については細かい、コンクリートについては細かいものの有無にかかわらず粗い)および水と同時に組み合わせることによって、またはセメントを骨材と事前に組み合わせて結果として得られた乾燥成分を水と組み合わせることによってのいずれかで、コンクリートおよびモルタルなどの本発明の硬化可能組成物は製造される。本発明のセメント組成物を使用するコンクリートミックスについて粗骨材材料の選択は、約3/8インチの最小サイズを有し得、これらの限界の間のグラデーションを含めて、その最小から1インチ以上までサイズを変えることができる。細かく分割された骨材はサイズが3/8インチより小さく、再び200篩サイズ程度まではるかに細かいサイズに目盛り付けされ得る。細骨材は、本発明のモルタルおよびコンクリートの両方に存在し得る。セメントの乾燥成分中の骨材に対するセメントの重量比は様々であり得、特定の実施形態では、1:10~4:10、例えば2:10~5:10、55:1000~70:100の範囲である。
本発明の態様は、本発明の骨材および硬化可能組成物から生成される構造物をさらに含む。したがって、さらなる実施形態は、本発明の骨材を含む人工構造物およびそれらの製造方法を含む。したがって、いくつかの実施形態では、本発明は、本明細書に記載されるような1つ以上の骨材を含む人工構造物を提供する。人工構造物は、建物、ダム、堤防、車道、または骨材もしくは岩を組み込んだ任意の他の人工構造物など、骨材を使用し得る任意の構造物であり得る。いくつかの実施形態では、本発明は、化石燃料源からのCO2を含む本発明の骨材を含む、人工構造物、例えば、建物、ダム、または車道を提供する。いくつかの実施形態では、本発明は、化石燃料源からのCO2を含む本発明の骨材を提供することを含む、構造物を製造する方法を提供する。これらの構造物は、本発明の骨材および/または硬化可能組成物から生成されるので、それらは、重炭酸塩媒介CO2隔離プロトコルによって生成されるものとしてそれらを識別するマーカーまたは成分を含む。
主題の骨材組成物およびそれを含む硬化可能組成物は、上記の砕かれ安定したCO2隔離生成物、ならびに建築または建設材料などの様々な異なる用途で使用が見出される。本発明の硬化可能組成物の使用が見出される特定の構造物には、舗装、建築構造物、例えば、建物、基礎、高速道路/道路、高架道路、駐車場構造物、レンガ/ブロック壁、ならびにゲート、フェンスおよびポールが含まれるが、これらに限定されない。本発明のモルタルは、レンガなどの建設ブロックを一緒に結合し、建設ブロック間の隙間を埋めるための使用が見出される。モルタルは、既存の構造物を修正するためにも使用でき、例えば、他の用途のうちでもとりわけ、元のモルタルが損傷または侵食されたセクションを置き換えるなどとすることができる。
A.炭酸塩スラリー調製
1)改質蒸留プロセスからのカルシウム含有溶液をダンプ反応として(NH4)2CO3/NH4HCO3溶液と組み合わせる(詳細はWO2017/165849として公開されたPCT/US2017/024146に見出され得、その開示は参照により本明細書に組み込まれる)。
a.順序は関係ない。
b.溶液の濃度はコーティングと沈殿物収量とに影響を与えない。
c.炭酸塩溶液のpHはコーティングに影響を与えないが、NH4HCO3の溶解度が制限されているため炭酸塩濃度に影響を与え得る(NH4HCO3溶液では1M未満である必要がある)。
2)30分~1時間の沈降後、CaCO3スラリーは真空ポンプまたは液体サイクロンを使用して可能な限り多く脱水される。濾液は保存され、再生コンクリート骨材(RCA)などのジオマスの存在下でアンモニアを改質するために使用される。
3)脱水したCaCO3を真水と組み合わせて(CaCO3沈殿物と水との容積比1:5)、20秒間、穏やかに攪拌する。そして、混合物を8分間、超音波処理する。
4)混合物は、真空ポンプ、液体サイクロン、デカンター遠心分離機などを使用して可能な限り多く脱水される。濾液は廃棄され得る。
5)3)を繰り返す。
6)4)を繰り返す。
7)濾過されたCaCO3ケーキに真水(通常は脱水ケーキの約15重量%)を加えて、CaCO3スラリーの所望の固形分(約55%)を達成する。
8)ケーキと水との混合物を完全に混合して、均質なヨーグルト状のスラリーを形成する。スラリーの経時は3時間を超えない。
9)湿ったスラリーの赤外線特性は、アモルファス炭酸カルシウム(ACC)およびバテライトのモルホロジーを示している。
1)骨材基質岩石およびCaCO3スラリーを、回転コンクリートミキサー(すなわち、回転ドラム)内に配置する。
2)コンクリートミキサーを、被覆骨材表面が比較的、乾燥して滑らかになる(指で触れても剥がれない)まで、通気ヒーター(例えば、29℃の周囲ヘッドスペースおよび26℃の岩石表面)で15分~3時間、回転させる。コーティングがこの段階を通過すると、コーティングは粉状になり始め、非常に弱くなる。
3)任意選択的に、熱を加える代わりに、被覆骨材を取り出し、空気中で一晩、乾燥させる。
1)CaCO3スラリーを回転コンクリートミキサー内に配置する。
2)コンクリートミキサーを通気ヒーターで15分~3時間、回転させる(例えば、29℃の周囲ヘッドスペースと26℃の岩石表面)。
3)混合容器によっては、ケーキングを防ぐために、凝集スラリー片を手作業で絶えずこすり落とす。エアナイフも機能する。
4)凝集片が形成され、表面が比較的、乾燥して滑らかになると(指で触れても剥がれない)、凝集した骨材を取り出して空気中で一晩、乾燥させる(骨材がわずかに湿った状態で、例えば、表面乾燥飽水状態(SSD)で使用できる場合は、この手順は必要ない場合がある)。
図5は、本方法の実施形態によって製造された骨材組成物のデータの表を示し、本方法は、炭酸塩スラリーと細骨材基質とを混合して炭酸塩被覆骨材を製造することを含む。この実施形態では、アップサイクルされた再生コンクリート骨材(RCA)微粉が、基質として使用され(図5のサンプルNo.1)、例えば上記のように、また図1および図2にさらに示されるように、米国カリフォルニア州ベイエリアのサプライヤーから調達した未処理のRCA微粉を原材料として使用して、本方法の実施形態によって製造された。原材料を最初に塩化アンモニウム溶液と混合して、改質塩化アンモニウム溶液とアップサイクルされたジオマス骨材、すなわちアップサイクルされたRCA微粉とを生成し、そして後者を洗浄および乾燥してから、基質としてそれを使用して炭酸塩被覆骨材を製造した。図5に示されるように、サンプルNo.2~8は、上記の方法の異なる実施形態を表す。各サンプルについて、上記の基質は、炭酸塩スラリーと混合され、本方法が炭酸アンモニウム溶液を塩化カルシウム-アンモニウム溶液と組み合わせてCO2隔離炭酸塩沈殿物を製造する場合の方法の実施形態によって調製される。炭酸塩スラリーは、コンクリートミキサー、すなわち混合ドラムにおいて15~120分間、異なる量の基質と、例えば、基質に対するスラリーの異なる比率、例えば、1:1、1:2、1:4、1:6などで組み合わされた。混合中、凝集した混合物は、それが凝集しなくなるまで手動で定期的に分解された。混合した後、炭酸塩被覆骨材生成物を放置して、周囲条件下の開放雰囲気で硬化させた。一例では、例えば、サンプルNo.2は、23%の炭酸カルシウム(CaCO3)である炭酸塩被覆骨材をもたらした。グラデーションが、No.4×No.100(コーティング前)から1/2”×No.50(コーティング後)に変わった。吸収は6.3%から13%に増加した。バルク表面飽和密度(SSD)は2.38から2.3に減少した。別の例では、例えば、図5のサンプルNo.8は、CaCO3が60%である炭酸塩被覆骨材をもたらした。グラデーションが、No.4×No.100(コーティング前)から3/4” ×No.8(コーティング後)に変わった。吸収は6.3%から15%に増加した。バルクSSDは2.38から2.33に減少した。図5の表に記載された骨材組成物は、本方法のいくつかの実施形態から生成され得る炭酸塩被覆骨材の例である。
質量増加:乾燥後の重量増加%を計算する。重量増加はCaCO3ローディングと考えられる。例えば、コーティング/乾燥後の被覆されていない骨材の100gの重量は50%の重量増加で150gに増加した。
%コーティング:質量増加(骨材におけるCaCO3の量)に基づいて、どのくらいCaCO3が、開始CaCl2および(NH4)2CO3濃度に基づいて骨材にローディングされたかを計算する。
振とう後のコーティング%:相対耐久性試験により、コーティングされた乾燥骨材を篩振とう機に入れ、75秒間、激しく振とうする。これにより、弱く付着したコーティングが脱落する。
振とう後の質量増加:振とう前の新たにコーティングされた乾燥骨材と比較した重量損失%を計算する。
1.炭酸塩被覆骨材を製造する方法であって、
炭酸塩スラリーを調製することと、
炭酸塩スラリーおよび骨材基質を回転ドラムに導入することと、
炭酸塩被覆骨材を製造するために十分な条件下で、回転ドラム内で炭酸塩スラリーおよび骨材基質を混合することと
を含む方法。
2.炭酸塩スラリーが金属炭酸塩粒子のスラリーである、付記1に記載の方法。
3.金属炭酸塩粒子が炭酸カルシウム粒子である、付記2に記載の方法。
4.金属炭酸塩粒子が炭酸カルシウムマグネシウム粒子である、付記2に記載の方法。
5.炭酸塩粒子が隔離されたCO2を含む、付記3または4に記載の方法。
7.スラリーが2~300,000センチポアズの範囲の粘度を有する、付記1~6のいずれかに記載の方法。
8.炭酸塩スラリーがCO2隔離プロセスを使用して調製される、付記1~7のいずれかに記載の方法。
9.CO2隔離プロセスが、
a)水性炭酸塩を生成するために十分な条件下で、水性捕捉液体をCO2のガス源と接触させ、そして、CO2隔離炭酸塩沈殿物を生成するために十分な条件下で、陽イオン源および水性炭酸塩を組み合わせること、または、
b)CO2隔離炭酸塩を生成するために十分な条件下で、陽イオン源を含む水性アンモニア捕捉液体をCO2のガス源と接触させること
を含む、付記8に記載の方法。
10.水性捕捉液体が、水性捕捉アンモニアおよび任意選択的に添加剤を含む、付記9に記載の方法。
12.スラリーが添加剤を含む、付記1~11のいずれかに記載の方法。
13.添加剤が、ポリマー(例えば、ポリ酢酸ビニル接着剤)、有機/無機接着剤(例えば、エポキシ、ケイ酸塩接着剤、コンクリート接着剤)、およびセメント混和剤、ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択される、付記12に記載の方法。
14.骨材基質が微細な基質粒子を含む、付記1~13のいずれかに記載の方法。
15.骨材基質が粗い基質粒子を含む、付記1~14のいずれかに記載の方法。
17.基質骨材が、付記1~16のいずれかに記載の方法によって一緒に結合された細骨材の凝集を含む、付記1~16のいずれかに記載の方法。
18.骨材基質が天然に存在する骨材を含む、付記1~17のいずれかに記載の方法。
19.骨材基質が修復された再生コンクリートを含む、付記1~17のいずれかに記載の方法。
20.方法が、炭酸塩スラリーおよび骨材基質を回転ドラムに導入し、炭酸塩スラリーを調製してから4時間以内に混合を開始することを含む、付記1~19のいずれかに記載の方法。
22.方法が、炭酸塩被覆骨材を乾燥および/または硬化することをさらに含む、付記1~21のいずれかに記載の方法。
23.炭酸塩被覆骨材が、0.1μm~50mmの範囲の厚さを有する炭酸塩コーティングを含む、付記1~22のいずれかに記載の方法。
24.炭酸塩被覆骨材が、2~6の範囲のモース硬度を有する炭酸塩コーティングを含む、付記1~23のいずれかに記載の方法。
25.方法が1時間以内に実施される、付記1~24のいずれかに記載の方法。
27.(a)セメントと、
(b)付記26に記載の骨材組成物と
を含む、コンクリート乾燥複合材。
28.セメントが水硬性セメントを含む、付記27に記載のコンクリート乾燥複合材。
29.水硬性セメントがポルトランドセメントを含む、付記28に記載のコンクリート乾燥複合材。
31.セメントが水硬性セメントである、付記30に記載の硬化可能組成物。
32.水硬性セメントがポルトランドセメントを含む、付記31に記載の硬化可能組成物。
33.補助セメント材料をさらに含む、付記30~32のいずれかに記載の硬化可能組成物。
34.混和剤をさらに含む、付記30~33のいずれかに記載の硬化可能組成物。
36.付記30~35のいずれかに従って硬化可能組成物から製造された固体形成構造物。
37.固体生成物へと硬化する硬化可能組成物を生成するために十分な方法で、付記26に記載の骨材、セメントおよび液体を組み合わせることを含む、方法。
38.液体が水性液体を含む、付記37に記載の方法。
炭酸塩スラリーを調製することと、
炭酸塩スラリーを回転ドラムに導入することと、
炭酸塩骨材を製造するために十分な条件下で、回転ドラム内で炭酸塩スラリーを混合することと
を含む、方法。
40.炭酸塩スラリーが金属炭酸塩粒子のスラリーである、付記39に記載の方法。
41.金属炭酸塩粒子が炭酸カルシウム粒子である、付記40に記載の方法。
42.金属炭酸塩粒子が炭酸カルシウムマグネシウム粒子である、付記40に記載の方法。
44.炭酸塩スラリーが40~60%の固形分を含む、付記39~43のいずれかに記載の方法。
45.スラリーが2~300,000センチポアズの範囲の粘度を有する、付記39~44のいずれかに記載の方法。
46.炭酸塩スラリーがCO2隔離プロセスを用いて調製される、付記39~45のいずれかに記載の方法。
a)水性炭酸塩を生成するために十分な条件下で、水性捕捉液体をCO2のガス源と接触させ、そして、CO2隔離炭酸塩沈殿物を生成するために十分な条件下で、陽イオン源および水性炭酸塩を組み合わせること、または、
b)CO2隔離炭酸塩を生成するために十分な条件下で、陽イオン源を含む水性アンモニア捕捉液体をCO2のガス源と接触させること
を含む、付記46に記載の方法。
48.水性捕捉液体が、水性捕捉アンモニアおよび任意選択的に添加剤を含む、付記47に記載の方法。
49.方法が沈殿物を洗浄することを含む、付記47または48に記載の方法。
50.方法が1時間以内に実施される、付記39~49のいずれかに記載の方法。
炭酸塩スラリーを調製することと、
炭酸塩骨材生成物を製造するために十分な条件下で炭酸塩スラリーを回転作用にさらすことと
を含む、方法。
52.炭酸塩スラリーが金属炭酸塩粒子のスラリーである、付記51に記載の方法。
53.金属炭酸塩粒子が炭酸カルシウム粒子である、付記52に記載の方法。
54.金属炭酸塩粒子が炭酸カルシウムマグネシウム粒子である、付記53に記載の方法。
55.炭酸塩粒子が、隔離されたCO2を含む、付記51~54のいずれかに記載の方法。
57.スラリーが2~300,000センチポアズの範囲の粘度を有する、付記51~56のいずれかに記載の方法。
58.炭酸塩スラリーがCO2隔離プロセスを用いて調製される、付記51~57のいずれかに記載の方法。
59.CO2隔離プロセスが、
a)水性炭酸塩を生成するために十分な条件下で、水性捕捉液体をCO2のガス源と接触させて、そして、CO2隔離炭酸塩沈殿物を生成するために十分な条件下で、陽イオン源および水性炭酸塩を組み合わせること、または、
b)CO2隔離炭酸塩を生成するために十分な条件下で、陽イオン源を含む水性アンモニア捕捉液体をCO2のガス源と接触させること
を含む、付記58に記載の方法。
61.方法が沈殿物を洗浄することを含む、付記59または60に記載の方法。
62.方法が1時間以内に実施される、付記59~61のいずれかに記載の方法。
63.炭酸塩スラリーが骨材基質と組み合わされて回転作用を受け、炭酸塩骨材生成物が炭酸塩被覆骨材を含む、付記51~61のいずれかに記載の方法。
35U.S.C.§119(e)に準拠して、この出願は、2019年1月23日に提出された米国仮特許出願シリアル番号62/795,986の出願日の優先権を主張し、その出願の開示が参照により本明細書に組み込まれる。
Claims (15)
- 炭酸塩骨材を製造する方法であって、
炭酸塩スラリーを調製することと、
炭酸塩骨材生成物を製造するために十分な条件下で前記炭酸塩スラリーを回転作用にさらすことと
を含む、方法。 - 前記炭酸塩スラリーが金属炭酸塩粒子のスラリーである、請求項1に記載の方法。
- 前記金属炭酸塩粒子が炭酸カルシウム粒子である、請求項2に記載の方法。
- 前記金属炭酸塩粒子が炭酸カルシウムマグネシウム粒子である、請求項3に記載の方法。
- 前記金属炭酸塩粒子が隔離されたCO2を含む、請求項2~4のいずれかに記載の方法。
- 前記炭酸塩スラリーが40~60%の固形分を含む、請求項1~5のいずれかに記載の方法。
- 前記炭酸塩スラリーが2~300,000センチポアズの範囲の粘度を有する、請求項1~6のいずれかに記載の方法。
- 前記炭酸塩スラリーがCO2隔離プロセスを使用して調製される、請求項1~7のいずれかに記載の方法。
- 前記CO2隔離プロセスが、
a)水性炭酸塩を生成するために十分な条件下で、水性捕捉液体をCO2のガス源と接触させて、CO2隔離炭酸塩沈殿物を生成するために十分な条件下で、陽イオン源および前記水性炭酸塩を組み合わせること、または、
b)前記CO2隔離炭酸塩を生成するために十分な条件下で、陽イオン源を含む水性アンモニア捕捉液体をCO2の前記ガス源と接触させること
を含む、請求項8に記載の方法。 - 前記水性捕捉液体が、水性捕捉アンモニアおよび任意選択的に添加剤を含む、請求項9に記載の方法。
- 前記沈殿物を洗浄することを含む、請求項9または10に記載の方法。
- 前記炭酸塩スラリーが骨材基質と組み合わされて前記回転作用を受け、前記炭酸塩骨材生成物が炭酸塩被覆骨材を含む、請求項1~11のいずれかに記載の方法。
- 請求項1~12のいずれかに記載の方法に従って製造された炭酸塩被覆骨材組成物。
- (a)セメントと、
(b)請求項13に記載の骨材組成物と
を含む、コンクリート乾燥複合材。 - 請求項13に記載の骨材、セメントおよび液体を組み合わせることによって製造された、硬化可能組成物。
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