JP7522142B2 - 炭酸化促進剤 - Google Patents
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Description
本発明は、炭酸化促進剤であって、なかでも、アルカリ土類系金属化合物の炭酸化を促進する炭酸化促進剤に関する。
温室効果ガス削減に向けた取り組みとして、製造時にＣＯ２を強制的に吸収若しくは炭酸化させたコンクリート製品（以下、ＣＯ２吸収コン）が一部実用化されている。ＣＣＵＳ技術（Ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ Ｃａｐｔｕｒｅ，Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｏｒａｇｅの略で、二酸化炭素回収・貯留技術）の一種であるＣＯ２吸収コンは、２０１９年に経済産業省が発表した「カーボンリサイクル技術ロードマップ」でも言及され、普及拡大に向けた技術開発が行われている。
特許文献１には、製造時にＣＯ２を強制的に吸収若しくは炭酸化させる方法が開示されている。具体的には、セメント質硬化体に二酸化炭素含有ガスを接触させて、二酸化炭素含有ガスに含まれている二酸化炭素を、上記セメント質硬化体に固定化する接触工程を含む、二酸化炭素の固定化方法が開示されている。
しかし、特許文献１の固定化方法は、二酸化炭素含有ガス中の水分量を１．５％以上とし、かつ温度を７５～１７５℃とするものであり、炭酸化を促進させるような材料についての開示や示唆はない。
以上から、本発明は、アルカリ土類系金属化合物の炭酸化を促進することができる炭酸化促進剤を提供することを目的とする。
上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、本発明者らは下記本発明に想到し当該課題を解決できることを見出した。すなわち本発明は下記のとおりである。
［１］ トレハロースを含み、アルカリ土類系金属化合物の炭酸化を促進する炭酸化促進剤。
［２］ 平均粒子径が１０～５００μｍである［１］に記載の炭酸化促進剤。
［３］ グルコースの含有量が１０質量％以下である［１］又は［２］に記載の炭酸化促進剤。
［２］ 平均粒子径が１０～５００μｍである［１］に記載の炭酸化促進剤。
［３］ グルコースの含有量が１０質量％以下である［１］又は［２］に記載の炭酸化促進剤。
本発明によれば、アルカリ土類系金属化合物の炭酸化を促進することができる炭酸化促進剤を提供することができる。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係る炭酸化促進剤は、トレハロースを含むもので、アルカリ土類系金属化合物の炭酸化を促進する。ここで、アルカリ土類系金属とは、いわゆるアルカリ土類金属の他に、ベリリウム及びマグネシウムをも含む。化合物の形態としては、炭酸化物以外で、水酸化物、酸化物等が挙げられ、なかでも、アルカリ土類系金属の水酸化物が、セメントやコンクリート材料への適用の点で好ましい。アルカリ土類系金属化合物のうち、カルシウム化合物としては、副生消石灰（湿式副生消石灰、乾式副生消石灰）、消石灰、水硬性石灰、コンクリート廃材中の水酸化カルシウムやカルシウムシリケート水和物などが挙げられ、マグネシウム化合物としては、鉄鋼スラグやコンクリート廃材中のカルシウムマグネシウムシリケート等が挙げられる。
アルカリ土類系金属化合物として具体的には、ＣＯ２との反応性に優れる湿式副生消石灰、乾式副生消石灰、消石灰等が好ましい。
本発明に係る炭酸化促進剤は、トレハロースを含むもので、アルカリ土類系金属化合物の炭酸化を促進する。ここで、アルカリ土類系金属とは、いわゆるアルカリ土類金属の他に、ベリリウム及びマグネシウムをも含む。化合物の形態としては、炭酸化物以外で、水酸化物、酸化物等が挙げられ、なかでも、アルカリ土類系金属の水酸化物が、セメントやコンクリート材料への適用の点で好ましい。アルカリ土類系金属化合物のうち、カルシウム化合物としては、副生消石灰（湿式副生消石灰、乾式副生消石灰）、消石灰、水硬性石灰、コンクリート廃材中の水酸化カルシウムやカルシウムシリケート水和物などが挙げられ、マグネシウム化合物としては、鉄鋼スラグやコンクリート廃材中のカルシウムマグネシウムシリケート等が挙げられる。
アルカリ土類系金属化合物として具体的には、ＣＯ２との反応性に優れる湿式副生消石灰、乾式副生消石灰、消石灰等が好ましい。
なお、副生消石灰は、カーバイドが水和した際に生じるカーバイド滓で、セメント材料に適用した際に、極初期の流動性低下や長期強度発現性を担保するものとして有効な材料である。
アルカリ土類系金属化合物の平均粒径は１～１００μｍであることが好ましく、１～７０μｍであることがより好ましい。平均粒径が１～１００μｍであることで、粒子表面水へのアルカリ土類金属の溶出を促し、炭酸化反応を促進することができる。平均粒径はレーザー回折／散乱式粒度分布測定装置により測定して求めることができる。
アルカリ土類系金属化合物のブレーン比表面積は１，０００ｃｍ２／ｇ～１０，０００ｃｍ２／ｇであることが好ましく、２，５００～１０，０００ｃｍ２／ｇであることがより好ましい。比表面積が１，０００ｃｍ２／ｇ～１０，０００ｃｍ２／ｇであることで、粒子と粒子表面水の接触面積が増加し、アルカリ土類金属の溶出を促すことで、炭酸化反応を促進することができる。比表面積はＪＩＳ Ｒ ５２０１「セメントの物理試験方法」に記載されるブレーン空気透過装置により測定して求めることができる。
トレハロースは、アルカリ土類金属とキレートを形成し、粒子表面水へのアルカリ土類金属の溶出を促進するため、アルカリ土類系金属化合物を炭酸化する際にその促進化を図ることができると推測される。
なお、「炭酸化」とは、アルカリ土類系金属化合物と二酸化炭素とが反応して炭酸化物が生成する反応をいい、当該反応の際に水等が存在していてもよい。そして、炭酸化を「促進する」とはアルカリ土類系金属化合物の炭酸化の際に、トレハロースを添加しない場合に比べて添加した場合の方がアルカリ土類系金属化合物の炭酸化率（例えば、炭酸化１日目）が５％以上大きくなることをいい、具体的には次に記載の方法で評価することができる。
なお、「炭酸化」とは、アルカリ土類系金属化合物と二酸化炭素とが反応して炭酸化物が生成する反応をいい、当該反応の際に水等が存在していてもよい。そして、炭酸化を「促進する」とはアルカリ土類系金属化合物の炭酸化の際に、トレハロースを添加しない場合に比べて添加した場合の方がアルカリ土類系金属化合物の炭酸化率（例えば、炭酸化１日目）が５％以上大きくなることをいい、具体的には次に記載の方法で評価することができる。
ここで、炭酸化率は下記のようにして求めることができる。
上記式中、炭酸化による増加質量とは、炭酸化後のサンプル質量から炭酸化前のサンプル質量を引いた質量をいう。
上記式中、炭酸化による増加質量とは、炭酸化後のサンプル質量から炭酸化前のサンプル質量を引いた質量をいう。
炭酸化促進剤中のトレハロースの含有量は、９０質量％以上であることが好ましく、９５質量％以上であることがより好ましく、１００質量％であることがさらに好ましい。９０質量％以上であることで、アルカリ土類系金属化合物の炭酸化促進効果をより良好に発揮させることができる。
炭酸化促進剤中のトレハロースの含有量が１００質量％でない場合、例えば、グルコースが含有されていてもよい。なかでも、アルカリ土類系金属化合物の炭酸化促進効果をより良好に発揮させるために、（不純物である）グルコースの含有量が１０質量％以下であることが好ましく、５質量％以下であることがより好ましい。グルコースの含有量は、ＨＰＬＣ分析により測定して求めることができる。（不純物である）グルコースの含有量を１０質量％以下とするには、例えば、イオン交換カラムクロマトグラフィーなどによりグルコースを除去すればよい。
炭酸化促進剤の粒度として、平均粒径は１０～５００μｍであることが好ましく、１０～４００μｍであることがより好ましい。平均粒径が１０～５００μｍであることで粒子表面の水への溶解を促進することができる。平均粒径はレーザー回折／散乱式粒度分布測定装置により測定して求めることができる。
炭酸化促進剤のＢＥＴ比表面積は０．１～３０ｍ２／ｇであることが好ましく、０．２～３０ｍ２／ｇであることがより好ましい。ＢＥＴ比表面積が０．１～３０ｍ２／ｇであることで粒子表面の水への溶解を促進することができる。ＢＥＴ比表面積はＢＥＴ比表面積測定装置により測定して求めることができる。
炭酸化促進剤によるアルカリ土類系金属化合物の炭酸化の方法は、特に限定されるものではないが、例えば、二酸化炭素含有ガス雰囲気中で０～７５℃で、加熱や加湿等する方法が挙げられる。
上記二酸化炭素含有ガスとしては、セメント工場及び石炭火力発電所から発生する排ガス、塗装工場における排気処理で発生する排ガス等を用いることができ、その場合は加熱や加湿等は不要となる。二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素の割合は、５体積％以上であることが好ましく、１０～１００体積％であることが好ましく、１５～１００体積％であることがさらに好ましい。
二酸化炭素含有ガス中には水分（水蒸気）が含まれていてもよい。例えば、２０℃における相対湿度が８０％ＲＨ以上であることが好ましく、９０ＲＨ％以上であることがより好ましい。
上記二酸化炭素含有ガスとしては、セメント工場及び石炭火力発電所から発生する排ガス、塗装工場における排気処理で発生する排ガス等を用いることができ、その場合は加熱や加湿等は不要となる。二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素の割合は、５体積％以上であることが好ましく、１０～１００体積％であることが好ましく、１５～１００体積％であることがさらに好ましい。
二酸化炭素含有ガス中には水分（水蒸気）が含まれていてもよい。例えば、２０℃における相対湿度が８０％ＲＨ以上であることが好ましく、９０ＲＨ％以上であることがより好ましい。
炭酸化反応促進の観点から、上記炭酸化おける炭酸化進剤は、アルカリ土類系金属化合物１００質量部に対して０．５～１０質量部とすることが好ましく０．５～７質量部とすることがより好ましい。
以上のようにして炭酸化されたアルカリ土類系金属化合物の炭酸化物は、例えば、コンクリート材料として用いることが可能である。すなわち、大気中の二酸化炭素を効果的にアルカリ土類系金属化合物に炭酸化するだけでなく、コンクリート材料としてさらに有効利用することができる。
［実験例１］
（使用材料）
・副生消石灰：カーバイド滓（ブレーン比表面積３，３８０ｃｍ２／ｇ、平均粒径６８μｍ、含水率：７．７質量％）
・トレハロース（２水和物）：特級、二糖、グルコース×グルコース、平均粒径３７０μｍ、グルコース含有率１質量％、還元性なし
・マルトース（１水和物）：特級、二糖、グルコース×グルコース、還元性あり
・ショ糖（スクロース）：１級、二糖、グルコース×フルクトース、還元性なし
・デキストリン：化学用、多糖
（使用材料）
・副生消石灰：カーバイド滓（ブレーン比表面積３，３８０ｃｍ２／ｇ、平均粒径６８μｍ、含水率：７．７質量％）
・トレハロース（２水和物）：特級、二糖、グルコース×グルコース、平均粒径３７０μｍ、グルコース含有率１質量％、還元性なし
・マルトース（１水和物）：特級、二糖、グルコース×グルコース、還元性あり
・ショ糖（スクロース）：１級、二糖、グルコース×フルクトース、還元性なし
・デキストリン：化学用、多糖
ポリカップに副生消石灰２５ｇと、副生消石灰１００質量部に対して表１に示す所定の割合となるように各種の助剤を添加して混合し、恒温恒湿室内で２０℃８０％ＲＨ、二酸化炭素濃度２０体積％の条件で炭酸化を行った。
表１に示す所定期間で炭酸化させた後、１０５℃で乾燥させた試料の質量を測定し、炭酸化前後の質量変化（炭酸化による増加質量）から下記式により炭酸化率を算出した。結果を表１に示す。
表１に示す所定期間で炭酸化させた後、１０５℃で乾燥させた試料の質量を測定し、炭酸化前後の質量変化（炭酸化による増加質量）から下記式により炭酸化率を算出した。結果を表１に示す。
表１より、特にトレハロースを添加した場合に炭酸化の効果が大きく、５質量部添加した条件では３日間の炭酸化で炭酸化率は７３．６％となった。
［実験例２］
実験例１の実験Ｎｏ．１－３で使用した炭酸化促進剤（平均粒子径；３７０μｍ）を用い、篩目を通過させて表２に示す粉末度（平均粒子径）の炭酸化促進剤を用いたこと以外は、実験例１と同様に試験を行った。結果を表２に示す。
実験例１の実験Ｎｏ．１－３で使用した炭酸化促進剤（平均粒子径；３７０μｍ）を用い、篩目を通過させて表２に示す粉末度（平均粒子径）の炭酸化促進剤を用いたこと以外は、実験例１と同様に試験を行った。結果を表２に示す。
［実験例３］
実験例１の実験Ｎｏ．１－３で使用した炭酸化促進剤（グルコース含有率：１％）を用い、グルコースの試薬を混合させて表３に示すグルコース含有率の炭酸化促進剤を使用したこと以外は、実験例１と同様に試験を行った。結果を表３に示す。
実験例１の実験Ｎｏ．１－３で使用した炭酸化促進剤（グルコース含有率：１％）を用い、グルコースの試薬を混合させて表３に示すグルコース含有率の炭酸化促進剤を使用したこと以外は、実験例１と同様に試験を行った。結果を表３に示す。
本発明は土木・建築分野等で、例えば種々のアルカリ土類系金属化合物を炭酸化して、その炭酸化物を幅広く有効に使用することができる。
Claims (2)
- トレハロースを含み、アルカリ土類系金属化合物の炭酸化を促進する炭酸化促進剤であって、前記トレハロースの含有量が８５質量％以上である炭酸化促進剤。
- 平均粒子径が１０～５００μｍである請求項１に記載の炭酸化促進剤。
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