碳足迹减少的混凝土组合物的制作方法

专利名称：碳足迹减少的混凝土组合物的制作方法
碳足迹减少的混凝土组合物交叉引用本申请为2009 年 9 月 30 日提交的名为"CO2-Sequestering FormedBuilding Materials”的美国专利申请12/571，398的部分继续申请，其要求保护2008年9月30日提 交的名为“C02 Sequestration”的美国临时专利申请61/101，631、2008年10月31日提交的 名为"CO2-SequestrationFormed Building Materials，，的美国临时专利申请 61/110，489、 2009 年2 月 3 日提交的名为"CO2-Sequestration Formed Building Materials” 的 美国临时专利申请61/149，610及2009年9月25日提交的名为"CO2-Sequestration Formed Building Materials”的美国临时专利申请61/246，042的权益，其各通过引用 结合到本文中并对其各自要求享有优先权。本申请还要求2008年10月22日提交的名 为 “Low-CarbonFootprint Carbon Compositions” 的美国临时专利申请 61/107，645、 2008 年 11 月 19 日提交的名为“Low-Carbon Footprint Carbon Compositions” 的美 国临时专利申请61/116，141、2008年11月24日提交的名为“Low-Carbon Footprint Carbon Compositions”的美国临时专利申请61/117，542、2009年1月29日提交的名为 "Low-Carbon Footprint CarbonCompositions” 的美国临时专利申请 61/148，353,2009 年 2月3日提交的名为“Low-Carbon Footprint Carbon Compositions”的美国临时专利申请 61/149，640、2009 年 7 月 15 日提交的名为“Low-Carbon FootprintCarbon Compositions，， 的美国临时专利申请61/225，880、2009年8月14日提交的名为“Methods and Systems for Treating Industrial Waste”的美国临时专利申请61/234，251的权益，其各通过引用结合 到本文中并对其各自要求享有优先权。
背景技术：
混凝土是世界上使用最广泛的工程材料。据估计，目前全世界的混凝土消耗 量为每年 110 亿公吨(Concrete, Microstructure, Propertiesand Materials (2006, McGraw-Hill))。混凝土这一术语是指胶结介质(binding medium)和埋在其中的骨料颗粒 或碎片的复合材料。在目前采用的大多数结构混凝土中，胶结介质由水硬水泥和水的混合 物形成。如今采用的大多数水硬水泥基于的是波特兰水泥。波特兰水泥主要由石灰石、某 些粘土矿物和石膏在驱除二氧化碳并使主要成分以化学方式结合成新化合物的高温过程 中制成。烧制所述混合物所需的能量为每产生1吨水泥消耗约4GJ。由于水泥制造过程自身及产生动力以运行所述制造过程的能源厂均生成二氧化 碳，故水泥制造目前是当前二氧化碳大气排放最主要来源。据估计，水泥厂排放的二氧化碳 占到二氧化碳全球排放量的5%。随着全球变暖和海洋酸化问题的日益突出及减少二氧化 碳气体排放(全球变暖的主要原因)的愿望继续存在，水泥制造工业将受到越来越严格的 审查。水泥厂中采用的化石燃料包括煤、天然气、石油、旧轮胎、城市废物、石油焦和生物 燃料。燃料还来源于浙青砂、油页岩、煤液和煤气化及通过合成气制得的生物燃料。水泥厂 是CO2排放的一个主要来源，其中排放来自化石燃料的燃烧和使石灰石、页岩及其他成分变为波特兰水泥的煅烧所释放的C02。水泥厂还产生废热。此外水泥厂还产生其他污染物如 NOx, S0X、VOCs、颗粒物和汞。水泥厂还产生水泥窑灰(CKD)，CKD有时必须填埋，常填埋在有 害物质填埋场中。二氧化碳(CO2)排放已被确认为是全球变暖和海洋酸化现象的主要元凶。CO2是 燃烧的副产物，带来操作、经济和环境问题。预计CO2和其他温室气体的大气浓度的升高将 促成更大量的热贮存在大气内，从而导致地表温度的升高和快速的气候变化。CO2还一直与 海洋相互作用，使海洋PH降向8. 0。CO2监控表明，大气CO2已从20世纪50年代的约百万 分之280 (280ppm)升至今天的约380ppm，且预计在下个十年中将超过400ppm。气候变化的 影响很可能是经济上昂贵且环境上有害的。降低气候变化的潜在风险需要截存C02。发明概述在一些实施方案中，本发明提供了一种方法，所述方法包括a)自含二价阳离子 的溶液和包含CO2的工业废气产生合成的碳酸盐组分和b)向碳足迹减少的混凝土组合 物(reduced-carbon footprint concretecomposition)中弓I 入所述合成的碳酸盐组 分，其中所述碳足迹减少的混凝土组合物相对于普通混凝土组合物具有减少的碳足迹 (reduced-carbon footprint)。在一些实施方案中，所述碳足迹减少的混凝土组合物比普 通混凝土组合物的碳足迹少。在一些实施方案中，所述碳足迹减少的混凝土组合物具有的 碳足迹低于普通混凝土组合物的75%。在一些实施方案中，所述碳足迹减少的混凝土组合 物的碳足迹低于普通混凝土组合物的50%。在一些实施方案中，所述碳足迹减少的混凝土 组合物的碳足迹低于普通混凝土组合物的25%。在一些实施方案中，所述碳足迹减少的混 凝土组合物具有中性碳足迹(neutralcarbon footprint) 0在一些实施方案中，所述碳足 迹减少的混凝土组合物具有负碳足迹(negative carbon footprint) 0在一些实施方案 中，所述碳足迹减少的混凝土组合物的碳足迹的减少是二氧化碳被截存和二氧化碳被避免 的结果。在一些实施方案中，所述负碳足迹低于0磅C02/yd3碳足迹减少的混凝土组合物。 在一些实施方案中，所述负碳足迹低于250磅C02/yd3碳足迹减少的混凝土组合物。在一些 实施方案中，所述负碳足迹低于500磅C02/yd3碳足迹减少的混凝土组合物。在一些实施 方案中，所述负碳足迹低于1000磅C02/yd3碳足迹减少的混凝土组合物。在一些实施方案 中，所述合成的碳酸盐组分为辅助胶凝材料、细骨料、粗骨料或活性火山灰质材料。在一些 实施方案中，所述合成的碳酸盐组分为霰石、水碳镁石、水菱镁矿、单水方解石或其组合。在 一些实施方案中，所述合成的碳酸盐组分为霰石和水菱镁矿的组合。在一些实施方案中，所 述合成的碳酸盐组分为霰石和水碳镁石的组合。在一些实施方案中，所述合成的碳酸盐组 分为水碳镁石和单水方解石的组合。在一些实施方案中，所述合成的碳酸盐组分的S 13C低 于-10%。。在一些实施方案中，所述合成的碳酸盐组分的δ 13C低于-20%。。在一些实施方 案中，所述合成的碳酸盐组分的δ 13C低于-30%。。在一些实施方案中，本发明提供了一种通过包括以下步骤的方法产生的碳足迹减 少的组合物a)自含二价阳离子的溶液和包含CO2的工业废气产生合成的碳酸盐组分和b) 向碳足迹减少的混凝土组合物中引入所述合成的碳酸盐组分，其中所述碳足迹减少的混凝 土组合物相对于普通混凝土组合物具有减少的碳足迹。在一些实施方案中，本发明提供了一种组合物，所述组合物包含2. 5% -50%的 钙、2. 5% -50%的镁和至少25%的碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物。在一些实施方案中，所述组合物包含2. 5% -25%的钙。在一些实施方案中，所述组合物包含5% -10%的钙。在 一些实施方案中，所述组合物包含5% -30%的镁。在一些实施方案中，所述组合物包含 10%-30%的镁。在一些实施方案中，所述组合物包含至少50%的碳酸盐、碳酸氢盐或其混 合物。在一些实施方案中，所述组合物包含至少75%的碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物。在一 些实施方案中，所述组合物包含霰石、水碳镁石、水菱镁矿、单水方解石或其组合。在一些实 施方案中，所述组合物包含霰石和水菱镁矿的组合。在一些实施方案中，所述组合物包含霰 石和水碳镁石的组合。在一些实施方案中，所述组合物包含水碳镁石和单水方解石的组合。在一些实施方案中，本发明提供了一种包含CO2截存组分的碳足迹减少的混凝土 组合物。所述CO2截存组分可为辅助胶凝材料或骨料如粗骨料或细骨料。在一些实施方案 中，所述碳足迹减少的混凝土组合物包含CO2截存辅助胶凝材料和CO2截存骨料。在一些实 施方案中，所述碳足迹减少的混凝土组合物包含波特兰水泥熟料。在一些实施方案中，本发明提供了一种可凝固组合物，所述可凝固组合物包含水 和碳足迹减少的混凝土组合物，所述碳足迹减少的混凝土组合物包含CO2截存组分。所述 CO2截存组分可为辅助胶凝材料或骨料如粗骨料或细骨料。在一些实施方案中，所述碳足迹 减少的混凝土组合物包含CO2截存辅助胶凝材料和CO2截存骨料。在一些实施方案中，所述 碳足迹减少的混凝土组合物包含波特兰水泥熟料。在一些实施方案中，本发明提供了一种制备混凝土的方法，所述方法包括合并水 硬水泥与CO2截存组分。所述CO2截存组分可为辅助胶凝材料或骨料如粗骨料或细骨料。 在一些实施方案中，所述碳足迹减少的混凝土组合物包含CO2截存辅助胶凝材料和CO2截存 骨料。在一些实施方案中，所述碳足迹减少的混凝土组合物包含波特兰水泥熟料。在一些实施方案中，本发明提供了一种合并水和包含CO2截存组分的碳足迹减少 的混凝土组合物以产生水化混凝土组合物并使所述水化混凝土组合物凝固成固体制品的 方法。所述CO2截存组分可为辅助胶凝材料或骨料如粗骨料或细骨料。在一些实施方案中， 所述碳足迹减少的混凝土组合物包含CO2截存辅助胶凝材料和CO2截存骨料。在一些实施 方案中，所述碳足迹减少的混凝土组合物包含波特兰水泥熟料。在一些实施方案中，所述固 体制品为结构制品。附图简述本发明的新特征在附随的权利要求书中详细给出。结合下面给出其中使用了本 发明的原理的示例性实施方案的详细描述及其附图，本发明的特征和优势将得到更好的理 解，在附图中

图1给出了本发明的产生沉淀物质的方法。图2示出了本发明的产生沉淀物质的系统。 图3给出了本发明的一个组合物的强度_天数曲线图。图4示出了本发明的沉淀物质和/或水泥的制备。图5给出了本发明的产生沉淀物质和/或水泥的系统。图6示出了本发明的沉淀物质、水泥和/或混凝土自包含C02的发电厂烟道气的 制备。图7给出了普通波特兰水泥(OPC)、未水化辅助胶凝外加剂(SCMA)及包含20%的 SCMA和80%的OPC的水化拌合物在7天时的傅里叶变换红外(FT-IR)光谱图。
图8给出了 OPC及包含20%的SCMA和80%的OPC的水化拌合物在7天时的X-射 线衍射图(XRD)。图9给出了水化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-射线衍射图(XRD)。图10给出了水化OPC及包含20%的SCMA和80%的OPC的水化拌合物的扫描电 子显微镜(SEM)图像。图11表明本发明的SCMA是活性的。图12给出了本发明的辅助胶凝材料的不同形态。发明详述在一些实施方案中，本发明提供了碳足迹减少的混凝土组合物。本发明的碳足迹 减少的混凝土具有包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分(如0)2截存组分)。本发明的其 他方面包括制备和使用所述碳足迹减少的混凝土的方法。在更详细地描述本发明之前，应理解本发明不限于本文中所述的特定实施方案， 因为这样的实施方案是可变的。还应理解，本文中用到的术语仅出于描述特定实施方案的 目的而非意在限制。本发明的范围仅由附随的权利要求书限定。本文中用到的所有技术和 科学术语具有如本发明所属领域技术人员通常所理解的相同的含义，另有指出除外。在给出了值的范围的情况下，应理解，介于该范围的上下限之间的各个插入值 (除非另有明确指出，否则到所述下限单元的十分之一)及该指定范围中的任何其他指定 或插入值均涵盖在本发明内。这些较小范围的上下限可独立地包括在所述较小范围内并也 涵盖在本发明内，指定的范围中任何明确排除的极限除外。当指定的范围包括两个极限中 的一个或两个时，排除那些所包括的极限中的任一或二者的范围也包括在本发明中。本文中给出的某些范围在数值前冠有术语“约”。术语“约”在本文中用来为其后 的确切数以及与该术语后的数接近或近似的数提供文字支持。在确定一个数是否接近或近 似于某个明确记载的数时，未记载的接近或近似数可为在其出现的上下文中提供与所述明 确记载数的实质上等同的数。本说明书中引用的所有公开案、专利和专利申请案以如同将每份单独的公开案、 专利或专利申请案具体且个别地指出通过引用并入的程度通过引用结合到本文中。此外， 所引用的每一份公开案、专利或专利申请案通过引用结合到本文中以公开和描述与所引用 的公开案有关的主题。任何公开案的引用针对的是本发明提交日前的公开但不应理解为承 认本发明无权依据在先发明先于这类公开案。此外，所给出的
公开日期可能与实际
公开日
期不同，实际
公开日期可能需要独立确认。应指出，本文中及附随的权利要求书中用到的单数形式“一个”、“一种”和“该”包 括复数指代，上下文中另有明确指出除外。还应指出，权利要求书可起草为排除任何任选要 素。因此，该陈述意在用作叙述权利要求要素时使用排他性术语如“单单”、“仅”等或使用 “否定的”限制条件的前置基础。阅读本公开后对于本领域技术人员将显而易见的是，本文中所述和所示的每一个 别实施方案具有分立的组成部分和特征，所述特征可易于与任何其他若干实施方案的特征 分开或组合而不偏离本发明的范围或精神。任何所记载的方法均可按所记载的事件顺序或 按逻辑上可能的任何其他顺序进行。下面将对代表性的示例性方法和材料予以描述，但本发明的实施或试验中也可使用与本文中所述的那些相似或等价的任何方法和材料。在进一步描述本发明时，将首先更详细地描述碳足迹减少的混凝土组合物及其制 备方法和系统。接着将对使用所述碳足迹减少的混凝土组合物的方法给予进一步的综述。 碳足迹减少的混凝土组合物在一些实施方案中，本发明提供了碳足迹减少的混凝土组合物。碳足迹减少的混 凝土组合物为可含例如普通波特兰水泥(OPC)组分但与仅含例如OPC作为水泥组分的混凝 土相比具有减少的碳足迹的混凝土组合物。在一些实施方案中，所述碳足迹减少的混凝土 组合物包含源自人类使用的燃料(如化石燃料)的碳。例如，根据本发明的方面的碳足迹 减少的混凝土组合物包含自化石燃料的燃烧而以CO2形式释放的碳。在某些实施方案中， 本发明的组合物(如碳足迹减少的混凝土组合物)中截存的碳包括碳酸盐、碳酸氢盐或其 混合物。因此，在某些实施方案中，根据本发明的方面的碳足迹减少的混凝土组合物含碳酸 盐，其中所述碳酸盐中的至少部分碳可源自人类使用的燃料(如化石燃料)。因此，本发明 的碳足迹减少的混凝土组合物的制备将使CO2置于可用作例如建筑环境的组成部分的贮存 稳定的形式中，所述环境包括人造结构如建筑物、墙壁、道路等。因此，本发明的碳足迹减少 的混凝土组合物的制备将防止CO2气体进入大气。关于碳足迹的计算，混凝土的碳足迹可通过用各组元的每立方码磅数乘其每磅碳 足迹数、对这些值求和再加10. 560kg/yd3(l码混凝土运输20英里的平均碳足迹)算出。关 于OPC组分，假定来自波特兰水泥生产的平均CO2释放量为0. 86公吨CO2/公吨水泥(据 加利福尼亚Cement Climate Action Team的报道)，则每磅波特兰水泥的生产的碳足迹 为0.86磅。假定平均运输距离为100英里，每磅波特兰水泥的运输足迹为0.016磅，故每 磅OPC的总碳足迹为0. 876磅C02。就碳足迹计算的目的而论，常规骨料的碳足迹可假定 为0. 043磅CO2/磅骨料，而常规辅助胶凝材料(SCMs)如粉煤灰、炉渣等的碳足迹可假定为 0. 045磅CO2/磅常规SCM。与包含常规骨料(如砂和/或岩石)和OPC作为唯一水泥组分 的基准混凝土相比，本发明的碳足迹减少的混凝土组合物的碳足迹减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(例如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的SCM)和20% 的粉煤灰的碳足迹减少的混凝土组合物的碳足迹减少量可为约250磅C02/yd3混凝土，例如 减少量为244磅C02/yd3混凝土。这样的碳足迹减少的混凝土组合物的碳足迹几乎为常规 混凝土组合物的炭足迹的一半。碳足迹的这些减少可用混凝土混合料获得，所述混合料含低于50%重量的常规 SCMs，例如低于40 %重量的常规SCMs，包括低于30 %重量的常规SCMs，例如低于20 %的 SCMs0术语“水硬水泥”以其常规意义使用，指在与水或其中溶剂为水的溶液(如外加剂溶 液)合并后凝固和硬化的组合物。合并本发明的水泥与含水液体所产生的产物的凝固和硬 化是产生水化物的结果，所述水化物由水泥与水反应时形成，其中所述水化物基本不溶于 水。在某些实施方案中，本发明的碳足迹减少的混凝土组合物是碳中性(carbon neutral)的，因为用例如上面给出的计算准则算出其基本没有(如果有的话)碳足迹。本 发明的碳中性混凝土组合物包括碳足迹低于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混凝土的那些组合物。在一 些实施方案中，碳中性混凝土组合物具有的碳足迹为0磅C02/yd3混凝土或更低，例如具有 低于(即更负于)"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混凝土的负碳足迹。例如，包含OPC和 主要是合成细骨料(即CO2截存骨料，其包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物)的混凝土组合 物的碳足迹减少量可高于500磅C02/yd3混凝土(例如537磅C02/yd3混凝土)以致所述 混凝土组合物可被视为碳中性的。可通过取代(也称“避免”)例如部分OPC而使这样的 碳中性混凝土组合物具有更负的碳足迹。例如，包含60%的0PC、20%的粉煤灰、20%的CO2 截存SCM(例如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物的SCM)且部分细骨料被合成细骨料(即 CO2截存骨料，其包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物)所替代的混凝土组合物可具有碳中性 足迹或相当负的碳足迹。在一些实施方案中，如上所述，低碳足迹混凝土具有相当负的碳足迹。在这样的 实施方案中，组合物的负碳足迹可低于(即更负于)-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(例如包含碳酸盐、碳酸氢 盐或其混合物的SCM)、100%的合成细骨料(即唯一的合成细骨料为CO2截存细骨料，其包 含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物)、100%的合成粗骨料(即唯一的合成粗骨料为CO2截存粗 骨料，其包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物)的混凝土组合物可具有低于-1000磅C02/yd3 混凝土、例如1146磅C02/yd3混凝土的相当负的碳足迹。这样的混凝土组合物由于取代并 从而避免了 CO2产生组分(如0PC)而可具有甚至更高的碳足迹减少量(即甚至更负的碳足 迹)。因此，包含CO2截存组分(如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物的组分)代替CO2产 生组分的混凝土组合物可具有反映CO2的净避免的相当负的碳足迹，其中所述混凝土组合 物的碳足迹可低于(即更负于)-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(如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物的SCM)、100%的CO2截存细骨料(即唯 一的细骨料为CO2截存细骨料，其包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物)、100%的CO2截存粗 骨料(即唯一的粗骨料为CO2截存粗骨料，其包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物)的混凝土 组合物因净避免了 CO2而可具有相当负的碳足迹，其中所述负碳足迹可为例如1683磅CO2/ yd3混凝土。在一些实施方案中，本发明的碳足迹减少的混凝土组合物的特征可在于包含水泥 组分和骨料组分。水泥组分含一定份额的常规水硬水泥如0PC，并可或可不合一种或多种常 规SCMs如粉煤灰、炉渣等。骨料组分含细和/或粗骨料。所述混凝土组合物的方面包括存 在CO2截存组分(如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物的组分)，例如CO2截存SCM和/或 细或粗的CO2截存骨料。下面对各个这些组分分别加以更详细的描述。使用本发明的碳足迹减少的混凝土组合物可带来碳足迹大量减少的结果。例如， 联合避免CO2的水泥(来抵消普通波特兰水泥的使用)与来自化石点源的截存碳的量可带 来大量减碳的结果。每吨本发明的包含碳酸盐/碳酸氢盐组分(如CO2截存组分)的材料 可使CO2减少高达1吨或更多，例如1.2吨或更多，包括1.6吨或更多，例如2吨或更多。 本发明的包含碳酸盐/碳酸氢盐(如CO2截存组分)的各种二元、三元、四元等拌合物可带 来这样的减少。所述碳酸盐/碳酸氢盐组分(如CO2截存组分)可例如作为辅助胶凝材料
9(SCM)与粉煤灰、炉渣和/或普通波特兰水泥一起使用，以产生低、中性(即约为零)或负碳 足迹的混合水泥。这样的混合水泥在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的抗压强度。因此，本发明 的具有低、中性或负碳足迹的混合水泥可产生适于用在混凝土路面应用中的优质混凝土。碳足迹减少的混凝土组合物包括低_、中性_或负_碳足迹的混凝土组合物。在一 些实施方案中，低-、中性-或负-碳足迹的混凝土组合物包含混合水泥(如CO2截存辅助胶 凝材料(SCM)连同粉煤灰、炉渣和/或波特兰水泥)与CO2截存骨料(例如所述骨料为粗骨 料、细骨料如砂等)，所述骨料可自本发明的碳酸盐/碳酸氢盐组分(如CO2截存组分)按 2009年5月29日提交的美国专利申请12/475，378制备，该专利申请通过引用结合到本文 中。这样的组合物可例如含截存的CO2含量为约20%或更多、例如35%或更多、包括50% 或更多的细骨料(如砂)。在一些实施方案中，所述低_、中性-或负-碳足迹的混凝土组 合物在28天时的抗压强度可为2，500psi或更高，例如3, OOOpsi或更高，包括4，OOOpsi0 一些实施方案提供了负碳足迹的混凝土组合物，其在28天时的抗压强度为4，OOOpsi。均等 的早期强度(即在28天时)使本发明的低_、中性-或负-碳足迹的混凝土组合物的使用 将不会负面影响施工进度。在一些实施方案中，本发明提供了低_、中性-或负-碳足迹的混凝土组合物，所述 混凝土组合物不仅满足强度和早期强度标准，而且最终强度像普通混凝土组合物一样。本 发明的混合水泥-混凝土组合物的行为方式与常规OPC-混凝土组合物相似，这使得本发 明可用在类似的地方和起到相似的功能。在一些实施方案中，混合水泥-混凝土组合物可 用于本发明中。在一些实施方案中可使用本发明的混合水泥-混凝土组合物。例如，混合 水泥-混凝土组合物可浇筑在停车区域中(例如5，000平方英尺的停车场)。由于混合水 泥-混凝土组合物具有较高的反照率，故这类组合物将通过减少照明需求而减少碳排放。 这种碳减排可在混合水泥_混凝土组合物的使用期限内存在。例如，包含低_、中性_或 负_碳足迹混凝土组合物的停车区域的反照率和亮度测定结果与铺浙青的停车区域的对 比可用来确定所需光照的差异，从而确定因使用本发明的较高反照率的混凝土组合物而可 能的碳减排水平。这类组合物的反照率试验表明其降低城市热岛效应的能力达例如2倍或 更多、5倍或更多、10倍或更多、20倍或更多。常规水硬水泥本发明的组合物的一种组分可以是常规水硬水泥。常规水硬水泥为非CO2截存水 泥(如包含合成的碳酸盐、合成的碳酸氢盐或其混合物的水泥)的任何水泥，这将在下面更 详细地描述。在某些实施方案中所关心的常规水硬水泥为波特兰水泥。所述波特兰水泥组 分可为任何合宜的波特兰水泥。如本领域中熟知的，波特兰水泥为通过研磨波特兰水泥熟 料(超过90% )、有限量的控制凝固时间的硫酸钙和至多5%的次要组元(如各种标准许 可的)产生的粉末组合物。按欧洲标准EN197. 1的定义，波特兰水泥熟料为水硬材料，其应 由至少三分之二质量的硅酸钙(3Ca0 · SiO2和2Ca0 · SiO2)组成，其余由含铝和含铁的熟 料相和其他化合物组成。CaO与SiO2之比应不低于2. 0。镁含量(MgO)应不超过5. 0%质 量。在某些实施方案中，本发明的波特兰水泥组元可为任何满足美国材料试验协会的ASTM C150(I-VIII类)标准和规范(ASTMC50-波特兰水泥标准规范)的波特兰水泥。ASTM C150 涵盖八类波特兰水泥，每类具有不同的性质并根据其性质具体使用。
在本发明的既定混凝土组合物中，波特兰水泥组分的量可不同。在某些实施方案 中，拌合物中波特兰水泥的量在10-90% (w/w)范围内，例如30-70% (w/w)，包括40-60% (w/w)，例如80%的OPC与20%的本发明的CO2截存SCM (如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混 合物的SCM)的拌合物。常规SCMs水泥可还含一种或多种辅助胶凝组合物如粉煤灰、炉渣等。在某些实施方案中，水 泥可为混合料，因为其不仅含碳酸盐化合物组合物组分而且含一种或多种可加入以改进水 泥性质的其他组分，以例如提供所需强度、提供所需凝固时间等。本发明的混合水泥中可存 在的所关心的组分包括但不限于高炉矿渣、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。本发明的既定混凝土组合物中存在的这类组分(如果存在的话)的 量可不同，在某些实施方案中，这些组分的量在1-50 % w/w范围内，例如2-25 % w/w,包括 10-20% w/w。CO2截存组分本发明的CO2截存材料(也称“碳截存材料”)包括含碳酸盐和/或碳酸氢盐的材 料，其可与二价阳离子如钙和/或镁或与一价阳离子如钠组合。所述碳酸盐和/或碳酸氢盐 可在溶液中、呈固体形式、或为溶液和固体形式的组合(如淤浆)。所述碳酸盐和/或碳酸 氢盐可含来自二氧化碳源的二氧化碳；在一些实施方案中，所述二氧化碳源自化石燃料的 燃烧，因此所述碳酸盐和/或碳酸氢盐中的一些(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)。正如我们所知， 植物源的碳和无机源的碳具有不同的稳定同位素(13C和12C)比率，因此在一些实施方案中， 所述碳酸盐和/或碳酸氢盐中的碳的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截存组分既包括辅助胶凝材料又包括细和粗的骨料，其中 CO2截存组分以碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物的形式稳定地贮存大量co2。本发明的碳足迹 减少的混凝土组合物含碳酸盐/碳酸氢盐组分(如0)2截存组分)。这样的组分将以贮存 稳定的形式贮存大量CO2，致使CO2气体不能轻易地从制品产生而释放到大气中。在某些实 施方案中，对于每1000吨本发明的碳足迹减少的混凝土组合物而言，所述碳酸盐/碳酸氢 盐组分(如CO2截存组分)可贮存50吨或更多CO2,例如100吨或更多CO2，包括250吨或更 多CO2，例如500吨或更多CO2，例如750吨或更多CO2，包括900吨或更多C02。在某些实施 方案中，所述碳足迹减少的混凝土组合物的碳酸盐/碳酸氢盐组分(如0)2截存组分)包含 约5%或更多CO2,例如约10%或更多CO2,包括约25%或更多CO2,例如约50%或更多CO2, 例如约75%或更多CO2,包括约90%或更多CO2 (例如以一种或多种碳酸盐化合物存在)。本发明的碳酸盐/碳酸氢盐组分(如CO2截存组分)可含一种或多种碳酸盐化合 物。通过例如库仑分析法使用库仑滴定中所述的方案测得，所述碳酸盐/碳酸氢盐组分(如 CO2截存组分)中碳酸盐的量可为40%或更高，例如70%或更高，包括80%或更高。在一 些实施方案中，当Mg源为铁镁矿物(2009年7月10日提交的美国专利申请12/501,217和 2008年7月10日提交的美国临时专利申请61/079，790中有述，其均通过引用结合到本文 中)或灰烬(2009年6月17日提交的美国专利申请12/486，692和2008年6月17日提交 的美国临时申请61/073，319中有述，其均通过引用结合到本文中)时，所得产物可为含二氧化硅以及碳酸盐的组合物。在这些实施方案中，产物的碳酸盐含量可低至10%。在这些 实施方案中的一些中，产物的二氧化硅含量可作为水泥或辅助胶凝材料提供改进的性能。本发明的碳足迹减少的混凝土组合物的CO2截存组分(如包含碳酸盐、碳酸氢盐 或其混合物的沉淀物质)提供了以一定方式长期贮存CO2，致使CO2被截存(即固定)在碳 足迹减少的混凝土组合物中，其中被截存的CO2不变为大气的一部分。当碳足迹减少的混凝 土组合物保持在对于其预期用途而言常规的条件下时，碳足迹减少的混凝土组合物将使所 截存的CO2保持固定达较长时间(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)，而无显著量(如果有的话)的CO2从所述碳足迹 减少的混凝土组合物中释放。关于所述碳足迹减少的混凝土组合物，当用于其预期用途时， 在所述碳足迹减少的混凝土组合物的使用期限内，如以CO2气体释放量测得，降解(如果有 的话)的量将不超过5%每年，在某些实施方案中将不超过每年。实际上，本发明提供的 碳足迹减少的混凝土组合物当暴露于对于其预期用途而言正常的温度和湿度的条件(包 括正常PH的降雨)下时，将在至少1年、2年、5年、10年、或20年、或超过20年、例如超过 100年的时间内不释放超过其总CO2的1%、5%或10%。在一些实施方案中，碳足迹减少的 混凝土组合物当暴露于对于其预期用途而言正常的温度和湿度条件(包括正常PH的降雨) 下时，在至少1年的时间内不释放超过其总CO2的1%。在一些实施方案中，碳足迹减少的 混凝土组合物当暴露于对于其预期用途而言正常的温度和湿度条件(包括正常PH的降雨) 下时，在至少1年的时间内不释放超过其总CO2的5%。在一些实施方案中，碳足迹减少的 混凝土组合物在当暴露于对于其预期用途而言正常的温度和湿度条件(包括正常PH的降 雨)下时，在至少1年的时间内不释放超过其总CO2的10%。在一些实施方案中，碳足迹减 少的混凝土组合物当暴露于对于其预期用途而言正常的温度和湿度条件(包括正常PH的 降雨)下时，在至少10年的时间内不释放超过其总CO2的1%。在一些实施方案中，碳足迹 减少的混凝土组合物当暴露于对于其预期用途而言正常的温度和湿度条件(包括正常PH 的降雨)下时，在至少100年的时间内不释放超过其总CO2的1%。在一些实施方案中，碳 足迹减少的混凝土组合物当暴露于对于其预期用途而言正常的温度和湿度条件(包括正 常PH的降雨)下时，在至少1000年的时间内不释放超过其总CO2的1%。可使用能合理预测这类稳定性的任何适宜的替代标志物或试验。例如，涉及高温 条件和/或中等到更极端的PH条件的加速试验能合理地指示长时间内的稳定性。例如， 根据碳足迹减少的混凝土组合物的环境和预期用途，可将组合物的样品暴露于50、75、90、 100、120或150°C的温度和10%到50%的相对湿度下达1、2、5、25、50、100、200或500天， 其碳损失低于1%、2%、3%、4%、5%、10%、20%、30%或50%可认为是本发明的碳足迹减 少的混凝土组合物在既定时间(如1、10、100、1000或超过1000年)内稳定的充分证据。碳足迹减少的混凝土组合物的CO2截存组分(如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合 物的沉淀物质)的CO2含量可通过任何适宜的方法(例如库仑分析法)监测。其他条件(包 括PH、压力、UV辐射等)同样可根据预期或可能的环境加以适当调整。应理解，本领域技术 人员能合理地断定将表明组合物在指定的时间段内具有所需稳定性的任何适宜条件均可 使用。此外，如果公认的化学知识表明组合物将在指定的时间段内具有所需稳定性，则其也 可用作实际测定的补充或替代。例如，可为本发明的碳足迹减少的混凝土组合物的一部分的一些碳酸盐化合物(例如呈既定多晶形式)可以是地质学上熟知的并可已知已经受数十 年、数百年或甚至数千年的正常气象条件而无可感知的分解并因此具有所需的稳定性。CO2截存组分(如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物的沉淀物质)的量可随具体的 碳足迹减少的混凝土组合物而异。有时，碳足迹减少的混凝土组合物中CO2截存组分(如 包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物的沉淀物质)的量在5-100% (w/w)范围内，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)。与缺乏碳酸盐/碳酸氢盐组分(如CO2截存组分)的相应混凝土组合物相比，碳足 迹减少的混凝土组合物具有减少的碳足迹。使用任何方便的碳足迹计算器可知，本发明的 碳足迹减少的混凝土组合物与缺乏碳酸盐/碳酸氢盐组分(如CO2截存组分)的相应混凝 土组合物相比碳足迹减少的幅度可为5%或更多，例如10%或更多，包括25%、50%、75% 或甚至100 %或更多。在某些实施方案中，本发明的碳足迹减少的混凝土组合物可以是碳中 性的，因为用例如可能与所关心的特定混凝土组合物相关的任何合宜的碳足迹计算器算出 其基本没有(如果有的话)碳足迹。本发明的碳中性的混凝土组合物包括碳足迹为50磅 C02/yd3材料或更少、例如为10磅C02/yd3材料或更少、包括5磅C02/yd3材料或更少的那些 组合物，其中在某些实施方案中，碳中性的混凝土组合物具有为零或负的CO2磅数/yd3材 料，例如负1或更负，如负3或更负的CO2磅数/yd3混凝土组合物。有时，所述碳足迹减少 的混凝土组合物具有相当负的碳足迹，例如-100或更负磅C02/yd3混凝土或更少。本发明的CO2截存组分(如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的沉淀物质)包含本 来已释放进大气中的CO2，所述CO2中的大多数由燃烧植物源的化石燃料产生。因此，本发 明的包含一种或多种源自工业CO2的合成碳酸盐和/或碳酸氢盐的CO2截存组分将反映所 述工业CO2 (来自化石燃料的燃烧)所源自的化石燃料(如煤、石油、天然气或烟气)的相 对碳同位素组成(δ 13C)。单位为％。(千分之一)的相对碳同位素组成(δ 13C)值是碳的两 种稳定同位素即12C和13C的浓度比率相对于化石化箭石标准(PDB标准)的量度。δ 13C%o= [(13C/12C 样品-13C/12CPDB 标准)/(13C/12CPDB 标准)]χ1000因此，含合成碳酸盐和/或碳酸氢盐的沉淀物质(如CO2截存组分)的δ 13C值 可充当CO2气体源、尤其是自燃烧的化石燃料释放的CO2的指纹。不同的源(即化石燃料 源)可具有不同的S13C值，但本发明的碳酸盐和/或碳酸氢盐组分(如0)2截存组分)的 δ 13C值通常但非一定在-9%。到-35%。范围内。在一些实施方案中，含合成碳酸盐的沉淀物 质的δ 13C值可在-1%。到_50%。之间、_5%。到-40%。之间、_5%。到_35%。之间、_7%。到-40% 之间、-7%。到_35%。之间、_9%。到_40%。之间、或_9%。到_35%。之间。在一些实施方案中，含 合成碳酸盐的沉淀物质的5 13C值可低于(例如更负于)-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 值越负，含合 成碳酸盐的沉淀物质中越富含12C。可采用任何适宜的方法来测定δ 13C值，这些方法包括 但不限于质谱法或离轴积分腔输出光谱法(离轴IC0S)。在一些实施方案中，本发明提供了一种含CO2截存组分的碳足迹减少的混凝土组 合物，所述CO2截存组分包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合，其中所述碳酸盐和/或碳酸氢盐 中的碳的S13C值低于-5%。。在一些实施方案中，所述碳足迹减少的混凝土组合物的S13C值可在_1%。到-50%。之间、_5%。到-40%。之间、_5%。到_35%。之间、_7%。到_40%。之间、_7%0 到_35%。之间、_9%。到_40%。之间、或_9%。到-35%。之间。在一些实施方案中，所述碳足迹减 少的混凝土组合物的S 13C值可低于(即更负于)-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 值越负，含合成碳酸 盐的组合物中越富含12c。CO2截存组分的碳酸盐化合物可为自二价阳离子溶液如咸水沉淀的亚稳碳酸盐化 合物，这将在下面更详细地描述。本发明的碳酸盐化合物组合物含沉淀的结晶和/或无定 形碳酸盐化合物。所关心的具体的碳酸盐矿物包括但不限于碳酸钙矿物、碳酸镁矿物和碳 酸钙镁矿物。所关心的碳酸钙矿物包括但不限于方解石(CaCO3)、霰石(CaCO3)、六方碳钙 石(CaCO3)、六水碳钙石(CaCO3 · 6H20)和无定形碳酸钙(CaCO3 · ηΗ20)。所关心的碳酸镁矿 物包括但不限于菱镁矿(MgCO3)、水菱镁矿(MgCO3 ·2Η20)、三水菱镁矿(MgCO3 ·3Η20)、五水 菱镁矿(MgCO3 · 5Η20)和无定形碳酸镁钙(MgCO3 · IiH2O)。所关心的碳酸钙镁矿物包括但不 限于白云石(CaMgCO3)、碳酸钙镁石(CaMg3(CO3)4)和水碳钙镁石(Ca2Mg11 (CO3) 13 · H2O) 0在 某些实施方案中，非碳酸盐化合物如水镁石(Mg(OH)2)也可与上面列出的矿物组合地形成。 如上面所指出，所述碳酸盐化合物组合物的化合物可为在咸水中比在淡水中更稳定的亚稳 碳酸盐化合物(并可含一种或多种亚稳氢氧化物)，以至于其在与任何PH的淡水接触时溶 解并再沉淀成其他淡水稳定的化合物如矿物如低Mg方解石。本发明的碳酸盐/碳酸氢盐组分(如CO2截存组分)可源自、例如可沉淀自二价 阳离子溶液(例如二价阳离子的水溶液)(这将在下面更详细地描述)。由于所述碳酸盐 /碳酸氢盐组分(如CO2截存组分)可自水沉淀，故其可能含其所源自的水中存在的一种 或多种组分。例如，当所述二价阳离子溶液为咸水时，CO2截存制品(如包含碳酸盐、碳酸 氢盐或其混合物的沉淀物质)将含咸水源中存在的一种或多种化合物。这些化合物可标识 (identify)来自咸水源的组合物的固体沉淀，其中这些标识组分及其量在本文中可统称为 咸水源标识物。例如，如果咸水源为海水，则沉淀物质中可能存在的标识化合物包括但不限 于氯化物、钠、硫、钾、溴化物、硅、锶等。任何这类源标识或“标志物”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。在某些实施方案中，“标志 物”化合物可为锶，其可结合进例如霰石晶格中并占10，OOOppm或更少，在某些实施方案中 在 3-10，OOOppm 范围内，例如 5_5000ppm，包括 5-1000ppm，例如 5_500ppm，包括 5-100ppm。 所关心的另一“标志物”化合物为镁，其可以至多20%摩尔的量取代碳酸盐化合物中的钙而 存在。组合物的咸水源标识物可随用来制备源自咸水的碳酸盐组合物的具体咸水源而异。 还关心的是标识水源的同位素标志物。在某些实施方案中，包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物的CO2截存组分可为辅助胶 凝材料。SCMs为尽管其自身可以是或可以不是水硬胶凝性的但将在一定程度上与水硬水泥 组合物如波特兰水泥反应产生硬化材料的那些材料。在某些实施方案中，CO2截存SCMs (如 包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物的SCM)可为每吨SCM贮存约0. 5吨或更多CO2,例如约1 吨或更多CO2,包括约1. 2吨或更多C02。例如，本发明的CO2截存SCM(如包含碳酸盐、碳酸 氢盐或其混合物的SCM)可贮存约0. 5吨或更多CO2每吨SCM材料。换句话说，本发明的CO2截存SCM(如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物的SCM)可具有为-0. 5吨CO2每吨材料的负 碳足迹。在这些实施方案中，CO2截存化合物(如碳酸盐、碳酸氢盐或其组合)可以干颗粒组 合物如粉末存在。在某些实施方案中，所述干颗粒组合物可由如用任何合适的粒径测定方 法如多检测器激光散射或筛分(即< 38微米)测得平均粒径为0. 1-100微米、例如10-40 微米的颗粒构成。在某些实施方案中存在多峰如双峰或其他分布。双峰分布可使表面积最 小化，从而允许水泥较低的液/固质量比而还提供较小的反应性颗粒用于早期反应。在这 些情况下，较大粒径等级的平均粒径可超过1000微米(Imm)。构成SCM的组分的表面积可 不同。既定水泥的平均表面积足以提供当与液体组合时产生可凝固组合物(例如下面更详 细地描述的)的液固比，所述平均表面积在0. 5m2/gm到50m2/gm范围内，例如0. 75_20m2/ gm，包括0. 80-10m2/gm。在某些实施方案中，如用Breunner，Emmit和Teller (1953)所述的 表面积测定方法测得，水泥的表面积在0. 9-5m2/gm范围内，例如0. 95-2m2/gm,包括l_2m2/ gm。当存在时，混凝土组合物中CO2截存SCM(如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物的 SCM)的量可不同。在某些实施方案中，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(如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物的SCM)。在 某些实施方案中，水泥中超过50%为碳酸盐化合物组合物。代替CO2截存SCM或除CO2截存SCM外，混凝土组合物可含一种或多种类型的CO2 截存骨料(如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物的骨料)，所述骨料可为细骨料、粗骨料等。 术语骨料在本文中以其公认的方式使用，指可用在混凝土、砂浆和例如如上所定义的其他 材料中的微粒组合物。本发明的骨料可为微粒组合物，其可分为细骨料和粗骨料。根据本 发明的实施方案的细骨料为几乎完全通过4号筛(ASTM C 125和ASTM C 33)的微粒组合 物。根据本发明的实施方案的细骨料组合物(其可称为“砂”)的平均粒径在0.001英寸到 0. 25英寸范围内，例如0. 05英寸到0. 125英寸，包括0. 01英寸到0. 08英寸。因此，细骨料 可用作混凝土组合物中砂的替代物。本发明的粗骨料为主要截留在4号筛(ASTM C 125和 ASTM C 33)上的组合物。根据本发明的实施方案的粗骨料组合物为平均粒径在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英寸的组合物。因此，粗骨料 可用作混凝土组合物中常规骨料的替代物。在一些实施方案中，本发明的CO2截存骨料(即包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物 的合成骨料)可为每吨骨料贮存约0. 5吨或更多CO2,例如约1吨或更多CO2,包括约1. 2吨 或更多C02。例如，本发明的CO2截存骨料(如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物的骨料)可 贮存约0. 5吨或更多CO2每吨材料。换句话说，本发明的CO2截存骨料(如包含碳酸盐、碳 酸氢盐或其混合物的骨料)可具有为-0. 5吨CO2每吨材料的负碳足迹。此外，本发明的骨 料的密度可不同，只要骨料能为其中采用所述骨料的建筑材料提供所需性质即可。在某些 情况下，骨料的密度在1. l-5gm/cc范围内，例如1. 5gm/cc到3. 15gm/cc，包括1. 8gm/cc到 2. 7gm/cc0构成本发明的骨料组合物的骨料颗粒的硬度也可不同，在某些情况下，莫氏硬度 在1. 5-9范围内，例如2-7，包括4-5。水泥组分(例如熟料和SCM)与骨料组分(例如细和粗骨料)的重量比可不同。在 某些实施方案中，干混凝土组分中水泥组分与骨料组分的重量比在1 10-4 10范围内， 例如 2 10-5 10，包括 55 1000-70 100。
本发明的包含碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物的CO2截存骨料含一种或多种例如如 上所述及在美国临时申请61/056，972中进一步描述的碳酸盐化合物。外加剂在某些实施方案中，水泥可与一种或多种外加剂一起使用。在一些实施方案中，水 泥可与一种或多种CO2截存外加剂一起使用。外加剂为加到混凝土中以使其具有用基础混 凝土混合物不能获得的所需特性或以改变混凝土的性质而使其更易于使用或更适合特定 目的或以降低成本的组合物。如本领域中熟知的，外加剂可为除水硬水泥、骨料和水外的任 何材料或组合物，其作为混凝土或砂浆的组分使用以增强其一些特性或降低其成本。采用 的外加剂的量可随外加剂的性质而异。在某些实施方案中，包括合成外加剂的这些组分的 量在 1-50% w/w 范围内，例如 5-25% w/w，包括 10-20% w/w，例如 2-10% w/w。使用外加剂的主要原因可为(1)以在所得硬化混凝土中获得某些结构改进；(2) 以改善不利气候或交通情况期间整个混合、运输、浇筑和养护的连续阶段混凝土的质量； (3)以克服混凝土浇筑操作过程中的某些紧急情况；和/或(4)以降低混凝土结构的成本。 有时，所需的混凝土性能特征仅可通过使用外加剂获得。有时，使用外加剂使得能够使用价 格较低廉的建筑方法或设计，其节省量在抵消掉外加剂的成本后可还有剩余。所关心的外加剂包括细碎矿物外加剂。细碎矿物外加剂为粉末或粉碎形式的材 料，在混合过程之前或过程中加到混凝土中以改进或改变波特兰水泥混凝土的塑性或硬化 性中的一些。细碎矿物外加剂可按其化学或物理性质分类为胶凝材料；火山灰；火山灰 质胶凝材料；和标称惰性材料。火山灰为硅质或铝硅质材料，几乎不或不具有胶凝值，但当 呈细碎形式且有水存在时将与波特兰水泥的水化所释放的氢氧化钙发生化学反应形成具 有胶凝性的材料。火山灰也可用来降低压力下水迁移通过混凝土的速率。硅藻土、蛋白石 质燧石(opaline cherts)、粘土、页岩、粉煤灰、硅灰、火山凝灰岩和浮石是一些熟知的火山 灰。某些磨细粒化高炉矿渣和高钙粉煤灰同时具有火山灰性质和胶凝性质。标称惰性材料 也可包括细碎的未加工的石英、白云石、石灰石、大理石、花岗岩等。粉煤灰在ASTM C618中 定义。可使用粉煤灰以及包含金属硅酸盐的材料(如硅灰石、镁铁矿物如橄榄石和蛇纹 石)来产生CO2截存火山灰质材料(即合成外加剂)，所述CO2截存火山灰质材料可用在本 发明的碳中性或碳负性混凝土组合物中。这类火山灰质材料在2009年6月17日提交的美 国专利申请12/486，692及2009年7月10日提交的美国专利申请12/501，217中有述，其各 通过引用结合到本文中。简言之，除二价阳离子、质子去除剂或其组合外，粉煤灰(例如通 过熟化)或包含金属硅酸盐的材料的消解还产生基于二氧化硅的材料，基于二氧化硅的材 料如果在碳酸盐组合物的沉淀过程中存在的话则可能被碳酸钙、碳酸镁或其组合包覆。因 此，基于二氧化硅的材料充当碳酸钙、碳酸镁或其混合物的沉淀的成核位点。以这种方式制 备的火山灰质材料可被钝化，钝化将降低火山灰质材料的反应性，这在某些实施方案中可 能是需要的。碳中性或碳负性混凝土中包含合成碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物的CO2截存 火山灰质材料可在1-50% w/w范围内，例如5-25% w/w，包括10-20% w/w，例如2-10% w/ w0此外，CO2截存火山灰质材料(如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的火山灰质材料)为这 样的火山灰质材料，其每吨贮存0. 25吨或更多CO2，例如0. 5吨或更多CO2，包括1吨或更多 CO2，例如2吨或更多CO2每吨火山灰质材料。例如，本发明的CO2截存火山灰质材料(如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的火山灰质材料)可贮存约0. 25吨或更多CO2每吨火山灰质 材料。换句话说，本发明的CO2截存火山灰质材料可具有为-0. 25吨CO2每吨材料的负碳足迹。所关心的一类外加剂可为增塑剂。增塑剂可加到混凝土中以使其具有改进的和易 性，从而便于浇筑，同时减少密实化工作，并可加在需要均勻流动而不在钢筋下留下空隙空 间的钢筋混凝土中。所关心的外加剂还有促凝剂、缓凝剂、加气剂、起泡剂、减水剂、腐蚀抑 制剂和颜料。促凝剂用来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应 用及低温应用中特别重要。缓凝剂的作用是减慢水化速率及增长浇注混凝土以使其形成所 需形状前可利用的时间。缓凝剂在其中混凝土被用在热气候下的应用中特别重要。加气剂 用来在整个混凝土中分布微小的气泡。加气剂在天气寒冷的区域中特别有用，因为微小的 夹带气泡有助于允许一定程度的收缩和膨胀，从而保护混凝土免受冻融破坏。也可向混凝 土中加入颜料以使其具有美学目的所需的颜色特征。因此，所关心的外加剂包括但不限于促凝剂、缓凝剂、加气剂、消泡剂、减碱活性 剂、粘结外加剂、分散剂、着色外加剂、腐蚀抑制剂、防潮外加剂、发气外加剂、减渗剂、泵送 剂、收缩补偿外加剂、杀真菌外加剂、杀菌外加剂、杀虫外加剂、流变改性剂、细碎矿物外加 剂、火山灰、骨料、润湿剂、强度增强剂、防水剂和任何其他混凝土或砂浆外加剂或添加剂。 当使用外加剂时，可将向其中引入了外加剂原料的新拌胶凝性组合物搅拌足够的时间以使 外加剂原料相对均勻地分散在整个新拌混凝土中。促凝剂用来加速混凝土的凝固和早期强度发展。可与外加剂体系一起使用的促凝 剂可为但不限于碱金属、碱土金属或铝的硝酸盐；碱金属、碱土金属或铝的亚硝酸盐；碱 金属、碱土金属或铝的硫氰酸盐；链烷醇胺；碱金属、碱土金属或铝的硫代硫酸盐；碱金属、 碱土金属或铝的氢氧化物；碱金属、碱土金属或铝的羧酸盐(优选甲酸钙)；多羟基烷基胺； 碱金属或碱土金属的卤化物盐(如氯化物)。本发明的分散方法中可用的促凝剂的实例包 括但不限于P0ZZ0LITH NC534 (非氯化物型促凝剂)和/或RHEOCRETE CNI (基于亚硝 酸钙的腐蚀抑制剂)，二者均由俄亥俄州克利夫兰市BASF Admixtures Inc.以上述商标出售。所关心的还有缓凝外加剂。缓凝外加剂也称延迟凝固或水化控制外加剂，用来阻 滞、延迟或减慢混凝土的凝固速率。其可在初始配料时或有时在水化过程开始后加到混凝 土混合料中。缓凝剂用来抵销热天气对混凝土凝固的加速作用，或延迟困难浇筑条件下或 向施工现场的输送存在问题时混凝土或灰浆的初凝，或为特殊整面工序留出时间。大多 数缓凝剂也充当低水平减水剂并也用来向混凝土中加气。可使用的缓凝剂包括但不限于 氧-硼化合物、玉米浆、木质素、多膦酸、羧酸、羟基羧酸、多羧酸、羟基化羧酸(如富马酸、 衣康酸、丙二酸、硼砂、葡糖酸和酒石酸)、木质素磺酸盐、抗坏血酸、异抗坏血酸、磺酸_丙 烯酸共聚物及其相应的盐、多羟基硅烷、聚丙烯酰胺、碳水化合物及其混合物。缓凝剂的 示意性实例在美国专利5，427，617和5，203，919中有给出，所述专利通过引用结合到本 文中。适用于本发明的外加剂体系中的缓凝剂的另一实例为俄亥俄州克利夫兰市BASF AdmixturesInc.以商标DELVO⑩出售的水化控制外加剂。所关心的外加剂还有加气剂。术语加气剂包括将在胶凝性组合物中加气的任何物 质。一些加气剂也可在低浓度下降低组合物的表面张力。加气外加剂用来有目的地向混凝土中引入微观气泡。加气将极大改进冻融循环过程中暴露于潮湿下的混凝土的耐久性。 此外，夹带的空气将大大改进混凝土对化学除冰剂所致的表面片状剥落的抵抗性。加气也 提高新拌混凝土的和易性，同时消除或减少离析和泌水。用来获得这些所需效果的材料可 选自木材树脂、天然树脂、合成树脂、磺化木质素、石油酸、蛋白质材料、脂肪酸、树脂酸、烷 基苯磺酸盐、磺化烃、松香皂树脂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性 剂、天然松香、合成松香、无机加气剂、合成洗涤剂、和其相应的盐、及其混合物。加气剂以在 胶凝性组合物中产生所需空气水平的量加入。可用于本发明的外加剂体系中的加气剂的 实例包括但不限于MB AE 90、MB VR和MICRO AIR. ，其均可从俄亥俄州克利夫兰市BASF Admixtures Inc.买至丨J。所关心的外加剂还有消泡剂。消泡剂用来减少胶凝性组合物中的空气含量。可用 于胶凝性组合物中的消泡剂的实例包括但不限于矿物油、植物油、脂肪酸、脂肪酸酯、羟基 官能化合物、酰胺、磷酸酯、金属皂、硅油、含环氧丙烷部分的聚合物、烃、烷氧化烃、烷氧化 聚环氧烷、磷酸三丁酯、邻苯二甲酸二丁酯、辛醇、碳酸和硼酸的水不溶性酯、乙炔二醇、环 氧乙烷-环氧丙烷嵌段共聚物和硅油。所关心的外加剂还有分散剂。整个本说明书中用到的术语分散剂尤其包括有或 没有聚醚单元的聚羧酸盐分散剂。术语分散剂还旨在包括也用作增塑剂、减水剂(如高 效减水剂)、流化剂、抗絮凝剂的那些化学品，或用于胶凝性组合物的超增塑剂如木质素磺 酸盐、磺化萘磺酸盐缩合物的盐、磺化三聚氰胺磺酸盐缩合物的盐、β “萘磺酸盐、磺化三 聚氰胺甲醛缩合物、萘磺酸甲醛缩合物树脂如LOMAR D 分散剂(俄亥俄州辛辛那提市 Cognis Inc.)、聚天冬氨酸盐或低聚物分散剂。可使用聚羧酸盐分散剂，聚羧酸盐分散剂 指碳主链上有侧链的分散剂，其中至少部分侧链通过羧基或醚基与主链相连。聚羧酸盐分 散剂的实例可见于美国公开2002/0019459A1、美国专利6，267，814美国专利6，290，770、 美国专禾IJ 6，310，143、美国专利6，187，841、美国专利5，158，996、美国专利6，008，275、美 国专禾Ij 6，136，950、美国专禾Ij 6，284，867、美国专利5，609，681、美国专利5，494，516美国 专利5，674，929美国专利5，660，626、美国专利5，668，195、美国专利5，661，206、美国专 利5，358，566、美国专利5，162，402、美国专利5，798，425、美国专利5,612, 396、美国专 利6，063，184、美国专利5，912，284、美国专利5，840，114、美国专利5，753，744、美国专 利5，728，207、美国专利5，725，657、美国专利5，703，174、美国专利5,665, 158、美国专 利5，643，978、美国专利5，633，298、美国专利5，583，183和美国专利5，393，343中，其均 通过引用结合到本文中，就好像在下文中完全写出了一样。所关心的聚羧酸盐分散剂包 括但不限于以商标 GLENIUM 3030NS、GLENIUM 3200HES、GLENIUM 3000NS (俄亥俄 州克利夫兰市BASF Admixtures Inc.)、ADVA (马萨诸塞州剑桥市W. R. Grace Inc.)、 VISCOCRETE (瑞士苏黎世 Sika)和 SUPERFLUX (俄亥俄州 Middlebranch 市的 Axim Concrete Technologies Inc.)出售的分散剂或减水剂。所关心的外加剂还有减碱活性剂。减碱活性剂可减少碱_骨料反应并限制这种反 应可在硬化混凝土中产生的破坏性膨胀力。减碱活性剂包括火山灰(粉煤灰、硅灰)、高炉 矿渣、锂和钡的盐、及其他加气剂。可出于美学和安全原因使用天然和合成外加剂来着色混凝土。这些着色外加剂常 由颜料组成并包括碳黑、氧化铁、酞菁、棕土、氧化铬、氧化钛、钴蓝和有机着色剂。
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所关心的外加剂还有腐蚀抑制剂。混凝土中腐蚀抑制剂用来保护埋置钢筋免于因 混凝土的高度碱性而腐蚀。混凝土的高碱性将使钢筋上形成钝性的非腐蚀的保护性氧化 膜。但碳化作用或来自除冰剂或海水的氯离子的存在可能破坏或穿透膜而导致腐蚀。腐蚀 抑制外加剂将以化学方式抑制这种腐蚀反应。最常用来抑制腐蚀的材料为亚硝酸钙、亚硝 酸钠、苯甲酸钠、某些硫酸盐或氟硅酸盐、氟铝酸盐、胺及相关化学品。所关心的外加剂还有防潮外加剂。防潮外加剂将降低水泥含量低、水-水泥比率 高或骨料中缺乏细骨料的混凝土的渗透性。这些外加剂将延迟湿气渗入干混凝土中并包括 某些皂、硬脂酸盐和石油制品。所关心的还有发气外加剂。发气剂即气体形成剂有时以非常小的量加到混凝土和 灰浆中以使硬化前微膨胀。膨胀的量取决于所用发气材料的量及新拌混合料的温度。铝粉、 树脂皂和植物或动物胶、皂角甙或水解蛋白可用作发气外加剂。所关心的还有减渗剂。减渗剂用来降低压力下水传输通过混凝土的速率。硅灰、 粉煤灰、磨碎的炉渣、天然火山灰、减水剂和胶乳可用来减少混凝土的渗透。所关心的还有流变改性剂外加剂。流变改性剂可用来提高胶凝性组合物的粘度。适宜的流变改性剂实例包括气相二氧化硅、胶态二氧化硅、羟乙基纤维素、羟丙基 纤维素、粉煤灰(如ASTM C618中所定义)、矿物油(如轻质环烷油)、锂蒙脱石粘土、聚氧 化烯、多糖、天然树胶、或其混合物。所关心的还有收缩补偿外加剂。胶凝性组合物中可使用的收缩补偿剂可包括但不 限于RO(AO) ^10H(其中R为Ch烷基或C5_6环烷基，A为C2_3亚烷基)、碱金属硫酸盐、碱土 金属硫酸盐、碱土金属氧化物，优选硫酸钠和氧化钙。TETRAGUARD遛为减缩剂的一个实例， 可从俄亥俄州克利夫兰市BASF Admixtures Inc.买到。硬化混凝土上或硬化混凝土中细菌和真菌的生长可通过使用杀真菌和杀菌外加 剂得到部分控制。对于这些目的而言最有效的材料为多卤化酚、狄氏剂乳液和铜化合物。某些实施方案中所关心的还有和易性改进外加剂。夹带的空气其作用就像润滑 剂，可用作和易性改进剂。其他和易性改进剂为减水剂和某些细碎的外加剂。在某些实施方案中，本发明的水泥与纤维一起采用，例如当需要纤维增强混凝土 时。纤维可由含氧化锆的材料、钢、碳、玻璃纤维或合成材料(如聚丙烯、尼龙、聚乙烯、聚 酯、人造纤维、高强度芳族聚酰胺(即Kevlar ))或其混合物制成。碳足迹减少的组合物的制备本发明的方面包括制备碳足迹减少的混凝土组合物的方法。碳足迹减少的混凝土 组合物可通过首先产生碳酸盐/碳酸氢盐组分(如CO2截存组分[即沉淀物质])，然后自 所述碳酸盐/碳酸氢盐组分(如CO2截存组分)制备碳足迹减少的混凝土组合物来制备。 碳足迹减少的混凝土组合物的碳酸盐/碳酸氢盐组分(如CO2截存组分)可自CO2源、质子 去除剂的源(和/或实现质子去除的方法)和二价阳离子的源产生，各种所述材料将在下 面更详细地描述。二氧化碳本发明的方法包括使一定量的二价阳离子溶液(如二价阳离子的水溶液)与CO2 源接触，然后使所得溶液经受促进沉淀的条件。本发明的方法还包括使一定体积的二价阳 离子溶液(如二价阳离子的水溶液)与CO2源接触并同时使该溶液经受促进沉淀的条件。含二价阳离子的溶液中可能有足够的二氧化碳来沉淀足够量的含碳酸盐的沉淀物质(例 如自海水)；但可使用另外的二氧化碳。CO2源可为任何合适的CO2源。CO2源可为气体、液 体、固体(如干冰)、超临界流体或溶解在液体中的C02。在一些实施方案中，CO2源为气态 CO2源。气流可为基本纯净的CO2或包含包括CO2和一种或多种其他气体和/或其他物质如 灰及其他微粒在内的多种组分。在一些实施方案中，气态CO2源可为废气流(即工厂的活 动过程的副产物)如来自工厂的排气。工厂的性质可不同，工厂包括但不限于发电厂、化学 加工厂、机械加工厂、精炼厂、水泥厂、钢厂和作为燃料燃烧或其他加工步骤(如水泥厂中 的煅烧)的副产物产生CO2的其他工厂。包含CO2的废气流包括还原条件流(如合成气、变换合成气、天然气、氢气等)和 氧化条件流(如来自燃烧的烟道气)。对于本发明可能合适的特定废气流包括含氧燃烧工 厂烟道气(如来自煤或其他基于碳的燃料的几乎未或未经预处理的烟道气)、增压锅炉尾 气、煤气化尾气、变换煤气化尾气、厌氧消化器尾气、井口天然气流、重整天然气或甲烷水合 物等。来自任何合适的源的燃烧气体均可用在本发明的方法和系统中。在一些实施方案中 可使用工厂如发电厂、水泥厂和煤加工厂的燃烧后排放烟囱中的燃烧气体。因此，废物流可自多种不同类型的工厂产生。对于本发明适宜的废物流包括燃烧 化石燃料(如煤、石油、天然气)的工厂产生的废物流和天然存在的有机燃料矿床(如浙青 砂、重油、油页岩等)的人为燃料产物。在一些实施方案中，适于本发明的系统和方法的废 物流可源自燃煤发电厂如粉煤发电厂、超临界燃煤发电厂、全量焚烧燃煤发电厂、流化床燃 煤发电厂；在一些实施方案中，废物流可源自燃气或燃油锅炉_汽轮机发电厂、燃气或燃油 锅炉简单循环汽轮机发电厂或燃气或燃油锅炉联合循环汽轮机发电厂。在一些实施方案中 可使用燃烧合成气(即有机物如煤、生物质等的气化产生的气体)的发电厂产生的废物流。 在一些实施方案中，可按本发明的系统和方法使用来自热回收蒸汽发生器(HRSG)装置所 产生的废物流。水泥厂产生的废物流也可能适合于本发明的系统和方法。水泥厂废物流包括来自 湿法水泥厂和干法水泥厂的废物流，所述厂可采用竖窑或回转窑并可包括预分解窑。这些 工厂可各自燃烧单一燃料或可序贯地或同时地燃烧两种或更多种燃料。其他工厂如冶炼厂 和精炼厂也可以是含二氧化碳的废物流的可用来源。工业废气流可含二氧化碳作为主要的非源自空气的组分，或可含其他组分如氮氧 化物(NOx)、硫氧化物(SOx)和一种或多种其他气体，尤其是在燃煤发电厂情况下。其他气体 和其他组分可包括CO、汞和其他重金属及尘粒(如来自煅烧和燃烧过程)。气流中的其他 组分还可包括卤化物如氯化氢和氟化氢；粒状物质如粉煤灰、粉尘及金属(包括砷、铍、硼、 镉、铬、铬VI、钴、铅、锰、汞、钼、硒、锶、铊和钒)；和有机物如烃、二噁英和PAH化合物。在一 些实施方案中，可经处理的适宜气态废物流中存在的CO2的量为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废物流(特别是燃烧气体的各 种废物流)可包括一种或多种其他组分如水、NOx( 一氮氧化物N0和NO2)、SOx( 一硫氧化 物S0、SO2和SO3)、VOC(挥发性有机化合物)、重金属如汞、和粒状物质(固体颗粒或悬浮 在气体中的液体)。烟道气温度也可不同。在一些实施方案中，包含CO2的烟道气的温度可 为 0°C到j 2000°C，例如 60°C到700°C，包括 100°C到400"C。
在一些实施方案中，一种或多种其他组分或联产物(如在用来转化CO2为碳酸盐 的相同条件下自其他起始材料产生的产物[如S0X、NOx等])可沉淀或截留在通过使包含 这些其他组分的废气流与包含二价阳离子(如碱土金属离子如Ca2+和Mg2+)的溶液接触 所形成的沉淀物质中。钙和/或镁的硫酸盐、亚硫酸盐等可沉淀或截留在自包含S0X(如 SO2)的废气流产生的沉淀物质(还包含碳酸钙和/或碳酸镁)中。镁和钙可分别反应形成 MgSO4, CaSO4及其他含镁和含钙的化合物(如亚硫酸盐)，从而在无脱硫步骤如烟道气脱硫 (“FGD”)的情况下高效移除烟道气流中的硫。此外可形成CaC03、MgC03和相关化合物而不 额外释放C02。在二价阳离子的溶液含高含量硫化合物(如硫酸盐)的情况下，可使溶液富 含钙和镁以便在形成CaS04、MgSO4和相关化合物后或除形成CaS04、MgSO4和相关化合物外 可得到钙和镁来形成碳酸盐化合物。在一些实施方案中，脱硫步骤的进行可与含碳酸盐的 沉淀物质的沉淀同时发生，或脱硫步骤可在沉淀前进行。在一些实施方案中，可在不同阶段 收集多个反应产物(如MgCO3、(；C03、CaS04、前述的混合物等)，而在其他实施方案中可收集 单一反应产物(如包含碳酸盐、硫酸盐等的沉淀物质)。在这些实施方案的步骤中，其他组 分如重金属(如汞、汞盐、含汞化合物)可被截留在含碳酸盐的沉淀物质中或可单独沉淀。可使用来自工厂的部分气态废物流(即非整个气态废物流)来产生沉淀物质。在 这些实施方案中，在沉淀物质的沉淀中采用的所述部分气态废物流可为气态废物流的75% 或更少，例如60 %或更少，包括50 %或更少。在其他实施方案中，可在沉淀物质的沉淀中采 用工厂产生的基本(例如80%或更多)整个气态废物流。在这些实施方案中，源产生的气 态废物流(如烟道气)的80%或更多、例如90%或更多、包括95%或更多、至高100%可被 用于沉淀物质的沉淀。虽然工业废气提供了较高浓度的燃烧气体源，但本发明的方法和系统也可应用于 从所含污染物浓度比例如烟道气低得多的较低浓度的源(如大气)中移除燃烧气体组分。 因此，在一些实施方案中，方法和系统包括通过产生稳定的沉淀物质降低大气中污染物的 浓度。在这些情况下，部分大气中污染物如CO2的浓度可降低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 %。大气污染物的这种降低可以如本文中所 述的产率(yield)或更高或更低的产率实现，并可在一个沉淀步骤或一系列沉淀步骤中实 现。二价阳离子本发明的方法包括使一定体积的二价阳离子溶液(如二价阳离子的水溶液)与 CO2源接触并使所得溶液经受促进沉淀的条件。在一些实施方案中，可使一定体积的二价阳 离子溶液(如二价阳离子的水溶液)与CO2源接触并同时使该溶液经受促进沉淀的条件。 二价阳离子可来自任何大量不同的二价阳离子源，取决于特定地点处的可得性。这类源包 括工业废物、海水、盐水、硬水、岩石和矿物(如石灰、方镁石、包含金属硅酸盐的材料如蛇 纹石和橄榄石)及任何其他适宜的源。在一些地点，来自各种工业过程的工业废物流将提供合适的二价阳离子(以及有 时过程中可用的其他材料如金属氢氧化物)的源。这类废物流包括但不限于采矿废物；化 石燃料燃烧灰烬(如燃烧灰烬如粉煤灰、炉底灰、锅炉渣)；矿渣(如铁渣、磷渣)；水泥窑废 物；炼油厂/石化精炼厂废物(如油田和甲烷矿层盐水)；煤矿层废物(如采气盐水和煤矿层盐水)；纸加工废物；水软化废盐水(如离子交换废水)；硅加工废物；农业废物；金属精 整废物；高PH纺织废物；和碱渣。化石燃料燃烧灰烬、水泥窑粉尘和矿渣(统称金属氧化 物废物源)还见述于2009年6月17日提交的美国专利申请12/486，692，其公开通过引用 结合到本文中。可为实施本发明的目的而混合和协配本文中描述的任何二价阳离子源。例 如，可为实施本发明的目的而将2009年7月10日提交的美国专利申请12/501，217(该申 请通过引用结合到本文中)中进一步描述的包含金属硅酸盐的材料(如蛇纹石、橄榄石) 与本文中所述的任何二价阳离子源相组合。在一些地点，对于本发明的碳酸盐/碳酸氢盐(如CO2截存组分)的制备而言合 宜的二价阳离子源可为水(如包含二价阳离子的水溶液如海水或地表盐水)，其可随实施 本发明的特定地点而异。可用的适宜的二价阳离子溶液包括包含一种或多种二价阳离子 例如碱土金属阳离子如Ca2+和Mg2+的水溶液。在一些实施方案中，二价阳离子的水溶液包 含碱土金属阳离子。在一些实施方案中，碱土金属阳离子包括钙、镁或其混合物。在一些 实施方案中，二价阳离子的水溶液包含量为50-50，OOOppm,50-40, OOOppm,50-20, OOOppm, 100-10，000ppm、200-5000ppm、或 400_1000ppm 的钙。在一些实施方案中，二 价阳离 子的水溶液包含量为 50-40，OOOppm, 50-20, OOOppm、100-10，OOOppm、200-10，OOOppm、 500-5000ppm、或500-2500ppm的镁。在其中Ca2+和Mg2+均存在的一些实施方案中，二价阳 离子的水溶液中Ca2+对Mg2+的比率(即Ca2+ Mg2+)可为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 或其范围内。 例如，在一些实施方案中，二价阳离子的水溶液中Ca2+对Mg2+的比率可为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。 在一些实施方案中，二价阳离子的水溶液中Mg2+对Ca2+的比率(即Mg2+ Ca2+)可 为 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或其范围内。例如，在一些实施方案中，二价阳离子的水溶液中Mg2+对Ca2+ 的比率可为 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。二价阳离子的水溶液可包含源自淡水、微咸水、海水或盐水(如天然存在的盐水 或人为盐水如地热厂废水、脱盐厂废水)以及其他盐度高于淡水的咸水的二价阳离子，其 中任意所述水可以是天然存在的或人为的。微咸水为比淡水咸但不如海水咸的水。微咸水 的盐度在约0. 5到约35ppt (千分率)范围内。海水为来自海、洋或任何其他含盐水体的水， 其盐度在约35到约50ppt范围内。盐水为被盐所饱和或接近饱和的水。盐水的盐度为约 50ppt或更高。在一些实施方案中，二价阳离子所源自的水源为富含矿物(如富含钙和/或 富含镁)的淡水源。在一些实施方案中，二价阳离子所源自的水源可为天然存在的咸水源， 所述咸水源选自海、洋、湖泊、沼泽、河口、泻湖、地表盐水、深盐水、碱性湖泊、内海等。在一 些实施方案中，二价阳离子所源自的水源可为选自地热厂废水或脱盐废水的人为盐水。淡水可为合宜的二价阳离子(如碱土金属阳离子如Ca2+和Mg2+)的源。可使用任 何大量适宜的淡水源中，包括从较无矿物的源到较富含矿物的源的淡水源。富含矿物的淡 水源可以是天然存在的，包括大量硬水源、湖泊或内海中的任一种。一些富含矿物的淡水源如碱湖或内海(如土耳其的凡湖)也提供PH-改变剂的源。富含矿物的淡水源也可以是 人为的。例如，可使贫含矿物的水(软水)与二价阳离子如碱土金属阳离子(如Ca2+、Mg2+ 等)的源接触以产生适于本文中所述方法和系统的富含矿物的水。二价阳离子或其前体 (如盐、矿物)可用任何合宜的方案(如加入固体、悬浮液或溶液)加到淡水(或本文中所 述任何其他类型的水)中。在一些实施方案中，可向淡水中加入选自Ca2+和Mg2+的二价阳 离子。在一些实施方案中，选自Na+和K+的一价阳离子被加到淡水中。在一些实施方案中， 可将包含Ca2+的淡水与燃烧灰烬(如粉煤灰、炉底灰、锅炉渣)或其制品或加工形式组合， 从而产生包含钙和镁阳离子的溶液。在一些实施方案中，二价阳离子的水溶液可自也提供燃烧气流的工厂获得。例如， 在水冷工厂如海水冷却工厂中，已被工厂用于冷却的水可然后用作产生沉淀物质的水。如 果需要，所述水可在进入本发明的沉淀系统之前经冷却。这种方法可例如用于直流冷却系 统。例如，城市或农业水供应源可用作工厂的直流冷却系统。来自工厂的水可然后用来产 生沉淀物质，其中输出水具有降低的硬度和更高的纯度。质子去除剂及实现质子去除的方法本发明的方法包括使一定体积的二价阳离子溶液(如二价阳离子的水溶液)与 CO2源接触(以溶解CO2)并使所得溶液经受促进沉淀的条件。在一些实施方案中，可使一 定体积的二价阳离子溶液(如二价阳离子的水溶液)与CO2源接触(以溶解CO2)并同时使 该溶液经受促进沉淀的条件。CO2在二价阳离子溶液中的溶解将产生碳酸，碳酸为与碳酸氢 盐和碳酸盐平衡的物质类型(species)。为产生含碳酸盐的沉淀物质，应从含二价阳离子的 溶液中的各种物质类型(如碳酸、碳酸氢盐、水合氢离子等)去除质子而使平衡向碳酸盐移 动。随着质子被去除，更多CO2将进入溶液中。在一些实施方案中，可在使含二价阳离子的 溶液(如包含二价阳离子的水溶液)与CO2接触时使用质子去除剂和/或方法以增加一个 沉淀反应阶段中的CO2吸收，其中PH可保持恒定、升高或甚至降低，然后是质子的快速去除 (例如通过加入碱)以使含碳酸盐的沉淀物质快速沉淀。可通过任何方便的方法从各种物 质类型(如碳酸、碳酸氢盐、水合氢离子等)去除质子，包括但不限于使用天然存在的质子 去除剂、使用微生物和真菌、使用合成的质子去除化学剂、回收人为废物流及使用电化学手 段。天然存在的质子去除剂包括在可产生或具有碱性局部环境的更广阔环境中可找 到的任何质子去除剂。一些实施方案提供了天然存在的质子去除剂，包括加到溶液中时将 生生碱性环境的矿物。这类矿物包括但不限于石灰(CaO)、方镁石(MgO)、氢氧化铁矿物(如 针铁矿和褐铁矿)和火山灰。本文中将提供这类矿物及包含这类矿物的岩石的消解方法。 一些实施方案提供了使用天然碱性的水体作为天然存在的质子去除剂。天然碱性的水体的 实例包括但不限于地表水源(如碱湖如加利福尼亚的Mono湖)和地下水源(如碱性蓄水 层如位于加利福尼亚的塞尔斯湖处的深地质碱性蓄水层)。其他实施方案提供了来自已干 碱性水体的沉积物如沿非洲大裂谷的Natron湖的沉积物的使用。在一些实施方案中，可使 用在其正常代谢中分泌碱性分子或溶液的生物体作为质子去除剂。这类生物体的实例有产 生碱性蛋白酶的真菌(如最佳PH为9的深海真菌Aspergillus ustus)和产生碱性分子的 细菌(如蓝细菌如来自大不列颠哥伦比亚的Atlin湿地的Lyngbya sp.，其因光合成的副 产物而增高PH)。在一些实施方案中，可使用生物体来产生质子去除剂，其中生物体(例如Bacillus pasteurii，其将使尿素水解为氨)将使污染物(如尿素)代谢产生质子去除剂或 包含质子去除剂的溶液(如氨、氢氧化铵)。在一些实施方案中，生物体可自沉淀反应混合 物单独培养，其中使用质子去除剂或包含质子去除剂的溶液以加入沉淀反应混合物中。在 一些实施方案中，可与质子去除剂组合地使用天然存在的或人造的酶以引起沉淀物质的沉 淀。碳酸酐酶(其为植物和动物产生的酶)将加速溶液中碳酸向碳酸氢盐的转化。因此， 碳酸酐酶可用来增强CO2的溶解和加速沉淀物质的沉淀，如2009年10月19日提交的美国 临时专利申请61/252，929中所述，该专利申请通过全文引用结合到本文中。用来实现质子去除的化学剂通常指大量生产并市售可得的合成化学剂。例如，用 于去除质子的化学剂包括但不限于氢氧化物、有机碱、超强碱、氧化物、氨和碳酸盐。氢氧化 物包括在溶液中提供氢氧阴离子的化学物质，包括例如氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、 氢氧化钙(Ca(OH)2)或氢氧化镁(Mg(OH)2)。有机碱是通常作为含氮碱的含碳分子，包括伯 胺(如甲胺)、仲胺(如二异丙胺)、叔胺(如二异丙基乙胺)、芳胺(如苯胺)、杂芳族化 合物(如吡啶、咪唑和苯并咪唑)及其各种形式。在一些实施方案中，可使用选自吡啶、甲 胺、咪唑、苯并咪唑、组氨酸和膦腈的有机碱来从各种物质类型(如碳酸、碳酸氢盐、水合氢 离子等)去除质子以促使沉淀物质的沉淀。在一些实施方案中，可使用氨来提升PH至足以 从二价阳离子的溶液和工业废物流中沉淀沉淀物质的水平。适于用作质子去除剂的超强碱 包括乙醇钠、氨基化钠(NaNH2)、氢化钠(NaH)、丁基锂、二异丙基氨基锂、二乙基氨基锂和双 (三甲基甲硅烷基)氨基锂。氧化物包括例如氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化锶(SrO)、 氧化铍(BeO)和氧化钡(BaO)可能也是可使用的适宜的质子去除剂。用于本发明的碳酸盐 包括但不限于碳酸钠。除包含所关心的阳离子及其他适宜的金属形式外，来自各种工业过程的废物流也 可提供质子去除剂。这类废物流包括但不限于采矿废物；化石燃料燃烧灰烬(如燃烧灰烬 如粉煤灰、炉底灰、锅炉渣)；矿渣(如铁渣、磷渣)；水泥窑废物；炼油厂/石化精炼厂废物 (如油田和甲烷矿层盐水)；煤矿层废物(如采气盐水和煤矿层盐水)；纸加工废物；水软化 废盐水(如离子交换废水)；硅加工废物；农业废物；金属精整废物；高pH纺织废物；和碱 渣。采矿废物包括来自从土壤中提取金属或其他珍贵或有用矿物时的任何废物。在一些实 施方案中，来自采矿的废物可用来改变PH，其中所述废物选自来自Bayer铝提取工艺的红 泥；来自从海水中提取镁时的废物(例如Mg(OH)2,如在加利福尼亚的Moss Landing找到 的Mg(OH)2)；和来自涉及溶浸的采矿工艺的废物。例如，红泥可如2009年3月18日提交的 美国临时专利申请61/161369中所述用来改变pH，所述专利申请通过全文引用结合到本文 中。可单独或与其他质子去除剂组合地使用化石燃料燃烧灰烬、水泥窑粉尘和矿渣(统称 金属氧化物废物源)以提供本发明的质子去除剂，还见述于2009年6月17日提交的美国 专利申请12/486，692，所述专利申请的公开通过全文引用结合到本文中。农业废物(来自 动物废物或过度肥料使用)可能含氢氧化钾(KOH)或氨(NH3)或二者。因此，在本发明的 一些实施方案中，农业废物可用作质子去除剂。所述农业废物常集中在池塘中，但其也可向 下渗滤进蓄水层中并由此获取和使用。电化学方法可为从溶液中的各种物种去除质子的另一途径，所述途径或从溶质 (如碳酸或碳酸氢盐的去质子化)或从溶剂(如水合氢离子或水的去质子化)去除质子。 如果来自CO2溶解所产生的质子与通过电化学方法从溶质分子去除的质子相当或超过去除的质子，则可得到溶剂去质子化的结果。在一些实施方案中，可使用低电压电化学方法来例 如随CO2溶解在沉淀反应混合物中或沉淀反应混合物的前体溶液(即可或可不含二价阳离 子的溶液)中而去除质子。在一些实施方案中，溶解在不含二价阳离子的溶液中的CO2可 用低电压电化学方法处理以从碳酸、碳酸氢盐、水合氢离子或因CO2的溶解产生的任何物质 种类或其组合中去除质子。低电压电化学方法在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 电压下运行。不产生氯气的低电压电化学方法对于在本发明的系统和方法中的使用来说可 能是合宜的。不产生氧气的去除质子的低电压电化学方法对于在本发明的系统和方法中的 使用来说可能也是合宜的。在一些实施方案中，低电压电化学方法将在阴极处产生氢气并 输运氢气至阳极，所述氢气在阳极被转化为质子。不产生氢气的电化学方法可能也是合宜 的。有时，去除质子的电化学方法将不产生任何气体副产物。实现质子去除的电化学方法 还见述于2008年12月24日提交的美国专利申请12/344，019、2008年12月23日提交的 美国专利申请12/375，632、2008年12月23日提交的国际专利申请PCT/US08/088242、2009 年1月28日提交的国际专利申请PCT/US09/32301、2009年6月24日提交的国际专利申请 PCT/US09/48511和2009年8月13日提交的美国专利申请12/541，055，其各通过全文引用 结合到本文中。或者，可使用电化学方法通过例如氯碱法或其变型产生苛性分子(如氢氧化物)。 电极(即阴极和阳极)可存在于含含有二价阳离子的溶液或充入了气态废物流(如充入 了 CO2)的溶液的装置中，选择性屏障如膜可分隔所述电极。用于去除质子的电化学系统 和方法可产生副产物(如氢气)，所述副产物可被收集并用于其他目的。本发明的系统和 方法中可用的其他电化学方法包括但不限于2008年7月16日提交的美国临时专利申请 61/081,299和美国临时专利申请61/091，729中描述的那些，所述专利申请的公开通过引 用结合到本文中。可采用上面提到的质子去除剂源和有效去除质子的方法的组合。可采用多种不同的方法来从CO2源、二价阳离子源和质子去除剂源制备本发明的 混凝土的CO2截存组分。所关心的CO2截存方案包括但不限于如下专利申请中所公开的 那些美国专利申请12/126，776和12/163，205 ；以及2008年5月23日提交的美国临时 专利申请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 ；以及美国临时专利申请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 ；其各通过引用结合到本 文中。本发明的CO2截存组分(如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)包括碳酸盐 组合物，所述碳酸盐组合物可通过自二价阳离子的溶液沉淀钙和/或镁的碳酸盐组合物而产生。本发明的碳酸盐化合物组合物含沉淀的结晶和/或无定形碳酸盐化合物。构成本发 明的0)2截存组分(如包含碳酸盐、碳酸氢盐或其组合的组分)的碳酸盐化合物组合物含 亚稳碳酸盐化合物，所述亚稳碳酸盐化合物可从二价阳离子的溶液如咸水沉淀，这将在下 面更详细地描述。为方便起见，本文中有时以咸水来描述；但应理解包含二价阳离子的任何水源均 可使用。本发明的源自咸水的碳酸盐化合物组合物(即源自咸水并由一种或多种不同的碳 酸盐结晶和/或无定形化合物加或不加一种或多种结晶或无定形氢氧化物所构成的组合 物)源自咸水。因此，其包含以一定方式从咸水获得的组合物，例如通过以足以从初始咸水 体积产生所需碳酸盐化合物组合物的方式处理一定体积的咸水所获得的组合物。某些实 施方案的碳酸盐化合物组合物可通过从含碱土金属阳离子如钙和镁等的二价阳离子溶液 (如咸水)沉淀产生，其中这类二价阳离子溶液可统称为含碱土金属的水。方法中采用的咸水可不同。如上所述，所关心的咸水包括微咸水、海水和盐水以及 其他盐度高于淡水(其盐度低于5ppt溶解盐)的咸水。在一些实施方案中，可将富含钙的 水与硅酸镁矿物如橄榄石或蛇纹石在已因加入二氧化碳形成碳酸而变为酸性的溶液中组 合，所述溶液将溶解硅酸镁，从而导致如上所述硅酸碳酸钙镁化合物的形成。在产生本发明的碳酸盐化合物组合物的方法中，可使一定体积的水经受足以产生 含碳酸盐的沉淀物质和母液(即从咸水沉淀出碳酸盐化合物后剩下的部分水)的碳酸盐化 合物沉淀条件。所得沉淀物质和母液一起构成本发明的碳酸盐化合物组合物。任何合宜的 沉淀条件均可采用，所述条件导致碳酸盐化合物组合物截存制品的产生。促进沉淀的条件(即沉淀条件)可不同。例如，水的温度可在便于所需矿物的沉 淀发生的适宜范围内。在一些实施方案中，水的温度可在5-70°C范围内，例如20-50°C，包 括25-45°C。因此，虽然所给沉淀条件的集合可具有0-100°C的温度范围，但在某些实施方 案中可调节水的温度以产生所需的沉淀物质。在普通海水中，93%的溶解C02可呈碳酸氢盐离子(HC03_)的形式，6%可呈碳酸盐 离子(C032-)的形式。当从普通海水沉淀碳酸钙时将释放C02。在淡水中，当pH高于10. 33 时，超过90%的碳酸盐将呈碳酸盐离子的形式并在碳酸钙的沉淀过程中无C02释放。在海 水中，此转变在稍低的pH(更接近9.7的pH)下发生。在既定的沉淀过程中，虽然方法中采 用的水的PH可在pH5到pH14范围内，但在某些实施方案中可根据需要将pH提升至碱性水 平以驱动碳酸盐化合物以及其他化合物如氢氧化物的沉淀。在某些这些实施方案中，可将 pH提升至使沉淀过程中C02的产生最小化(如果不是消除的话)的水平，从而使例如以碳 酸盐和碳酸氢盐形式溶解的C02被截留在沉淀物质中。在这些实施方案中，可将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。在某些实施方案中可采用质子去除剂，其中 这类试剂的实例包括氧化物、氢氧化物(如粉煤灰中的氧化钙、氢氧化钾、氢氧化钠、水镁 石1%(011)2等)、碳酸盐(如碳酸钠)等，其许多已在上面描述。一种提升沉淀反应混合物 或其前体(如含二价阳离子的溶液)的PH的这类方法是使用来自燃煤发电厂的煤灰，所述 煤灰含许多氧化物。其他煤处理如煤的气化(以产生合成气)也产生氢气和一氧化碳并 也可用作氢氧化物源。一些天然存在的矿物如蛇纹石含氢氧化物并可溶解以产生氢氧化 物源。蛇纹石的加入还向溶液中释放二氧化硅和镁，从而导致含二氧化硅的沉淀物质的形成。加到沉淀反应混合物或其前体中的质子去除剂的量应取决于质子去除剂的具体性质和 被改变的沉淀反应混合物或其前体的量，并应足以提升沉淀反应混合物或其前体的PH至 所需pH。或者，沉淀反应混合物或其前体的pH可通过如上所述电化学途径提升至所需水 平。在某些条件下可使用其他电化学方法。例如，可采用电解，其中可使用汞电解池法(也 称Castner-Kellner法)、隔膜电解池法、膜电解池法或其一些组合。当需要时，可根据需要 为其他目的收集和采用水解产物的副产物如H2、金属钠等。在其他实施方案中，可采用2008年7月16日提交的美国临时专利申请 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，其公开通过引 用结合到本文中。也可向水中引入不同于pH-提升剂的添加剂来影响所产生的沉淀物质的性质。因 此，本发明的方法的某些实施方案包括在当水经受沉淀条件时之前或过程中向水中提供添 加剂。痕量的某些添加剂可促成某些碳酸钙多晶型物。例如，可通过在碳酸钙的过饱和溶 液中引入痕量镧如氯化镧而以非常高的产率获得六方碳钙石，六方碳钙石是一种高度不稳 定的CaC03多晶型物，其将以多种不同的形态沉淀并迅速转变为方解石。除镧外还关心的 其他添加剂包括但不限于过渡金属等。例如，亚铁或铁离子的加入已知将有助于无序白云 石(原白云岩)的形成，否则将不能形成。也可通过选择适宜的主要离子比率来影响沉淀物质的性质。主要离子比率还对多 晶型物的形成有着相当大的影响。例如，随着水中镁钙比率增高，霰石将变为比低镁方解 石更有利的碳酸钙多晶型物。在较低的镁钙比率下，低镁方解石可能是优选的多晶型物。 因此，可采用广泛的镁钙比率，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。在某些实施方案 中，镁钙比率可由沉淀过程中采用的水源(如海水、盐水、微咸水、淡水)决定，而在其他 实施方案中，镁钙比率可被调节至一定的范围内。沉淀速率也对化合物的相形成有很大影响。最快的沉淀可通过使具有所需相的溶 液析晶获得。不析晶时，快速沉淀可通过快速提升海水的PH获得，这将导致更无定形的组 分。当存在二氧化硅时，反应速率越快，则含碳酸盐的沉淀物质中将结合进更多二氧化硅。 pH越高，沉淀将越快且沉淀物质将越无定形。因此，在某些实施方案中，自二价阳离子的溶液产生所需沉淀物质的沉淀条件集 合包括水的温度和PH，并有时包括添加剂的浓度和水中的离子种类。沉淀条件还可包括因 素如混合速率、搅动的形式(如超声)、种晶的存在、催化剂、膜或基材。在一些实施方案中， 沉淀条件包括过饱和条件、温度、pH和/或浓度梯度、或循环或改变任何这些参数。用来制 备根据本发明的含碳酸盐的沉淀物质的方法可为间歇法或连续法。应理解，在连续流动系 统中产生既定的沉淀物质所需的沉淀条件可能与在间歇系统中不同。在某些实施方案中，所述方法还包括使经受矿物沉淀条件的体积的水与C02源接 触。所述水与0)2源的接触可在当水经受co2沉淀条件时之前和/或过程中进行。因此，本 发明的实施方案包括其中所述体积的水可在所述体积的咸水经受矿物沉淀条件前与co2源 接触的方法。本发明的实施方案包括其中所述体积的咸水可在所述体积的咸水正经受碳酸 盐化合物沉淀条件时与co2源接触的方法。本发明的实施方案包括其中所述体积的水可在 所述体积的咸水经受碳酸盐化合物沉淀条件前及所述体积的咸水正经受碳酸盐化合物沉淀条件时与0)2源接触的方法。在一些实施方案中，相同的水可循环超过一次，其中第一沉 淀循环主要去除碳酸钙和碳酸镁矿物而留下剩余的碱性水，可向所述碱性水中加入其他可 让更多二氧化碳在其中循环的碱土金属离子源，从而沉淀出更多碳酸盐化合物。在这些实施方案中可与所述体积的咸水接触的C02源可为任何合宜的C02源，接触 方法可为任何合宜的方法。当co2为气体时，所关心的接触方法包括但不限于直接接触法 (如对所述体积的咸水鼓泡)、顺流接触途径(即单向流动的气体与液相流间接触)、逆流途 径(即反向流动的气体与液相流间接触)等。因此，接触可根据合宜性通过使用注入器、鼓 泡器、流体文丘里反应器、分布器、气体过滤器、喷雾、塔板或填料塔反应器等实现。对于用 于使二价阳离子的溶液与C02源接触的示例性系统和方法，参见2009年3月10日提交的美 国临时专利申请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，其各通过引 用结合到本文中。上面的方法将产生碳酸盐/碳酸氢盐沉淀物质(如C02截存沉淀物质)和母液的 淤浆。需要时，由沉淀物质和母液构成的组合物可在沉淀后及进一步加工前贮存一段时间。 例如，所述组合物可在1-40°C、例如20-25°C的温度下贮存1-1000天或更长、例如1_10天 或更长的时间。然后可分离淤浆组分。实施方案可包括母液处理，其中所述母液可或可不存在于 作为制品的同一组合物中。例如，当母液将被返回海洋时，可使母液与气态co2源以足以提 高母液中存在的碳酸盐离子的浓度的方式接触。接触可用任何合宜的方法进行，例如上面 所描述的那些。在某些实施方案中，母液具有碱性PH，与C02源的接触可以足以降低pH至 5-9、例如6-8. 5、包括7. 5-8. 2的范围的方式进行。在某些实施方案中，可使经处理的盐水 与例如如上所述C02源接触以截存更多C02。例如，当母液将被返回海洋时，可使母液与气 态C02源以足以提高母液中存在的碳酸盐离子的浓度的方式接触。接触可用任何合宜的方 法进行，例如上面所描述的那些。在某些实施方案中，母液具有碱性PH，与C02源的接触可 以足以降低PH至5-9、例如6-8. 5、包括7. 5-8. 2的范围的方式进行。所得反应母液可用任何合宜的方法处置。在某些实施方案中，其可被送到尾矿池 以进行处置。在某些实施方案中，其可在天然存在的水体如海、洋、湖泊或河流中处置。在某 些实施方案中，母液被返回本发明的方法的给水源如洋或海。或者，母液可被进一步处理， 例如经受脱盐程序，这在美国专利申请12/163，205中有进一步描述，其公开通过引用结合 到本文中。在某些实施方案中，在产生沉淀物质(如C02截存组分)后，可将所得物质与母液 分离以产生分离的沉淀物质(如co2截存制品)。沉淀物质(如co2截存组分)的分离可 用任何合宜的方法达到，包括机械方法，例如其中大量过量的水通过例如或重力自身或施 加真空机械挤压从沉淀物质排出、通过从母液过滤沉淀物质来产生滤液等。在某些实施方 案中，大量水的分离将产生湿的脱水沉淀物质。所得脱水沉淀物质可然后根据需要干燥以产生干燥的制品。干燥可通过空气干燥 湿的沉淀物质来实现。当湿的沉淀物质经空气干燥时，空气干燥可在室温或高温下进行。 在另一实施方案中，湿的沉淀物质可经喷雾干燥以干燥沉淀物质，其中含沉淀物质的液体通过提供流过的热气(如来自发电厂的气态废物流)而干燥，例如其中液体进料被泵送经 雾化器进入主干燥室中而热气作为雾化器方向的顺流或逆流通过。根据系统的特定干燥方 法，干燥站可含过滤元件、冷冻干燥结构、喷雾干燥结构等。需要时，脱水沉淀物质制品可在 干燥前经洗涤。沉淀物质可用淡水洗涤以例如从脱水沉淀物质中除去盐(如NaCl)。在某些实施方案中，在随后的使用之前可以一定方式精制(即加工)沉淀物质。精 制可包括多种不同的方法。在某些实施方案中，产物可经受机械精制如研磨以获得具有所 需物理性质如粒径等的制品。在一些实施方案中，产物可用作“辅助胶凝材料”(SCM)。SCMs为尽管其自身可以 是或可以不是水硬胶凝性的但将在一定程度上与水硬水泥组合物如波特兰水泥反应产生 硬化材料的那些材料。用于波特兰水泥组合物中的普通SCMs的实例包括粉煤灰和磨细粒 化高炉矿渣。在某些实施方案中，产物可用来产生骨料。所得沉淀物质可然后经或不经干燥粉 末而制备为骨料。在干燥过程产生所需尺寸的颗粒的某些实施方案中，为产生骨料，基本不 (如果有的话)需要额外的工作。而在另外的实施方案中，可对沉淀物质进行进一步加工 以产生所需的骨料。例如，如上面所提到的，可将沉淀物质与淡水以足以使沉淀物质形成固 体产物的方式组合，其中沉淀物质中存在的亚稳碳酸盐化合物已转化为在淡水中稳定的形 式。通过控制湿料的含水量，可控制最终骨料的孔隙度及最终强度和密度。通常，湿饼将含 40-60%体积的水。对于较致密的骨料，湿饼将含< 50%的水，对于较不致密的饼，湿饼将 含> 50%的水。硬化后，所得固体产物可然后经机械加工如压碎或以其他方式打碎并贮存 以产生具有所需特征如尺寸、特定形状等的骨料。在这些过程中，凝固和机械加工步骤可以 基本连续的方式或在分离的时间里进行。在某些实施方案中，可将大量的沉淀物质贮存在 其中沉淀物质将暴露于大气的开放环境中。对于凝固步骤，可以合宜的方式对沉淀物质浇 灌淡水，或可让其自然淋雨以产生凝固产物。凝固产物可然后如上所述经机械加工。在沉 淀物质产生后，可加工沉淀物质以产生所需骨料。在一些实施方案中，沉淀物质可被留在户 外，在这里，雨水可用作淡水源以发生大气水稳定化反应，从而使沉淀物质硬化形成骨料。在本发明的一个实施方案的实例中，沉淀物质可用带式输送机和平路机以均勻的 方式机械铺展到夯实的地面上至所关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仑水每立方英尺沉淀物质的比率对铺展物质浇灌淡水。 然后可用钢轮压路机如浙青夯实中用到的那些多次夯实。可每周再次浇灌表面直至材料呈 现所需的化学和力学性质，此时可通过压碎将材料机械加工成骨料。在本发明的另一实施方案的实例中，碳酸盐化合物沉淀物质可在与母液分开后用 淡水洗涤，然后置于压滤机中产生含30-60%固体的滤饼。该滤饼可然后用任何合宜的措 施如液压机于例如5-lOOOpsi、如l-200psi的足够压力下在模具中机械挤压以产生成型固 体如长方形砖。所得这些固体可然后通过例如置于外面贮存、通过置于经受高湿度和热度 的室内等硬化。所得这些硬化固体可然后用作建筑材料自身或压碎以产生骨料。这样的骨 料、其制造方法及用途在2008年5月29日提交的同时待审的美国专利申请61/056，972中 有进一步描述，其公开通过引用结合到本文中。图1给出了产生根据本发明的一个实施方案的碳酸盐/碳酸氢盐(如C02截存组 分)的方法的示意性流程图。在图1中，来自二价阳离子源110的二价阳离子在沉淀步骤120处经受碳酸盐化合物沉淀条件。如上所述，咸水指若干不同类型的非淡水水流体中的任 一种，包括微咸水、海水和盐水(包括人造盐水如地热厂废水、脱盐废水等)以及其他盐度 高于淡水的咸水。本发明的水泥的碳酸盐化合物组合物可源自的咸水源可为天然存在的源 如海、洋、湖泊、沼泽、河口、泻湖等或人造源。在某些实施方案中，水可自也提供气态废物流的发电厂获得。例如，在水冷发电 厂如海水冷却发电厂中，已为发电厂所用的水可然后被送到沉淀系统并用作沉淀反应中的 水。在某些这些实施方案中，所述水可在进入沉淀反应器之前经冷却。在图1所示实施方案中，来自二价阳离子源110的二价阳离子溶液首先被充以C02 而产生充入了 co2的水，该C02然后经受碳酸盐化合物沉淀条件。如图1中所示，含co2的 气态流130与二价阳离子的溶液在沉淀步骤120处接触。所提供的气态流130与适宜的含 二价阳离子的溶液在沉淀步骤120处接触而产生充入了 C02的水。充入了 C02的水为已与 C02气体接触的水，其中C02分子已与水分子化合产生例如碳酸、碳酸氢盐和碳酸盐离子。该 步骤中对水充气导致水的“C02含量”(以例如碳酸、碳酸氢盐和碳酸盐离子的形式)的提高 及与水接触的废物流的pC02的相伴减小。所述充入了 C02的水可能是酸性的，pH为6或更 低，例如5或更低，包括4或更低。在某些实施方案中，用来对水充气的气体的C02浓度可为 10 %或更高、25 %或更高、包括50 %或更高、例如75 %或甚至更高。所关心的接触方法包括 但不限于直接接触方法(如对所述体积的水鼓泡)、顺流接触途径(即单向流动的气体与 液相流间接触)、逆流途径(即反向流动的气体与液相流间接触)等。因此，接触可根据合 宜性通过使用注入器、鼓泡器、流体文丘里反应器、分布器、气体过滤器、喷雾、塔板或填料 塔反应器等实现。在沉淀步骤120处将沉淀出可能为无定形或结晶的碳酸盐化合物。所关心的沉淀 条件包括改变水的物理环境以产生所需沉淀物质的那些。例如，可将水的温度升至适于发 生所需碳酸盐化合物的沉淀的量。在这样的实施方案中，可将水的温度升至5-70°C的值， 例如20-50°C，包括25-45°C。因此，虽然所给沉淀条件的集合可具有0-100°C的温度范围， 但在某些实施方案中可升高温度以产生所需的沉淀物质。在某些实施方案中，温度可用自 低或零二氧化碳排放的源如太阳能源、风能源、水电能源等产生的能量升高。虽然在既定的 沉淀过程中水的PH可在7-14范围内，但在某些实施方案中可按需将pH提升至碱性水平以 驱动碳酸盐化合物的沉淀。在某些这些实施方案中，可将PH提升至使沉淀过程中0)2气体 的产生最小化(如果不是消除的话)的水平。在这些实施方案中，可将PH提升至10或更 高、例如11或更高。需要时，水的PH可用任何合宜的方法提升。在某些实施方案中可采用 PH-提高剂，其中这类试剂的实例包括氧化物、氢氧化物(如氢氧化钠、氢氧化钾、水镁石)、 碳酸盐(如碳酸钠)等。加到咸水源中的PH-提升剂的量应取决于试剂的具体性质和被改 变的咸水的体积，并应足以提升咸水源的PH至所需的值。或者，咸水源的pH可通过水的电 解提高至所需水平。C02的充入和碳酸盐化合物的沉淀可以连续的过程或分离的步骤进行。因此，根据 本发明的某些实施方案，充入和沉淀可如图1中所示在步骤120处于系统的同一反应器中 进行。而在本发明的其他实施方案中，这两个步骤可在单独的反应器中进行，以便水先在充 气反应器(即气-液或气-液-固接触器)中被充以C02，所得充入了 C02的水然后在单独 的反应器中经受沉淀条件。
在自所述水产生含碳酸盐的沉淀物质后，可如图1中所示在步骤140处将所得沉 淀物质(即所得0)2截存组分)与一些或全部母液分离以产生分离的沉淀物质。沉淀物质 的分离可用任何合宜的方法实现，包括机械方法，例如其中大量过量的水通过例如重力自 身或施加真空机械挤压从沉淀物质排出、通过过滤分离沉淀物质与母液而产生滤液等。对 于本发明中可用的用于大量水去除的示例性系统和方法，参见2009年3月10日提交的美 国临时专利申请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，其各通过引 用结合到本文中。大量水的分离将产生湿的脱水沉淀物质(即碳足迹减少的混凝土组合物 的脱水C02截存组分)。所得脱水沉淀物质可直接使用，或所得脱水沉淀物质可经进一步干燥。在一些实 施方案中，所得脱水沉淀物质可直接使用。直接使用所得脱水沉淀物质在需要一定量的水 的应用中可能是合宜的。在非限制性的实例中，可将脱水沉淀物质与普通波特兰水泥混合， 其中脱水沉淀物质提供水泥混合料的水化和浇筑所需的至少部分水。在一些实施方案中， 脱水沉淀物质可含超过5%的水、超过10%的水、超过20%的水、超过30%的水、超过50% 的水、超过60 %的水、超过70 %的水、超过80 %的水、超过90 %的水、或超过95 %的水。在 一些实施方案中，脱水沉淀物质将提供使用该脱水沉淀物质的应用所需的至少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。在一些实施方案中， 脱水沉淀物质将提供使用该脱水沉淀物质的应用所需的全部水。例如，脱水沉淀物质可提 供脱水沉淀物质与普通波特兰水泥的水泥混合料的水化和浇筑所需的全部水。例如，沉淀 物质可以经脱水以便脱水沉淀物质包含近70%的水，例如66. 5%的水。然后可将沉淀物质 的淤浆与普通波特兰水泥混合以便所得水泥混合料包含80%的普通波特兰水泥和20%的 沉淀物质，其中水与水泥(即普通波特兰水泥加沉淀物质)的比率为约40%。通过控制从 沉淀物质移除的水的量，自沉淀物质制得的材料(如碳足迹减少的混凝土)的碳足迹也将 得到控制，尤其是如果材料需要水的话。考虑到这一点，本文中所述任何制品材料的低、中 性或负碳足迹可通过仅从沉淀物质移除所需移除的量的水而进一步减少。如上所述，所得脱水沉淀物质也可如图1中步骤160处所示经干燥以产生制品。干 燥可通过空气干燥滤液实现。当滤液经空气干燥时，空气干燥可在室温或高温下进行。脱 水沉淀物质可经空气干燥产生含低于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%的水的沉淀物质。例如，脱水沉淀物质可经空气干燥产生 含30%或更少的水的沉淀物质。这样的沉淀物质可在用或不用其他加工(如高剪切混合) 的情况下压碎并与其他材料如普通波特兰水泥组合产生包含水泥混合料的水化和浇筑所 需的部分水的水泥混合料。干燥也可通过喷雾干燥沉淀物质实现，其中含沉淀物质的液体 通过提供流过的热气(如来自发电厂的气态废物流)而干燥，例如其中液体进料被泵送经 雾化器进入主干燥室中而热气作为雾化器方向的顺流或逆流通过。取决于系统的特定干燥 方法，干燥站可含过滤元件、冷冻干燥结构、喷雾干燥结构等。需要时，来自液-固分离的脱水沉淀物质可如图1的任选步骤150处所示在干燥 前经洗涤。沉淀物质可用淡水洗涤以例如从脱水沉淀物质中除去盐(如NaCl)。用后的洗涤水可根据合宜性加以处置，例如在尾矿池中处置等。在步骤170处，经干燥的沉淀物质可任选经精制以例如获得所需的物理性质如粒 径、表面积等或向沉淀物质中加入一种或多种组分如外加剂、骨料、辅助胶凝材料等以产生 最终制品80。图4、5和6给出了制备0)2截存制品的方法的其他实施方案的示意图。在图6中， co2源直接来自发电厂烟道气。可将烟道气溶解在海水中，从而提取co2、s0)^nN0x气体以 排放出洁净空气。当溶解时，C02将转化为碳酸并与海水中的二价阳离子(如Ca2+、Mg2+)形 成碳酸盐而产生SCM和骨料，同时NO、* S0X也被中和和截存。可形成并喷雾干燥含碳酸 盐(如碳酸钙和/或碳酸镁)的淤浆以产生所需粒径。过程包括精密控制氯化钠(以避免 对钢筋的腐蚀作用)及产生洁净空气和因硬度降低(如钙和镁的浓度降低)而可更易于脱 盐的洁净水。虽然镁被视为混凝土中不希望有的，但此MgC03形式比通常避免的氢氧化镁 (Mg(0H)2)更类似于 CaC03。在某些实施方案中，可采用系统如图2的系统200来执行上述方法。图2的系统 200包含含C02的气体源230 (如来自燃煤发电厂的烟道气)。该系统还含输送结构如管、 导管或管道，其将含C02的气体从含C02的气体源230引导向处理器220。图2中还示出了 含二价阳离子的溶液源210 (如水体、含二价阳离子的溶液槽等)。在一些实施方案中，含二 价阳离子的溶液源210含输送结构如管、导管或管道，其将含二价阳离子的溶液(如含碱土 金属离子的水溶液)引导向处理器(220)。在含二价阳离子的溶液源为海水时，输送结构与 海水源流体连通(例如，输入为从海水到陆上系统的管线或进给，或输入为海上系统中船 体中的入口)。提供给处理器或其部件(如气-液接触器、气-液-固接触器等)的二价阳离子水 溶液可通过再循环泵再循环以便含C02的气体(如包含C02、S0X、N0X、金属和含金属的化合 物、粒状物质等)的吸收在处理器内的气-液接触器或气-液-固接触器内得到优化。有 或没有再循环时，本发明的处理器或其部件(如气-液接触器、气-液-固接触器等)可实 现含C02的气体中至少25%、50%、70%或90%的C02的溶解。其他气体(如S0X)的溶解 可能甚至更高，例如至少95%、98%或99%。提供含0)2的气体的最佳吸收的其他参数包括 0. 1-30、1-20、3-20或5-2001^的比表面积；0. 05-2,0. 1-1,0. 1-0. 5 或 0. 1-0. 3cm/s 的液体 侧传质系数(KL)；和0. 01-10,0. 1-8,0. 3-6或0. 6-4. 0s—1的体积传质系数。在一些 实施方案中，二价阳离子的水溶液对含C02的气体的吸收将使至少部分沉淀物质在气-液 接触器中沉淀。在一些实施方案中，沉淀主要在处理器的沉淀器中发生。处理器在提供使 沉淀物质沉淀的结构的同时还可提供初步沉降措施(即处理器可充当沉降罐)。无论提供 沉降与否，处理器均可向脱水进给泵提供沉淀物质的淤浆，脱水进给泵再将沉淀物质的淤 浆提供给液_固分离器，沉淀物质和沉淀反应混合物将在液_固分离器处得到分离。处理器220可还含大量不同部件中的任一种，包括但不限于温度调节器(如配置 以加热沉淀反应混合物至所需温度)、化学添加剂组分(如以引入质子去除化学剂如氢氧 化物、金属氧化物或粉煤灰)、电化学部件(如阴极/阳极)、机械搅动和/或物理搅拌机械 装置的部件、和用于使工厂烟道气再循环通过沉淀装置的部件。处理器220可还含配置以 监测一个或多个参数的部件，所述参数包括但不限于反应器内部压力、PH、沉淀物质粒径、 金属离子浓度、传导率、碱度和pC02。处理器220可与整个沉淀装置一致地以间歇方式、半
32间歇方式或连续地运行。处理器220还含用于包含沉淀物质的淤浆或分离出的上清液的输出传送装置。在 一些实施方案中，输出传送装置可配置以向尾矿池(以便处置)或天然存在的水体如洋、 海、湖泊或河流输送淤浆或上清液。在其他实施方案中，系统可配置为通过沉淀系统和工厂 间的管线使所述淤浆或上清液可用作工厂的冷却剂。在某些实施方案中，沉淀装置可与脱 盐装置布置在同一地点，以便来自沉淀装置的输出水用作脱盐装置的输入水。系统可含传 送装置(如导管)，经由这样的传送装置，输出水(如淤浆或上清液)可被直接泵送到脱盐 装置中。图2中所示系统还含液-固分离器240以将沉淀物质从沉淀反应混合物中分离开 来。液_固分离器可通过排水(例如沉淀物质的重力沉降后排水)、倾析、过滤(如重力过 滤、真空过滤、使用强制空气过滤)、离心、挤压或其任意组合实现沉淀物质从沉淀反应混合 物的分离。至少一个液-固分离器与处理器有效连接，以便沉淀反应混合物可自处理器流 向液-固分离器。可以任意布置(如平行、串联或其组合)组合地使用任何许多不同的液 固分离器中，沉淀反应混合物可直接流向液_固分离器或沉淀反应混合物可经预处理。系统200还含洗涤器(250)，来自液固分离器240的大量脱水沉淀物质在干燥 站(例如干燥器260)处干燥前先在这里得到洗涤(例如以从沉淀物质中除去盐和其他溶 质)。系统可还含干燥器260以干燥处理器中产生的包含碳酸盐(如碳酸钙、碳酸镁)、 碳酸氢盐或其组合的沉淀物质。根据特定的系统，干燥器可含过滤元件、冷冻干燥结构、喷 雾干燥结构等。系统可含连接工厂与干燥器的传送器(如导管)以便可使含co2的气体(如 工厂烟道气)在干燥阶段中与湿的沉淀物质直接接触。经干燥的沉淀物质可在精制站270处经进一步加工(如研磨、铣磨)以获得所需 物理性质。如果沉淀物质将用作建筑材料的话，可在精制过程中向沉淀物质中加入一种或 多种组分。系统还含配置以从如下之一者或多者移除沉淀物质的出口传送器(如传送带、淤 浆泵)处理器、干燥器、洗涤器或精制站。如上所述，沉淀物质可以多种不同的方式处置。 可在空的运输车辆(如驳船、火车车厢、卡车等)中将沉淀物质输送到长期贮存点，长期贮 存点可包括地上和地下设施。在其他实施方案中，沉淀物质可在水下位置中处置。可将沉 淀物质输送到处置点的任何合宜的传送结构均可采用。在某些实施方案中，可采用管线或 类似的淤浆传送结构，其中这些结构可含用于主动泵送、重力介导流动等的单元。本领域技术人员应认识，本文中所述系统和方法的流率、传质和传热可不同并可 优化，且发电厂寄生负荷可降低而同时碳截存得到最大化。可凝固组合物本发明的其他方面涉及含本发明的碳足迹减少的混凝土组合物与水的组合的可 凝固组合物。本发明的可凝固组合物可通过同时合并混凝土组合物和水或通过预先合并混 凝土和骨料、然后合并所得干组分与水来产生。干组分可与之合并而产生可凝固组合物如混凝土的液相如水流体可不同并可根 据需要为纯水或含一种或多种溶质、添加剂、共溶剂等的水。干组分与可凝固组合物的 制备中所合并的液相的比率可不同，在某些实施方案中在2 10-7 10范围内，例如3 10-6 10，包括 4 10-6 10。当前的水泥标准如ASTM C150允许在波特兰水泥制造中用细磨石灰石代替部分熟 料。在ASTM C150情形下，最大许可百分数为5%。在一些欧洲标准中，在制备波特兰水泥 中以石灰石作为熟料的替代品的许可百分数要高些，常为10%但有时高达30%。在这些情 况下，石灰石可单独磨细并与波特兰水泥拌合，但石灰石骨料也可在球磨阶段加到熟料中 并与熟料和少量石膏相互研磨产生波特兰水泥。来自碳截存沉淀反应的碳酸钙添加剂而非天然采出的石灰石的使用对水泥制 造者有若干好处。假设用所述沉淀物质代替5%的熟料，则所得混凝土的碳足迹可减少 7. 2 %，而在使用细磨石灰石时，碳足迹可仅减少5 %或更少。考虑到波特兰水泥工业面临的 减少碳足迹的压力，比使用采出的石灰石多减少的这2. 2%的碳足迹具有相当大的价值。使用沉淀碳酸钙作为熟料替代品的另一好处在于其通常比采出的石灰石更纯净。 在许多情况下，因杂质降低所得波特兰水泥的性质，故石灰石中的杂质将限制该石灰石的 用量至低于最大许可量。在某些波特兰水泥厂中，使用当地采出的石灰石的能力限制于或 许2.0%。以5%的量采用碳截存沉淀碳酸钙将带来碳足迹减少5. 2% (2.0%到7. 2%)的 改进。使用碳截存沉淀碳酸钙所带来的波特兰水泥碳足迹的减少还具有因碳信用 (carbon credit)而潜在地产生附加收入的好处。因为所加材料(即便其为采出的石灰石) 将减少使用的熟料的量，故有因水泥厂减排而获得碳信用的可能。沉淀物质中截存的0)2可 用于提高因熟料减少而可得到的碳信用的量和值。实用性本发明的混凝土及含本发明的混凝土的可凝固组合物可用于多种不同的应用中， 特别是作为建筑或结构材料。本发明的可凝固组合物可用于的特定结构包括但不限于路 面、建筑结构(如建筑物、地基、汽车道/道路、立交桥、停车场、砖/块墙)和门、栅栏和立 柱、桥、地基、提、坝的立足处。本发明的灰浆可用于将结构砌块如砖砌合在一起及填充结构 砌块间的间隙。灰浆还可用来修补现有结构，例如以代替其中原来的灰浆已受损或受蚀的 部分等用途。本发明的实施方案可用于减少建造建筑物及然后使用建筑物中生成的C02的量。 具体而言，本发明的方法可减少建筑材料如混凝土的生产中co2的生成。此外，本发明的方 法可减少发电中co2的排放，这将在其使用期限内减少与使用建筑物相关的co2排放。本发明的方法和系统可用于C02截存，特别是通过截存在建筑环境中。截存C02包 括从气态流如气态废物流移除或隔离co2并将其固定到稳定的非气态形式中以便co2不能 逃逸进大气中。co2截存包括将co2置于贮存稳定的形式中，例如建筑环境的部件如建筑物、 道路、坝、提、地基等。因此，根据本发明的方法的co2截存将防止co2气体进入大气而以co2 不变为大气的一部分的方式长期贮存co2。贮存稳定的形式指可在暴露的条件下(即暴露 于大气、地下水环境等)贮存在地上或水下达较长时间如1年或更长、5年或更长、10年或 更长、25年或更长、50年或更长、100年或更长、250年或更长、1000年或更长、10，000年或 更长、1，000，000年或更长、或甚至100，000，000年或更长而无显著的(如果有的话)降解 的物质形式。随着贮存稳定的形式在贮存过程中发生少许(如果有的话)降解，以自制品 释放的0)2气体量度的降解(如果有的话)的量将不超过5%/年，在某些实施方案中将不超过/年。地上贮存稳定的形式可以是在各种不同的环境条件如-100°C到600°C的 温度、0-100%的湿度下贮存稳定的，其中所述条件可以是平和的、多风的、狂暴的或多风暴 的。类似地，水下贮存稳定的形式对水下环境条件稳定。本发明的方法的实施方案可用来 捕获工业过程如发电、水泥生产、化学生产、造纸及钢厂等的所有废C02。下面的实施例为向本领域技术人员提供关于如何实现和使用本发明的完整公开 和描述而给出，而非意在限制本发明的范围或意在表示下面的实施方案为所进行的所有或 唯一实验。已努力确保所用数值(如量、温度等)的精确性，但应考虑到一定的实验误差和 偏差。本文中提及的所有实施例及条件性语言主要意在帮助读者理解本发明的原理及 本发明人为促进本领域的发展所提出的概念，并应理解为不限于这类具体提及的实施例和 条件。此外，本文中提及本发明的原理、方面和实施方案以及其具体实例的所有陈述意在涵 盖其结构和功能等价物。另外，这类等价物意在包括目前已知的等价物和未来发展的等价 物即发展出的实现相同功能的任何元件而不管结构如何。本发明的范围因此不限于本文中 所示及所述的示例性实施方案，因为这类实施方案仅作为实例给出。确实，本领域技术人员 可能想到数值变化、改变和替代而不偏离本发明的范围。下面的权利要求意在限定本发明 的范围且这些权利要求的范围内的方法和结构及其等价物由此涵盖。实施例I.碳足迹减少的混凝土组合物的组分A.辅助胶凝矿物外加剂(SCMA)辅助胶凝矿物外加剂(SCMA)为常规SCMs的部分或完全替代物，其可与波特兰水 泥拌合以显著减少混凝土的碳足迹，同时提高混凝土的品质、强度和耐久性。SCMA为反应 性外加剂，其可替代大体积的水泥或粉煤灰，使耐久性增加而无例如早期强度损失的问题。 SCMA可如美国专利申请12/126，776以及美国临时专利申请61/088，347和61/101，626中 所述制备；其各通过引用结合到本文中。i.FTIRFTIR使用激光激发和测定材料中键的振动。使用这种方法可了解材料中存在的化 合物。图7中示出了普通波特兰水泥浆(0PC)和含20%的SCMA与80%的0PC的混合浆之 间未水化和水化(在7天时)的比较。虽然不尽相同，但SCMA可以是许多制品的基础和构 件并代表所有制品的基本化学组成。在上图中，中心位于1450cm—1的大带表明了 SCMA中碳 酸盐的大量存在。3694CHT1和2513CHT1处的峰表明了 SCMA的水化。对于水化的拌合SCMA， 可以看到858CHT1处的峰减小，872CHT1处的峰变锐，且712cm—1处的坡度也变锐。这些振动 模式位置与方解石的形成相符。在水泥混合料中，上面提到的2342CHT1处的峰不再存在， 这是制品再水化时预期将发生的情况。存在对应于Mg(0H)2&0H伸缩振动峰(3694CHT1)， 但与0PC的水化相比，Ca(0H)2的形成(3644CHT1处的峰)看起来被抑制。对于水化的0PC， 由于水泥的碳化，故可在1481cm—1和1426cm—1处观察到明显的CO:振动模式。Ca(0H)2在 3644cm—1处具有大峰，其也对应于0H伸缩振动。ii.XRDXRD以不同的角度散射X-射线束来测定样品的反射。反射将返回指纹而可识别特 定的化合物。从XRD (参见图8和图9)可对水化0PC和拌合SCMA作大量观察
0PC和拌合SCMA中均存在钙矾石和羟钙石。
SCMA中存在方解石，而所形成的羟钙石的量显著降低20%。
7天后，SCMA表现出少许或没有岩盐(NaCl)或水镁石的迹象，这满足关于氯化 钠控制的ACI 318标准。
SCMA给出方解石中的Mg耗尽的证据。
SCMA中的硅酸钙相看起来也消耗较快。iii.SEM 图像SEM图像(图10)表明水化0PC和拌合SCMA浆均具有与针状钙矾石相似的形态并 在水泥颗粒表面上形成C-S-H。iv. X-射线荧光光谱(XRF)
权利要求
一种方法，所述方法包括a)自含二价阳离子的溶液和包含CO2的工业废气产生合成的碳酸盐组分，和b)向碳足迹减少的混凝土组合物中引入所述合成的碳酸盐组分，其中所述碳足迹减少的混凝土组合物相对于普通混凝土组合物具有减少的碳足迹。
2.权利要求1的方法，其中所述碳足迹减少的混凝土组合物比普通混凝土组合物的碳 足迹少。
3.权利要求2的方法，其中所述碳足迹减少的混凝土组合物具有的碳足迹低于普通混 凝土组合物的75%。
4.权利要求3的方法，其中所述碳足迹减少的混凝土组合物具有的碳足迹低于普通混 凝土组合物的50%。
5.权利要求3的方法，其中所述碳足迹减少的混凝土组合物具有的碳足迹低于普通混 凝土组合物的25%。
6.权利要求1的方法，其中所述碳足迹减少的混凝土组合物具有中性碳足迹。
7.权利要求1的方法，其中所述碳足迹减少的混凝土组合物具有负碳足迹。
8.根据权利要求6或7的方法，其中所述碳足迹减少的混凝土组合物的碳足迹的减少 是二氧化碳被截存和二氧化碳被避免的结果。
9.7的方法，其中所述负碳足迹低于0磅C02/yd3所述碳足迹减少的混凝土组合物。
10.7的方法，其中所述负碳足迹低于250磅C02/yd3所述碳足迹减少的混凝土组合物。
11.7的方法，其中所述负碳足迹低于500磅C02/yd3所述碳足迹减少的混凝土组合物。
12.7的方法，其中所述负碳足迹低于1000磅C02/yd3所述碳足迹减少的混凝土组合物。
13.权利要求1的方法，其中所述合成的碳酸盐组分为辅助胶凝材料、细骨料、粗骨料 或活性火山灰质材料。
14.权利要求13的方法，其中所述合成的碳酸盐组分为霰石、水碳镁石、水菱镁矿、单 水方解石或其组合。
15.权利要求14的方法，其中所述合成的碳酸盐组分为霰石和水菱镁矿的组合。
16.权利要求14的方法，其中所述合成的碳酸盐组分为霰石和水碳镁石的组合。
17.权利要求14的方法，其中所述合成的碳酸盐组分为水碳镁石和单水方解石的组I=I O
18.权利要求14的方法，其中所述合成的碳酸盐组分的δ13C低于-10%。。
19.权利要求14的方法，其中所述合成的碳酸盐组分的δ13C低于-20%。。
20.权利要求14的方法，其中所述合成的碳酸盐组分的δ13C低于-30%。。
21.一种通过权利要求1的方法产生的碳足迹减少的组合物。
22.—种组合物，所述组合物包含2. 5% -50%的钙、2. 5% -50%的镁和至少25%的碳 酸盐、碳酸氢盐或其混合物。
23.权利要求22的组合物，其中所述组合物包含2.5% -25%的钙。
24.权利要求23的组合物，其中所述组合物包含5%-10%的钙。
25.权利要求22的组合物，其中所述组合物包含5%-30%的镁。
26.权利要求25的组合物，其中所述组合物包含10%-30%的镁。
27.权利要求22的组合物，其中所述组合物包含至少50%的碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物。
28.权利要求27的组合物，其中所述组合物包含至少75%的碳酸盐、碳酸氢盐或其混 合物。
29.权利要求22的组合物,其中所述组合物包含霰石、水碳镁石、水菱镁矿、单水方解 石或其组合。
30.权利要求29的组合物，其中所述组合物包含霰石和水菱镁矿的组合。
31.权利要求29的组合物，其中所述组合物包含霰石和水碳镁石的组合。
32.权利要求29的组合物，其中所述组合物包含水碳镁石和单水方解石的组合。
全文摘要
本发明提供了碳足迹减少的混凝土组合物及其制备和使用方法。所述碳足迹减少的混凝土组合物的方面包括CO2截存碳酸盐化合物，其可存在于所述混凝土的水硬水泥和/或骨料组分中。所述碳足迹减少的混凝土组合物可用于多种应用中，包括用在多种建筑材料和建筑应用中。
文档编号C04B7/00GK101939269SQ200980101147
公开日2011年1月5日 申请日期2009年10月22日 优先权日2008年10月22日
发明者A·扬斯, B·R·康斯坦茨, T·霍兰德 申请人:卡勒拉公司