專利名稱：碳足跡減少的混凝土組合物的制作方法
碳足跡減少的混凝土組合物交叉引用本申請(qǐng)為2009 年 9 月 30 日提交的名為"CO2-Sequestering FormedBuilding Materials”的美國(guó)專利申請(qǐng)12/571，398的部分繼續(xù)申請(qǐng)，其要求保護(hù)2008年9月30日提 交的名為“C02 Sequestration”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/101，631、2008年10月31日提交的 名為"CO2-SequestrationFormed Building Materials，，的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng) 61/110，489、 2009 年2 月 3 日提交的名為"CO2-Sequestration Formed Building Materials” 的 美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/149，610及2009年9月25日提交的名為"CO2-Sequestration Formed Building Materials”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/246，042的權(quán)益，其各通過引用 結(jié)合到本文中并對(duì)其各自要求享有優(yōu)先權(quán)。本申請(qǐng)還要求2008年10月22日提交的名 為 “Low-CarbonFootprint Carbon Compositions” 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng) 61/107，645、 2008 年 11 月 19 日提交的名為“Low-Carbon Footprint Carbon Compositions” 的美 國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/116，141、2008年11月24日提交的名為“Low-Carbon Footprint Carbon Compositions”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/117，542、2009年1月29日提交的名為 "Low-Carbon Footprint CarbonCompositions” 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng) 61/148，353,2009 年 2月3日提交的名為“Low-Carbon Footprint Carbon Compositions”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng) 61/149，640、2009 年 7 月 15 日提交的名為“Low-Carbon FootprintCarbon Compositions，， 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/225，880、2009年8月14日提交的名為“Methods and Systems for Treating Industrial Waste”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/234，251的權(quán)益，其各通過引用結(jié)合 到本文中并對(duì)其各自要求享有優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
混凝土是世界上使用最廣泛的工程材料。據(jù)估計(jì)，目前全世界的混凝土消耗 量為每年 110 億公噸(Concrete, Microstructure, Propertiesand Materials (2006, McGraw-Hill))。混凝土這一術(shù)語(yǔ)是指膠結(jié)介質(zhì)(binding medium)和埋在其中的骨料顆粒 或碎片的復(fù)合材料。在目前采用的大多數(shù)結(jié)構(gòu)混凝土中，膠結(jié)介質(zhì)由水硬水泥和水的混合 物形成。如今采用的大多數(shù)水硬水泥基于的是波特蘭水泥。波特蘭水泥主要由石灰石、某 些粘土礦物和石膏在驅(qū)除二氧化碳并使主要成分以化學(xué)方式結(jié)合成新化合物的高溫過程 中制成。燒制所述混合物所需的能量為每產(chǎn)生1噸水泥消耗約4GJ。由于水泥制造過程自身及產(chǎn)生動(dòng)力以運(yùn)行所述制造過程的能源廠均生成二氧化 碳，故水泥制造目前是當(dāng)前二氧化碳大氣排放最主要來(lái)源。據(jù)估計(jì)，水泥廠排放的二氧化碳 占到二氧化碳全球排放量的5%。隨著全球變暖和海洋酸化問題的日益突出及減少二氧化 碳?xì)怏w排放(全球變暖的主要原因)的愿望繼續(xù)存在，水泥制造工業(yè)將受到越來(lái)越嚴(yán)格的 審查。水泥廠中采用的化石燃料包括煤、天然氣、石油、舊輪胎、城市廢物、石油焦和生物 燃料。燃料還來(lái)源于浙青砂、油頁(yè)巖、煤液和煤氣化及通過合成氣制得的生物燃料。水泥廠 是CO2排放的一個(gè)主要來(lái)源，其中排放來(lái)自化石燃料的燃燒和使石灰石、頁(yè)巖及其他成分變?yōu)椴ㄌ靥m水泥的煅燒所釋放的C02。水泥廠還產(chǎn)生廢熱。此外水泥廠還產(chǎn)生其他污染物如 NOx, S0X、VOCs、顆粒物和汞。水泥廠還產(chǎn)生水泥窯灰(CKD)，CKD有時(shí)必須填埋，常填埋在有 害物質(zhì)填埋場(chǎng)中。二氧化碳(CO2)排放已被確認(rèn)為是全球變暖和海洋酸化現(xiàn)象的主要元兇。CO2是 燃燒的副產(chǎn)物，帶來(lái)操作、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問題。預(yù)計(jì)CO2和其他溫室氣體的大氣濃度的升高將 促成更大量的熱貯存在大氣內(nèi)，從而導(dǎo)致地表溫度的升高和快速的氣候變化。CO2還一直與 海洋相互作用，使海洋PH降向8. 0。CO2監(jiān)控表明，大氣CO2已從20世紀(jì)50年代的約百萬(wàn) 分之280 (280ppm)升至今天的約380ppm，且預(yù)計(jì)在下個(gè)十年中將超過400ppm。氣候變化的 影響很可能是經(jīng)濟(jì)上昂貴且環(huán)境上有害的。降低氣候變化的潛在風(fēng)險(xiǎn)需要截存C02。發(fā)明概述在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種方法，所述方法包括a)自含二價(jià)陽(yáng)離子 的溶液和包含CO2的工業(yè)廢氣產(chǎn)生合成的碳酸鹽組分和b)向碳足跡減少的混凝土組合 物(reduced-carbon footprint concretecomposition)中弓I 入所述合成的碳酸鹽組 分，其中所述碳足跡減少的混凝土組合物相對(duì)于普通混凝土組合物具有減少的碳足跡 (reduced-carbon footprint)。在一些實(shí)施方案中，所述碳足跡減少的混凝土組合物比普 通混凝土組合物的碳足跡少。在一些實(shí)施方案中，所述碳足跡減少的混凝土組合物具有的 碳足跡低于普通混凝土組合物的75%。在一些實(shí)施方案中，所述碳足跡減少的混凝土組合 物的碳足跡低于普通混凝土組合物的50%。在一些實(shí)施方案中，所述碳足跡減少的混凝土 組合物的碳足跡低于普通混凝土組合物的25%。在一些實(shí)施方案中，所述碳足跡減少的混 凝土組合物具有中性碳足跡(neutralcarbon footprint) 0在一些實(shí)施方案中，所述碳足 跡減少的混凝土組合物具有負(fù)碳足跡(negative carbon footprint) 0在一些實(shí)施方案 中，所述碳足跡減少的混凝土組合物的碳足跡的減少是二氧化碳被截存和二氧化碳被避免 的結(jié)果。在一些實(shí)施方案中，所述負(fù)碳足跡低于0磅C02/yd3碳足跡減少的混凝土組合物。 在一些實(shí)施方案中，所述負(fù)碳足跡低于250磅C02/yd3碳足跡減少的混凝土組合物。在一些 實(shí)施方案中，所述負(fù)碳足跡低于500磅C02/yd3碳足跡減少的混凝土組合物。在一些實(shí)施 方案中，所述負(fù)碳足跡低于1000磅C02/yd3碳足跡減少的混凝土組合物。在一些實(shí)施方案 中，所述合成的碳酸鹽組分為輔助膠凝材料、細(xì)骨料、粗骨料或活性火山灰質(zhì)材料。在一些 實(shí)施方案中，所述合成的碳酸鹽組分為霰石、水碳鎂石、水菱鎂礦、單水方解石或其組合。在 一些實(shí)施方案中，所述合成的碳酸鹽組分為霰石和水菱鎂礦的組合。在一些實(shí)施方案中，所 述合成的碳酸鹽組分為霰石和水碳鎂石的組合。在一些實(shí)施方案中，所述合成的碳酸鹽組 分為水碳鎂石和單水方解石的組合。在一些實(shí)施方案中，所述合成的碳酸鹽組分的S 13C低 于-10%。。在一些實(shí)施方案中，所述合成的碳酸鹽組分的δ 13C低于-20%。。在一些實(shí)施方 案中，所述合成的碳酸鹽組分的δ 13C低于-30%。。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種通過包括以下步驟的方法產(chǎn)生的碳足跡減 少的組合物a)自含二價(jià)陽(yáng)離子的溶液和包含CO2的工業(yè)廢氣產(chǎn)生合成的碳酸鹽組分和b) 向碳足跡減少的混凝土組合物中引入所述合成的碳酸鹽組分，其中所述碳足跡減少的混凝 土組合物相對(duì)于普通混凝土組合物具有減少的碳足跡。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種組合物，所述組合物包含2. 5% -50%的 鈣、2. 5% -50%的鎂和至少25%的碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物。在一些實(shí)施方案中，所述組合物包含2. 5% -25%的鈣。在一些實(shí)施方案中，所述組合物包含5% -10%的鈣。在 一些實(shí)施方案中，所述組合物包含5% -30%的鎂。在一些實(shí)施方案中，所述組合物包含 10%-30%的鎂。在一些實(shí)施方案中，所述組合物包含至少50%的碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混 合物。在一些實(shí)施方案中，所述組合物包含至少75%的碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物。在一 些實(shí)施方案中，所述組合物包含霰石、水碳鎂石、水菱鎂礦、單水方解石或其組合。在一些實(shí) 施方案中，所述組合物包含霰石和水菱鎂礦的組合。在一些實(shí)施方案中，所述組合物包含霰 石和水碳鎂石的組合。在一些實(shí)施方案中，所述組合物包含水碳鎂石和單水方解石的組合。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種包含CO2截存組分的碳足跡減少的混凝土 組合物。所述CO2截存組分可為輔助膠凝材料或骨料如粗骨料或細(xì)骨料。在一些實(shí)施方案 中，所述碳足跡減少的混凝土組合物包含CO2截存輔助膠凝材料和CO2截存骨料。在一些實(shí) 施方案中，所述碳足跡減少的混凝土組合物包含波特蘭水泥熟料。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種可凝固組合物，所述可凝固組合物包含水 和碳足跡減少的混凝土組合物，所述碳足跡減少的混凝土組合物包含CO2截存組分。所述 CO2截存組分可為輔助膠凝材料或骨料如粗骨料或細(xì)骨料。在一些實(shí)施方案中，所述碳足跡 減少的混凝土組合物包含CO2截存輔助膠凝材料和CO2截存骨料。在一些實(shí)施方案中，所述 碳足跡減少的混凝土組合物包含波特蘭水泥熟料。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種制備混凝土的方法，所述方法包括合并水 硬水泥與CO2截存組分。所述CO2截存組分可為輔助膠凝材料或骨料如粗骨料或細(xì)骨料。 在一些實(shí)施方案中，所述碳足跡減少的混凝土組合物包含CO2截存輔助膠凝材料和CO2截存 骨料。在一些實(shí)施方案中，所述碳足跡減少的混凝土組合物包含波特蘭水泥熟料。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種合并水和包含CO2截存組分的碳足跡減少 的混凝土組合物以產(chǎn)生水化混凝土組合物并使所述水化混凝土組合物凝固成固體制品的 方法。所述CO2截存組分可為輔助膠凝材料或骨料如粗骨料或細(xì)骨料。在一些實(shí)施方案中， 所述碳足跡減少的混凝土組合物包含CO2截存輔助膠凝材料和CO2截存骨料。在一些實(shí)施 方案中，所述碳足跡減少的混凝土組合物包含波特蘭水泥熟料。在一些實(shí)施方案中，所述固 體制品為結(jié)構(gòu)制品。附圖簡(jiǎn)述本發(fā)明的新特征在附隨的權(quán)利要求書中詳細(xì)給出。結(jié)合下面給出其中使用了本 發(fā)明的原理的示例性實(shí)施方案的詳細(xì)描述及其附圖，本發(fā)明的特征和優(yōu)勢(shì)將得到更好的理 解，在附圖中

圖1給出了本發(fā)明的產(chǎn)生沉淀物質(zhì)的方法。圖2示出了本發(fā)明的產(chǎn)生沉淀物質(zhì)的系統(tǒng)。 圖3給出了本發(fā)明的一個(gè)組合物的強(qiáng)度_天數(shù)曲線圖。圖4示出了本發(fā)明的沉淀物質(zhì)和/或水泥的制備。圖5給出了本發(fā)明的產(chǎn)生沉淀物質(zhì)和/或水泥的系統(tǒng)。圖6示出了本發(fā)明的沉淀物質(zhì)、水泥和/或混凝土自包含C02的發(fā)電廠煙道氣的 制備。圖7給出了普通波特蘭水泥(OPC)、未水化輔助膠凝外加劑(SCMA)及包含20%的 SCMA和80%的OPC的水化拌合物在7天時(shí)的傅里葉變換紅外(FT-IR)光譜圖。
圖8給出了 OPC及包含20%的SCMA和80%的OPC的水化拌合物在7天時(shí)的X-射 線衍射圖(XRD)。圖9給出了水化OPC、未水化OPC、未水化SCMA及包含20%的SCMA和80%的OPC 的水化拌合物的X-射線衍射圖(XRD)。圖10給出了水化OPC及包含20%的SCMA和80%的OPC的水化拌合物的掃描電 子顯微鏡(SEM)圖像。圖11表明本發(fā)明的SCMA是活性的。圖12給出了本發(fā)明的輔助膠凝材料的不同形態(tài)。發(fā)明詳述在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了碳足跡減少的混凝土組合物。本發(fā)明的碳足跡 減少的混凝土具有包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其組合的組分(如0)2截存組分)。本發(fā)明的其 他方面包括制備和使用所述碳足跡減少的混凝土的方法。在更詳細(xì)地描述本發(fā)明之前，應(yīng)理解本發(fā)明不限于本文中所述的特定實(shí)施方案， 因?yàn)檫@樣的實(shí)施方案是可變的。還應(yīng)理解，本文中用到的術(shù)語(yǔ)僅出于描述特定實(shí)施方案的 目的而非意在限制。本發(fā)明的范圍僅由附隨的權(quán)利要求書限定。本文中用到的所有技術(shù)和 科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有如本發(fā)明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員通常所理解的相同的含義，另有指出除外。在給出了值的范圍的情況下，應(yīng)理解，介于該范圍的上下限之間的各個(gè)插入值 (除非另有明確指出，否則到所述下限單元的十分之一)及該指定范圍中的任何其他指定 或插入值均涵蓋在本發(fā)明內(nèi)。這些較小范圍的上下限可獨(dú)立地包括在所述較小范圍內(nèi)并也 涵蓋在本發(fā)明內(nèi)，指定的范圍中任何明確排除的極限除外。當(dāng)指定的范圍包括兩個(gè)極限中 的一個(gè)或兩個(gè)時(shí)，排除那些所包括的極限中的任一或二者的范圍也包括在本發(fā)明中。本文中給出的某些范圍在數(shù)值前冠有術(shù)語(yǔ)“約”。術(shù)語(yǔ)“約”在本文中用來(lái)為其后 的確切數(shù)以及與該術(shù)語(yǔ)后的數(shù)接近或近似的數(shù)提供文字支持。在確定一個(gè)數(shù)是否接近或近 似于某個(gè)明確記載的數(shù)時(shí)，未記載的接近或近似數(shù)可為在其出現(xiàn)的上下文中提供與所述明 確記載數(shù)的實(shí)質(zhì)上等同的數(shù)。本說(shuō)明書中引用的所有公開案、專利和專利申請(qǐng)案以如同將每份單獨(dú)的公開案、 專利或?qū)＠暾?qǐng)案具體且個(gè)別地指出通過引用并入的程度通過引用結(jié)合到本文中。此外， 所引用的每一份公開案、專利或?qū)＠暾?qǐng)案通過引用結(jié)合到本文中以公開和描述與所引用 的公開案有關(guān)的主題。任何公開案的引用針對(duì)的是本發(fā)明提交日前的公開但不應(yīng)理解為承 認(rèn)本發(fā)明無(wú)權(quán)依據(jù)在先發(fā)明先于這類公開案。此外，所給出的
公開日期可能與實(shí)際
公開日
期不同，實(shí)際
公開日期可能需要獨(dú)立確認(rèn)。應(yīng)指出，本文中及附隨的權(quán)利要求書中用到的單數(shù)形式“一個(gè)”、“一種”和“該”包 括復(fù)數(shù)指代，上下文中另有明確指出除外。還應(yīng)指出，權(quán)利要求書可起草為排除任何任選要 素。因此，該陳述意在用作敘述權(quán)利要求要素時(shí)使用排他性術(shù)語(yǔ)如“單單”、“僅”等或使用 “否定的”限制條件的前置基礎(chǔ)。閱讀本公開后對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見的是，本文中所述和所示的每一個(gè) 別實(shí)施方案具有分立的組成部分和特征，所述特征可易于與任何其他若干實(shí)施方案的特征 分開或組合而不偏離本發(fā)明的范圍或精神。任何所記載的方法均可按所記載的事件順序或 按邏輯上可能的任何其他順序進(jìn)行。下面將對(duì)代表性的示例性方法和材料予以描述，但本發(fā)明的實(shí)施或試驗(yàn)中也可使用與本文中所述的那些相似或等價(jià)的任何方法和材料。在進(jìn)一步描述本發(fā)明時(shí)，將首先更詳細(xì)地描述碳足跡減少的混凝土組合物及其制 備方法和系統(tǒng)。接著將對(duì)使用所述碳足跡減少的混凝土組合物的方法給予進(jìn)一步的綜述。 碳足跡減少的混凝土組合物在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了碳足跡減少的混凝土組合物。碳足跡減少的混 凝土組合物為可含例如普通波特蘭水泥(OPC)組分但與僅含例如OPC作為水泥組分的混凝 土相比具有減少的碳足跡的混凝土組合物。在一些實(shí)施方案中，所述碳足跡減少的混凝土 組合物包含源自人類使用的燃料(如化石燃料)的碳。例如，根據(jù)本發(fā)明的方面的碳足跡 減少的混凝土組合物包含自化石燃料的燃燒而以CO2形式釋放的碳。在某些實(shí)施方案中， 本發(fā)明的組合物(如碳足跡減少的混凝土組合物)中截存的碳包括碳酸鹽、碳酸氫鹽或其 混合物。因此，在某些實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明的方面的碳足跡減少的混凝土組合物含碳酸 鹽，其中所述碳酸鹽中的至少部分碳可源自人類使用的燃料(如化石燃料)。因此，本發(fā)明 的碳足跡減少的混凝土組合物的制備將使CO2置于可用作例如建筑環(huán)境的組成部分的貯存 穩(wěn)定的形式中，所述環(huán)境包括人造結(jié)構(gòu)如建筑物、墻壁、道路等。因此，本發(fā)明的碳足跡減少 的混凝土組合物的制備將防止CO2氣體進(jìn)入大氣。關(guān)于碳足跡的計(jì)算，混凝土的碳足跡可通過用各組元的每立方碼磅數(shù)乘其每磅碳 足跡數(shù)、對(duì)這些值求和再加10. 560kg/yd3(l碼混凝土運(yùn)輸20英里的平均碳足跡)算出。關(guān) 于OPC組分，假定來(lái)自波特蘭水泥生產(chǎn)的平均CO2釋放量為0. 86公噸CO2/公噸水泥(據(jù) 加利福尼亞Cement Climate Action Team的報(bào)道)，則每磅波特蘭水泥的生產(chǎn)的碳足跡 為0.86磅。假定平均運(yùn)輸距離為100英里，每磅波特蘭水泥的運(yùn)輸足跡為0.016磅，故每 磅OPC的總碳足跡為0. 876磅C02。就碳足跡計(jì)算的目的而論，常規(guī)骨料的碳足跡可假定 為0. 043磅CO2/磅骨料，而常規(guī)輔助膠凝材料(SCMs)如粉煤灰、爐渣等的碳足跡可假定為 0. 045磅CO2/磅常規(guī)SCM。與包含常規(guī)骨料(如砂和/或巖石)和OPC作為唯一水泥組分 的基準(zhǔn)混凝土相比，本發(fā)明的碳足跡減少的混凝土組合物的碳足跡減少幅度可等于或高于 25 磅 C02/yd3 混凝土、50 磅 C02/yd3 混凝土、100 磅 C02/yd3 混凝土、高于 200 磅 C02/yd3 混凝 土、高于300磅C02/yd3混凝土、高于400磅C02/yd3混凝土、或高于500磅C02/yd3混凝土。 例如，包含0PC、20%的CO2截存SCM(例如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其組合的SCM)和20% 的粉煤灰的碳足跡減少的混凝土組合物的碳足跡減少量可為約250磅C02/yd3混凝土，例如 減少量為244磅C02/yd3混凝土。這樣的碳足跡減少的混凝土組合物的碳足跡幾乎為常規(guī) 混凝土組合物的炭足跡的一半。碳足跡的這些減少可用混凝土混合料獲得，所述混合料含低于50%重量的常規(guī) SCMs，例如低于40 %重量的常規(guī)SCMs，包括低于30 %重量的常規(guī)SCMs，例如低于20 %的 SCMs0術(shù)語(yǔ)“水硬水泥”以其常規(guī)意義使用，指在與水或其中溶劑為水的溶液(如外加劑溶 液)合并后凝固和硬化的組合物。合并本發(fā)明的水泥與含水液體所產(chǎn)生的產(chǎn)物的凝固和硬 化是產(chǎn)生水化物的結(jié)果，所述水化物由水泥與水反應(yīng)時(shí)形成，其中所述水化物基本不溶于 水。在某些實(shí)施方案中，本發(fā)明的碳足跡減少的混凝土組合物是碳中性(carbon neutral)的，因?yàn)橛美缟厦娼o出的計(jì)算準(zhǔn)則算出其基本沒有(如果有的話)碳足跡。本 發(fā)明的碳中性混凝土組合物包括碳足跡低于50磅C02/yd3混凝土、例如低于25磅C02/yd3混凝土、包括低于10磅C02/yd3混凝土、例如低于5磅C02/yd3混凝土的那些組合物。在一 些實(shí)施方案中，碳中性混凝土組合物具有的碳足跡為0磅C02/yd3混凝土或更低，例如具有 低于(即更負(fù)于)"I磅C02/yd3混凝土、低于-2磅C02/yd3混凝土、低于_3磅C02/yd3混凝 土、低于_4磅C02/yd3混凝土或低于-5磅C02/yd3混凝土的負(fù)碳足跡。例如，包含OPC和 主要是合成細(xì)骨料(即CO2截存骨料，其包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物)的混凝土組合 物的碳足跡減少量可高于500磅C02/yd3混凝土(例如537磅C02/yd3混凝土)以致所述 混凝土組合物可被視為碳中性的?？赏ㄟ^取代(也稱“避免”)例如部分OPC而使這樣的 碳中性混凝土組合物具有更負(fù)的碳足跡。例如，包含60%的0PC、20%的粉煤灰、20%的CO2 截存SCM(例如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物的SCM)且部分細(xì)骨料被合成細(xì)骨料(即 CO2截存骨料，其包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物)所替代的混凝土組合物可具有碳中性 足跡或相當(dāng)負(fù)的碳足跡。在一些實(shí)施方案中，如上所述，低碳足跡混凝土具有相當(dāng)負(fù)的碳足跡。在這樣的 實(shí)施方案中，組合物的負(fù)碳足跡可低于(即更負(fù)于)-10、-25、-50、-100、-250、-500、-750 或-1000磅C02/yd3混凝土。例如，包含0PC、20%的CO2截存SCM(例如包含碳酸鹽、碳酸氫 鹽或其混合物的SCM)、100%的合成細(xì)骨料(即唯一的合成細(xì)骨料為CO2截存細(xì)骨料，其包 含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物)、100%的合成粗骨料(即唯一的合成粗骨料為CO2截存粗 骨料，其包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物)的混凝土組合物可具有低于-1000磅C02/yd3 混凝土、例如1146磅C02/yd3混凝土的相當(dāng)負(fù)的碳足跡。這樣的混凝土組合物由于取代并 從而避免了 CO2產(chǎn)生組分(如0PC)而可具有甚至更高的碳足跡減少量(即甚至更負(fù)的碳足 跡)。因此，包含CO2截存組分(如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物的組分)代替CO2產(chǎn) 生組分的混凝土組合物可具有反映CO2的凈避免的相當(dāng)負(fù)的碳足跡，其中所述混凝土組合 物的碳足跡可低于(即更負(fù)于)-1000磅C02/yd3混凝土，例如-1250磅C02/yd3混凝土，包 括-1500磅C02/yd3混凝土，例如-1750磅C02/yd3混凝土或更低。例如，包含0PC,20% ^ CO2截存SCM(如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物的SCM)、100%的CO2截存細(xì)骨料(即唯 一的細(xì)骨料為CO2截存細(xì)骨料，其包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物)、100%的CO2截存粗 骨料(即唯一的粗骨料為CO2截存粗骨料，其包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物)的混凝土 組合物因凈避免了 CO2而可具有相當(dāng)負(fù)的碳足跡，其中所述負(fù)碳足跡可為例如1683磅CO2/ yd3混凝土。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的碳足跡減少的混凝土組合物的特征可在于包含水泥 組分和骨料組分。水泥組分含一定份額的常規(guī)水硬水泥如0PC，并可或可不合一種或多種常 規(guī)SCMs如粉煤灰、爐渣等。骨料組分含細(xì)和/或粗骨料。所述混凝土組合物的方面包括存 在CO2截存組分(如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物的組分)，例如CO2截存SCM和/或 細(xì)或粗的CO2截存骨料。下面對(duì)各個(gè)這些組分分別加以更詳細(xì)的描述。使用本發(fā)明的碳足跡減少的混凝土組合物可帶來(lái)碳足跡大量減少的結(jié)果。例如， 聯(lián)合避免CO2的水泥(來(lái)抵消普通波特蘭水泥的使用)與來(lái)自化石點(diǎn)源的截存碳的量可帶 來(lái)大量減碳的結(jié)果。每噸本發(fā)明的包含碳酸鹽/碳酸氫鹽組分(如CO2截存組分)的材料 可使CO2減少高達(dá)1噸或更多，例如1.2噸或更多，包括1.6噸或更多，例如2噸或更多。 本發(fā)明的包含碳酸鹽/碳酸氫鹽(如CO2截存組分)的各種二元、三元、四元等拌合物可帶 來(lái)這樣的減少。所述碳酸鹽/碳酸氫鹽組分(如CO2截存組分)可例如作為輔助膠凝材料
9(SCM)與粉煤灰、爐渣和/或普通波特蘭水泥一起使用，以產(chǎn)生低、中性(即約為零)或負(fù)碳 足跡的混合水泥。這樣的混合水泥在28天或以下、例如14天或以下也可具有等于或高于 l，000psi、包括等于或高于2，OOOpsi、例如等于或高于2，500psi的抗壓強(qiáng)度。因此，本發(fā)明 的具有低、中性或負(fù)碳足跡的混合水泥可產(chǎn)生適于用在混凝土路面應(yīng)用中的優(yōu)質(zhì)混凝土。碳足跡減少的混凝土組合物包括低_、中性_或負(fù)_碳足跡的混凝土組合物。在一 些實(shí)施方案中，低-、中性-或負(fù)-碳足跡的混凝土組合物包含混合水泥(如CO2截存輔助膠 凝材料(SCM)連同粉煤灰、爐渣和/或波特蘭水泥)與CO2截存骨料(例如所述骨料為粗骨 料、細(xì)骨料如砂等)，所述骨料可自本發(fā)明的碳酸鹽/碳酸氫鹽組分(如CO2截存組分)按 2009年5月29日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)12/475，378制備，該專利申請(qǐng)通過引用結(jié)合到本文 中。這樣的組合物可例如含截存的CO2含量為約20%或更多、例如35%或更多、包括50% 或更多的細(xì)骨料(如砂)。在一些實(shí)施方案中，所述低_、中性-或負(fù)-碳足跡的混凝土組 合物在28天時(shí)的抗壓強(qiáng)度可為2，500psi或更高，例如3, OOOpsi或更高，包括4，OOOpsi0 一些實(shí)施方案提供了負(fù)碳足跡的混凝土組合物，其在28天時(shí)的抗壓強(qiáng)度為4，OOOpsi。均等 的早期強(qiáng)度(即在28天時(shí))使本發(fā)明的低_、中性-或負(fù)-碳足跡的混凝土組合物的使用 將不會(huì)負(fù)面影響施工進(jìn)度。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了低_、中性-或負(fù)-碳足跡的混凝土組合物，所述 混凝土組合物不僅滿足強(qiáng)度和早期強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，而且最終強(qiáng)度像普通混凝土組合物一樣。本 發(fā)明的混合水泥-混凝土組合物的行為方式與常規(guī)OPC-混凝土組合物相似，這使得本發(fā) 明可用在類似的地方和起到相似的功能。在一些實(shí)施方案中，混合水泥-混凝土組合物可 用于本發(fā)明中。在一些實(shí)施方案中可使用本發(fā)明的混合水泥-混凝土組合物。例如，混合 水泥-混凝土組合物可澆筑在停車區(qū)域中(例如5，000平方英尺的停車場(chǎng))。由于混合水 泥-混凝土組合物具有較高的反照率，故這類組合物將通過減少照明需求而減少碳排放。 這種碳減排可在混合水泥_混凝土組合物的使用期限內(nèi)存在。例如，包含低_、中性_或 負(fù)_碳足跡混凝土組合物的停車區(qū)域的反照率和亮度測(cè)定結(jié)果與鋪浙青的停車區(qū)域的對(duì) 比可用來(lái)確定所需光照的差異，從而確定因使用本發(fā)明的較高反照率的混凝土組合物而可 能的碳減排水平。這類組合物的反照率試驗(yàn)表明其降低城市熱島效應(yīng)的能力達(dá)例如2倍或 更多、5倍或更多、10倍或更多、20倍或更多。常規(guī)水硬水泥本發(fā)明的組合物的一種組分可以是常規(guī)水硬水泥。常規(guī)水硬水泥為非CO2截存水 泥(如包含合成的碳酸鹽、合成的碳酸氫鹽或其混合物的水泥)的任何水泥，這將在下面更 詳細(xì)地描述。在某些實(shí)施方案中所關(guān)心的常規(guī)水硬水泥為波特蘭水泥。所述波特蘭水泥組 分可為任何合宜的波特蘭水泥。如本領(lǐng)域中熟知的，波特蘭水泥為通過研磨波特蘭水泥熟 料(超過90% )、有限量的控制凝固時(shí)間的硫酸鈣和至多5%的次要組元(如各種標(biāo)準(zhǔn)許 可的)產(chǎn)生的粉末組合物。按歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN197. 1的定義，波特蘭水泥熟料為水硬材料，其應(yīng) 由至少三分之二質(zhì)量的硅酸鈣(3Ca0 · SiO2和2Ca0 · SiO2)組成，其余由含鋁和含鐵的熟 料相和其他化合物組成。CaO與SiO2之比應(yīng)不低于2. 0。鎂含量(MgO)應(yīng)不超過5. 0%質(zhì) 量。在某些實(shí)施方案中，本發(fā)明的波特蘭水泥組元可為任何滿足美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)的ASTM C150(I-VIII類)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范(ASTMC50-波特蘭水泥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范)的波特蘭水泥。ASTM C150 涵蓋八類波特蘭水泥，每類具有不同的性質(zhì)并根據(jù)其性質(zhì)具體使用。
在本發(fā)明的既定混凝土組合物中，波特蘭水泥組分的量可不同。在某些實(shí)施方案 中，拌合物中波特蘭水泥的量在10-90% (w/w)范圍內(nèi)，例如30-70% (w/w)，包括40-60% (w/w)，例如80%的OPC與20%的本發(fā)明的CO2截存SCM (如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混 合物的SCM)的拌合物。常規(guī)SCMs水泥可還含一種或多種輔助膠凝組合物如粉煤灰、爐渣等。在某些實(shí)施方案中，水 泥可為混合料，因?yàn)槠洳粌H含碳酸鹽化合物組合物組分而且含一種或多種可加入以改進(jìn)水 泥性質(zhì)的其他組分，以例如提供所需強(qiáng)度、提供所需凝固時(shí)間等。本發(fā)明的混合水泥中可存 在的所關(guān)心的組分包括但不限于高爐礦渣、粉煤灰、硅藻土、天然或人造火山灰、硅灰、石 灰石、石膏、熟石灰等。本發(fā)明的既定混凝土組合物中存在的這類組分(如果存在的話)的 量可不同，在某些實(shí)施方案中，這些組分的量在1-50 % w/w范圍內(nèi)，例如2-25 % w/w,包括 10-20% w/w。CO2截存組分本發(fā)明的CO2截存材料(也稱“碳截存材料”)包括含碳酸鹽和/或碳酸氫鹽的材 料，其可與二價(jià)陽(yáng)離子如鈣和/或鎂或與一價(jià)陽(yáng)離子如鈉組合。所述碳酸鹽和/或碳酸氫鹽 可在溶液中、呈固體形式、或?yàn)槿芤汉凸腆w形式的組合(如淤漿)。所述碳酸鹽和/或碳酸 氫鹽可含來(lái)自二氧化碳源的二氧化碳；在一些實(shí)施方案中，所述二氧化碳源自化石燃料的 燃燒，因此所述碳酸鹽和/或碳酸氫鹽中的一些(如至少10、50、60、70、80、90、95% )或基 本全部(如至少99、99· 5或99. 9% )碳是化石燃料源的(即植物源的)。正如我們所知， 植物源的碳和無(wú)機(jī)源的碳具有不同的穩(wěn)定同位素(13C和12C)比率，因此在一些實(shí)施方案中， 所述碳酸鹽和/或碳酸氫鹽中的碳的δ 13C值低于例如-10%。、或低于-15%。、或低于-20%。、 或低于-25%。、或低于-30%。、或低于_35%0。正如上面所概括的，CO2截存組分既包括輔助膠凝材料又包括細(xì)和粗的骨料，其中 CO2截存組分以碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物的形式穩(wěn)定地貯存大量co2。本發(fā)明的碳足跡 減少的混凝土組合物含碳酸鹽/碳酸氫鹽組分(如0)2截存組分)。這樣的組分將以貯存 穩(wěn)定的形式貯存大量CO2，致使CO2氣體不能輕易地從制品產(chǎn)生而釋放到大氣中。在某些實(shí) 施方案中，對(duì)于每1000噸本發(fā)明的碳足跡減少的混凝土組合物而言，所述碳酸鹽/碳酸氫 鹽組分(如CO2截存組分)可貯存50噸或更多CO2,例如100噸或更多CO2，包括250噸或更 多CO2，例如500噸或更多CO2，例如750噸或更多CO2，包括900噸或更多C02。在某些實(shí)施 方案中，所述碳足跡減少的混凝土組合物的碳酸鹽/碳酸氫鹽組分(如0)2截存組分)包含 約5%或更多CO2,例如約10%或更多CO2,包括約25%或更多CO2,例如約50%或更多CO2, 例如約75%或更多CO2,包括約90%或更多CO2 (例如以一種或多種碳酸鹽化合物存在)。本發(fā)明的碳酸鹽/碳酸氫鹽組分(如CO2截存組分)可含一種或多種碳酸鹽化合 物。通過例如庫(kù)侖分析法使用庫(kù)侖滴定中所述的方案測(cè)得，所述碳酸鹽/碳酸氫鹽組分(如 CO2截存組分)中碳酸鹽的量可為40%或更高，例如70%或更高，包括80%或更高。在一 些實(shí)施方案中，當(dāng)Mg源為鐵鎂礦物(2009年7月10日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)12/501,217和 2008年7月10日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/079，790中有述，其均通過引用結(jié)合到本文 中)或灰燼(2009年6月17日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)12/486，692和2008年6月17日提交 的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/073，319中有述，其均通過引用結(jié)合到本文中)時(shí)，所得產(chǎn)物可為含二氧化硅以及碳酸鹽的組合物。在這些實(shí)施方案中，產(chǎn)物的碳酸鹽含量可低至10%。在這些 實(shí)施方案中的一些中，產(chǎn)物的二氧化硅含量可作為水泥或輔助膠凝材料提供改進(jìn)的性能。本發(fā)明的碳足跡減少的混凝土組合物的CO2截存組分(如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽 或其混合物的沉淀物質(zhì))提供了以一定方式長(zhǎng)期貯存CO2，致使CO2被截存(即固定)在碳 足跡減少的混凝土組合物中，其中被截存的CO2不變?yōu)榇髿獾囊徊糠?。?dāng)碳足跡減少的混凝 土組合物保持在對(duì)于其預(yù)期用途而言常規(guī)的條件下時(shí)，碳足跡減少的混凝土組合物將使所 截存的CO2保持固定達(dá)較長(zhǎng)時(shí)間(例如1年或更久、5年或更久、10年或更久、25年或更久、 50年或更久、100年或更久、250年或更久、1000年或更久、10，000年或更久、1，000, 000年 或更久、或甚至100，000，000年或更久)，而無(wú)顯著量(如果有的話)的CO2從所述碳足跡 減少的混凝土組合物中釋放。關(guān)于所述碳足跡減少的混凝土組合物，當(dāng)用于其預(yù)期用途時(shí)， 在所述碳足跡減少的混凝土組合物的使用期限內(nèi)，如以CO2氣體釋放量測(cè)得，降解(如果有 的話)的量將不超過5%每年，在某些實(shí)施方案中將不超過每年。實(shí)際上，本發(fā)明提供的 碳足跡減少的混凝土組合物當(dāng)暴露于對(duì)于其預(yù)期用途而言正常的溫度和濕度的條件(包 括正常PH的降雨)下時(shí)，將在至少1年、2年、5年、10年、或20年、或超過20年、例如超過 100年的時(shí)間內(nèi)不釋放超過其總CO2的1%、5%或10%。在一些實(shí)施方案中，碳足跡減少的 混凝土組合物當(dāng)暴露于對(duì)于其預(yù)期用途而言正常的溫度和濕度條件(包括正常PH的降雨) 下時(shí)，在至少1年的時(shí)間內(nèi)不釋放超過其總CO2的1%。在一些實(shí)施方案中，碳足跡減少的 混凝土組合物當(dāng)暴露于對(duì)于其預(yù)期用途而言正常的溫度和濕度條件(包括正常PH的降雨) 下時(shí)，在至少1年的時(shí)間內(nèi)不釋放超過其總CO2的5%。在一些實(shí)施方案中，碳足跡減少的 混凝土組合物在當(dāng)暴露于對(duì)于其預(yù)期用途而言正常的溫度和濕度條件(包括正常PH的降 雨)下時(shí)，在至少1年的時(shí)間內(nèi)不釋放超過其總CO2的10%。在一些實(shí)施方案中，碳足跡減 少的混凝土組合物當(dāng)暴露于對(duì)于其預(yù)期用途而言正常的溫度和濕度條件(包括正常PH的 降雨)下時(shí)，在至少10年的時(shí)間內(nèi)不釋放超過其總CO2的1%。在一些實(shí)施方案中，碳足跡 減少的混凝土組合物當(dāng)暴露于對(duì)于其預(yù)期用途而言正常的溫度和濕度條件(包括正常PH 的降雨)下時(shí)，在至少100年的時(shí)間內(nèi)不釋放超過其總CO2的1%。在一些實(shí)施方案中，碳 足跡減少的混凝土組合物當(dāng)暴露于對(duì)于其預(yù)期用途而言正常的溫度和濕度條件(包括正 常PH的降雨)下時(shí)，在至少1000年的時(shí)間內(nèi)不釋放超過其總CO2的1%?？墒褂媚芎侠眍A(yù)測(cè)這類穩(wěn)定性的任何適宜的替代標(biāo)志物或試驗(yàn)。例如，涉及高溫 條件和/或中等到更極端的PH條件的加速試驗(yàn)?zāi)芎侠淼刂甘鹃L(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性。例如， 根據(jù)碳足跡減少的混凝土組合物的環(huán)境和預(yù)期用途，可將組合物的樣品暴露于50、75、90、 100、120或150°C的溫度和10%到50%的相對(duì)濕度下達(dá)1、2、5、25、50、100、200或500天， 其碳損失低于1%、2%、3%、4%、5%、10%、20%、30%或50%可認(rèn)為是本發(fā)明的碳足跡減 少的混凝土組合物在既定時(shí)間(如1、10、100、1000或超過1000年)內(nèi)穩(wěn)定的充分證據(jù)。碳足跡減少的混凝土組合物的CO2截存組分(如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合 物的沉淀物質(zhì))的CO2含量可通過任何適宜的方法(例如庫(kù)侖分析法)監(jiān)測(cè)。其他條件(包 括PH、壓力、UV輻射等)同樣可根據(jù)預(yù)期或可能的環(huán)境加以適當(dāng)調(diào)整。應(yīng)理解，本領(lǐng)域技術(shù) 人員能合理地?cái)喽▽⒈砻鹘M合物在指定的時(shí)間段內(nèi)具有所需穩(wěn)定性的任何適宜條件均可 使用。此外，如果公認(rèn)的化學(xué)知識(shí)表明組合物將在指定的時(shí)間段內(nèi)具有所需穩(wěn)定性，則其也 可用作實(shí)際測(cè)定的補(bǔ)充或替代。例如，可為本發(fā)明的碳足跡減少的混凝土組合物的一部分的一些碳酸鹽化合物(例如呈既定多晶形式)可以是地質(zhì)學(xué)上熟知的并可已知已經(jīng)受數(shù)十 年、數(shù)百年或甚至數(shù)千年的正常氣象條件而無(wú)可感知的分解并因此具有所需的穩(wěn)定性。CO2截存組分(如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物的沉淀物質(zhì))的量可隨具體的 碳足跡減少的混凝土組合物而異。有時(shí)，碳足跡減少的混凝土組合物中CO2截存組分(如 包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物的沉淀物質(zhì))的量在5-100% (w/w)范圍內(nèi)，例如5-90% (w/w)，包括 5-75% (w/w) ,5-50% (w/w) ,5-25% (w/w)和 5-10% (w/w)。與缺乏碳酸鹽/碳酸氫鹽組分(如CO2截存組分)的相應(yīng)混凝土組合物相比，碳足 跡減少的混凝土組合物具有減少的碳足跡。使用任何方便的碳足跡計(jì)算器可知，本發(fā)明的 碳足跡減少的混凝土組合物與缺乏碳酸鹽/碳酸氫鹽組分(如CO2截存組分)的相應(yīng)混凝 土組合物相比碳足跡減少的幅度可為5%或更多，例如10%或更多，包括25%、50%、75% 或甚至100 %或更多。在某些實(shí)施方案中，本發(fā)明的碳足跡減少的混凝土組合物可以是碳中 性的，因?yàn)橛美缈赡芘c所關(guān)心的特定混凝土組合物相關(guān)的任何合宜的碳足跡計(jì)算器算出 其基本沒有(如果有的話)碳足跡。本發(fā)明的碳中性的混凝土組合物包括碳足跡為50磅 C02/yd3材料或更少、例如為10磅C02/yd3材料或更少、包括5磅C02/yd3材料或更少的那些 組合物，其中在某些實(shí)施方案中，碳中性的混凝土組合物具有為零或負(fù)的CO2磅數(shù)/yd3材 料，例如負(fù)1或更負(fù)，如負(fù)3或更負(fù)的CO2磅數(shù)/yd3混凝土組合物。有時(shí)，所述碳足跡減少 的混凝土組合物具有相當(dāng)負(fù)的碳足跡，例如-100或更負(fù)磅C02/yd3混凝土或更少。本發(fā)明的CO2截存組分(如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其組合的沉淀物質(zhì))包含本 來(lái)已釋放進(jìn)大氣中的CO2，所述CO2中的大多數(shù)由燃燒植物源的化石燃料產(chǎn)生。因此，本發(fā) 明的包含一種或多種源自工業(yè)CO2的合成碳酸鹽和/或碳酸氫鹽的CO2截存組分將反映所 述工業(yè)CO2 (來(lái)自化石燃料的燃燒)所源自的化石燃料(如煤、石油、天然氣或煙氣)的相 對(duì)碳同位素組成(δ 13C)。單位為％。(千分之一)的相對(duì)碳同位素組成(δ 13C)值是碳的兩 種穩(wěn)定同位素即12C和13C的濃度比率相對(duì)于化石化箭石標(biāo)準(zhǔn)(PDB標(biāo)準(zhǔn))的量度。δ 13C%o= [(13C/12C 樣品-13C/12CPDB 標(biāo)準(zhǔn))/(13C/12CPDB 標(biāo)準(zhǔn))]χ1000因此，含合成碳酸鹽和/或碳酸氫鹽的沉淀物質(zhì)(如CO2截存組分)的δ 13C值 可充當(dāng)CO2氣體源、尤其是自燃燒的化石燃料釋放的CO2的指紋。不同的源(即化石燃料 源)可具有不同的S13C值，但本發(fā)明的碳酸鹽和/或碳酸氫鹽組分(如0)2截存組分)的 δ 13C值通常但非一定在-9%。到-35%。范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中，含合成碳酸鹽的沉淀物 質(zhì)的δ 13C值可在-1%。到_50%。之間、_5%。到-40%。之間、_5%。到_35%。之間、_7%。到-40% 之間、-7%。到_35%。之間、_9%。到_40%。之間、或_9%。到_35%。之間。在一些實(shí)施方案中，含 合成碳酸鹽的沉淀物質(zhì)的5 13C值可低于(例如更負(fù)于)-3%。、-5%。、-6%。、-7%。、-8%。、-9%0 、_10%ο、_11%ο、_12%ο、_13%ο、_14%ο、_15%ο、_16%ο、_17%ο、_18%ο、_19%ο、_20%ο、_21%ο、_22%ο、_23%ο、 —24%ο、~25%ο、—26%ο、~27%ο、~28%ο、—29%ο、_30%ο、—31 %ο、~32%ο、—33%ο、—34%ο、—35%ο、—36%ο 、-37%、-38%、-39%、-40%、-41%、-42%、-43%、-44%、或 _45%。，其中 δ 13C 值越負(fù)，含合 成碳酸鹽的沉淀物質(zhì)中越富含12C?？刹捎萌魏芜m宜的方法來(lái)測(cè)定δ 13C值，這些方法包括 但不限于質(zhì)譜法或離軸積分腔輸出光譜法(離軸IC0S)。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種含CO2截存組分的碳足跡減少的混凝土組 合物，所述CO2截存組分包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其組合，其中所述碳酸鹽和/或碳酸氫鹽 中的碳的S13C值低于-5%。。在一些實(shí)施方案中，所述碳足跡減少的混凝土組合物的S13C值可在_1%。到-50%。之間、_5%。到-40%。之間、_5%。到_35%。之間、_7%。到_40%。之間、_7%0 到_35%。之間、_9%。到_40%。之間、或_9%。到-35%。之間。在一些實(shí)施方案中，所述碳足跡減 少的混凝土組合物的S 13C值可低于(即更負(fù)于)-3%。、-5%。、-6%。、-7%。、-8%。、-9%。、-10%。 、_11%0、_12%0、_13%0、_14%0、_15%0、_16%0、_17%0、_18%0、_19%0、_20%0、_21%0、_22%0、_23%0、_24%0、 ~25%o、—26%o、~27%o、~28%o、~29%o、_30%o、—31 %o、~32%o、—33%o、—34%o、—35%o、—36%o、—37%o 、-38%、-39%、-40%、-41%、-42%、-43%、-44%、或 _45%。，其中 δ 13C 值越負(fù)，含合成碳酸 鹽的組合物中越富含12c。CO2截存組分的碳酸鹽化合物可為自二價(jià)陽(yáng)離子溶液如咸水沉淀的亞穩(wěn)碳酸鹽化 合物，這將在下面更詳細(xì)地描述。本發(fā)明的碳酸鹽化合物組合物含沉淀的結(jié)晶和/或無(wú)定 形碳酸鹽化合物。所關(guān)心的具體的碳酸鹽礦物包括但不限于碳酸鈣礦物、碳酸鎂礦物和碳 酸鈣鎂礦物。所關(guān)心的碳酸鈣礦物包括但不限于方解石(CaCO3)、霰石(CaCO3)、六方碳鈣 石(CaCO3)、六水碳鈣石(CaCO3 · 6H20)和無(wú)定形碳酸鈣(CaCO3 · ηΗ20)。所關(guān)心的碳酸鎂礦 物包括但不限于菱鎂礦(MgCO3)、水菱鎂礦(MgCO3 ·2Η20)、三水菱鎂礦(MgCO3 ·3Η20)、五水 菱鎂礦(MgCO3 · 5Η20)和無(wú)定形碳酸鎂鈣(MgCO3 · IiH2O)。所關(guān)心的碳酸鈣鎂礦物包括但不 限于白云石(CaMgCO3)、碳酸鈣鎂石(CaMg3(CO3)4)和水碳鈣鎂石(Ca2Mg11 (CO3) 13 · H2O) 0在 某些實(shí)施方案中，非碳酸鹽化合物如水鎂石(Mg(OH)2)也可與上面列出的礦物組合地形成。 如上面所指出，所述碳酸鹽化合物組合物的化合物可為在咸水中比在淡水中更穩(wěn)定的亞穩(wěn) 碳酸鹽化合物(并可含一種或多種亞穩(wěn)氫氧化物)，以至于其在與任何PH的淡水接觸時(shí)溶 解并再沉淀成其他淡水穩(wěn)定的化合物如礦物如低Mg方解石。本發(fā)明的碳酸鹽/碳酸氫鹽組分(如CO2截存組分)可源自、例如可沉淀自二價(jià) 陽(yáng)離子溶液(例如二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液)(這將在下面更詳細(xì)地描述)。由于所述碳酸鹽 /碳酸氫鹽組分(如CO2截存組分)可自水沉淀，故其可能含其所源自的水中存在的一種 或多種組分。例如，當(dāng)所述二價(jià)陽(yáng)離子溶液為咸水時(shí)，CO2截存制品(如包含碳酸鹽、碳酸 氫鹽或其混合物的沉淀物質(zhì))將含咸水源中存在的一種或多種化合物。這些化合物可標(biāo)識(shí) (identify)來(lái)自咸水源的組合物的固體沉淀，其中這些標(biāo)識(shí)組分及其量在本文中可統(tǒng)稱為 咸水源標(biāo)識(shí)物。例如，如果咸水源為海水，則沉淀物質(zhì)中可能存在的標(biāo)識(shí)化合物包括但不限 于氯化物、鈉、硫、鉀、溴化物、硅、鍶等。任何這類源標(biāo)識(shí)或“標(biāo)志物”元素通常以小量存在， 例如以20，OOOppm或更少的量存在，例如2000ppm或更少的量。在某些實(shí)施方案中，“標(biāo)志 物”化合物可為鍶，其可結(jié)合進(jìn)例如霰石晶格中并占10，OOOppm或更少，在某些實(shí)施方案中 在 3-10，OOOppm 范圍內(nèi)，例如 5_5000ppm，包括 5-1000ppm，例如 5_500ppm，包括 5-100ppm。 所關(guān)心的另一“標(biāo)志物”化合物為鎂，其可以至多20%摩爾的量取代碳酸鹽化合物中的鈣而 存在。組合物的咸水源標(biāo)識(shí)物可隨用來(lái)制備源自咸水的碳酸鹽組合物的具體咸水源而異。 還關(guān)心的是標(biāo)識(shí)水源的同位素標(biāo)志物。在某些實(shí)施方案中，包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物的CO2截存組分可為輔助膠 凝材料。SCMs為盡管其自身可以是或可以不是水硬膠凝性的但將在一定程度上與水硬水泥 組合物如波特蘭水泥反應(yīng)產(chǎn)生硬化材料的那些材料。在某些實(shí)施方案中，CO2截存SCMs (如 包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物的SCM)可為每噸SCM貯存約0. 5噸或更多CO2,例如約1 噸或更多CO2,包括約1. 2噸或更多C02。例如，本發(fā)明的CO2截存SCM(如包含碳酸鹽、碳酸 氫鹽或其混合物的SCM)可貯存約0. 5噸或更多CO2每噸SCM材料。換句話說(shuō)，本發(fā)明的CO2截存SCM(如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物的SCM)可具有為-0. 5噸CO2每噸材料的負(fù) 碳足跡。在這些實(shí)施方案中，CO2截存化合物(如碳酸鹽、碳酸氫鹽或其組合)可以干顆粒組 合物如粉末存在。在某些實(shí)施方案中，所述干顆粒組合物可由如用任何合適的粒徑測(cè)定方 法如多檢測(cè)器激光散射或篩分(即< 38微米)測(cè)得平均粒徑為0. 1-100微米、例如10-40 微米的顆粒構(gòu)成。在某些實(shí)施方案中存在多峰如雙峰或其他分布。雙峰分布可使表面積最 小化，從而允許水泥較低的液/固質(zhì)量比而還提供較小的反應(yīng)性顆粒用于早期反應(yīng)。在這 些情況下，較大粒徑等級(jí)的平均粒徑可超過1000微米(Imm)。構(gòu)成SCM的組分的表面積可 不同。既定水泥的平均表面積足以提供當(dāng)與液體組合時(shí)產(chǎn)生可凝固組合物(例如下面更詳 細(xì)地描述的)的液固比，所述平均表面積在0. 5m2/gm到50m2/gm范圍內(nèi)，例如0. 75_20m2/ gm，包括0. 80-10m2/gm。在某些實(shí)施方案中，如用Breunner，Emmit和Teller (1953)所述的 表面積測(cè)定方法測(cè)得，水泥的表面積在0. 9-5m2/gm范圍內(nèi)，例如0. 95-2m2/gm,包括l_2m2/ gm。當(dāng)存在時(shí)，混凝土組合物中CO2截存SCM(如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物的 SCM)的量可不同。在某些實(shí)施方案中，混凝土含5-50% w/w、例如5-25% w/w、包括5-10% w/w、包括10% -25% w/w的CO2截存SCM(如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物的SCM)。在 某些實(shí)施方案中，水泥中超過50%為碳酸鹽化合物組合物。代替CO2截存SCM或除CO2截存SCM外，混凝土組合物可含一種或多種類型的CO2 截存骨料(如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物的骨料)，所述骨料可為細(xì)骨料、粗骨料等。 術(shù)語(yǔ)骨料在本文中以其公認(rèn)的方式使用，指可用在混凝土、砂漿和例如如上所定義的其他 材料中的微粒組合物。本發(fā)明的骨料可為微粒組合物，其可分為細(xì)骨料和粗骨料。根據(jù)本 發(fā)明的實(shí)施方案的細(xì)骨料為幾乎完全通過4號(hào)篩(ASTM C 125和ASTM C 33)的微粒組合 物。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的細(xì)骨料組合物(其可稱為“砂”)的平均粒徑在0.001英寸到 0. 25英寸范圍內(nèi)，例如0. 05英寸到0. 125英寸，包括0. 01英寸到0. 08英寸。因此，細(xì)骨料 可用作混凝土組合物中砂的替代物。本發(fā)明的粗骨料為主要截留在4號(hào)篩(ASTM C 125和 ASTM C 33)上的組合物。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的粗骨料組合物為平均粒徑在0. 125英寸 到6英寸、例如0. 187英寸到3.0英寸、包括0.25英寸到1.0英寸的組合物。因此，粗骨料 可用作混凝土組合物中常規(guī)骨料的替代物。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的CO2截存骨料(即包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物 的合成骨料)可為每噸骨料貯存約0. 5噸或更多CO2,例如約1噸或更多CO2,包括約1. 2噸 或更多C02。例如，本發(fā)明的CO2截存骨料(如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物的骨料)可 貯存約0. 5噸或更多CO2每噸材料。換句話說(shuō)，本發(fā)明的CO2截存骨料(如包含碳酸鹽、碳 酸氫鹽或其混合物的骨料)可具有為-0. 5噸CO2每噸材料的負(fù)碳足跡。此外，本發(fā)明的骨 料的密度可不同，只要骨料能為其中采用所述骨料的建筑材料提供所需性質(zhì)即可。在某些 情況下，骨料的密度在1. l-5gm/cc范圍內(nèi)，例如1. 5gm/cc到3. 15gm/cc，包括1. 8gm/cc到 2. 7gm/cc0構(gòu)成本發(fā)明的骨料組合物的骨料顆粒的硬度也可不同，在某些情況下，莫氏硬度 在1. 5-9范圍內(nèi)，例如2-7，包括4-5。水泥組分(例如熟料和SCM)與骨料組分(例如細(xì)和粗骨料)的重量比可不同。在 某些實(shí)施方案中，干混凝土組分中水泥組分與骨料組分的重量比在1 10-4 10范圍內(nèi)， 例如 2 10-5 10，包括 55 1000-70 100。
本發(fā)明的包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物的CO2截存骨料含一種或多種例如如 上所述及在美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/056，972中進(jìn)一步描述的碳酸鹽化合物。外加劑在某些實(shí)施方案中，水泥可與一種或多種外加劑一起使用。在一些實(shí)施方案中，水 泥可與一種或多種CO2截存外加劑一起使用。外加劑為加到混凝土中以使其具有用基礎(chǔ)混 凝土混合物不能獲得的所需特性或以改變混凝土的性質(zhì)而使其更易于使用或更適合特定 目的或以降低成本的組合物。如本領(lǐng)域中熟知的，外加劑可為除水硬水泥、骨料和水外的任 何材料或組合物，其作為混凝土或砂漿的組分使用以增強(qiáng)其一些特性或降低其成本。采用 的外加劑的量可隨外加劑的性質(zhì)而異。在某些實(shí)施方案中，包括合成外加劑的這些組分的 量在 1-50% w/w 范圍內(nèi)，例如 5-25% w/w，包括 10-20% w/w，例如 2-10% w/w。使用外加劑的主要原因可為(1)以在所得硬化混凝土中獲得某些結(jié)構(gòu)改進(jìn)；(2) 以改善不利氣候或交通情況期間整個(gè)混合、運(yùn)輸、澆筑和養(yǎng)護(hù)的連續(xù)階段混凝土的質(zhì)量； (3)以克服混凝土澆筑操作過程中的某些緊急情況；和/或(4)以降低混凝土結(jié)構(gòu)的成本。 有時(shí)，所需的混凝土性能特征僅可通過使用外加劑獲得。有時(shí)，使用外加劑使得能夠使用價(jià) 格較低廉的建筑方法或設(shè)計(jì)，其節(jié)省量在抵消掉外加劑的成本后可還有剩余。所關(guān)心的外加劑包括細(xì)碎礦物外加劑。細(xì)碎礦物外加劑為粉末或粉碎形式的材 料，在混合過程之前或過程中加到混凝土中以改進(jìn)或改變波特蘭水泥混凝土的塑性或硬化 性中的一些。細(xì)碎礦物外加劑可按其化學(xué)或物理性質(zhì)分類為膠凝材料；火山灰；火山灰 質(zhì)膠凝材料；和標(biāo)稱惰性材料?；鹕交覟楣栀|(zhì)或鋁硅質(zhì)材料，幾乎不或不具有膠凝值，但當(dāng) 呈細(xì)碎形式且有水存在時(shí)將與波特蘭水泥的水化所釋放的氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成具 有膠凝性的材料?；鹕交乙部捎脕?lái)降低壓力下水遷移通過混凝土的速率。硅藻土、蛋白石 質(zhì)燧石(opaline cherts)、粘土、頁(yè)巖、粉煤灰、硅灰、火山凝灰?guī)r和浮石是一些熟知的火山 灰。某些磨細(xì)?；郀t礦渣和高鈣粉煤灰同時(shí)具有火山灰性質(zhì)和膠凝性質(zhì)。標(biāo)稱惰性材料 也可包括細(xì)碎的未加工的石英、白云石、石灰石、大理石、花崗巖等。粉煤灰在ASTM C618中 定義。可使用粉煤灰以及包含金屬硅酸鹽的材料(如硅灰石、鎂鐵礦物如橄欖石和蛇紋 石)來(lái)產(chǎn)生CO2截存火山灰質(zhì)材料(即合成外加劑)，所述CO2截存火山灰質(zhì)材料可用在本 發(fā)明的碳中性或碳負(fù)性混凝土組合物中。這類火山灰質(zhì)材料在2009年6月17日提交的美 國(guó)專利申請(qǐng)12/486，692及2009年7月10日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)12/501，217中有述，其各 通過引用結(jié)合到本文中。簡(jiǎn)言之，除二價(jià)陽(yáng)離子、質(zhì)子去除劑或其組合外，粉煤灰(例如通 過熟化)或包含金屬硅酸鹽的材料的消解還產(chǎn)生基于二氧化硅的材料，基于二氧化硅的材 料如果在碳酸鹽組合物的沉淀過程中存在的話則可能被碳酸鈣、碳酸鎂或其組合包覆。因 此，基于二氧化硅的材料充當(dāng)碳酸鈣、碳酸鎂或其混合物的沉淀的成核位點(diǎn)。以這種方式制 備的火山灰質(zhì)材料可被鈍化，鈍化將降低火山灰質(zhì)材料的反應(yīng)性，這在某些實(shí)施方案中可 能是需要的。碳中性或碳負(fù)性混凝土中包含合成碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物的CO2截存 火山灰質(zhì)材料可在1-50% w/w范圍內(nèi)，例如5-25% w/w，包括10-20% w/w，例如2-10% w/ w0此外，CO2截存火山灰質(zhì)材料(如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其組合的火山灰質(zhì)材料)為這 樣的火山灰質(zhì)材料，其每噸貯存0. 25噸或更多CO2，例如0. 5噸或更多CO2，包括1噸或更多 CO2，例如2噸或更多CO2每噸火山灰質(zhì)材料。例如，本發(fā)明的CO2截存火山灰質(zhì)材料(如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其組合的火山灰質(zhì)材料)可貯存約0. 25噸或更多CO2每噸火山灰質(zhì) 材料。換句話說(shuō)，本發(fā)明的CO2截存火山灰質(zhì)材料可具有為-0. 25噸CO2每噸材料的負(fù)碳足跡。所關(guān)心的一類外加劑可為增塑劑。增塑劑可加到混凝土中以使其具有改進(jìn)的和易 性，從而便于澆筑，同時(shí)減少密實(shí)化工作，并可加在需要均勻流動(dòng)而不在鋼筋下留下空隙空 間的鋼筋混凝土中。所關(guān)心的外加劑還有促凝劑、緩凝劑、加氣劑、起泡劑、減水劑、腐蝕抑 制劑和顏料。促凝劑用來(lái)加快混凝土配方的硬化速率(水化)，在需要混凝土快速硬化的應(yīng) 用及低溫應(yīng)用中特別重要。緩凝劑的作用是減慢水化速率及增長(zhǎng)澆注混凝土以使其形成所 需形狀前可利用的時(shí)間。緩凝劑在其中混凝土被用在熱氣候下的應(yīng)用中特別重要。加氣劑 用來(lái)在整個(gè)混凝土中分布微小的氣泡。加氣劑在天氣寒冷的區(qū)域中特別有用，因?yàn)槲⑿〉?夾帶氣泡有助于允許一定程度的收縮和膨脹，從而保護(hù)混凝土免受凍融破壞。也可向混凝 土中加入顏料以使其具有美學(xué)目的所需的顏色特征。因此，所關(guān)心的外加劑包括但不限于促凝劑、緩凝劑、加氣劑、消泡劑、減堿活性 劑、粘結(jié)外加劑、分散劑、著色外加劑、腐蝕抑制劑、防潮外加劑、發(fā)氣外加劑、減滲劑、泵送 劑、收縮補(bǔ)償外加劑、殺真菌外加劑、殺菌外加劑、殺蟲外加劑、流變改性劑、細(xì)碎礦物外加 劑、火山灰、骨料、潤(rùn)濕劑、強(qiáng)度增強(qiáng)劑、防水劑和任何其他混凝土或砂漿外加劑或添加劑。 當(dāng)使用外加劑時(shí)，可將向其中引入了外加劑原料的新拌膠凝性組合物攪拌足夠的時(shí)間以使 外加劑原料相對(duì)均勻地分散在整個(gè)新拌混凝土中。促凝劑用來(lái)加速混凝土的凝固和早期強(qiáng)度發(fā)展?？膳c外加劑體系一起使用的促凝 劑可為但不限于堿金屬、堿土金屬或鋁的硝酸鹽；堿金屬、堿土金屬或鋁的亞硝酸鹽；堿 金屬、堿土金屬或鋁的硫氰酸鹽；鏈烷醇胺；堿金屬、堿土金屬或鋁的硫代硫酸鹽；堿金屬、 堿土金屬或鋁的氫氧化物；堿金屬、堿土金屬或鋁的羧酸鹽(優(yōu)選甲酸鈣)；多羥基烷基胺； 堿金屬或堿土金屬的鹵化物鹽(如氯化物)。本發(fā)明的分散方法中可用的促凝劑的實(shí)例包 括但不限于P0ZZ0LITH NC534 (非氯化物型促凝劑)和/或RHEOCRETE CNI (基于亞硝 酸鈣的腐蝕抑制劑)，二者均由俄亥俄州克利夫蘭市BASF Admixtures Inc.以上述商標(biāo)出售。所關(guān)心的還有緩凝外加劑。緩凝外加劑也稱延遲凝固或水化控制外加劑，用來(lái)阻 滯、延遲或減慢混凝土的凝固速率。其可在初始配料時(shí)或有時(shí)在水化過程開始后加到混凝 土混合料中。緩凝劑用來(lái)抵銷熱天氣對(duì)混凝土凝固的加速作用，或延遲困難澆筑條件下或 向施工現(xiàn)場(chǎng)的輸送存在問題時(shí)混凝土或灰漿的初凝，或?yàn)樘厥庹婀ば蛄舫鰰r(shí)間。大多 數(shù)緩凝劑也充當(dāng)?shù)退綔p水劑并也用來(lái)向混凝土中加氣。可使用的緩凝劑包括但不限于 氧-硼化合物、玉米漿、木質(zhì)素、多膦酸、羧酸、羥基羧酸、多羧酸、羥基化羧酸(如富馬酸、 衣康酸、丙二酸、硼砂、葡糖酸和酒石酸)、木質(zhì)素磺酸鹽、抗壞血酸、異抗壞血酸、磺酸_丙 烯酸共聚物及其相應(yīng)的鹽、多羥基硅烷、聚丙烯酰胺、碳水化合物及其混合物。緩凝劑的 示意性實(shí)例在美國(guó)專利5，427，617和5，203，919中有給出，所述專利通過引用結(jié)合到本 文中。適用于本發(fā)明的外加劑體系中的緩凝劑的另一實(shí)例為俄亥俄州克利夫蘭市BASF AdmixturesInc.以商標(biāo)DELVO⑩出售的水化控制外加劑。所關(guān)心的外加劑還有加氣劑。術(shù)語(yǔ)加氣劑包括將在膠凝性組合物中加氣的任何物 質(zhì)。一些加氣劑也可在低濃度下降低組合物的表面張力。加氣外加劑用來(lái)有目的地向混凝土中引入微觀氣泡。加氣將極大改進(jìn)凍融循環(huán)過程中暴露于潮濕下的混凝土的耐久性。 此外，夾帶的空氣將大大改進(jìn)混凝土對(duì)化學(xué)除冰劑所致的表面片狀剝落的抵抗性。加氣也 提高新拌混凝土的和易性，同時(shí)消除或減少離析和泌水。用來(lái)獲得這些所需效果的材料可 選自木材樹脂、天然樹脂、合成樹脂、磺化木質(zhì)素、石油酸、蛋白質(zhì)材料、脂肪酸、樹脂酸、烷 基苯磺酸鹽、磺化烴、松香皂樹脂、陰離子表面活性劑、陽(yáng)離子表面活性劑、非離子表面活性 劑、天然松香、合成松香、無(wú)機(jī)加氣劑、合成洗滌劑、和其相應(yīng)的鹽、及其混合物。加氣劑以在 膠凝性組合物中產(chǎn)生所需空氣水平的量加入?？捎糜诒景l(fā)明的外加劑體系中的加氣劑的 實(shí)例包括但不限于MB AE 90、MB VR和MICRO AIR. ，其均可從俄亥俄州克利夫蘭市BASF Admixtures Inc.買至丨J。所關(guān)心的外加劑還有消泡劑。消泡劑用來(lái)減少膠凝性組合物中的空氣含量?？捎?于膠凝性組合物中的消泡劑的實(shí)例包括但不限于礦物油、植物油、脂肪酸、脂肪酸酯、羥基 官能化合物、酰胺、磷酸酯、金屬皂、硅油、含環(huán)氧丙烷部分的聚合物、烴、烷氧化烴、烷氧化 聚環(huán)氧烷、磷酸三丁酯、鄰苯二甲酸二丁酯、辛醇、碳酸和硼酸的水不溶性酯、乙炔二醇、環(huán) 氧乙烷-環(huán)氧丙烷嵌段共聚物和硅油。所關(guān)心的外加劑還有分散劑。整個(gè)本說(shuō)明書中用到的術(shù)語(yǔ)分散劑尤其包括有或 沒有聚醚單元的聚羧酸鹽分散劑。術(shù)語(yǔ)分散劑還旨在包括也用作增塑劑、減水劑(如高 效減水劑)、流化劑、抗絮凝劑的那些化學(xué)品，或用于膠凝性組合物的超增塑劑如木質(zhì)素磺 酸鹽、磺化萘磺酸鹽縮合物的鹽、磺化三聚氰胺磺酸鹽縮合物的鹽、β “萘磺酸鹽、磺化三 聚氰胺甲醛縮合物、萘磺酸甲醛縮合物樹脂如LOMAR D 分散劑(俄亥俄州辛辛那提市 Cognis Inc.)、聚天冬氨酸鹽或低聚物分散劑。可使用聚羧酸鹽分散劑，聚羧酸鹽分散劑 指碳主鏈上有側(cè)鏈的分散劑，其中至少部分側(cè)鏈通過羧基或醚基與主鏈相連。聚羧酸鹽分 散劑的實(shí)例可見于美國(guó)公開2002/0019459A1、美國(guó)專利6，267，814美國(guó)專利6，290，770、 美國(guó)專禾IJ 6，310，143、美國(guó)專利6，187，841、美國(guó)專利5，158，996、美國(guó)專利6，008，275、美 國(guó)專禾Ij 6，136，950、美國(guó)專禾Ij 6，284，867、美國(guó)專利5，609，681、美國(guó)專利5，494，516美國(guó) 專利5，674，929美國(guó)專利5，660，626、美國(guó)專利5，668，195、美國(guó)專利5，661，206、美國(guó)專 利5，358，566、美國(guó)專利5，162，402、美國(guó)專利5，798，425、美國(guó)專利5,612, 396、美國(guó)專 利6，063，184、美國(guó)專利5，912，284、美國(guó)專利5，840，114、美國(guó)專利5，753，744、美國(guó)專 利5，728，207、美國(guó)專利5，725，657、美國(guó)專利5，703，174、美國(guó)專利5,665, 158、美國(guó)專 利5，643，978、美國(guó)專利5，633，298、美國(guó)專利5，583，183和美國(guó)專利5，393，343中，其均 通過引用結(jié)合到本文中，就好像在下文中完全寫出了一樣。所關(guān)心的聚羧酸鹽分散劑包 括但不限于以商標(biāo) GLENIUM 3030NS、GLENIUM 3200HES、GLENIUM 3000NS (俄亥俄 州克利夫蘭市BASF Admixtures Inc.)、ADVA (馬薩諸塞州劍橋市W. R. Grace Inc.)、 VISCOCRETE (瑞士蘇黎世 Sika)和 SUPERFLUX (俄亥俄州 Middlebranch 市的 Axim Concrete Technologies Inc.)出售的分散劑或減水劑。所關(guān)心的外加劑還有減堿活性劑。減堿活性劑可減少堿_骨料反應(yīng)并限制這種反 應(yīng)可在硬化混凝土中產(chǎn)生的破壞性膨脹力。減堿活性劑包括火山灰(粉煤灰、硅灰)、高爐 礦渣、鋰和鋇的鹽、及其他加氣劑。可出于美學(xué)和安全原因使用天然和合成外加劑來(lái)著色混凝土。這些著色外加劑常 由顏料組成并包括碳黑、氧化鐵、酞菁、棕土、氧化鉻、氧化鈦、鈷藍(lán)和有機(jī)著色劑。
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所關(guān)心的外加劑還有腐蝕抑制劑?；炷林懈g抑制劑用來(lái)保護(hù)埋置鋼筋免于因 混凝土的高度堿性而腐蝕?；炷恋母邏A性將使鋼筋上形成鈍性的非腐蝕的保護(hù)性氧化 膜。但碳化作用或來(lái)自除冰劑或海水的氯離子的存在可能破壞或穿透膜而導(dǎo)致腐蝕。腐蝕 抑制外加劑將以化學(xué)方式抑制這種腐蝕反應(yīng)。最常用來(lái)抑制腐蝕的材料為亞硝酸鈣、亞硝 酸鈉、苯甲酸鈉、某些硫酸鹽或氟硅酸鹽、氟鋁酸鹽、胺及相關(guān)化學(xué)品。所關(guān)心的外加劑還有防潮外加劑。防潮外加劑將降低水泥含量低、水-水泥比率 高或骨料中缺乏細(xì)骨料的混凝土的滲透性。這些外加劑將延遲濕氣滲入干混凝土中并包括 某些皂、硬脂酸鹽和石油制品。所關(guān)心的還有發(fā)氣外加劑。發(fā)氣劑即氣體形成劑有時(shí)以非常小的量加到混凝土和 灰漿中以使硬化前微膨脹。膨脹的量取決于所用發(fā)氣材料的量及新拌混合料的溫度。鋁粉、 樹脂皂和植物或動(dòng)物膠、皂角甙或水解蛋白可用作發(fā)氣外加劑。所關(guān)心的還有減滲劑。減滲劑用來(lái)降低壓力下水傳輸通過混凝土的速率。硅灰、 粉煤灰、磨碎的爐渣、天然火山灰、減水劑和膠乳可用來(lái)減少混凝土的滲透。所關(guān)心的還有流變改性劑外加劑。流變改性劑可用來(lái)提高膠凝性組合物的粘度。適宜的流變改性劑實(shí)例包括氣相二氧化硅、膠態(tài)二氧化硅、羥乙基纖維素、羥丙基 纖維素、粉煤灰(如ASTM C618中所定義)、礦物油(如輕質(zhì)環(huán)烷油)、鋰蒙脫石粘土、聚氧 化烯、多糖、天然樹膠、或其混合物。所關(guān)心的還有收縮補(bǔ)償外加劑。膠凝性組合物中可使用的收縮補(bǔ)償劑可包括但不 限于RO(AO) ^10H(其中R為Ch烷基或C5_6環(huán)烷基，A為C2_3亞烷基)、堿金屬硫酸鹽、堿土 金屬硫酸鹽、堿土金屬氧化物，優(yōu)選硫酸鈉和氧化鈣。TETRAGUARD遛為減縮劑的一個(gè)實(shí)例， 可從俄亥俄州克利夫蘭市BASF Admixtures Inc.買到。硬化混凝土上或硬化混凝土中細(xì)菌和真菌的生長(zhǎng)可通過使用殺真菌和殺菌外加 劑得到部分控制。對(duì)于這些目的而言最有效的材料為多鹵化酚、狄氏劑乳液和銅化合物。某些實(shí)施方案中所關(guān)心的還有和易性改進(jìn)外加劑。夾帶的空氣其作用就像潤(rùn)滑 劑，可用作和易性改進(jìn)劑。其他和易性改進(jìn)劑為減水劑和某些細(xì)碎的外加劑。在某些實(shí)施方案中，本發(fā)明的水泥與纖維一起采用，例如當(dāng)需要纖維增強(qiáng)混凝土 時(shí)。纖維可由含氧化鋯的材料、鋼、碳、玻璃纖維或合成材料(如聚丙烯、尼龍、聚乙烯、聚 酯、人造纖維、高強(qiáng)度芳族聚酰胺(即Kevlar ))或其混合物制成。碳足跡減少的組合物的制備本發(fā)明的方面包括制備碳足跡減少的混凝土組合物的方法。碳足跡減少的混凝土 組合物可通過首先產(chǎn)生碳酸鹽/碳酸氫鹽組分(如CO2截存組分[即沉淀物質(zhì)])，然后自 所述碳酸鹽/碳酸氫鹽組分(如CO2截存組分)制備碳足跡減少的混凝土組合物來(lái)制備。 碳足跡減少的混凝土組合物的碳酸鹽/碳酸氫鹽組分(如CO2截存組分)可自CO2源、質(zhì)子 去除劑的源(和/或?qū)崿F(xiàn)質(zhì)子去除的方法)和二價(jià)陽(yáng)離子的源產(chǎn)生，各種所述材料將在下 面更詳細(xì)地描述。二氧化碳本發(fā)明的方法包括使一定量的二價(jià)陽(yáng)離子溶液(如二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液)與CO2 源接觸，然后使所得溶液經(jīng)受促進(jìn)沉淀的條件。本發(fā)明的方法還包括使一定體積的二價(jià)陽(yáng) 離子溶液(如二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液)與CO2源接觸并同時(shí)使該溶液經(jīng)受促進(jìn)沉淀的條件。含二價(jià)陽(yáng)離子的溶液中可能有足夠的二氧化碳來(lái)沉淀足夠量的含碳酸鹽的沉淀物質(zhì)(例 如自海水)；但可使用另外的二氧化碳。CO2源可為任何合適的CO2源。CO2源可為氣體、液 體、固體(如干冰)、超臨界流體或溶解在液體中的C02。在一些實(shí)施方案中，CO2源為氣態(tài) CO2源。氣流可為基本純凈的CO2或包含包括CO2和一種或多種其他氣體和/或其他物質(zhì)如 灰及其他微粒在內(nèi)的多種組分。在一些實(shí)施方案中，氣態(tài)CO2源可為廢氣流(即工廠的活 動(dòng)過程的副產(chǎn)物)如來(lái)自工廠的排氣。工廠的性質(zhì)可不同，工廠包括但不限于發(fā)電廠、化學(xué) 加工廠、機(jī)械加工廠、精煉廠、水泥廠、鋼廠和作為燃料燃燒或其他加工步驟(如水泥廠中 的煅燒)的副產(chǎn)物產(chǎn)生CO2的其他工廠。包含CO2的廢氣流包括還原條件流(如合成氣、變換合成氣、天然氣、氫氣等)和 氧化條件流(如來(lái)自燃燒的煙道氣)。對(duì)于本發(fā)明可能合適的特定廢氣流包括含氧燃燒工 廠煙道氣(如來(lái)自煤或其他基于碳的燃料的幾乎未或未經(jīng)預(yù)處理的煙道氣)、增壓鍋爐尾 氣、煤氣化尾氣、變換煤氣化尾氣、厭氧消化器尾氣、井口天然氣流、重整天然氣或甲烷水合 物等。來(lái)自任何合適的源的燃燒氣體均可用在本發(fā)明的方法和系統(tǒng)中。在一些實(shí)施方案中 可使用工廠如發(fā)電廠、水泥廠和煤加工廠的燃燒后排放煙囪中的燃燒氣體。因此，廢物流可自多種不同類型的工廠產(chǎn)生。對(duì)于本發(fā)明適宜的廢物流包括燃燒 化石燃料(如煤、石油、天然氣)的工廠產(chǎn)生的廢物流和天然存在的有機(jī)燃料礦床(如浙青 砂、重油、油頁(yè)巖等)的人為燃料產(chǎn)物。在一些實(shí)施方案中，適于本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的廢 物流可源自燃煤發(fā)電廠如粉煤發(fā)電廠、超臨界燃煤發(fā)電廠、全量焚燒燃煤發(fā)電廠、流化床燃 煤發(fā)電廠；在一些實(shí)施方案中，廢物流可源自燃?xì)饣蛉加湾仩t_汽輪機(jī)發(fā)電廠、燃?xì)饣蛉加?鍋爐簡(jiǎn)單循環(huán)汽輪機(jī)發(fā)電廠或燃?xì)饣蛉加湾仩t聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)發(fā)電廠。在一些實(shí)施方案中 可使用燃燒合成氣(即有機(jī)物如煤、生物質(zhì)等的氣化產(chǎn)生的氣體)的發(fā)電廠產(chǎn)生的廢物流。 在一些實(shí)施方案中，可按本發(fā)明的系統(tǒng)和方法使用來(lái)自熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)裝置所 產(chǎn)生的廢物流。水泥廠產(chǎn)生的廢物流也可能適合于本發(fā)明的系統(tǒng)和方法。水泥廠廢物流包括來(lái)自 濕法水泥廠和干法水泥廠的廢物流，所述廠可采用豎窯或回轉(zhuǎn)窯并可包括預(yù)分解窯。這些 工廠可各自燃燒單一燃料或可序貫地或同時(shí)地燃燒兩種或更多種燃料。其他工廠如冶煉廠 和精煉廠也可以是含二氧化碳的廢物流的可用來(lái)源。工業(yè)廢氣流可含二氧化碳作為主要的非源自空氣的組分，或可含其他組分如氮氧 化物(NOx)、硫氧化物(SOx)和一種或多種其他氣體，尤其是在燃煤發(fā)電廠情況下。其他氣體 和其他組分可包括CO、汞和其他重金屬及塵粒(如來(lái)自煅燒和燃燒過程)。氣流中的其他 組分還可包括鹵化物如氯化氫和氟化氫；粒狀物質(zhì)如粉煤灰、粉塵及金屬(包括砷、鈹、硼、 鎘、鉻、鉻VI、鈷、鉛、錳、汞、鉬、硒、鍶、鉈和釩)；和有機(jī)物如烴、二噁英和PAH化合物。在一 些實(shí)施方案中，可經(jīng)處理的適宜氣態(tài)廢物流中存在的CO2的量為200ppm到1，000, OOOppm, 例如 200，OOOppm 到 IOOOppm,包括 200，OOOppm 到 2000ppm,例如 180，OOOppm 到 2000ppm,或 180，OOOppm到5000ppm,也包括180，OOOppm到10，OOOppm0廢物流(特別是燃燒氣體的各 種廢物流)可包括一種或多種其他組分如水、NOx( 一氮氧化物N0和NO2)、SOx( 一硫氧化 物S0、SO2和SO3)、VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)、重金屬如汞、和粒狀物質(zhì)(固體顆粒或懸浮 在氣體中的液體)。煙道氣溫度也可不同。在一些實(shí)施方案中，包含CO2的煙道氣的溫度可 為 0°C到j(luò) 2000°C，例如 60°C到700°C，包括 100°C到400"C。
在一些實(shí)施方案中，一種或多種其他組分或聯(lián)產(chǎn)物(如在用來(lái)轉(zhuǎn)化CO2為碳酸鹽 的相同條件下自其他起始材料產(chǎn)生的產(chǎn)物[如S0X、NOx等])可沉淀或截留在通過使包含 這些其他組分的廢氣流與包含二價(jià)陽(yáng)離子(如堿土金屬離子如Ca2+和Mg2+)的溶液接觸 所形成的沉淀物質(zhì)中。鈣和/或鎂的硫酸鹽、亞硫酸鹽等可沉淀或截留在自包含S0X(如 SO2)的廢氣流產(chǎn)生的沉淀物質(zhì)(還包含碳酸鈣和/或碳酸鎂)中。鎂和鈣可分別反應(yīng)形成 MgSO4, CaSO4及其他含鎂和含鈣的化合物(如亞硫酸鹽)，從而在無(wú)脫硫步驟如煙道氣脫硫 (“FGD”)的情況下高效移除煙道氣流中的硫。此外可形成CaC03、MgC03和相關(guān)化合物而不 額外釋放C02。在二價(jià)陽(yáng)離子的溶液含高含量硫化合物(如硫酸鹽)的情況下，可使溶液富 含鈣和鎂以便在形成CaS04、MgSO4和相關(guān)化合物后或除形成CaS04、MgSO4和相關(guān)化合物外 可得到鈣和鎂來(lái)形成碳酸鹽化合物。在一些實(shí)施方案中，脫硫步驟的進(jìn)行可與含碳酸鹽的 沉淀物質(zhì)的沉淀同時(shí)發(fā)生，或脫硫步驟可在沉淀前進(jìn)行。在一些實(shí)施方案中，可在不同階段 收集多個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物(如MgCO3、(；C03、CaS04、前述的混合物等)，而在其他實(shí)施方案中可收集 單一反應(yīng)產(chǎn)物(如包含碳酸鹽、硫酸鹽等的沉淀物質(zhì))。在這些實(shí)施方案的步驟中，其他組 分如重金屬(如汞、汞鹽、含汞化合物)可被截留在含碳酸鹽的沉淀物質(zhì)中或可單獨(dú)沉淀?？墒褂脕?lái)自工廠的部分氣態(tài)廢物流(即非整個(gè)氣態(tài)廢物流)來(lái)產(chǎn)生沉淀物質(zhì)。在 這些實(shí)施方案中，在沉淀物質(zhì)的沉淀中采用的所述部分氣態(tài)廢物流可為氣態(tài)廢物流的75% 或更少，例如60 %或更少，包括50 %或更少。在其他實(shí)施方案中，可在沉淀物質(zhì)的沉淀中采 用工廠產(chǎn)生的基本(例如80%或更多)整個(gè)氣態(tài)廢物流。在這些實(shí)施方案中，源產(chǎn)生的氣 態(tài)廢物流(如煙道氣)的80%或更多、例如90%或更多、包括95%或更多、至高100%可被 用于沉淀物質(zhì)的沉淀。雖然工業(yè)廢氣提供了較高濃度的燃燒氣體源，但本發(fā)明的方法和系統(tǒng)也可應(yīng)用于 從所含污染物濃度比例如煙道氣低得多的較低濃度的源(如大氣)中移除燃燒氣體組分。 因此，在一些實(shí)施方案中，方法和系統(tǒng)包括通過產(chǎn)生穩(wěn)定的沉淀物質(zhì)降低大氣中污染物的 濃度。在這些情況下，部分大氣中污染物如CO2的濃度可降低10 %或更多、20 %或更多、30 % 或更多、40%或更多、50%或更多、60%或更多、70%或更多、80%或更多、90%或更多、95% 或更多、99 %或更多、99. 9 %或更多、或99. 99 %。大氣污染物的這種降低可以如本文中所 述的產(chǎn)率(yield)或更高或更低的產(chǎn)率實(shí)現(xiàn)，并可在一個(gè)沉淀步驟或一系列沉淀步驟中實(shí) 現(xiàn)。二價(jià)陽(yáng)離子本發(fā)明的方法包括使一定體積的二價(jià)陽(yáng)離子溶液(如二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液)與 CO2源接觸并使所得溶液經(jīng)受促進(jìn)沉淀的條件。在一些實(shí)施方案中，可使一定體積的二價(jià)陽(yáng) 離子溶液(如二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液)與CO2源接觸并同時(shí)使該溶液經(jīng)受促進(jìn)沉淀的條件。 二價(jià)陽(yáng)離子可來(lái)自任何大量不同的二價(jià)陽(yáng)離子源，取決于特定地點(diǎn)處的可得性。這類源包 括工業(yè)廢物、海水、鹽水、硬水、巖石和礦物(如石灰、方鎂石、包含金屬硅酸鹽的材料如蛇 紋石和橄欖石)及任何其他適宜的源。在一些地點(diǎn)，來(lái)自各種工業(yè)過程的工業(yè)廢物流將提供合適的二價(jià)陽(yáng)離子(以及有 時(shí)過程中可用的其他材料如金屬氫氧化物)的源。這類廢物流包括但不限于采礦廢物；化 石燃料燃燒灰燼(如燃燒灰燼如粉煤灰、爐底灰、鍋爐渣)；礦渣(如鐵渣、磷渣)；水泥窯廢 物；煉油廠/石化精煉廠廢物(如油田和甲烷礦層鹽水)；煤礦層廢物(如采氣鹽水和煤礦層鹽水)；紙加工廢物；水軟化廢鹽水(如離子交換廢水)；硅加工廢物；農(nóng)業(yè)廢物；金屬精 整廢物；高PH紡織廢物；和堿渣。化石燃料燃燒灰燼、水泥窯粉塵和礦渣(統(tǒng)稱金屬氧化 物廢物源)還見述于2009年6月17日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)12/486，692，其公開通過引用 結(jié)合到本文中。可為實(shí)施本發(fā)明的目的而混合和協(xié)配本文中描述的任何二價(jià)陽(yáng)離子源。例 如，可為實(shí)施本發(fā)明的目的而將2009年7月10日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)12/501，217(該申 請(qǐng)通過引用結(jié)合到本文中)中進(jìn)一步描述的包含金屬硅酸鹽的材料(如蛇紋石、橄欖石) 與本文中所述的任何二價(jià)陽(yáng)離子源相組合。在一些地點(diǎn)，對(duì)于本發(fā)明的碳酸鹽/碳酸氫鹽(如CO2截存組分)的制備而言合 宜的二價(jià)陽(yáng)離子源可為水(如包含二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液如海水或地表鹽水)，其可隨實(shí)施 本發(fā)明的特定地點(diǎn)而異。可用的適宜的二價(jià)陽(yáng)離子溶液包括包含一種或多種二價(jià)陽(yáng)離子 例如堿土金屬陽(yáng)離子如Ca2+和Mg2+的水溶液。在一些實(shí)施方案中，二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液包 含堿土金屬陽(yáng)離子。在一些實(shí)施方案中，堿土金屬陽(yáng)離子包括鈣、鎂或其混合物。在一些 實(shí)施方案中，二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液包含量為50-50，OOOppm,50-40, OOOppm,50-20, OOOppm, 100-10，000ppm、200-5000ppm、或 400_1000ppm 的鈣。在一些實(shí)施方案中，二 價(jià)陽(yáng)離 子的水溶液包含量為 50-40，OOOppm, 50-20, OOOppm、100-10，OOOppm、200-10，OOOppm、 500-5000ppm、或500-2500ppm的鎂。在其中Ca2+和Mg2+均存在的一些實(shí)施方案中，二價(jià)陽(yáng) 離子的水溶液中Ca2+對(duì)Mg2+的比率(即Ca2+ Mg2+)可為1 1-1 2.5,1 2.5-1 5、 1:5-1: 10、1 10-1 25、1 25-1 50、1 50-1 100,1 100-1 150、 1 150-1 200、1 200-1 250、1 250-1 500、1 500-1 1000 或其范圍內(nèi)。 例如，在一些實(shí)施方案中，二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液中Ca2+對(duì)Mg2+的比率可為1 1-1 10、 1:5-1: 25、1 10-1 50、1 25-1 100、1 50-1 500、或 1 100-1 1000。 在一些實(shí)施方案中，二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液中Mg2+對(duì)Ca2+的比率(即Mg2+ Ca2+)可 為 1 1-1 2. 5,1 2.5-1 5、1 5-1 10、1 10-1 25、1 25-1 50、 1 50-1 100、1 100-1 150、1 150-1 200、1 200-1 250、1 250-1 500、 1 500-1 1000或其范圍內(nèi)。例如，在一些實(shí)施方案中，二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液中Mg2+對(duì)Ca2+ 的比率可為 1 1-1 10、1 5-1 25、1 10-1 50、1 25-1 100,1 50-1 500 或 1 100-1 1000。二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液可包含源自淡水、微咸水、海水或鹽水(如天然存在的鹽水 或人為鹽水如地?zé)釓S廢水、脫鹽廠廢水)以及其他鹽度高于淡水的咸水的二價(jià)陽(yáng)離子，其 中任意所述水可以是天然存在的或人為的。微咸水為比淡水咸但不如海水咸的水。微咸水 的鹽度在約0. 5到約35ppt (千分率)范圍內(nèi)。海水為來(lái)自海、洋或任何其他含鹽水體的水， 其鹽度在約35到約50ppt范圍內(nèi)。鹽水為被鹽所飽和或接近飽和的水。鹽水的鹽度為約 50ppt或更高。在一些實(shí)施方案中，二價(jià)陽(yáng)離子所源自的水源為富含礦物(如富含鈣和/或 富含鎂)的淡水源。在一些實(shí)施方案中，二價(jià)陽(yáng)離子所源自的水源可為天然存在的咸水源， 所述咸水源選自海、洋、湖泊、沼澤、河口、瀉湖、地表鹽水、深鹽水、堿性湖泊、內(nèi)海等。在一 些實(shí)施方案中，二價(jià)陽(yáng)離子所源自的水源可為選自地?zé)釓S廢水或脫鹽廢水的人為鹽水。淡水可為合宜的二價(jià)陽(yáng)離子(如堿土金屬陽(yáng)離子如Ca2+和Mg2+)的源?？墒褂萌?何大量適宜的淡水源中，包括從較無(wú)礦物的源到較富含礦物的源的淡水源。富含礦物的淡 水源可以是天然存在的，包括大量硬水源、湖泊或內(nèi)海中的任一種。一些富含礦物的淡水源如堿湖或內(nèi)海(如土耳其的凡湖)也提供PH-改變劑的源。富含礦物的淡水源也可以是 人為的。例如，可使貧含礦物的水(軟水)與二價(jià)陽(yáng)離子如堿土金屬陽(yáng)離子(如Ca2+、Mg2+ 等)的源接觸以產(chǎn)生適于本文中所述方法和系統(tǒng)的富含礦物的水。二價(jià)陽(yáng)離子或其前體 (如鹽、礦物)可用任何合宜的方案(如加入固體、懸浮液或溶液)加到淡水(或本文中所 述任何其他類型的水)中。在一些實(shí)施方案中，可向淡水中加入選自Ca2+和Mg2+的二價(jià)陽(yáng) 離子。在一些實(shí)施方案中，選自Na+和K+的一價(jià)陽(yáng)離子被加到淡水中。在一些實(shí)施方案中， 可將包含Ca2+的淡水與燃燒灰燼(如粉煤灰、爐底灰、鍋爐渣)或其制品或加工形式組合， 從而產(chǎn)生包含鈣和鎂陽(yáng)離子的溶液。在一些實(shí)施方案中，二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液可自也提供燃燒氣流的工廠獲得。例如， 在水冷工廠如海水冷卻工廠中，已被工廠用于冷卻的水可然后用作產(chǎn)生沉淀物質(zhì)的水。如 果需要，所述水可在進(jìn)入本發(fā)明的沉淀系統(tǒng)之前經(jīng)冷卻。這種方法可例如用于直流冷卻系 統(tǒng)。例如，城市或農(nóng)業(yè)水供應(yīng)源可用作工廠的直流冷卻系統(tǒng)。來(lái)自工廠的水可然后用來(lái)產(chǎn) 生沉淀物質(zhì)，其中輸出水具有降低的硬度和更高的純度。質(zhì)子去除劑及實(shí)現(xiàn)質(zhì)子去除的方法本發(fā)明的方法包括使一定體積的二價(jià)陽(yáng)離子溶液(如二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液)與 CO2源接觸(以溶解CO2)并使所得溶液經(jīng)受促進(jìn)沉淀的條件。在一些實(shí)施方案中，可使一 定體積的二價(jià)陽(yáng)離子溶液(如二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液)與CO2源接觸(以溶解CO2)并同時(shí)使 該溶液經(jīng)受促進(jìn)沉淀的條件。CO2在二價(jià)陽(yáng)離子溶液中的溶解將產(chǎn)生碳酸，碳酸為與碳酸氫 鹽和碳酸鹽平衡的物質(zhì)類型(species)。為產(chǎn)生含碳酸鹽的沉淀物質(zhì)，應(yīng)從含二價(jià)陽(yáng)離子的 溶液中的各種物質(zhì)類型(如碳酸、碳酸氫鹽、水合氫離子等)去除質(zhì)子而使平衡向碳酸鹽移 動(dòng)。隨著質(zhì)子被去除，更多CO2將進(jìn)入溶液中。在一些實(shí)施方案中，可在使含二價(jià)陽(yáng)離子的 溶液(如包含二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液)與CO2接觸時(shí)使用質(zhì)子去除劑和/或方法以增加一個(gè) 沉淀反應(yīng)階段中的CO2吸收，其中PH可保持恒定、升高或甚至降低，然后是質(zhì)子的快速去除 (例如通過加入堿)以使含碳酸鹽的沉淀物質(zhì)快速沉淀。可通過任何方便的方法從各種物 質(zhì)類型(如碳酸、碳酸氫鹽、水合氫離子等)去除質(zhì)子，包括但不限于使用天然存在的質(zhì)子 去除劑、使用微生物和真菌、使用合成的質(zhì)子去除化學(xué)劑、回收人為廢物流及使用電化學(xué)手 段。天然存在的質(zhì)子去除劑包括在可產(chǎn)生或具有堿性局部環(huán)境的更廣闊環(huán)境中可找 到的任何質(zhì)子去除劑。一些實(shí)施方案提供了天然存在的質(zhì)子去除劑，包括加到溶液中時(shí)將 生生堿性環(huán)境的礦物。這類礦物包括但不限于石灰(CaO)、方鎂石(MgO)、氫氧化鐵礦物(如 針鐵礦和褐鐵礦)和火山灰。本文中將提供這類礦物及包含這類礦物的巖石的消解方法。 一些實(shí)施方案提供了使用天然堿性的水體作為天然存在的質(zhì)子去除劑。天然堿性的水體的 實(shí)例包括但不限于地表水源(如堿湖如加利福尼亞的Mono湖)和地下水源(如堿性蓄水 層如位于加利福尼亞的塞爾斯湖處的深地質(zhì)堿性蓄水層)。其他實(shí)施方案提供了來(lái)自已干 堿性水體的沉積物如沿非洲大裂谷的Natron湖的沉積物的使用。在一些實(shí)施方案中，可使 用在其正常代謝中分泌堿性分子或溶液的生物體作為質(zhì)子去除劑。這類生物體的實(shí)例有產(chǎn) 生堿性蛋白酶的真菌(如最佳PH為9的深海真菌Aspergillus ustus)和產(chǎn)生堿性分子的 細(xì)菌(如藍(lán)細(xì)菌如來(lái)自大不列顛哥倫比亞的Atlin濕地的Lyngbya sp.，其因光合成的副 產(chǎn)物而增高PH)。在一些實(shí)施方案中，可使用生物體來(lái)產(chǎn)生質(zhì)子去除劑，其中生物體(例如Bacillus pasteurii，其將使尿素水解為氨)將使污染物(如尿素)代謝產(chǎn)生質(zhì)子去除劑或 包含質(zhì)子去除劑的溶液(如氨、氫氧化銨)。在一些實(shí)施方案中，生物體可自沉淀反應(yīng)混合 物單獨(dú)培養(yǎng)，其中使用質(zhì)子去除劑或包含質(zhì)子去除劑的溶液以加入沉淀反應(yīng)混合物中。在 一些實(shí)施方案中，可與質(zhì)子去除劑組合地使用天然存在的或人造的酶以引起沉淀物質(zhì)的沉 淀。碳酸酐酶(其為植物和動(dòng)物產(chǎn)生的酶)將加速溶液中碳酸向碳酸氫鹽的轉(zhuǎn)化。因此， 碳酸酐酶可用來(lái)增強(qiáng)CO2的溶解和加速沉淀物質(zhì)的沉淀，如2009年10月19日提交的美國(guó) 臨時(shí)專利申請(qǐng)61/252，929中所述，該專利申請(qǐng)通過全文引用結(jié)合到本文中。用來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)子去除的化學(xué)劑通常指大量生產(chǎn)并市售可得的合成化學(xué)劑。例如，用 于去除質(zhì)子的化學(xué)劑包括但不限于氫氧化物、有機(jī)堿、超強(qiáng)堿、氧化物、氨和碳酸鹽。氫氧化 物包括在溶液中提供氫氧陰離子的化學(xué)物質(zhì)，包括例如氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、 氫氧化鈣(Ca(OH)2)或氫氧化鎂(Mg(OH)2)。有機(jī)堿是通常作為含氮堿的含碳分子，包括伯 胺(如甲胺)、仲胺(如二異丙胺)、叔胺(如二異丙基乙胺)、芳胺(如苯胺)、雜芳族化 合物(如吡啶、咪唑和苯并咪唑)及其各種形式。在一些實(shí)施方案中，可使用選自吡啶、甲 胺、咪唑、苯并咪唑、組氨酸和膦腈的有機(jī)堿來(lái)從各種物質(zhì)類型(如碳酸、碳酸氫鹽、水合氫 離子等)去除質(zhì)子以促使沉淀物質(zhì)的沉淀。在一些實(shí)施方案中，可使用氨來(lái)提升PH至足以 從二價(jià)陽(yáng)離子的溶液和工業(yè)廢物流中沉淀沉淀物質(zhì)的水平。適于用作質(zhì)子去除劑的超強(qiáng)堿 包括乙醇鈉、氨基化鈉(NaNH2)、氫化鈉(NaH)、丁基鋰、二異丙基氨基鋰、二乙基氨基鋰和雙 (三甲基甲硅烷基)氨基鋰。氧化物包括例如氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、氧化鍶(SrO)、 氧化鈹(BeO)和氧化鋇(BaO)可能也是可使用的適宜的質(zhì)子去除劑。用于本發(fā)明的碳酸鹽 包括但不限于碳酸鈉。除包含所關(guān)心的陽(yáng)離子及其他適宜的金屬形式外，來(lái)自各種工業(yè)過程的廢物流也 可提供質(zhì)子去除劑。這類廢物流包括但不限于采礦廢物；化石燃料燃燒灰燼(如燃燒灰燼 如粉煤灰、爐底灰、鍋爐渣)；礦渣(如鐵渣、磷渣)；水泥窯廢物；煉油廠/石化精煉廠廢物 (如油田和甲烷礦層鹽水)；煤礦層廢物(如采氣鹽水和煤礦層鹽水)；紙加工廢物；水軟化 廢鹽水(如離子交換廢水)；硅加工廢物；農(nóng)業(yè)廢物；金屬精整廢物；高pH紡織廢物；和堿 渣。采礦廢物包括來(lái)自從土壤中提取金屬或其他珍貴或有用礦物時(shí)的任何廢物。在一些實(shí) 施方案中，來(lái)自采礦的廢物可用來(lái)改變PH，其中所述廢物選自來(lái)自Bayer鋁提取工藝的紅 泥；來(lái)自從海水中提取鎂時(shí)的廢物(例如Mg(OH)2,如在加利福尼亞的Moss Landing找到 的Mg(OH)2)；和來(lái)自涉及溶浸的采礦工藝的廢物。例如，紅泥可如2009年3月18日提交的 美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/161369中所述用來(lái)改變pH，所述專利申請(qǐng)通過全文引用結(jié)合到本文 中。可單獨(dú)或與其他質(zhì)子去除劑組合地使用化石燃料燃燒灰燼、水泥窯粉塵和礦渣(統(tǒng)稱 金屬氧化物廢物源)以提供本發(fā)明的質(zhì)子去除劑，還見述于2009年6月17日提交的美國(guó) 專利申請(qǐng)12/486，692，所述專利申請(qǐng)的公開通過全文引用結(jié)合到本文中。農(nóng)業(yè)廢物(來(lái)自 動(dòng)物廢物或過度肥料使用)可能含氫氧化鉀(KOH)或氨(NH3)或二者。因此，在本發(fā)明的 一些實(shí)施方案中，農(nóng)業(yè)廢物可用作質(zhì)子去除劑。所述農(nóng)業(yè)廢物常集中在池塘中，但其也可向 下滲濾進(jìn)蓄水層中并由此獲取和使用。電化學(xué)方法可為從溶液中的各種物種去除質(zhì)子的另一途徑，所述途徑或從溶質(zhì) (如碳酸或碳酸氫鹽的去質(zhì)子化)或從溶劑(如水合氫離子或水的去質(zhì)子化)去除質(zhì)子。 如果來(lái)自CO2溶解所產(chǎn)生的質(zhì)子與通過電化學(xué)方法從溶質(zhì)分子去除的質(zhì)子相當(dāng)或超過去除的質(zhì)子，則可得到溶劑去質(zhì)子化的結(jié)果。在一些實(shí)施方案中，可使用低電壓電化學(xué)方法來(lái)例 如隨CO2溶解在沉淀反應(yīng)混合物中或沉淀反應(yīng)混合物的前體溶液(即可或可不含二價(jià)陽(yáng)離 子的溶液)中而去除質(zhì)子。在一些實(shí)施方案中，溶解在不含二價(jià)陽(yáng)離子的溶液中的CO2可 用低電壓電化學(xué)方法處理以從碳酸、碳酸氫鹽、水合氫離子或因CO2的溶解產(chǎn)生的任何物質(zhì) 種類或其組合中去除質(zhì)子。低電壓電化學(xué)方法在2、1. 9,1. 8、1. 7或1. 6V或更低、例如1. 5、 1. 4,1. 3,1. 2,1. IV或更低、例如IV或更低、例如0. 9V或更低、0. 8V或更低、0. 7V或更低、 0. 6V或更低、0. 5V或更低、0. 4V或更低、0. 3V或更低、0. 2V或更低、或0. IV或更低的平均 電壓下運(yùn)行。不產(chǎn)生氯氣的低電壓電化學(xué)方法對(duì)于在本發(fā)明的系統(tǒng)和方法中的使用來(lái)說(shuō)可 能是合宜的。不產(chǎn)生氧氣的去除質(zhì)子的低電壓電化學(xué)方法對(duì)于在本發(fā)明的系統(tǒng)和方法中的 使用來(lái)說(shuō)可能也是合宜的。在一些實(shí)施方案中，低電壓電化學(xué)方法將在陰極處產(chǎn)生氫氣并 輸運(yùn)氫氣至陽(yáng)極，所述氫氣在陽(yáng)極被轉(zhuǎn)化為質(zhì)子。不產(chǎn)生氫氣的電化學(xué)方法可能也是合宜 的。有時(shí)，去除質(zhì)子的電化學(xué)方法將不產(chǎn)生任何氣體副產(chǎn)物。實(shí)現(xiàn)質(zhì)子去除的電化學(xué)方法 還見述于2008年12月24日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)12/344，019、2008年12月23日提交的 美國(guó)專利申請(qǐng)12/375，632、2008年12月23日提交的國(guó)際專利申請(qǐng)PCT/US08/088242、2009 年1月28日提交的國(guó)際專利申請(qǐng)PCT/US09/32301、2009年6月24日提交的國(guó)際專利申請(qǐng) PCT/US09/48511和2009年8月13日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)12/541，055，其各通過全文引用 結(jié)合到本文中?；蛘?，可使用電化學(xué)方法通過例如氯堿法或其變型產(chǎn)生苛性分子(如氫氧化物)。 電極(即陰極和陽(yáng)極)可存在于含含有二價(jià)陽(yáng)離子的溶液或充入了氣態(tài)廢物流(如充入 了 CO2)的溶液的裝置中，選擇性屏障如膜可分隔所述電極。用于去除質(zhì)子的電化學(xué)系統(tǒng) 和方法可產(chǎn)生副產(chǎn)物(如氫氣)，所述副產(chǎn)物可被收集并用于其他目的。本發(fā)明的系統(tǒng)和 方法中可用的其他電化學(xué)方法包括但不限于2008年7月16日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng) 61/081,299和美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/091，729中描述的那些，所述專利申請(qǐng)的公開通過引 用結(jié)合到本文中?？刹捎蒙厦嫣岬降馁|(zhì)子去除劑源和有效去除質(zhì)子的方法的組合?？刹捎枚喾N不同的方法來(lái)從CO2源、二價(jià)陽(yáng)離子源和質(zhì)子去除劑源制備本發(fā)明的 混凝土的CO2截存組分。所關(guān)心的CO2截存方案包括但不限于如下專利申請(qǐng)中所公開的 那些美國(guó)專利申請(qǐng)12/126，776和12/163，205 ；以及2008年5月23日提交的美國(guó)臨時(shí) 專利申請(qǐng)61/126，776,2008年6月27日提交的12/163，205,2008年12月24日提交的 12/344，019和2009年5月29日提交的12/475，378 ；以及美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/017，405、 61/017，419,61/057, 173,61/056, 972,61/073,319,61/079,790,61/081, 299,61/082,766、 61/088，347,61/088, 340,61/101, 629 ；和 2007 年 12 月 28 日提交的 61/101，631017，405、 2007年12月28日提交的61/017，419,2008年5月29日提交的61/057，173,2008年5月 29日提交的61/056，972、2008年6月17日提交的61/073，319、2008年7月10日提交的 61/079，790,2008 年 7 月 16 日提交的 61/081，299,2008 年 7 月 22 日提交的 61/082，766、 2008年8月13日提交的61/088，347,2008年8月12日提交的61/088，340,2008年9月 30日提交的61/101，629和2008年9月30日提交的61/101，631 ；其各通過引用結(jié)合到本 文中。本發(fā)明的CO2截存組分(如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其組合的組分)包括碳酸鹽 組合物，所述碳酸鹽組合物可通過自二價(jià)陽(yáng)離子的溶液沉淀鈣和/或鎂的碳酸鹽組合物而產(chǎn)生。本發(fā)明的碳酸鹽化合物組合物含沉淀的結(jié)晶和/或無(wú)定形碳酸鹽化合物。構(gòu)成本發(fā) 明的0)2截存組分(如包含碳酸鹽、碳酸氫鹽或其組合的組分)的碳酸鹽化合物組合物含 亞穩(wěn)碳酸鹽化合物，所述亞穩(wěn)碳酸鹽化合物可從二價(jià)陽(yáng)離子的溶液如咸水沉淀，這將在下 面更詳細(xì)地描述。為方便起見，本文中有時(shí)以咸水來(lái)描述；但應(yīng)理解包含二價(jià)陽(yáng)離子的任何水源均 可使用。本發(fā)明的源自咸水的碳酸鹽化合物組合物(即源自咸水并由一種或多種不同的碳 酸鹽結(jié)晶和/或無(wú)定形化合物加或不加一種或多種結(jié)晶或無(wú)定形氫氧化物所構(gòu)成的組合 物)源自咸水。因此，其包含以一定方式從咸水獲得的組合物，例如通過以足以從初始咸水 體積產(chǎn)生所需碳酸鹽化合物組合物的方式處理一定體積的咸水所獲得的組合物。某些實(shí) 施方案的碳酸鹽化合物組合物可通過從含堿土金屬陽(yáng)離子如鈣和鎂等的二價(jià)陽(yáng)離子溶液 (如咸水)沉淀產(chǎn)生，其中這類二價(jià)陽(yáng)離子溶液可統(tǒng)稱為含堿土金屬的水。方法中采用的咸水可不同。如上所述，所關(guān)心的咸水包括微咸水、海水和鹽水以及 其他鹽度高于淡水(其鹽度低于5ppt溶解鹽)的咸水。在一些實(shí)施方案中，可將富含鈣的 水與硅酸鎂礦物如橄欖石或蛇紋石在已因加入二氧化碳形成碳酸而變?yōu)樗嵝缘娜芤褐薪M 合，所述溶液將溶解硅酸鎂，從而導(dǎo)致如上所述硅酸碳酸鈣鎂化合物的形成。在產(chǎn)生本發(fā)明的碳酸鹽化合物組合物的方法中，可使一定體積的水經(jīng)受足以產(chǎn)生 含碳酸鹽的沉淀物質(zhì)和母液(即從咸水沉淀出碳酸鹽化合物后剩下的部分水)的碳酸鹽化 合物沉淀?xiàng)l件。所得沉淀物質(zhì)和母液一起構(gòu)成本發(fā)明的碳酸鹽化合物組合物。任何合宜的 沉淀?xiàng)l件均可采用，所述條件導(dǎo)致碳酸鹽化合物組合物截存制品的產(chǎn)生。促進(jìn)沉淀的條件(即沉淀?xiàng)l件)可不同。例如，水的溫度可在便于所需礦物的沉 淀發(fā)生的適宜范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中，水的溫度可在5-70°C范圍內(nèi)，例如20-50°C，包 括25-45°C。因此，雖然所給沉淀?xiàng)l件的集合可具有0-100°C的溫度范圍，但在某些實(shí)施方 案中可調(diào)節(jié)水的溫度以產(chǎn)生所需的沉淀物質(zhì)。在普通海水中，93%的溶解C02可呈碳酸氫鹽離子(HC03_)的形式，6%可呈碳酸鹽 離子(C032-)的形式。當(dāng)從普通海水沉淀碳酸鈣時(shí)將釋放C02。在淡水中，當(dāng)pH高于10. 33 時(shí)，超過90%的碳酸鹽將呈碳酸鹽離子的形式并在碳酸鈣的沉淀過程中無(wú)C02釋放。在海 水中，此轉(zhuǎn)變?cè)谏缘偷膒H(更接近9.7的pH)下發(fā)生。在既定的沉淀過程中，雖然方法中采 用的水的PH可在pH5到pH14范圍內(nèi)，但在某些實(shí)施方案中可根據(jù)需要將pH提升至堿性水 平以驅(qū)動(dòng)碳酸鹽化合物以及其他化合物如氫氧化物的沉淀。在某些這些實(shí)施方案中，可將 pH提升至使沉淀過程中C02的產(chǎn)生最小化(如果不是消除的話)的水平，從而使例如以碳 酸鹽和碳酸氫鹽形式溶解的C02被截留在沉淀物質(zhì)中。在這些實(shí)施方案中，可將pH提升至 10或更高、例如11或更高。水的pH可用任何合宜的方法提升。在某些實(shí)施方案中可采用質(zhì)子去除劑，其中 這類試劑的實(shí)例包括氧化物、氫氧化物(如粉煤灰中的氧化鈣、氫氧化鉀、氫氧化鈉、水鎂 石1%(011)2等)、碳酸鹽(如碳酸鈉)等，其許多已在上面描述。一種提升沉淀反應(yīng)混合物 或其前體(如含二價(jià)陽(yáng)離子的溶液)的PH的這類方法是使用來(lái)自燃煤發(fā)電廠的煤灰，所述 煤灰含許多氧化物。其他煤處理如煤的氣化(以產(chǎn)生合成氣)也產(chǎn)生氫氣和一氧化碳并 也可用作氫氧化物源。一些天然存在的礦物如蛇紋石含氫氧化物并可溶解以產(chǎn)生氫氧化 物源。蛇紋石的加入還向溶液中釋放二氧化硅和鎂，從而導(dǎo)致含二氧化硅的沉淀物質(zhì)的形成。加到沉淀反應(yīng)混合物或其前體中的質(zhì)子去除劑的量應(yīng)取決于質(zhì)子去除劑的具體性質(zhì)和 被改變的沉淀反應(yīng)混合物或其前體的量，并應(yīng)足以提升沉淀反應(yīng)混合物或其前體的PH至 所需pH。或者，沉淀反應(yīng)混合物或其前體的pH可通過如上所述電化學(xué)途徑提升至所需水 平。在某些條件下可使用其他電化學(xué)方法。例如，可采用電解，其中可使用汞電解池法(也 稱Castner-Kellner法)、隔膜電解池法、膜電解池法或其一些組合。當(dāng)需要時(shí)，可根據(jù)需要 為其他目的收集和采用水解產(chǎn)物的副產(chǎn)物如H2、金屬鈉等。在其他實(shí)施方案中，可采用2008年7月16日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng) 61/081，299和2008年8月25日提交的61/091，729中所述的pH-提升方法，其公開通過引 用結(jié)合到本文中。也可向水中引入不同于pH-提升劑的添加劑來(lái)影響所產(chǎn)生的沉淀物質(zhì)的性質(zhì)。因 此，本發(fā)明的方法的某些實(shí)施方案包括在當(dāng)水經(jīng)受沉淀?xiàng)l件時(shí)之前或過程中向水中提供添 加劑。痕量的某些添加劑可促成某些碳酸鈣多晶型物。例如，可通過在碳酸鈣的過飽和溶 液中引入痕量鑭如氯化鑭而以非常高的產(chǎn)率獲得六方碳鈣石，六方碳鈣石是一種高度不穩(wěn) 定的CaC03多晶型物，其將以多種不同的形態(tài)沉淀并迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榉浇馐３|外還關(guān)心的 其他添加劑包括但不限于過渡金屬等。例如，亞鐵或鐵離子的加入已知將有助于無(wú)序白云 石(原白云巖)的形成，否則將不能形成。也可通過選擇適宜的主要離子比率來(lái)影響沉淀物質(zhì)的性質(zhì)。主要離子比率還對(duì)多 晶型物的形成有著相當(dāng)大的影響。例如，隨著水中鎂鈣比率增高，霰石將變?yōu)楸鹊玩V方解 石更有利的碳酸鈣多晶型物。在較低的鎂鈣比率下，低鎂方解石可能是優(yōu)選的多晶型物。 因此，可采用廣泛的鎂鈣比率，包括例如100 1、50 1、20 1,10 1、5 1、2 1、 1 1、1 2、1 5、1 10,1 20,1 50,1 100或任何上述比率。在某些實(shí)施方案 中，鎂鈣比率可由沉淀過程中采用的水源(如海水、鹽水、微咸水、淡水)決定，而在其他 實(shí)施方案中，鎂鈣比率可被調(diào)節(jié)至一定的范圍內(nèi)。沉淀速率也對(duì)化合物的相形成有很大影響。最快的沉淀可通過使具有所需相的溶 液析晶獲得。不析晶時(shí)，快速沉淀可通過快速提升海水的PH獲得，這將導(dǎo)致更無(wú)定形的組 分。當(dāng)存在二氧化硅時(shí)，反應(yīng)速率越快，則含碳酸鹽的沉淀物質(zhì)中將結(jié)合進(jìn)更多二氧化硅。 pH越高，沉淀將越快且沉淀物質(zhì)將越無(wú)定形。因此，在某些實(shí)施方案中，自二價(jià)陽(yáng)離子的溶液產(chǎn)生所需沉淀物質(zhì)的沉淀?xiàng)l件集 合包括水的溫度和PH，并有時(shí)包括添加劑的濃度和水中的離子種類。沉淀?xiàng)l件還可包括因 素如混合速率、攪動(dòng)的形式(如超聲)、種晶的存在、催化劑、膜或基材。在一些實(shí)施方案中， 沉淀?xiàng)l件包括過飽和條件、溫度、pH和/或濃度梯度、或循環(huán)或改變?nèi)魏芜@些參數(shù)。用來(lái)制 備根據(jù)本發(fā)明的含碳酸鹽的沉淀物質(zhì)的方法可為間歇法或連續(xù)法。應(yīng)理解，在連續(xù)流動(dòng)系 統(tǒng)中產(chǎn)生既定的沉淀物質(zhì)所需的沉淀?xiàng)l件可能與在間歇系統(tǒng)中不同。在某些實(shí)施方案中，所述方法還包括使經(jīng)受礦物沉淀?xiàng)l件的體積的水與C02源接 觸。所述水與0)2源的接觸可在當(dāng)水經(jīng)受co2沉淀?xiàng)l件時(shí)之前和/或過程中進(jìn)行。因此，本 發(fā)明的實(shí)施方案包括其中所述體積的水可在所述體積的咸水經(jīng)受礦物沉淀?xiàng)l件前與co2源 接觸的方法。本發(fā)明的實(shí)施方案包括其中所述體積的咸水可在所述體積的咸水正經(jīng)受碳酸 鹽化合物沉淀?xiàng)l件時(shí)與co2源接觸的方法。本發(fā)明的實(shí)施方案包括其中所述體積的水可在 所述體積的咸水經(jīng)受碳酸鹽化合物沉淀?xiàng)l件前及所述體積的咸水正經(jīng)受碳酸鹽化合物沉淀?xiàng)l件時(shí)與0)2源接觸的方法。在一些實(shí)施方案中，相同的水可循環(huán)超過一次，其中第一沉 淀循環(huán)主要去除碳酸鈣和碳酸鎂礦物而留下剩余的堿性水，可向所述堿性水中加入其他可 讓更多二氧化碳在其中循環(huán)的堿土金屬離子源，從而沉淀出更多碳酸鹽化合物。在這些實(shí)施方案中可與所述體積的咸水接觸的C02源可為任何合宜的C02源，接觸 方法可為任何合宜的方法。當(dāng)co2為氣體時(shí)，所關(guān)心的接觸方法包括但不限于直接接觸法 (如對(duì)所述體積的咸水鼓泡)、順流接觸途徑(即單向流動(dòng)的氣體與液相流間接觸)、逆流途 徑(即反向流動(dòng)的氣體與液相流間接觸)等。因此，接觸可根據(jù)合宜性通過使用注入器、鼓 泡器、流體文丘里反應(yīng)器、分布器、氣體過濾器、噴霧、塔板或填料塔反應(yīng)器等實(shí)現(xiàn)。對(duì)于用 于使二價(jià)陽(yáng)離子的溶液與C02源接觸的示例性系統(tǒng)和方法，參見2009年3月10日提交的美 國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/158，992、2009年4月9日提交的61/168，166、2009年4月16日提交的 61/170，086,2009 年 5 月 14 日提交的 61/178，475,2009 年 7 月 24 日提交的 61/228，210、 2009年7月30日提交的61/230，042和2009年9月2日提交的61/239，429，其各通過引 用結(jié)合到本文中。上面的方法將產(chǎn)生碳酸鹽/碳酸氫鹽沉淀物質(zhì)(如C02截存沉淀物質(zhì))和母液的 淤漿。需要時(shí)，由沉淀物質(zhì)和母液構(gòu)成的組合物可在沉淀后及進(jìn)一步加工前貯存一段時(shí)間。 例如，所述組合物可在1-40°C、例如20-25°C的溫度下貯存1-1000天或更長(zhǎng)、例如1_10天 或更長(zhǎng)的時(shí)間。然后可分離淤漿組分。實(shí)施方案可包括母液處理，其中所述母液可或可不存在于 作為制品的同一組合物中。例如，當(dāng)母液將被返回海洋時(shí)，可使母液與氣態(tài)co2源以足以提 高母液中存在的碳酸鹽離子的濃度的方式接觸。接觸可用任何合宜的方法進(jìn)行，例如上面 所描述的那些。在某些實(shí)施方案中，母液具有堿性PH，與C02源的接觸可以足以降低pH至 5-9、例如6-8. 5、包括7. 5-8. 2的范圍的方式進(jìn)行。在某些實(shí)施方案中，可使經(jīng)處理的鹽水 與例如如上所述C02源接觸以截存更多C02。例如，當(dāng)母液將被返回海洋時(shí)，可使母液與氣 態(tài)C02源以足以提高母液中存在的碳酸鹽離子的濃度的方式接觸。接觸可用任何合宜的方 法進(jìn)行，例如上面所描述的那些。在某些實(shí)施方案中，母液具有堿性PH，與C02源的接觸可 以足以降低PH至5-9、例如6-8. 5、包括7. 5-8. 2的范圍的方式進(jìn)行。所得反應(yīng)母液可用任何合宜的方法處置。在某些實(shí)施方案中，其可被送到尾礦池 以進(jìn)行處置。在某些實(shí)施方案中，其可在天然存在的水體如海、洋、湖泊或河流中處置。在某 些實(shí)施方案中，母液被返回本發(fā)明的方法的給水源如洋或海?；蛘?，母液可被進(jìn)一步處理， 例如經(jīng)受脫鹽程序，這在美國(guó)專利申請(qǐng)12/163，205中有進(jìn)一步描述，其公開通過引用結(jié)合 到本文中。在某些實(shí)施方案中，在產(chǎn)生沉淀物質(zhì)(如C02截存組分)后，可將所得物質(zhì)與母液 分離以產(chǎn)生分離的沉淀物質(zhì)(如co2截存制品)。沉淀物質(zhì)(如co2截存組分)的分離可 用任何合宜的方法達(dá)到，包括機(jī)械方法，例如其中大量過量的水通過例如或重力自身或施 加真空機(jī)械擠壓從沉淀物質(zhì)排出、通過從母液過濾沉淀物質(zhì)來(lái)產(chǎn)生濾液等。在某些實(shí)施方 案中，大量水的分離將產(chǎn)生濕的脫水沉淀物質(zhì)。所得脫水沉淀物質(zhì)可然后根據(jù)需要干燥以產(chǎn)生干燥的制品。干燥可通過空氣干燥 濕的沉淀物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)濕的沉淀物質(zhì)經(jīng)空氣干燥時(shí)，空氣干燥可在室溫或高溫下進(jìn)行。 在另一實(shí)施方案中，濕的沉淀物質(zhì)可經(jīng)噴霧干燥以干燥沉淀物質(zhì)，其中含沉淀物質(zhì)的液體通過提供流過的熱氣(如來(lái)自發(fā)電廠的氣態(tài)廢物流)而干燥，例如其中液體進(jìn)料被泵送經(jīng) 霧化器進(jìn)入主干燥室中而熱氣作為霧化器方向的順流或逆流通過。根據(jù)系統(tǒng)的特定干燥方 法，干燥站可含過濾元件、冷凍干燥結(jié)構(gòu)、噴霧干燥結(jié)構(gòu)等。需要時(shí)，脫水沉淀物質(zhì)制品可在 干燥前經(jīng)洗滌。沉淀物質(zhì)可用淡水洗滌以例如從脫水沉淀物質(zhì)中除去鹽(如NaCl)。在某些實(shí)施方案中，在隨后的使用之前可以一定方式精制(即加工)沉淀物質(zhì)。精 制可包括多種不同的方法。在某些實(shí)施方案中，產(chǎn)物可經(jīng)受機(jī)械精制如研磨以獲得具有所 需物理性質(zhì)如粒徑等的制品。在一些實(shí)施方案中，產(chǎn)物可用作“輔助膠凝材料”(SCM)。SCMs為盡管其自身可以 是或可以不是水硬膠凝性的但將在一定程度上與水硬水泥組合物如波特蘭水泥反應(yīng)產(chǎn)生 硬化材料的那些材料。用于波特蘭水泥組合物中的普通SCMs的實(shí)例包括粉煤灰和磨細(xì)粒 化高爐礦渣。在某些實(shí)施方案中，產(chǎn)物可用來(lái)產(chǎn)生骨料。所得沉淀物質(zhì)可然后經(jīng)或不經(jīng)干燥粉 末而制備為骨料。在干燥過程產(chǎn)生所需尺寸的顆粒的某些實(shí)施方案中，為產(chǎn)生骨料，基本不 (如果有的話)需要額外的工作。而在另外的實(shí)施方案中，可對(duì)沉淀物質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步加工 以產(chǎn)生所需的骨料。例如，如上面所提到的，可將沉淀物質(zhì)與淡水以足以使沉淀物質(zhì)形成固 體產(chǎn)物的方式組合，其中沉淀物質(zhì)中存在的亞穩(wěn)碳酸鹽化合物已轉(zhuǎn)化為在淡水中穩(wěn)定的形 式。通過控制濕料的含水量，可控制最終骨料的孔隙度及最終強(qiáng)度和密度。通常，濕餅將含 40-60%體積的水。對(duì)于較致密的骨料，濕餅將含< 50%的水，對(duì)于較不致密的餅，濕餅將 含> 50%的水。硬化后，所得固體產(chǎn)物可然后經(jīng)機(jī)械加工如壓碎或以其他方式打碎并貯存 以產(chǎn)生具有所需特征如尺寸、特定形狀等的骨料。在這些過程中，凝固和機(jī)械加工步驟可以 基本連續(xù)的方式或在分離的時(shí)間里進(jìn)行。在某些實(shí)施方案中，可將大量的沉淀物質(zhì)貯存在 其中沉淀物質(zhì)將暴露于大氣的開放環(huán)境中。對(duì)于凝固步驟，可以合宜的方式對(duì)沉淀物質(zhì)澆 灌淡水，或可讓其自然淋雨以產(chǎn)生凝固產(chǎn)物。凝固產(chǎn)物可然后如上所述經(jīng)機(jī)械加工。在沉 淀物質(zhì)產(chǎn)生后，可加工沉淀物質(zhì)以產(chǎn)生所需骨料。在一些實(shí)施方案中，沉淀物質(zhì)可被留在戶 外，在這里，雨水可用作淡水源以發(fā)生大氣水穩(wěn)定化反應(yīng)，從而使沉淀物質(zhì)硬化形成骨料。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的實(shí)例中，沉淀物質(zhì)可用帶式輸送機(jī)和平路機(jī)以均勻的 方式機(jī)械鋪展到夯實(shí)的地面上至所關(guān)心的深度如高至十二英寸，例如1-12英寸，包括6-12 英寸。然后可以合宜的比率如半加侖水每立方英尺沉淀物質(zhì)的比率對(duì)鋪展物質(zhì)澆灌淡水。 然后可用鋼輪壓路機(jī)如浙青夯實(shí)中用到的那些多次夯實(shí)?？擅恐茉俅螡补啾砻嬷敝敛牧铣?現(xiàn)所需的化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，此時(shí)可通過壓碎將材料機(jī)械加工成骨料。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案的實(shí)例中，碳酸鹽化合物沉淀物質(zhì)可在與母液分開后用 淡水洗滌，然后置于壓濾機(jī)中產(chǎn)生含30-60%固體的濾餅。該濾餅可然后用任何合宜的措 施如液壓機(jī)于例如5-lOOOpsi、如l-200psi的足夠壓力下在模具中機(jī)械擠壓以產(chǎn)生成型固 體如長(zhǎng)方形磚。所得這些固體可然后通過例如置于外面貯存、通過置于經(jīng)受高濕度和熱度 的室內(nèi)等硬化。所得這些硬化固體可然后用作建筑材料自身或壓碎以產(chǎn)生骨料。這樣的骨 料、其制造方法及用途在2008年5月29日提交的同時(shí)待審的美國(guó)專利申請(qǐng)61/056，972中 有進(jìn)一步描述，其公開通過引用結(jié)合到本文中。圖1給出了產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的碳酸鹽/碳酸氫鹽(如C02截存組 分)的方法的示意性流程圖。在圖1中，來(lái)自二價(jià)陽(yáng)離子源110的二價(jià)陽(yáng)離子在沉淀步驟120處經(jīng)受碳酸鹽化合物沉淀?xiàng)l件。如上所述，咸水指若干不同類型的非淡水水流體中的任 一種，包括微咸水、海水和鹽水(包括人造鹽水如地?zé)釓S廢水、脫鹽廢水等)以及其他鹽度 高于淡水的咸水。本發(fā)明的水泥的碳酸鹽化合物組合物可源自的咸水源可為天然存在的源 如海、洋、湖泊、沼澤、河口、瀉湖等或人造源。在某些實(shí)施方案中，水可自也提供氣態(tài)廢物流的發(fā)電廠獲得。例如，在水冷發(fā)電 廠如海水冷卻發(fā)電廠中，已為發(fā)電廠所用的水可然后被送到沉淀系統(tǒng)并用作沉淀反應(yīng)中的 水。在某些這些實(shí)施方案中，所述水可在進(jìn)入沉淀反應(yīng)器之前經(jīng)冷卻。在圖1所示實(shí)施方案中，來(lái)自二價(jià)陽(yáng)離子源110的二價(jià)陽(yáng)離子溶液首先被充以C02 而產(chǎn)生充入了 co2的水，該C02然后經(jīng)受碳酸鹽化合物沉淀?xiàng)l件。如圖1中所示，含co2的 氣態(tài)流130與二價(jià)陽(yáng)離子的溶液在沉淀步驟120處接觸。所提供的氣態(tài)流130與適宜的含 二價(jià)陽(yáng)離子的溶液在沉淀步驟120處接觸而產(chǎn)生充入了 C02的水。充入了 C02的水為已與 C02氣體接觸的水，其中C02分子已與水分子化合產(chǎn)生例如碳酸、碳酸氫鹽和碳酸鹽離子。該 步驟中對(duì)水充氣導(dǎo)致水的“C02含量”(以例如碳酸、碳酸氫鹽和碳酸鹽離子的形式)的提高 及與水接觸的廢物流的pC02的相伴減小。所述充入了 C02的水可能是酸性的，pH為6或更 低，例如5或更低，包括4或更低。在某些實(shí)施方案中，用來(lái)對(duì)水充氣的氣體的C02濃度可為 10 %或更高、25 %或更高、包括50 %或更高、例如75 %或甚至更高。所關(guān)心的接觸方法包括 但不限于直接接觸方法(如對(duì)所述體積的水鼓泡)、順流接觸途徑(即單向流動(dòng)的氣體與 液相流間接觸)、逆流途徑(即反向流動(dòng)的氣體與液相流間接觸)等。因此，接觸可根據(jù)合 宜性通過使用注入器、鼓泡器、流體文丘里反應(yīng)器、分布器、氣體過濾器、噴霧、塔板或填料 塔反應(yīng)器等實(shí)現(xiàn)。在沉淀步驟120處將沉淀出可能為無(wú)定形或結(jié)晶的碳酸鹽化合物。所關(guān)心的沉淀 條件包括改變水的物理環(huán)境以產(chǎn)生所需沉淀物質(zhì)的那些。例如，可將水的溫度升至適于發(fā) 生所需碳酸鹽化合物的沉淀的量。在這樣的實(shí)施方案中，可將水的溫度升至5-70°C的值， 例如20-50°C，包括25-45°C。因此，雖然所給沉淀?xiàng)l件的集合可具有0-100°C的溫度范圍， 但在某些實(shí)施方案中可升高溫度以產(chǎn)生所需的沉淀物質(zhì)。在某些實(shí)施方案中，溫度可用自 低或零二氧化碳排放的源如太陽(yáng)能源、風(fēng)能源、水電能源等產(chǎn)生的能量升高。雖然在既定的 沉淀過程中水的PH可在7-14范圍內(nèi)，但在某些實(shí)施方案中可按需將pH提升至堿性水平以 驅(qū)動(dòng)碳酸鹽化合物的沉淀。在某些這些實(shí)施方案中，可將PH提升至使沉淀過程中0)2氣體 的產(chǎn)生最小化(如果不是消除的話)的水平。在這些實(shí)施方案中，可將PH提升至10或更 高、例如11或更高。需要時(shí)，水的PH可用任何合宜的方法提升。在某些實(shí)施方案中可采用 PH-提高劑，其中這類試劑的實(shí)例包括氧化物、氫氧化物(如氫氧化鈉、氫氧化鉀、水鎂石)、 碳酸鹽(如碳酸鈉)等。加到咸水源中的PH-提升劑的量應(yīng)取決于試劑的具體性質(zhì)和被改 變的咸水的體積，并應(yīng)足以提升咸水源的PH至所需的值?；蛘?，咸水源的pH可通過水的電 解提高至所需水平。C02的充入和碳酸鹽化合物的沉淀可以連續(xù)的過程或分離的步驟進(jìn)行。因此，根據(jù) 本發(fā)明的某些實(shí)施方案，充入和沉淀可如圖1中所示在步驟120處于系統(tǒng)的同一反應(yīng)器中 進(jìn)行。而在本發(fā)明的其他實(shí)施方案中，這兩個(gè)步驟可在單獨(dú)的反應(yīng)器中進(jìn)行，以便水先在充 氣反應(yīng)器(即氣-液或氣-液-固接觸器)中被充以C02，所得充入了 C02的水然后在單獨(dú) 的反應(yīng)器中經(jīng)受沉淀?xiàng)l件。
在自所述水產(chǎn)生含碳酸鹽的沉淀物質(zhì)后，可如圖1中所示在步驟140處將所得沉 淀物質(zhì)(即所得0)2截存組分)與一些或全部母液分離以產(chǎn)生分離的沉淀物質(zhì)。沉淀物質(zhì) 的分離可用任何合宜的方法實(shí)現(xiàn)，包括機(jī)械方法，例如其中大量過量的水通過例如重力自 身或施加真空機(jī)械擠壓從沉淀物質(zhì)排出、通過過濾分離沉淀物質(zhì)與母液而產(chǎn)生濾液等。對(duì) 于本發(fā)明中可用的用于大量水去除的示例性系統(tǒng)和方法，參見2009年3月10日提交的美 國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/158，992、2009年4月9日提交的61/168，166、2009年4月16日提交的 61/170，086,2009 年 5 月 14 日提交的 61/178，475,2009 年 7 月 24 日提交的 61/228，210、 2009年7月30日提交的61/230，042和2009年9月2日提交的61/239，429，其各通過引 用結(jié)合到本文中。大量水的分離將產(chǎn)生濕的脫水沉淀物質(zhì)(即碳足跡減少的混凝土組合物 的脫水C02截存組分)。所得脫水沉淀物質(zhì)可直接使用，或所得脫水沉淀物質(zhì)可經(jīng)進(jìn)一步干燥。在一些實(shí) 施方案中，所得脫水沉淀物質(zhì)可直接使用。直接使用所得脫水沉淀物質(zhì)在需要一定量的水 的應(yīng)用中可能是合宜的。在非限制性的實(shí)例中，可將脫水沉淀物質(zhì)與普通波特蘭水泥混合， 其中脫水沉淀物質(zhì)提供水泥混合料的水化和澆筑所需的至少部分水。在一些實(shí)施方案中， 脫水沉淀物質(zhì)可含超過5%的水、超過10%的水、超過20%的水、超過30%的水、超過50% 的水、超過60 %的水、超過70 %的水、超過80 %的水、超過90 %的水、或超過95 %的水。在 一些實(shí)施方案中，脫水沉淀物質(zhì)將提供使用該脫水沉淀物質(zhì)的應(yīng)用所需的至少5%的水、至 少10%的水、至少20%的水、至少30%的水、至少40%的水、至少50%的水、至少60%的 水、至少70%的水、至少80%的水、至少90%的水、或至少95%的水。在一些實(shí)施方案中， 脫水沉淀物質(zhì)將提供使用該脫水沉淀物質(zhì)的應(yīng)用所需的全部水。例如，脫水沉淀物質(zhì)可提 供脫水沉淀物質(zhì)與普通波特蘭水泥的水泥混合料的水化和澆筑所需的全部水。例如，沉淀 物質(zhì)可以經(jīng)脫水以便脫水沉淀物質(zhì)包含近70%的水，例如66. 5%的水。然后可將沉淀物質(zhì) 的淤漿與普通波特蘭水泥混合以便所得水泥混合料包含80%的普通波特蘭水泥和20%的 沉淀物質(zhì)，其中水與水泥(即普通波特蘭水泥加沉淀物質(zhì))的比率為約40%。通過控制從 沉淀物質(zhì)移除的水的量，自沉淀物質(zhì)制得的材料(如碳足跡減少的混凝土)的碳足跡也將 得到控制，尤其是如果材料需要水的話?？紤]到這一點(diǎn)，本文中所述任何制品材料的低、中 性或負(fù)碳足跡可通過僅從沉淀物質(zhì)移除所需移除的量的水而進(jìn)一步減少。如上所述，所得脫水沉淀物質(zhì)也可如圖1中步驟160處所示經(jīng)干燥以產(chǎn)生制品。干 燥可通過空氣干燥濾液實(shí)現(xiàn)。當(dāng)濾液經(jīng)空氣干燥時(shí)，空氣干燥可在室溫或高溫下進(jìn)行。脫 水沉淀物質(zhì)可經(jīng)空氣干燥產(chǎn)生含低于50%的水、低于40%的水、低于30%的水、低于20% 的水、低于10%的水、或低于5%的水的沉淀物質(zhì)。例如，脫水沉淀物質(zhì)可經(jīng)空氣干燥產(chǎn)生 含30%或更少的水的沉淀物質(zhì)。這樣的沉淀物質(zhì)可在用或不用其他加工(如高剪切混合) 的情況下壓碎并與其他材料如普通波特蘭水泥組合產(chǎn)生包含水泥混合料的水化和澆筑所 需的部分水的水泥混合料。干燥也可通過噴霧干燥沉淀物質(zhì)實(shí)現(xiàn)，其中含沉淀物質(zhì)的液體 通過提供流過的熱氣(如來(lái)自發(fā)電廠的氣態(tài)廢物流)而干燥，例如其中液體進(jìn)料被泵送經(jīng) 霧化器進(jìn)入主干燥室中而熱氣作為霧化器方向的順流或逆流通過。取決于系統(tǒng)的特定干燥 方法，干燥站可含過濾元件、冷凍干燥結(jié)構(gòu)、噴霧干燥結(jié)構(gòu)等。需要時(shí)，來(lái)自液-固分離的脫水沉淀物質(zhì)可如圖1的任選步驟150處所示在干燥 前經(jīng)洗滌。沉淀物質(zhì)可用淡水洗滌以例如從脫水沉淀物質(zhì)中除去鹽(如NaCl)。用后的洗滌水可根據(jù)合宜性加以處置，例如在尾礦池中處置等。在步驟170處，經(jīng)干燥的沉淀物質(zhì)可任選經(jīng)精制以例如獲得所需的物理性質(zhì)如粒 徑、表面積等或向沉淀物質(zhì)中加入一種或多種組分如外加劑、骨料、輔助膠凝材料等以產(chǎn)生 最終制品80。圖4、5和6給出了制備0)2截存制品的方法的其他實(shí)施方案的示意圖。在圖6中， co2源直接來(lái)自發(fā)電廠煙道氣?？蓪煹罋馊芙庠诤Ｋ?，從而提取co2、s0)^nN0x氣體以 排放出潔凈空氣。當(dāng)溶解時(shí)，C02將轉(zhuǎn)化為碳酸并與海水中的二價(jià)陽(yáng)離子(如Ca2+、Mg2+)形 成碳酸鹽而產(chǎn)生SCM和骨料，同時(shí)NO、* S0X也被中和和截存?？尚纬刹婌F干燥含碳酸 鹽(如碳酸鈣和/或碳酸鎂)的淤漿以產(chǎn)生所需粒徑。過程包括精密控制氯化鈉(以避免 對(duì)鋼筋的腐蝕作用)及產(chǎn)生潔凈空氣和因硬度降低(如鈣和鎂的濃度降低)而可更易于脫 鹽的潔凈水。雖然鎂被視為混凝土中不希望有的，但此MgC03形式比通常避免的氫氧化鎂 (Mg(0H)2)更類似于 CaC03。在某些實(shí)施方案中，可采用系統(tǒng)如圖2的系統(tǒng)200來(lái)執(zhí)行上述方法。圖2的系統(tǒng) 200包含含C02的氣體源230 (如來(lái)自燃煤發(fā)電廠的煙道氣)。該系統(tǒng)還含輸送結(jié)構(gòu)如管、 導(dǎo)管或管道，其將含C02的氣體從含C02的氣體源230引導(dǎo)向處理器220。圖2中還示出了 含二價(jià)陽(yáng)離子的溶液源210 (如水體、含二價(jià)陽(yáng)離子的溶液槽等)。在一些實(shí)施方案中，含二 價(jià)陽(yáng)離子的溶液源210含輸送結(jié)構(gòu)如管、導(dǎo)管或管道，其將含二價(jià)陽(yáng)離子的溶液(如含堿土 金屬離子的水溶液)引導(dǎo)向處理器(220)。在含二價(jià)陽(yáng)離子的溶液源為海水時(shí)，輸送結(jié)構(gòu)與 海水源流體連通(例如，輸入為從海水到陸上系統(tǒng)的管線或進(jìn)給，或輸入為海上系統(tǒng)中船 體中的入口)。提供給處理器或其部件(如氣-液接觸器、氣-液-固接觸器等)的二價(jià)陽(yáng)離子水 溶液可通過再循環(huán)泵再循環(huán)以便含C02的氣體(如包含C02、S0X、N0X、金屬和含金屬的化合 物、粒狀物質(zhì)等)的吸收在處理器內(nèi)的氣-液接觸器或氣-液-固接觸器內(nèi)得到優(yōu)化。有 或沒有再循環(huán)時(shí)，本發(fā)明的處理器或其部件(如氣-液接觸器、氣-液-固接觸器等)可實(shí) 現(xiàn)含C02的氣體中至少25%、50%、70%或90%的C02的溶解。其他氣體(如S0X)的溶解 可能甚至更高，例如至少95%、98%或99%。提供含0)2的氣體的最佳吸收的其他參數(shù)包括 0. 1-30、1-20、3-20或5-2001^的比表面積；0. 05-2,0. 1-1,0. 1-0. 5 或 0. 1-0. 3cm/s 的液體 側(cè)傳質(zhì)系數(shù)(KL)；和0. 01-10,0. 1-8,0. 3-6或0. 6-4. 0s—1的體積傳質(zhì)系數(shù)。在一些 實(shí)施方案中，二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液對(duì)含C02的氣體的吸收將使至少部分沉淀物質(zhì)在氣-液 接觸器中沉淀。在一些實(shí)施方案中，沉淀主要在處理器的沉淀器中發(fā)生。處理器在提供使 沉淀物質(zhì)沉淀的結(jié)構(gòu)的同時(shí)還可提供初步沉降措施(即處理器可充當(dāng)沉降罐)。無(wú)論提供 沉降與否，處理器均可向脫水進(jìn)給泵提供沉淀物質(zhì)的淤漿，脫水進(jìn)給泵再將沉淀物質(zhì)的淤 漿提供給液_固分離器，沉淀物質(zhì)和沉淀反應(yīng)混合物將在液_固分離器處得到分離。處理器220可還含大量不同部件中的任一種，包括但不限于溫度調(diào)節(jié)器(如配置 以加熱沉淀反應(yīng)混合物至所需溫度)、化學(xué)添加劑組分(如以引入質(zhì)子去除化學(xué)劑如氫氧 化物、金屬氧化物或粉煤灰)、電化學(xué)部件(如陰極/陽(yáng)極)、機(jī)械攪動(dòng)和/或物理攪拌機(jī)械 裝置的部件、和用于使工廠煙道氣再循環(huán)通過沉淀裝置的部件。處理器220可還含配置以 監(jiān)測(cè)一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的部件，所述參數(shù)包括但不限于反應(yīng)器內(nèi)部壓力、PH、沉淀物質(zhì)粒徑、 金屬離子濃度、傳導(dǎo)率、堿度和pC02。處理器220可與整個(gè)沉淀裝置一致地以間歇方式、半
32間歇方式或連續(xù)地運(yùn)行。處理器220還含用于包含沉淀物質(zhì)的淤漿或分離出的上清液的輸出傳送裝置。在 一些實(shí)施方案中，輸出傳送裝置可配置以向尾礦池(以便處置)或天然存在的水體如洋、 海、湖泊或河流輸送淤漿或上清液。在其他實(shí)施方案中，系統(tǒng)可配置為通過沉淀系統(tǒng)和工廠 間的管線使所述淤漿或上清液可用作工廠的冷卻劑。在某些實(shí)施方案中，沉淀裝置可與脫 鹽裝置布置在同一地點(diǎn)，以便來(lái)自沉淀裝置的輸出水用作脫鹽裝置的輸入水。系統(tǒng)可含傳 送裝置(如導(dǎo)管)，經(jīng)由這樣的傳送裝置，輸出水(如淤漿或上清液)可被直接泵送到脫鹽 裝置中。圖2中所示系統(tǒng)還含液-固分離器240以將沉淀物質(zhì)從沉淀反應(yīng)混合物中分離開 來(lái)。液_固分離器可通過排水(例如沉淀物質(zhì)的重力沉降后排水)、傾析、過濾(如重力過 濾、真空過濾、使用強(qiáng)制空氣過濾)、離心、擠壓或其任意組合實(shí)現(xiàn)沉淀物質(zhì)從沉淀反應(yīng)混合 物的分離。至少一個(gè)液-固分離器與處理器有效連接，以便沉淀反應(yīng)混合物可自處理器流 向液-固分離器?？梢匀我獠贾?如平行、串聯(lián)或其組合)組合地使用任何許多不同的液 固分離器中，沉淀反應(yīng)混合物可直接流向液_固分離器或沉淀反應(yīng)混合物可經(jīng)預(yù)處理。系統(tǒng)200還含洗滌器(250)，來(lái)自液固分離器240的大量脫水沉淀物質(zhì)在干燥 站(例如干燥器260)處干燥前先在這里得到洗滌(例如以從沉淀物質(zhì)中除去鹽和其他溶 質(zhì))。系統(tǒng)可還含干燥器260以干燥處理器中產(chǎn)生的包含碳酸鹽(如碳酸鈣、碳酸鎂)、 碳酸氫鹽或其組合的沉淀物質(zhì)。根據(jù)特定的系統(tǒng)，干燥器可含過濾元件、冷凍干燥結(jié)構(gòu)、噴 霧干燥結(jié)構(gòu)等。系統(tǒng)可含連接工廠與干燥器的傳送器(如導(dǎo)管)以便可使含co2的氣體(如 工廠煙道氣)在干燥階段中與濕的沉淀物質(zhì)直接接觸。經(jīng)干燥的沉淀物質(zhì)可在精制站270處經(jīng)進(jìn)一步加工(如研磨、銑磨)以獲得所需 物理性質(zhì)。如果沉淀物質(zhì)將用作建筑材料的話，可在精制過程中向沉淀物質(zhì)中加入一種或 多種組分。系統(tǒng)還含配置以從如下之一者或多者移除沉淀物質(zhì)的出口傳送器(如傳送帶、淤 漿泵)處理器、干燥器、洗滌器或精制站。如上所述，沉淀物質(zhì)可以多種不同的方式處置。 可在空的運(yùn)輸車輛(如駁船、火車車廂、卡車等)中將沉淀物質(zhì)輸送到長(zhǎng)期貯存點(diǎn)，長(zhǎng)期貯 存點(diǎn)可包括地上和地下設(shè)施。在其他實(shí)施方案中，沉淀物質(zhì)可在水下位置中處置?？蓪⒊?淀物質(zhì)輸送到處置點(diǎn)的任何合宜的傳送結(jié)構(gòu)均可采用。在某些實(shí)施方案中，可采用管線或 類似的淤漿傳送結(jié)構(gòu)，其中這些結(jié)構(gòu)可含用于主動(dòng)泵送、重力介導(dǎo)流動(dòng)等的單元。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)，本文中所述系統(tǒng)和方法的流率、傳質(zhì)和傳熱可不同并可 優(yōu)化，且發(fā)電廠寄生負(fù)荷可降低而同時(shí)碳截存得到最大化?？赡探M合物本發(fā)明的其他方面涉及含本發(fā)明的碳足跡減少的混凝土組合物與水的組合的可 凝固組合物。本發(fā)明的可凝固組合物可通過同時(shí)合并混凝土組合物和水或通過預(yù)先合并混 凝土和骨料、然后合并所得干組分與水來(lái)產(chǎn)生。干組分可與之合并而產(chǎn)生可凝固組合物如混凝土的液相如水流體可不同并可根 據(jù)需要為純水或含一種或多種溶質(zhì)、添加劑、共溶劑等的水。干組分與可凝固組合物的 制備中所合并的液相的比率可不同，在某些實(shí)施方案中在2 10-7 10范圍內(nèi)，例如3 10-6 10，包括 4 10-6 10。當(dāng)前的水泥標(biāo)準(zhǔn)如ASTM C150允許在波特蘭水泥制造中用細(xì)磨石灰石代替部分熟 料。在ASTM C150情形下，最大許可百分?jǐn)?shù)為5%。在一些歐洲標(biāo)準(zhǔn)中，在制備波特蘭水泥 中以石灰石作為熟料的替代品的許可百分?jǐn)?shù)要高些，常為10%但有時(shí)高達(dá)30%。在這些情 況下，石灰石可單獨(dú)磨細(xì)并與波特蘭水泥拌合，但石灰石骨料也可在球磨階段加到熟料中 并與熟料和少量石膏相互研磨產(chǎn)生波特蘭水泥。來(lái)自碳截存沉淀反應(yīng)的碳酸鈣添加劑而非天然采出的石灰石的使用對(duì)水泥制 造者有若干好處。假設(shè)用所述沉淀物質(zhì)代替5%的熟料，則所得混凝土的碳足跡可減少 7. 2 %，而在使用細(xì)磨石灰石時(shí)，碳足跡可僅減少5 %或更少?？紤]到波特蘭水泥工業(yè)面臨的 減少碳足跡的壓力，比使用采出的石灰石多減少的這2. 2%的碳足跡具有相當(dāng)大的價(jià)值。使用沉淀碳酸鈣作為熟料替代品的另一好處在于其通常比采出的石灰石更純凈。 在許多情況下，因雜質(zhì)降低所得波特蘭水泥的性質(zhì)，故石灰石中的雜質(zhì)將限制該石灰石的 用量至低于最大許可量。在某些波特蘭水泥廠中，使用當(dāng)?shù)夭沙龅氖沂哪芰ο拗朴诨?許2.0%。以5%的量采用碳截存沉淀碳酸鈣將帶來(lái)碳足跡減少5. 2% (2.0%到7. 2%)的 改進(jìn)。使用碳截存沉淀碳酸鈣所帶來(lái)的波特蘭水泥碳足跡的減少還具有因碳信用 (carbon credit)而潛在地產(chǎn)生附加收入的好處。因?yàn)樗硬牧?即便其為采出的石灰石) 將減少使用的熟料的量，故有因水泥廠減排而獲得碳信用的可能。沉淀物質(zhì)中截存的0)2可 用于提高因熟料減少而可得到的碳信用的量和值。實(shí)用性本發(fā)明的混凝土及含本發(fā)明的混凝土的可凝固組合物可用于多種不同的應(yīng)用中， 特別是作為建筑或結(jié)構(gòu)材料。本發(fā)明的可凝固組合物可用于的特定結(jié)構(gòu)包括但不限于路 面、建筑結(jié)構(gòu)(如建筑物、地基、汽車道/道路、立交橋、停車場(chǎng)、磚/塊墻)和門、柵欄和立 柱、橋、地基、提、壩的立足處。本發(fā)明的灰漿可用于將結(jié)構(gòu)砌塊如磚砌合在一起及填充結(jié)構(gòu) 砌塊間的間隙?；覞{還可用來(lái)修補(bǔ)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，例如以代替其中原來(lái)的灰漿已受損或受蝕的 部分等用途。本發(fā)明的實(shí)施方案可用于減少建造建筑物及然后使用建筑物中生成的C02的量。 具體而言，本發(fā)明的方法可減少建筑材料如混凝土的生產(chǎn)中co2的生成。此外，本發(fā)明的方 法可減少發(fā)電中co2的排放，這將在其使用期限內(nèi)減少與使用建筑物相關(guān)的co2排放。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可用于C02截存，特別是通過截存在建筑環(huán)境中。截存C02包 括從氣態(tài)流如氣態(tài)廢物流移除或隔離co2并將其固定到穩(wěn)定的非氣態(tài)形式中以便co2不能 逃逸進(jìn)大氣中。co2截存包括將co2置于貯存穩(wěn)定的形式中，例如建筑環(huán)境的部件如建筑物、 道路、壩、提、地基等。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法的co2截存將防止co2氣體進(jìn)入大氣而以co2 不變?yōu)榇髿獾囊徊糠值姆绞介L(zhǎng)期貯存co2。貯存穩(wěn)定的形式指可在暴露的條件下(即暴露 于大氣、地下水環(huán)境等)貯存在地上或水下達(dá)較長(zhǎng)時(shí)間如1年或更長(zhǎng)、5年或更長(zhǎng)、10年或 更長(zhǎng)、25年或更長(zhǎng)、50年或更長(zhǎng)、100年或更長(zhǎng)、250年或更長(zhǎng)、1000年或更長(zhǎng)、10，000年或 更長(zhǎng)、1，000，000年或更長(zhǎng)、或甚至100，000，000年或更長(zhǎng)而無(wú)顯著的(如果有的話)降解 的物質(zhì)形式。隨著貯存穩(wěn)定的形式在貯存過程中發(fā)生少許(如果有的話)降解，以自制品 釋放的0)2氣體量度的降解(如果有的話)的量將不超過5%/年，在某些實(shí)施方案中將不超過/年。地上貯存穩(wěn)定的形式可以是在各種不同的環(huán)境條件如-100°C到600°C的 溫度、0-100%的濕度下貯存穩(wěn)定的，其中所述條件可以是平和的、多風(fēng)的、狂暴的或多風(fēng)暴 的。類似地，水下貯存穩(wěn)定的形式對(duì)水下環(huán)境條件穩(wěn)定。本發(fā)明的方法的實(shí)施方案可用來(lái) 捕獲工業(yè)過程如發(fā)電、水泥生產(chǎn)、化學(xué)生產(chǎn)、造紙及鋼廠等的所有廢C02。下面的實(shí)施例為向本領(lǐng)域技術(shù)人員提供關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)和使用本發(fā)明的完整公開 和描述而給出，而非意在限制本發(fā)明的范圍或意在表示下面的實(shí)施方案為所進(jìn)行的所有或 唯一實(shí)驗(yàn)。已努力確保所用數(shù)值(如量、溫度等)的精確性，但應(yīng)考慮到一定的實(shí)驗(yàn)誤差和 偏差。本文中提及的所有實(shí)施例及條件性語(yǔ)言主要意在幫助讀者理解本發(fā)明的原理及 本發(fā)明人為促進(jìn)本領(lǐng)域的發(fā)展所提出的概念，并應(yīng)理解為不限于這類具體提及的實(shí)施例和 條件。此外，本文中提及本發(fā)明的原理、方面和實(shí)施方案以及其具體實(shí)例的所有陳述意在涵 蓋其結(jié)構(gòu)和功能等價(jià)物。另外，這類等價(jià)物意在包括目前已知的等價(jià)物和未來(lái)發(fā)展的等價(jià) 物即發(fā)展出的實(shí)現(xiàn)相同功能的任何元件而不管結(jié)構(gòu)如何。本發(fā)明的范圍因此不限于本文中 所示及所述的示例性實(shí)施方案，因?yàn)檫@類實(shí)施方案僅作為實(shí)例給出。確實(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員 可能想到數(shù)值變化、改變和替代而不偏離本發(fā)明的范圍。下面的權(quán)利要求意在限定本發(fā)明 的范圍且這些權(quán)利要求的范圍內(nèi)的方法和結(jié)構(gòu)及其等價(jià)物由此涵蓋。實(shí)施例I.碳足跡減少的混凝土組合物的組分A.輔助膠凝礦物外加劑(SCMA)輔助膠凝礦物外加劑(SCMA)為常規(guī)SCMs的部分或完全替代物，其可與波特蘭水 泥拌合以顯著減少混凝土的碳足跡，同時(shí)提高混凝土的品質(zhì)、強(qiáng)度和耐久性。SCMA為反應(yīng) 性外加劑，其可替代大體積的水泥或粉煤灰，使耐久性增加而無(wú)例如早期強(qiáng)度損失的問題。 SCMA可如美國(guó)專利申請(qǐng)12/126，776以及美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/088，347和61/101，626中 所述制備；其各通過引用結(jié)合到本文中。i.FTIRFTIR使用激光激發(fā)和測(cè)定材料中鍵的振動(dòng)。使用這種方法可了解材料中存在的化 合物。圖7中示出了普通波特蘭水泥漿(0PC)和含20%的SCMA與80%的0PC的混合漿之 間未水化和水化(在7天時(shí))的比較。雖然不盡相同，但SCMA可以是許多制品的基礎(chǔ)和構(gòu) 件并代表所有制品的基本化學(xué)組成。在上圖中，中心位于1450cm—1的大帶表明了 SCMA中碳 酸鹽的大量存在。3694CHT1和2513CHT1處的峰表明了 SCMA的水化。對(duì)于水化的拌合SCMA， 可以看到858CHT1處的峰減小，872CHT1處的峰變銳，且712cm—1處的坡度也變銳。這些振動(dòng) 模式位置與方解石的形成相符。在水泥混合料中，上面提到的2342CHT1處的峰不再存在， 這是制品再水化時(shí)預(yù)期將發(fā)生的情況。存在對(duì)應(yīng)于Mg(0H)2&0H伸縮振動(dòng)峰(3694CHT1)， 但與0PC的水化相比，Ca(0H)2的形成(3644CHT1處的峰)看起來(lái)被抑制。對(duì)于水化的0PC， 由于水泥的碳化，故可在1481cm—1和1426cm—1處觀察到明顯的CO:振動(dòng)模式。Ca(0H)2在 3644cm—1處具有大峰，其也對(duì)應(yīng)于0H伸縮振動(dòng)。ii.XRDXRD以不同的角度散射X-射線束來(lái)測(cè)定樣品的反射。反射將返回指紋而可識(shí)別特 定的化合物。從XRD (參見圖8和圖9)可對(duì)水化0PC和拌合SCMA作大量觀察
0PC和拌合SCMA中均存在鈣礬石和羥鈣石。
SCMA中存在方解石，而所形成的羥鈣石的量顯著降低20%。
7天后，SCMA表現(xiàn)出少許或沒有巖鹽(NaCl)或水鎂石的跡象，這滿足關(guān)于氯化 鈉控制的ACI 318標(biāo)準(zhǔn)。
SCMA給出方解石中的Mg耗盡的證據(jù)。
SCMA中的硅酸鈣相看起來(lái)也消耗較快。iii.SEM 圖像SEM圖像(圖10)表明水化0PC和拌合SCMA漿均具有與針狀鈣礬石相似的形態(tài)并 在水泥顆粒表面上形成C-S-H。iv. X-射線熒光光譜(XRF)
權(quán)利要求
一種方法，所述方法包括a)自含二價(jià)陽(yáng)離子的溶液和包含CO2的工業(yè)廢氣產(chǎn)生合成的碳酸鹽組分，和b)向碳足跡減少的混凝土組合物中引入所述合成的碳酸鹽組分，其中所述碳足跡減少的混凝土組合物相對(duì)于普通混凝土組合物具有減少的碳足跡。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述碳足跡減少的混凝土組合物比普通混凝土組合物的碳 足跡少。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述碳足跡減少的混凝土組合物具有的碳足跡低于普通混 凝土組合物的75%。
4.權(quán)利要求3的方法，其中所述碳足跡減少的混凝土組合物具有的碳足跡低于普通混 凝土組合物的50%。
5.權(quán)利要求3的方法，其中所述碳足跡減少的混凝土組合物具有的碳足跡低于普通混 凝土組合物的25%。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述碳足跡減少的混凝土組合物具有中性碳足跡。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述碳足跡減少的混凝土組合物具有負(fù)碳足跡。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的方法，其中所述碳足跡減少的混凝土組合物的碳足跡的減少 是二氧化碳被截存和二氧化碳被避免的結(jié)果。
9.7的方法，其中所述負(fù)碳足跡低于0磅C02/yd3所述碳足跡減少的混凝土組合物。
10.7的方法，其中所述負(fù)碳足跡低于250磅C02/yd3所述碳足跡減少的混凝土組合物。
11.7的方法，其中所述負(fù)碳足跡低于500磅C02/yd3所述碳足跡減少的混凝土組合物。
12.7的方法，其中所述負(fù)碳足跡低于1000磅C02/yd3所述碳足跡減少的混凝土組合物。
13.權(quán)利要求1的方法，其中所述合成的碳酸鹽組分為輔助膠凝材料、細(xì)骨料、粗骨料 或活性火山灰質(zhì)材料。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述合成的碳酸鹽組分為霰石、水碳鎂石、水菱鎂礦、單 水方解石或其組合。
15.權(quán)利要求14的方法，其中所述合成的碳酸鹽組分為霰石和水菱鎂礦的組合。
16.權(quán)利要求14的方法，其中所述合成的碳酸鹽組分為霰石和水碳鎂石的組合。
17.權(quán)利要求14的方法，其中所述合成的碳酸鹽組分為水碳鎂石和單水方解石的組I=I O
18.權(quán)利要求14的方法，其中所述合成的碳酸鹽組分的δ13C低于-10%。。
19.權(quán)利要求14的方法，其中所述合成的碳酸鹽組分的δ13C低于-20%。。
20.權(quán)利要求14的方法，其中所述合成的碳酸鹽組分的δ13C低于-30%。。
21.一種通過權(quán)利要求1的方法產(chǎn)生的碳足跡減少的組合物。
22.—種組合物，所述組合物包含2. 5% -50%的鈣、2. 5% -50%的鎂和至少25%的碳 酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物。
23.權(quán)利要求22的組合物，其中所述組合物包含2.5% -25%的鈣。
24.權(quán)利要求23的組合物，其中所述組合物包含5%-10%的鈣。
25.權(quán)利要求22的組合物，其中所述組合物包含5%-30%的鎂。
26.權(quán)利要求25的組合物，其中所述組合物包含10%-30%的鎂。
27.權(quán)利要求22的組合物，其中所述組合物包含至少50%的碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物。
28.權(quán)利要求27的組合物，其中所述組合物包含至少75%的碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混 合物。
29.權(quán)利要求22的組合物,其中所述組合物包含霰石、水碳鎂石、水菱鎂礦、單水方解 石或其組合。
30.權(quán)利要求29的組合物，其中所述組合物包含霰石和水菱鎂礦的組合。
31.權(quán)利要求29的組合物，其中所述組合物包含霰石和水碳鎂石的組合。
32.權(quán)利要求29的組合物，其中所述組合物包含水碳鎂石和單水方解石的組合。
全文摘要
本發(fā)明提供了碳足跡減少的混凝土組合物及其制備和使用方法。所述碳足跡減少的混凝土組合物的方面包括CO2截存碳酸鹽化合物，其可存在于所述混凝土的水硬水泥和/或骨料組分中。所述碳足跡減少的混凝土組合物可用于多種應(yīng)用中，包括用在多種建筑材料和建筑應(yīng)用中。
文檔編號(hào)C04B7/00GK101939269SQ200980101147
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2009年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月22日
發(fā)明者A·揚(yáng)斯, B·R·康斯坦茨, T·霍蘭德 申請(qǐng)人:卡勒拉公司