JP2011502783A

JP2011502783A - ガス及びこれから得られる組成物の回収隔離システム及び方法

Info

Publication number: JP2011502783A
Application number: JP2010534226A
Authority: JP
Inventors: リマン，リチャード，イー．; バヒットアタカン
Original assignee: ラトガーズ，ザステイトユニバーシティオブニュージャージー
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2011-01-27
Also published as: KR101566098B1; KR20100123816A; EP2227310B1; MY177934A; JP6224201B2; CA2705857C; NZ585096A; US8114367B2; CA2705857A1; CN101861198B; WO2009065031A1; BRPI0820575A2; BR122018070109B1; IL205549A0; US20110129407A1; EA201070602A1; UA105762C2; MX358159B; EA027716B1; KR20130138343A

Abstract

温室効果ガス隔離の方法は、（ｉ）温室効果ガスと反応可能な第１の薬剤を運搬する溶液の提供、（ｉｉ）少なくとも第１の薬剤と温室効果ガスとの間の反応を促進することにより少なくとも第１の反応物質が生成されるという条件下での、その溶液の温室効果ガスに対する接触、（ｉｉｉ）格子間空間を有し、かつ、少なくとも第２の反応物質を含んで構成される、多孔質マトリックスの提供、（ｉｖ）少なくとも第１の反応物質と少なくとも第２の反応物質との間の反応を促進することにより少なくとも第１の生成物が提供されるという条件下での、少なくとも第１の反応物質を運搬する溶液の、多孔質マトリックスの格子間空間の少なくとも相当部分に対する浸透可能化、及び（ｖ）少なくとも第１の生成物が多孔質マトリックスの少なくとも一部の格子間空間を形成及び充填することによる、温室効果ガスの隔離可能化、を含んで構成されたことが説明される。

Description

本発明は、ガス及びこれから得られる組成物の回収隔離システム及び方法に関する。

（関連出願）
本願は、２００７年１１月１５日出願の米国仮特許出願第６０／９８８，１２２号に基づいて優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

地球温暖化は、学説が広く認められてきたことにより、次第に注目されるようになったが、これには、温室効果ガスである二酸化炭素の排出量が増加していることが含まれる。全世界の二酸化炭素排出量は、２００４年に４９０億トンであったが、１９７０年レベルに比べ８０％も増加している。米国一国における２００５年の二酸化炭素排出量は、６０億メトリックトンであった。建設業における資材（例えば、鉄鋼及びセメント）は、他の有毒ガス及び／又は温室効果ガスの中でもとりわけ二酸化炭素を、極めて高濃度で発生させる。ＥＰＡは、２００２年に、セメント製造が、世界の二酸化炭素発生の５重量％の割合を占めているとともに、鉄鋼産業と並び、二酸化炭素発生の最大の原因をもたらすものと評されている。二酸化炭素の排出は、３つの要素に起因する。第１に、石灰岩の分解であり、この場合、炭酸カルシウムが焼成（加熱）されて酸化カルシウムになる。第２に、石灰岩の吸熱分解の加熱（促進）に必要とされるエネルギー（１メトリックトンのセメント当たり約５００万ＢＴＵ）である。第３に、例えば、回転炉及び製粉装置などの処理装置の駆動に必要とされる電気エネルギーである。要するに、１トン当たりのセメントを製造すると、１．０８トンの二酸化炭素が生成される。

従来のセラミック製造には、例えば、焼成及び焼結などの高温処理が含まれる。原料を高い頻度で反応状態にして、例えば、製粉などの粉末処理により資材が製造されるが、この場合、セメント産業でクリンカー（ｃｌｉｎｋｅｒ）と呼ばれるセラミックの焼塊が、センチメートル単位からミクロン単位までに粉砕される。このような処理でさえも、エネルギーを大量消費する。１９８０年には、セラミック化学製品の粉砕処理は、世界のエネルギー消費の約０．５％の割合を占めていた。

したがって、二酸化炭素排出量を最小限に抑えることができ、または製造中に発生する温室効果ガスを回収及び／又は隔離さえも可能なセラミックの製造システム及び／又は方法を向上させる必要性がある。

また、燃焼排ガスからのＣＯ₂の燃焼後回収（ＰＣＣ）は、いまだ課題である。例えば、背圧などの問題により、発電所の出力が制限される可能性がある。さらに、回収処理は、燃焼状態によって制限され易いが、この状態は、燃焼する燃料の化学的性質や選択された燃焼状態により決定される。例えば、アミンベースの回収方法では、高いＣＯ₂捕捉効率を得るためには低温である必要があり、これは、燃焼排ガス及び排出ＣＯ₂を冷却するためのエネルギーコストを、そのエネルギーに付随して発生させる。

したがって、燃焼プロセスを利用する製造業が、いかなる効率低下を被ることなく、広範な燃料及び燃焼状態に有効であり、効率的な方法でガス流中の全てのＣＯ₂を除去し、ＣＯ₂発生とのあらゆる因果関係が認められた場合にはＣＯ₂を消費し、製品販売によって回収可能なコストで原料を処理し、かつ、可溶型のＣＯ₂を供給することが可能な方法を確立する必要がある。

一実施形態は、温室効果ガスを隔離する方法を提供することであり、（ｉ）温室効果ガスと反応可能な第１の薬剤を運搬する溶液を提供すること、（ｉｉ）少なくとも第１の薬剤と温室効果ガスとの間の反応を促進することにより、少なくとも第１の反応物質が生成されるという条件下で、その溶液を温室効果ガスに接触させること、（ｉｉｉ）格子間空間を有し、かつ、少なくとも第２の反応物質を含んで構成される、多孔質マトリックスを提供すること、（ｉｖ）少なくとも第１の反応物質と少なくとも第２の反応物質との間の反応を促進することにより、少なくとも第１の生成物が提供されるという条件下で、少なくとも第１の反応物質を運搬する溶液を、多孔質マトリックスの格子間空間の少なくとも相当部分に浸透可能とすること、及び（ｖ）少なくとも第１の生成物が、多孔質マトリックスの少なくとも一部の内部空間を形成及び充填し、これにより、温室効果ガスを隔離すること、を含んで構成される。反応には、例えば、分解、イオン添加、イオン置換、沈殿、不均化、又はこれらの組み合わせ、が含まれる。

別の実施形態は、炭素回収処理、炭素隔離処理、又はこれらの組み合わせ、により生成されるセラミックを提供するが、この処理は、多孔質マトリックスの少なくとも１つの成分が、浸透媒体により運搬される少なくとも第１の反応物質との反応を経て、少なくとも第１の生成物を提供することを含んで構成される。この場合、その反応中、多孔質マトリックスの残りが、反応混合物からの第１の生成物の形成を容易にする骨格として機能し、これによりセラミックの生成を可能にする。

別の実施形態では、セラミックの製造方法が提供され、その方法は、（ｉ）格子間空間を有し、かつ、少なくとも第１の反応物質を含んで構成される、多孔質マトリックスを提供すること、（ｉｉ）多孔質マトリックスを、少なくとも第２の反応物質を運搬し、温室効果ガスを含んで構成された浸透媒体に接触させること、（ｉｉｉ）少なくとも第１の反応物質と少なくとも第２の反応物質との間の反応を促進することにより、少なくとも第１の生成物が提供されるという条件下で、その浸透媒体を多孔質マトリックスの少なくとも一部の内部空間に浸透可能とすること、及び（ｉｖ）少なくとも第１の生成物により、多孔質マトリックスの少なくとも一部の格子間空間を形成及び充填することを可能にし、これによりセラミックを生産すること、を含んで構成される。この場合、前記方法は、多量の温室効果ガスを消費し、かつ、排出しない。

一実施形態は、水硬性結合を実質的に含まずに構成されたセメントを提供する。水硬性結合は、一般に水を媒介とした結合（例えば、少なくとも水分子又はその一部を含む結合）と言われる。例えば、水素結合である。

別の実施形態は、セラミック結合を含んで構成されるセラミックを開示し、この場合、セラミックは、相互接続するネットワーク微細構造を含んで構成される。セラミック結合は、金属と非金属間、非金属と非金属間、のいずれか一方における、共有結合、イオン結合、又はイオン・共有の混合結合のいずれかを有する化学結合と言われる。好ましい実施形態での化学結合は、実質的には、隣接する多孔質構造内における物質の沈着析出に基づき、ファンデルワールス力又は水素結合には基づかない。相互接続ネットワーク微細構造は、一般に、相互に接続され、表面からアクセス可能なある程度の多孔性及び／又はチャネルを備える微細構造と呼ばれる。

一実施形態において、ＨＬＰＳ反応に用いられる反応物質種の選択用に、熱力学計算に基づいて作成された、ＦｅＯの状態図。一実施形態において、ＨＬＰＳ反応に用いられる反応物質種の選択用に、熱力学計算に基づいて作成された、Ｃａ（ＯＨ）₂の状態図。一実施形態において、ＨＬＰＳ反応に用いられる反応物質種の選択用に、熱力学計算に基づいて作成された、ＦｅＴｉＯ₃の状態図。一実施形態において、ＨＬＰＳ反応に用いられる反応物質種の選択用に、熱力学計算に基づいて作成された、Ｆｅ₃Ｏ₄の状態図。一実施形態において、ＨＬＰＳ反応に用いられる反応物質種の選択用に、熱力学計算に基づいて作成された、Ｆｅ₃Ｏ₄の状態図。ＣａＳＯ₄及びＫ₂ＣＯ₃用の熱力学計算結果を提供する。一実施形態において、ＨＬＰＳ反応に用いられる反応物質種の選択用に、熱力学計算に基づいて作成された、Ｃａ（ＯＨ）₂及びＫ₂ＣＯ₃の状態図。一実施形態において、ＨＬＰＳ反応に用いられる反応物質種の選択用に、熱力学計算に基づいて作成された、ＣａＳＯ₄及びＣ₂Ｈ₂Ｏ₄の状態図。一実施形態において、ＨＬＰＳ反応に用いられる反応物質種の選択用に、熱力学計算に基づいて作成された、ＭｇＯ及びＣ₂Ｈ₂Ｏ₄の状態図。一実施形態において、ＨＬＰＳ反応に用いられる反応物質種の選択用に、熱力学計算に基づいて作成された、Ｃａ（ＯＨ）₂及びＣ₂Ｈ₂Ｏ₄の状態図。一実施形態において、ＨＬＰＳ反応に用いられる反応物質種の選択用に、熱力学計算に基づいて作成された、ＣａＳＯ₄及びＫ₂Ｈ₂Ｏ₄の状態図。一実施形態において、ＨＬＰＳ反応に用いられる反応物質種の選択用に、熱力学計算に基づいて作成された、Ｃａ（ＯＨ）₂及びＫ₂Ｈ₂Ｏ₄の状態図。一実施形態において、ＨＬＰＳ反応に用いられる反応物質種の選択用に、熱力学計算に基づいて作成された、ＣａＣＯ₃及びＨ₂Ｃ₂Ｏ₄の状態図。一実施形態において、ＨＬＰＳ反応に用いられる反応物質種の選択用に作成された、熱力学計算に基づく０．１モルのＣａＣＯ₃及びＫ₂Ｃ₂Ｏの状態図。一実施形態において、ｐＨの関数としてＣａＣＯ₃の分解を示す図。一実施形態において、ｐＨの関数としてＣａＣ₂Ｏ₄の分解を示す図。

（発明の詳細な説明）
本明細書に引用された全ての参照文献は、その全体が、参照により組み込まれる。

（水熱液相焼結のための一般的条件）
水熱液相焼結（ＨＬＰＳ）の好ましい実施形態において、「未焼結」又は部分的に焼結され、隣接する格子間気孔を有する多孔質の固体マトリックスは、液相浸透媒体の作用によって、焼結セラミックに転換する。ＨＬＰＳは、比較的温和な条件下で実行され、稼働中のオートクレーブ内で生じる温度及び圧力を超えることは殆どない。ＨＬＰＳは、広範な温度及び圧力で行われる。例えば、ある実施形態において、ＨＬＰＳ条件には、約２０００℃未満の温度（例えば、約１０００℃未満、約５００℃未満、約２００℃未満、約１００℃未満、約５０℃未満、室温未満など）が含まれる。反応圧力は、約１０００００ｐｓｉ（約６８９ＭＰａ）未満（例えば、７００００ｐｓｉ未満、約５００００ｐｓｉ未満、約１００００ｐｓｉ未満、約５０００ｐｓｉ未満、約１０００ｐｓｉ未満、約５００ｐｓｉ未満、約１００ｐｓｉ未満、約５０ｐｓｉ未満、約１０ｐｓｉ未満など）とすることができる。一実施形態において、水熱焼結処理は、約８０℃から約１８０℃の範囲の温度及び約１気圧から約３気圧（１気圧は約１５ｐｓｉ（約０．１０３ＭＰａ））の範囲の圧力で行われる。

理論上、浸透種と水熱反応を起こして異なる物質を生成することが可能ないかなる出発物質をも用いることにより、水熱焼結生成物が生成される。したがって、多種多様の出発物質は、意図する最終用途に応じて選択されて、所望の形状及びサイズを有する多孔質固体マトリックスに形成され、その後、焼結した最終生成物に転換させるべく本方法のステップに入る。

一実施形態において、多孔質固体マトリックスは、金属酸化物粉末から得られる。この粉末は、非晶質又は結晶質のいずれであってもよいが、結晶質であることが好ましい。さらに、金属酸化物粉末は、平均粒径が約０．０１ミクロン（０．０１×１０^-6ｍ）から約１００ミクロンまでの範囲（例えば、約０．０２から約５０ミクロンまで、約０．０４から約２０ミクロンまで、約０．０８から約１０ミクロンまで等）である広範な粒径を有してもよい。一実施形態において、粉末は、その平均粒径が約０．１ミクロンから約５ミクロンまでの範囲である。

金属酸化物中の金属は、第２族金属、第１２族金属、第１３族金属、第１４族金属、第１５族金属、遷移金属、ランタノイド金属、アクチノイド金属、又はこれらの混合物の酸化物から選択される。選択された金属酸化物又は焼結した最終生成物は、化学的、セラミック、磁気的、電子機器的、超電導的、機械的、構造的、又は生物学的にも、応用できる可能性を有していることが好ましい。焼結した最終生成物には、産業用途又は家庭用途もある。最終生成物は、必ずしも、反応物質と同一の物質を含んで構成される必要はない。例えば、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃を実質的に含有しない生成物が、バリウム及び／又はチタンを含んで構成される反応物質により生成されてもよい。また一方、異なる実施形態において、反応物質（又は複数の反応物質）を構成するバリウム及び／又はチタンは、主に中間反応種として作用するので、最終生成物には必ずしも含まれなくてよい。

本明細書に記載される「水熱反応」には、水溶性又は非水溶性液状媒体に発生する変化が含まれる。また、このような変化には、同種の化学物質種の溶解及び再析出、１つの化学物質種を溶解して第２の化学物質種と組み合わせることにより、最初の化学物質種が明らかに残存した複合材料の形成、又は１つの化学物質種と第２の化学物質種との反応による、出発物質と異なる新たな化学的部分の生成、を含んでもよい。したがって、水熱焼結処理は、多孔質固体マトリックス中の格子間空間又は空隙を、析出（又は再析出）、イオン添加、イオン置換、又はこれらの組み合わせにより、ある成分で充填できる。その成分は、多孔質固体マトリックス中の成分と同種の化学物質種、明確に異なる２つの化学物質種が共再析出することでもたらされる複合材料、２つの化学物質種間の反応からもたらされる新たな生成物、媒体中に含まれる溶浸材種から得られる再析出物質、又はこれらの組み合わせ、を含んで構成されることが可能である。

一実施形態では、未焼結の多孔質固体マトリックス塊の少なくとも一部が、液状媒体に存在する事前選択された溶侵材種と反応することにより、新たな生成物を生成するという条件下で、ＨＬＰＳ処理がなされる。

（ＨＬＰＳ反応）
水熱反応作用は、溶解・再析出機構により起こる。または、水熱反応は、イオン置換反応により生ずる。前者では、圧縮された多孔質固体マトリックスのごく一部により、溶浸材溶液中のイオンと反応可能な供給溶存種が溶解されるが、この場合、溶浸材溶液中のイオンは金属イオンとすることができる。一実施形態では、添加される溶浸材の量は、単一ステップで反応を終了させるのに十分な量である。または、複数のステップが含まれてもよい。例えば、複数の溶浸材が含まれる。一実施形態では、チタン酸ストロンチウムが、チタニアマトリックスから形成され、その後、別の溶浸材によって、チタン酸ストロンチウムが、ストロンチウムアパタイトを形成することができる。または、複数の溶浸材によって、炭酸塩が形成され、その後、炭酸塩がシュウ酸塩保護層を形成することができる。別の実施形態では、成形体を部分的に浸透及び乾燥させ、最終生成物が生成されるまで、その浸透ステップが繰り返される。

生成物の形状は、固体マトリックスの形状から維持可能である。一実施形態では、生成物のモル体積が酸化物粉末のモル体積よりも大きくなったとき（すなわち、モル体積の正の変化、つまり、より大きなモル体積への変形）、核生成物が、成形体の空隙を充填し、その密度を増加させる。モル体積の変化は正である必要はない。つまり、イオン種及び反応機構により、変化が負であっても（すなわち、より小さなモル体積への変形）、又は、変化がなくてもよい。例えば、一部のマトリックスが、反応中溶解し、そして新たな化学結合及び負のモル体積変化を生じながら、気孔が増加する。同様に、新たに形成された物質が、マトリックスの喪失した体積と等しい体積を有している場合には、実質的にモル体積変化がない。

ＨＬＰＳ反応は、例えば、イオン添加及び／又はイオン置換によって起こる。浸透媒体中のイオン（アニオン、又はカチオン）を、マトリックス中の別のイオンに置換することなく、ホストマトリックス（ｍａｔｒｉｘｈｏｓｔ）に添加可能である場合は、付加反応である。イオン添加の例には、酸化物から水酸化物への転換、又は酸化物から炭酸塩への転換、が含まれる。イオン置換の例には、水酸化物から炭酸塩への転換、又は水酸化物から酸化物への転換、が含まれる。さらに、反応は不均化により起こり、この場合、不溶性無機ホスト（ｈｏｓｔ）／マトリックス物質は、２つの不溶性無機生成物になる。不均化は、例えば、酸化物、フッ化物、水酸化物、硫化物、混合金属酸化物、ケイ酸塩、ヒドロキシアパタイト、に対して行われる。

不均一核形成も、この反応の間に起こる。前述したように、密度変化は、マトリックス物質の種類及び／又は形成される生成物の種類に依存する。一旦水熱反応が終了すると、開気孔は、例えば時効によりさらに除去される。

前述の反応が終了した後、一体構造の（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）緻密化マトリックスは溶液に洗浄され、又は浸漬されて、過剰な溶浸材溶液が洗浄される。洗浄溶液はｐＨ５の酢酸アンモニアであってもよい。一実施形態では、緻密化マトリックスは、引き続き、約９０℃から２５０℃までの温度でオーブン中で乾燥される。焼結されたセラミックに存在する残りの気孔は、例えば、約６００℃未満の高温に加熱されて、さらに除去される。

ＨＬＰＳ処理により焼結されたセラミックは、様々な応用が可能である。例えば、構造材、化学製品（例えば、触媒、フィルタ）、電子部品、半導体材料、電子材料、又はこれらの組み合わせ、に用いられる。

（多孔質固体マトリックスの準備）
固体マトリックスは、難溶性の物質を含んで構成されてよい。一実施形態では、多孔質固体マトリックスは、粉末から得られる。この粉末は、いかなる種類のものであってもよい。例えば、金属酸化物粉末である。適切な金属酸化物粉末の例には、ベリリウムの酸化物（例えば、ＢｅＯ）、マグネシウムの酸化物（例えば、ＭｇＯ）、カルシウムの酸化物（例えば、ＣａＯ，ＣａＯ₂）、ストロンチウムの酸化物（例えば、ＳｒＯ）、バリウムの酸化物（例えば、ＢａＯ）、スカンジウムの酸化物（例えば、Ｓｃ₂Ｏ₃）、チタンの酸化物（例えば、ＴｉＯ，ＴｉＯ₂，Ｔｉ₂Ｏ₃）、アルミニウムの酸化物（例えば、Ａｌ₂Ｏ₃）、バナジウムの酸化物（例えば、ＶＯ，Ｖ₂Ｏ₃，ＶＯ₂,Ｖ₂Ｏ₅）、クロムの酸化物（例えば、ＣｒＯ，Ｃｒ₂Ｏ₃，ＣｒＯ₃，ＣｒＯ₂）、マンガンの酸化物（例えば、ＭｎＯ，Ｍｎ₂Ｏ₃，ＭｎＯ₂，Ｍｎ₂Ｏ₇）、鉄の酸化物（例えば、ＦｅＯ，Ｆｅ₂Ｏ₃）、コバルトの酸化物（例えば、ＣｏＯ，Ｃｏ₂Ｏ₃，Ｃｏ₃Ｏ₄）、ニッケルの酸化物（例えば、ＮｉＯ，Ｎｉ₂Ｏ₃）、銅の酸化物（例えば、ＣｕＯ，Ｃｕ₂Ｏ）、亜鉛の酸化物（例えば、ＺｎＯ）、ガリウムの酸化物（例えば、Ｇａ₂Ｏ₃，Ｇａ₂Ｏ）、ゲルマニウムの酸化物（例えば、ＧｅＯ，ＧｅＯ₂）、スズの酸化物（例えば、ＳｎＯ，ＳｎＯ₂）、アンチモンの酸化物（例えば、Ｓｂ₂Ｏ₃，Ｓｂ₂Ｏ₅）、インジウムの酸化物（例えば、Ｉｎ₂Ｏ₃）、カドミウムの酸化物（例えば、ＣｄＯ）、銀の酸化物（例えば、Ａｇ₂Ｏ）、ビスマスの酸化物（例えば、Ｂｉ₂Ｏ₃，Ｂｉ₂Ｏ₅，Ｂｉ₂Ｏ₄，Ｂｉ₂Ｏ₃，ＢｉＯ）、金の酸化物（例えば、Ａｕ₂Ｏ₃，Ａｕ₂Ｏ）、鉛の酸化物（例えば、ＰｂＯ，ＰｂＯ₂，Ｐｂ₃Ｏ₄，Ｐｂ₂Ｏ₃，Ｐｂ₂Ｏ）、ロジウムの酸化物（例えば、ＲｈＯ₂，Ｒｈ₂Ｏ₃）、イットリウムの酸化物（例えば、Ｙ₂Ｏ₃）、ルテニウムの酸化物（例えば、ＲｕＯ₂，ＲｕＯ₄）、テクネチウムの酸化物（例えば、Ｔｃ₂Ｏ，Ｔｃ₂Ｏ₃）、モリブデンの酸化物（例えば、ＭｏＯ₂，Ｍｏ₂Ｏ₅，Ｍｏ₂Ｏ₃，ＭｏＯ₃）、ネオジムの酸化物（例えば、Ｎｄ₂Ｏ₃）、ジルコニウムの酸化物（例えば、ＺｒＯ₂）、ランタンの酸化物（例えば、Ｌａ₂Ｏ₃）、ハフニウムの酸化物（例えば、ＨｆＯ₂）、タンタルの酸化物（例えば、ＴａＯ₂，Ｔａ₂Ｏ₅）、タングステンの酸化物（例えば、ＷＯ₂，Ｗ₂Ｏ₅）、レニウムの酸化物（例えば、ＲｅＯ₂，Ｒｅ₂Ｏ₃）、オスミウムの酸化物（例えば、ＰｄＯ，ＰｄＯ₂）、イリジウムの酸化物（例えば、ＩｒＯ₂，Ｉｒ₂Ｏ₃）、白金の酸化物（例えば、ＰｔＯ，ＰｔＯ₂，ＰｔＯ₃，Ｐｔ₂Ｏ₃，Ｐｔ₃Ｏ₄）、水銀の酸化物（例えば、ＨｇＯ，Ｈｇ₂Ｏ）、タリウムの酸化物（例えば、ＴｌＯ₂，Ｔｌ₂Ｏ₃）、パラジウムの酸化物（例えば、ＰｄＯ，ＰｄＯ₂）、ランタノイド系列の酸化物、アクチノイド系列の酸化物、及びこれらと同種のもの、が含まれる。さらに、金属酸化物の混合は、関連する特殊な用途に応じて、母材形成に用いられる。

マトリックスは、例えば、金属水酸化物などの水酸化物を含んで構成されてもよい。例えば、水酸化マグネシウム（例えば、Ｍｇ（ＯＨ）₂）、水酸化カルシウム（例えば、Ｃａ（ＯＨ）₂）、水酸化ストロンチウム（例えば、Ｓｒ（ＯＨ）₂）、水酸化バリウム（例えば、Ｂａ（ＯＨ）₂）、水酸化クロム（例えば、Ｃｒ（ＯＨ）₂）、水酸化チタン（例えば、Ｔｉ（ＯＨ）₂）、水酸化ジルコニウム（例えば、Ｚｒ（ＯＨ）₄）、水酸化マンガン（例えば、Ｍｎ（ＯＨ）₂）、水酸化鉄（例えば、Ｆｅ（ＯＨ）₂）、水酸化銅（例えば、Ｃｕ（ＯＨ）₂）、水酸化亜鉛（例えば、Ｚｎ（ＯＨ）₂）、水酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ（ＯＨ）₃）、又はこれらの組み合わせ、を含んで構成される。

マトリックスは、例えば、金属フッ化物などのフッ化物を含んで構成されてもよい。例えば、フッ化マグネシウム（例えば、ＭｇＦ₂）、フッ化カルシウム（例えば、ＣａＦ₂）、フッ化ストロンチウム（例えば、ＳｒＦ₂）、フッ化バリウム（例えば、ＢａＦ₂）、フッ化クロム（例えば、ＣｒＦ₂）、フッ化チタン（例えば、ＴｉＦ₃）、フッ化ジルコニウム（例えば、ＺｒＦ₄）、フッ化マンガン（例えば、ＭｎＦ₂）、フッ化鉄（例えば、ＦｅＦ₂）、フッ化銅（例えば、ＣｕＦ₂）、フッ化ニッケル（例えば、ＮｉＦ₂）、フッ化亜鉛（例えば、ＺｎＦ₂）、フッ化アルミニウム（例えば、ＡｌＦ₃）、又は、これらの組み合わせ、を含んで構成される。

マトリックスは、例えば、チタン酸金属塩などの混合金属酸化物を含んで構成されてもよい。例えば、チタン酸マグネシウム（例えば、ＭｇＴｉＯ₃）、チタン酸カルシウム（例えば、ＣａＴｉＯ₃）、チタン酸ストロンチウム（例えば、ＳｒＴｉＯ₃）、チタン酸バリウム（例えば、ＢａＴｉＯ₃）、又は、これらの組み合わせ、を含んで構成される。

マトリックスは、例えば、硫酸金属塩などの硫酸塩を含んで構成されてもよい。例えば、硫酸マグネシウム（例えば、ＭｇＳＯ₄）、硫酸カルシウム（例えば、ＣａＳＯ₄）、硫酸ストロンチウム（例えば、ＳｒＳＯ₄）、硫酸バリウム（例えば、ＢａＳＯ₄）、硫酸クロム（例えば、Ｃｒ₂（ＳＯ₄）₃）、硫酸チタン（例えば、ＴｉＳＯ₄，Ｔｉ₂（ＳＯ₄）₃）、硫酸ジルコニウム（例えば、ＺｒＳＯ₄）、硫酸マンガン（例えば、ＭｎＳＯ₄）、硫酸鉄（例えば、ＦｅＳＯ₄）、硫酸銅（例えば、ＣｕＳＯ₄）、硫酸ニッケル（例えば、ＮｉＳＯ₄）、硫酸亜鉛（例えば、ＺｎＳＯ₄）、硫酸アルミニウム（例えば、Ａｌ₂（ＳＯ₄）₃）、又は、これらの組み合わせ、を含んで構成される。

マトリックスは、例えば、金属ケイ酸塩などのケイ酸塩を含んで構成されてもよい。例えば、メタケイ酸リチウム、オルトケイ酸リチウム、メタケイ酸ナトリウム、ケイ酸ベリリウム、ケイ酸カルシウム、オルトケイ酸ストロンチウム、メタケイ酸バリウム、ケイ酸ジルコニウム、メタケイ酸マンガン、ケイ酸鉄、オルトケイ酸コバルト、オルトケイ酸亜鉛、メタケイ酸カドミウム、アンダルサイト、シリマナイト（ｓｉｌｉｍａｎｉｔｅ）、ハイアナイト（ｈｙａｎｉｔｅ）、カオリナイト、又は、これらの組み合わせ、を含んで構成される。

マトリックスは、例えば、金属ヒドロキシアパタイト（ｍｅｔａｌｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅ）などのヒドロキシアパタイトを含んで構成されてもよい。例えば、炭酸カルシウム、硝酸カルシウム四水和物、水酸化カルシウム、又は、これらの組み合わせ、を含んで構成される。

マトリックスは、前述の物質及びその他のいかなるものに加えて、不活性充填物質をさらに含んで構成されてもよい。不活性充填物質は、固体マトリックスに取り込まれて気孔を充填するいかなる物質でもよく、化学結合に与る溶浸材とは激しく反応しない。例えば、不活性物質は、木材、プラスチック、ガラス、セラミック、灰、又はこれらの組み合わせ、である。

粉末は、約０．０００５μｍから５００μｍに及ぶ平均粒径（例えば、約０．０１μｍから約１００μｍまで）、粒度分布、及び比表面積、により特性化できる。溶解性を向上させるためには、微細な平均粒径及び狭い粒度分布が求められる。

粉末は、押し出し成形、射出成形、ダイプレス成形、静水圧プレス成形、及びスリップ鋳造、などのあらゆる従来技術により、いかなる所望形状及びサイズの成形体にも形成可能である。また、セラミック薄膜を形成することもできる。成形体の形成に用いられる同種の物質を含んだいかなる潤滑剤、結合剤も使用可能であるが、結果として生ずる物質に有害な影響を与えるものであってはならない。このような物質は、好ましくは５００℃以下の比較的低温で加熱したとき、蒸発又は燃焼して残留物を残さない種類のものであることが好ましい。

マトリックスは、例えば、鉱物、産業廃棄物、又は産業化学物質を含んで構成されてもよい。鉱物は、例えば、ケイ酸塩鉱物、又は石こうである。産業廃棄物は、例えば、フライアッシュ、スラグ、又は電池廃棄物などである。産業化学物質は、工場又は一般産業により合成され、処理されたあらゆる化学物質である。

成形体は、所定の形状及びサイズを有する生成物のための形状及び寸法に形成される。成形体は、いかなる形態のものであってもよい。成形体の開気孔率（０〜８０％）の体積は、粉末のモル体積に対する反応生成物のモル体積の比率に依存する。生成物は、例えば、単一体（単一稠密体など）である。一実施形態では、成形体の気孔内に形成される反応生成物は、粉末よりも大きいモル体積を有している。反応生成物は、酸化物粉末よりも大きいモル体積を有し、反応の間に、成形体の空孔を充填する。例えば、反応生成物のモル体積が、粉末のモル体積の２倍である場合、成形体は、体積で約５０％の開気孔率を有する。

出発粉末成形体中の気孔は、例えば、約０．０１マイクロメータ（μｍ）から約１００μｍまで（例えば、約０．１μｍから約１μｍまで）に小さくすることができ、成形体全体にわたって均一に分散される。これにより、溶浸材溶液が粉末成形体へ十分に浸透することが可能となる。気孔体積率、閉・開両気孔率、及び気孔サイズは、標準的な方法により測定される。例えば、水銀圧入による気孔測定器が、これら３つのパラメータを評価するために用いられる。

そして、前述のようにして得られた母材は、以下に説明されるようなステップにかけられる。

（浸透媒体の準備）
前述されたように、水熱焼結は、含水媒体又は非含水媒体を使用する。液状溶媒は、浸透媒体の一部である溶浸材種に基づいて選択される。溶浸材種は、水熱焼結処理の条件下では、液状溶媒に溶け易い。例えば、溶浸材種がイオン性の場合には、液状溶媒は水であってもよい。また、ある非イオン性溶浸材が、水性媒体に対して十分な可溶性を有していてもよい。

さらに、水溶性無機溶媒、例えば、アルコール（メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなど）、ポリオール（例えば、エタンジオール、１，２−プロパンジオール、１，３−プロパンジオールなど）、特定の低分子量エーテル（例えば、フラン、テトラヒドロフラン）、アミン（例えば、メチルアミン、エチルアミン、ピリジン、及び同種のもの）、低分子量ケトン（例えば、アセトン）、スルホキシド（例えば、ジメチルスルホキシド）、アセトニトリルなど、もまた含水混合物中に存在する。ある例では、界面活性剤（例えば、ポリシロキサン、ポリエチレングリコール、及び酸化アルキルジメチルアミンなど）が、含水混合物に添加され得る。

浸透媒体は、水溶性金属塩（すなわち、イオン状態の金属）を含んでいることが好ましい。このような塩のカチオンは、例えば以下の金属、すなわち、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、インジウム（ｉｎｄｕｍ）、カドミウム（ｃａｄｉｕｍ）、銀、鉛、ロジウム、ルテニウム、テクネチウム、モリブデン、ネオジム、ジルコニウム（ｚｉｒｏｎｉｕｍ）、イッテルビウム、ランタン、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、水銀、タリウム、パラジウム、ランタノイド系列金属のカチオン、アクチノイド系列金属のカチオン、及び又はこれらの混合物、から生じる。一般に、浸透媒体中に溶解している塩のアニオンは、例えば以下の群、すなわち、水酸化物、硝酸塩、塩化物、酢酸塩、ギ酸塩、プロピオン酸塩、フェニル酢酸塩、安息香酸塩、ヒドロキシ安息香酸塩、アミノ安息香酸塩、メトキシ安息香酸塩、ニトロ安息香酸塩、硫酸塩、フッ化物、臭化物、ヨウ化物、炭酸塩、シュウ酸塩、リン酸塩、クエン酸塩、ケイ酸塩、又はこれらの組み合わせ、から生じる。溶浸材に含まれる金属イオンと酸化物粉末の金属イオンとのモル比率を選択することで、所望の化学量論的な反応生成物を得ることができる。反応の完了を促すために、溶液中に余剰金属イオンが必要とされてもよい。

浸透媒体及びマトリックス物質に応じて、終局の焼結生成物は、例えば、チタンを含んで構成される物質を含有する場合、チタン酸塩とすることができる。例えば、イルメナイト構造を有したチタン酸塩は、ＴｉＯ₂、及び、水中でＦｅ²⁺、Ｍｇ²⁺、Ｍｎ²⁺、Ｃｏ²⁺、Ｎｉ²⁺、又はこれらの組み合わせ、を含む塩、から得られる。ペロブスカイト構造を有するチタン酸塩は、Ｃａ²⁺、Ｓｒ²⁺、バリウムイオン、又はこれらの組み合わせ、を含む含水塩溶液から作られる。さらに、スピネル型構造を有する化合物は、Ｍｇ₂ＴｉＯ₄、Ｚｎ₂ＴｉＯ₄、及びＣｏ₂ＴｉＯ₄を含んで得られる。また、例えば化学式Ｂａ_xＴｉ_yＯ_x+2y（この場合、ｘ及びｙは整数）を有するチタン酸バリウムの相など、チタン酸バリウムの種々の相は、本発明の方法によって得られる。

または、終局の焼結生成物は、炭酸塩、硫酸塩、シュウ酸塩、又はこれらの組み合わせ、であってもよい。用いられる物質には、従来の焼結方法が用いられた場合に、焼結前に分解する物質が含まれてもよい。例えば、炭酸塩は、従来の焼結方法による焼結前の加熱で、酸化物に分解する。炭酸塩、硫酸塩、シュウ酸塩は、例えば、夫々、金属炭酸塩、金属硫酸塩（ｍｅｔａｓｕｌｆａｔｅ）、金属シュウ酸塩（ｍｅｔａｏｘａｌａｔｅ）、であってもよく、周期表に見られる元素のカチオンを含んで構成される。

（焼結物質の特徴）
（焼結物質の気孔率）
ＨＬＰＳは、極めて均質、かつ、極めて細かい微細構造を備えた焼結生成物を生成する。焼結物質の気孔率は、例えば、約１５％未満（例えば、約１０％未満、約５％未満、又は実用上十分に緻密）である。成形体の総気孔率は、標準的な技術、例えば、水銀圧入式測定装置を用いて測定される。密度は、例えば、アルキメデス法による水銀圧入式測定装置などの従来技術を用いて測定される。

（焼結物質のサイズ及び形状）
ＨＬＰＳ処理を経た焼結物質の一特徴は、出発圧粉体と同一形状、又は同一サイズでさえあるということである。一実施形態では、この場合、生成物にはモル体積変化が殆ど無く、結果として、圧粉体には、多くのセラミック製造過程にあるような収縮が起こらない。したがって、焼結物質の機械加工は殆ど又は全く必要とされない。

（焼結物質の組成）
実施例に図示されるように、焼結物質の生成には、広範な化学成分を用いることができる。また、焼結物質の形成に関与する種々の金属酸化物及び金属塩の数を、いかなる特定の方法にも限定する必要はない。さらに、最終生成物の化学量論は、圧粉体及び溶浸材媒体に存在する反応物質のモル比率により決まる。焼結物質の成分は、定量Ｘ線回折（ＱＸＲＤ）及び誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用いて評価される。

（微細組織及び関連する機械的特性）
ＨＬＰＳ処理から生成された焼結生成物は、網状の相互接続ネットワークに略類似する微細組織を有する。また、ＨＬＰＳ処理から得られるモノリス（ｍｏｎｏｌｉｔｈ）は、例えば、コア−シェル構造などの複合構造を示す。さらに、焼結生成物は、例えば、高引張強度、高圧縮強度、及び望ましい引張係数などといった、優れた機械的特性を有している。この強化は、イオン置換、イオン添加、オストワルト熟成（すなわち、新たなネットワークの形成可能な再結晶）、又はこれらの組み合わせ、により、物理的に結合された粒子間のプロセス中に形成される化学結合から生じる。一実施形態では、オストワルト熟成には、アルカリ性媒体中の炭酸塩物質の時効処理が含まれる。さらに、正のモル体積変化がある場合、前述のように緻密化がなされる。

（ＨＬＰＳによるセメント製造）
通常、セメントは、２つのステップで製造される。すなわち、（ｉ）セメントは、高温処理によって合成され、（ｉｉ）その後、水と混合及び化合して一体構造を形成する。

ＨＬＰＳは、セメント製造の合成及び混合／結合ステップをまとめて、小型で、エネルギー効率が良く、かつ、環境に配慮した処理を提供するものである。ＨＬＰＳは、汎用性があり、広範な原料を用いることで、簡便に入手可能な原料（例えば、工場からの廃棄物）にこの処理を用いることが可能となり、これにより、輸送コストを最小限に抑えることができる。

ＨＬＰＳにより、高温処理を用いたセラミック製造の代わりに、温和な温度及び／又は温和な圧力状態の下で液体中に、重要な様々のセラミック物質を形成する別の方法が得られる。セラミック結晶は、従来の工程にあるような、「調整するための」製粉処理を用いることなく形成されるとともに、セラミック物質形成のために適度な反応性を備えた結晶サイズ及び結晶形態を有する。また、ＨＬＰＳにより生成される生成物の化学結合は、セラミック結合であるか、又は、その化学結合には、従来の構造材料（すなわちセメント）を製造する工程で通常生じる水硬性結合が殆ど見られない。従来のセメントは、水硬性結合を有する結果、機械的強度の低下が、約２００℃で始まり、１０００℃で殆ど全ての強度を失う。水硬性結合（すなわち、水分子又はその一部を含む結合）の形成を略最小限に抑えることにより、ＨＬＰＳにより製造されるセラミックは、少なくとも約１０００℃の温度に耐えることが可能である。

セメント、あるいは一般的なセラミックを製造するためにＨＬＰＳを用いる他の利益には、セラミック材を形成するための反応時間の短縮が含まれる。セラミックが、一般に約４００℃未満の温度（例えば、３００℃未満、又は室温程度）で溶液から直接形成される場合には、水熱反応は、水溶液反応に基づく。

また、製造されるセラミックは、水硬性結合が略皆無であり、大部分がセラミック結合の状態である高密度なものである。例えば、セメントの結合は、水中でスラリー状にされた粉末の水和により生じる。従来のセラミックの大部分の結合は、高温燃焼により誘発される拡散から生じる。対照的に、ＨＬＰＳのセラミックは、粉末の単一成形体又は固体マトリックスを浸透媒体と反応させることにより形成されて、粒子の格子間空間（すなわち気孔）を充填する。格子間空間において核形成し成長する結晶は、相互に、かつ、粉末マトリックスと、化学結合を形成して、セラミック結合がなされた単一体を生成する。結果として、水硬性セメント結合の過程とは異なり、無水セラミック結合が形成され、その安定性は少なくとも約１０００℃（例えば、約２０００℃）となる。また、従来の緻密化処理（例えば、固相焼結）とは異なり、反応温度は、約９０℃未満（例えば、室温）である。

前述のように、ＨＬＰＳ処理による生成物は、モル体積が変化（増加又は減少）するか、又はその変化が略皆無である。一実施形態では、モル体積変化が正である場合、緻密化も生じる。一実施形態では、固体マトリックスが、結合構造を形成するための骨格として必要である場合には、寸法変化は実質的に生じない。その結果、例えば、き裂や欠陥などの問題はほぼ発生しない。固体マトリックスが寸法を変えない一方、生成物構造体の相対的な気孔率は、生成物と反応物との間のモル体積変化の割合が、構造中の残存気孔率を決定できる化学反応性を選択することにより、コントロール可能となる。例えば、５０％の多孔質構造が、反応により、モル体積を１００％変化させる生成物を形成すれば、その構造は十分に密度を高めることが可能である。一実施形態では、気孔のサイズが大きいほど、完全な転換を達成する上で好ましい。ここで留意すべきは、初期密度は、マトリックス粉末と粉末の圧縮形成技術の双方の選択によりコントロール可能ということである。

多くの反応の中には、体積の増加又は減少を起こして、その反応から形成された結晶をセラミックと結合させながら、気孔率を変化させるもの（表１参照）がある。例えば、ＣａＳＯ₄のマトリックスをＣａＣ₂Ｏ₄・Ｈ₂Ｏに転換すると、４４．４体積％のモル体積増加（緻密化）という結果になる一方、ＣａＳＯ₄をＣａＣＯ₃に転換すると、−１９．７％のモル体積減少（気孔率の増加）という結果になる。この処理のコントロールを、マイナス及びプラスの体積変化をする成分を混合することでさらに制御して、最終的な密度（気孔率）変化を、ゼロ、プラス値、又はマイナス値、のいずれかに操作できる複合材を設計することができる。表１に示されるように、６１６体積％ものモル体積増加及び５０．２体積％のモル体積減少が可能である。

気孔率の減少又は増加が可能であることは、大変有用である。例えば、著しいモル体積増加は、大幅に膨張させることが可能な低密度マトリックス（例えば、道路建設材や建造物に投入される骨材など）に有用である。一方、著しい体積減少は、反応進行時の浸透性の増大により、反応進行時に骨材を結合する溶液の輸送性又は反応性を向上させる。また、複合材には、密度増加（又は減少）を抑える不活性粉末の添加が可能であるが、これに比例して、モル体積増加（又は減少）を減退させる。一般に、反応がマトリックスの体積膨張となるか、又は体積収縮となるかにかかわらず、反応から生じる結晶は、それが、反応物、不活性成分、又は反応から既に生じた生成物のいずれであっても、マトリックスとの結合に寄与する。

ＨＬＰＳは、従来の処理によっては作ることができない物質を含む、様々な物質とのセラミック結合を形成する方法を提供する。したがって、例えば、大理石などのセラミック、天然由来の炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）は、炭酸を含まないカルシウム源から合成可能である。

ＨＬＰＳ処理のもつ多用途性のため、この処理は、前述のような高密度セラミックを形成する一方、例えば、二酸化炭素などの温室効果ガスを回収するために用いられる。また、この処理は、温室効果ガスを排出する発電装置に組み入れられるが、この場合、温室効果ガスは回収され、反応物質としてＨＬＰＳ処理に直接供給される。

（ガス回収によるセラミックの形成）
ＨＬＰＳ処理によって、ガスは、大気から回収され、大理石やセメントなどの様々なセラミックを形成する反応で用いられる。ガスは、例えば、二酸化炭素を含んだ温室効果ガス、又は、一般的に、炭素、硫黄、リン、窒素、水素、酸素、若しくはこれらの組み合わせを含んだガス、などのいかなる種類のガスであってもよい。

熱力学に基づく計算により作成された状態図は、ＨＬＰＳ処理のための適切な反応物質を選択するために役立てられる。例えば、ＣａＳＯ₄とＣＯ₂との反応ではＣａＣＯ₃を形成しないが、一方で、他の多くの系は反応することが判明している。ＣＯ₂飽和溶液と反応するマトリックスを用いた以下の化学反応には、熱力学計算の結果が伴い、カルボン酸塩化合物の形成による二酸化炭素隔離への適性を示している。ここで留意すべきは、炭素源及びその濃度は、変化しやすく、その他のセラミック反応は、一定の濃度で保持されるということである。各前駆体系のために、作成された状態図は、室温などを含む温度範囲で報告された。
ＦｅＯ＋ＣＯ₂ → ＦｅＣＯ₃ （図１）
Ｃａ（ＯＨ）₂ ＋ＣＯ₂ → ＣａＣＯ₃ ＋Ｈ₂Ｏ（図２)
ＦｅＴｉＯ₃ ＋ＣＯ₂ → ＦｅＣＯ₃ ＋ＴｉＯ₂ （図３）
Ｆｅ₃Ｏ₄ ＋ＣＯ₂ → ＦｅＣＯ₃ ＋Ｆｅ₂Ｏ₃ （図４）

イルメナイト（ＦｅＴｉＯ₃）、ペロブスカイト（ＣａＴｉＯ₃）、スフェーン（ＣａＴｉＳｉＯ₅）、又はアルカリ土類長石（ＣａＡｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈）、のようなものは、炭酸塩と各酸化物とに分解する。例えば、Ｆｅ₂Ｏ₄などの反応に関して、適切な還元環境でＦｅ³⁺種を還元することで、全ての鉄種が２価となり炭酸化に用いることができる。Ｆｅ³⁺に基づく酸化物の場合、炭酸鉄の形成は予測されない。

ある種の物質に対して、計算上、ＣＯ₂は反応性を示さない。例えば、ＣａＳＯ₄は、可溶性ＣＯ₂と反応しない。別の場合では、ＣＯ₂回収の他の手段が、より有利となる。例えば、カリウムは、電気化学的に水酸化カリウムに転換可能であり、これにより、二酸化炭素を回収してＫ₂ＣＯ₃を形成し、その後、以下のように、ＣａＳＯ₄からＣａＣＯ₃の沈殿物を沈着させる。
ＣａＳＯ₄ ＋Ｋ₂ＣＯ₃ → ＣａＣＯ₃ ＋Ｋ₂ＳＯ₄ （図５）

同様の反応は、ナトリウム又はアンモニアの炭酸塩を用いても行われる。一実施形態では、多孔質大理石（すなわち、炭酸カルシウム）が作られ、Ｋ₂ＳＯ₄がその構造中に残存する。他の無機反応物質（例えば、Ｃａ（ＯＨ）₂など）も、ＣＯ₂を回収するために用いられる。
Ｃａ（ＯＨ）₂ ＋Ｋ₂ＣＯ₃ → ＣａＣＯ₃ ＋２ＫＯＨ（図６）

他の適切なアルカリ炭酸塩には、Ｎａ₂ＣＯ₃やＮＨ₄ＣＯ₃が含まれる。一般に、アルカリ炭酸塩は、アルカリ性水酸化物から得られる。水酸化物を含む反応（例えば、上記反応）は、炭酸化が生じると、アルカリ性水酸化物を再生するため、このような反応は、アルカリ性水酸化物を再利用して、より多くのＣＯ₂を回収することができる。一実施形態では、炭酸化反応が用いられる場合、無機酸化物はアルカリ性水酸化物を再生するために用いられる。
ＭＯ + Ｍ´₂ＣＯ₃ + Ｈ₂Ｏ → ＭＣＯ₃ + ２Ｍ´ＯＨ
ここで、Ｍ = Ｎａ⁺, Ｋ⁺, ＮＨ₄ ⁺

鉄鉱石（Ｆｅ₂Ｏ₄／Ｆｅ₃Ｏ₄）は、地球上に豊富に存在するので、利用可能である。また、Ｍｇは、以下のように、石灰岩を出発物質とする反応焼結処理に用いられる。
Ｍｇ²⁺ + Ｋ₂ＣＯ₃ + ＣａＣＯ₃ → ＭｇＣＯ₃/ＣａＣＯ₃ + ２Ｋ⁺

このように、石灰岩の多孔質構造体は、ＭｇＣＯ₃で満たされて複合材料を形成する。

温室効果ガス（例えば、二酸化炭素）の回収により構造材料（例えば、炭酸塩など）を形成する場合の重要な利点は、二酸化炭素が処理中に消費されて、その処理が、多量の温室効果ガスを生成しないことである。

（ガス隔離）
一実施形態では、２モルのＣＯ₂は、多座配位子（例えばシュウ酸塩のＣ₂Ｏ₄ ^2-など）を用いて隔離される。この反応物質は、炭素−炭素単結合（Ｃ−Ｃ）で結合された２モルのＣＯ₂を含んで構成される。以下のシュウ酸塩系についてシミュレーションを行って、前述の実現可能性を判断した。各結果は図中に示される。
（Ｈ₂Ｃ₂Ｏ₄）
ＣａＳＯ₄ ＋Ｈ₂Ｃ₂Ｏ₄ → ＣａＣ₂Ｏ₄・Ｈ₂Ｏ＋Ｈ₂ＳＯ₄ （図７）
ＭｇＯ＋Ｈ₂Ｃ₂Ｏ₄ ＋２Ｈ₂Ｏ → ＭｇＣ₂Ｏ₄・２Ｈ₂Ｏ＋Ｈ₂Ｏ（図８）
Ｃａ（ＯＨ）₂ ＋Ｈ₂Ｃ₂Ｏ₄ → ＣａＣ₂Ｏ₄・Ｈ₂Ｏ＋Ｈ₂Ｏ（図９）
（Ｋ₂Ｃ₂Ｏ₄）
ＣａＳＯ₄ ＋Ｋ₂Ｃ₂Ｏ₄ ＋Ｈ₂Ｏ → ＣａＣ₂Ｏ₄・Ｈ₂Ｏ＋Ｋ₂ＳＯ₄ （図１０）
Ｃａ（ＯＨ）₂ ＋Ｋ₂Ｃ₂Ｏ₄ ＋Ｈ₂Ｏ → ＣａＣ₂Ｏ₄・Ｈ₂Ｏ＋２ＫＯＨ（図１１）

ある実施形態では、炭酸塩を含む反応は反応生成物としてＫＯＨを再生するが、これは、炭酸塩を隔離する一方、追加的な反応のために再利用される。また、他のシュウ酸塩（例えば、（ＮＨ₄）₂Ｃ₂Ｏ₄及びＮａ₂Ｃ₂Ｏ₄）も、解離したシュウ酸塩アニオンをもたらすあらゆるシュウ酸塩前駆体と同様に、用いることができる。室温で安定的な多くのシュウ酸塩も用いることができる。例えば、シュウ酸第二鉄錯体、[Ｆｅ（Ｃ₂Ｏ₄）₃]^3-は、鉄原子１つにつき、ＣＯ₂６つ分の原子を要する可溶性アニオンであり、これは、二酸化炭素回収及び／又は隔離に適切なものである。

また、シュウ酸塩は、以下のように、シュウ酸塩を形成するとともに、二酸化炭素又は可溶性炭酸塩を解放する点でも有用である。
ＣａＣＯ₃ ＋Ｈ₂Ｃ₂Ｏ₄ → ＣａＣ₂Ｏ₄・Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂ （図１２）
ＣａＣＯ₃ ＋Ｋ₂Ｃ₂Ｏ₄ → ＣａＣ₂Ｏ₄・Ｈ₂Ｏ＋Ｋ₂ＣＯ₃ （図１３）

カルボン酸塩物質を使用することにより、従来のセメント以上に化学的耐久性を向上させることができる。例えば、従来の大理石は、約６未満のｐＨで分解が始まり、非常に高いｐＨレベルでは、分解することなく、耐え得る（図１４）。例えば、シュウ酸塩が、シュウ酸カルシウム一水和物に用いられる場合、２より大きく、かつ、１３未満のレベルのｐＨには、分解することなく耐え得る（図１５）。また、水硬性結合の欠如により、冷表面を除氷するために用いられる塩に殆ど影響を与えないようにすることもできる。

（利用）
ＨＬＰＳ処理により温室効果ガスを回収及び／又は隔離する間にセラミックを形成する１つの利点は、処理の多用途性である。例えば、いかなる時にも、反応が始まるので、現地において構造物の迅速な設置が可能である。例えば、蒸気とＣＯ₂の混合物が焼結反応を開始する間に、蒸気ローラタイプの装置を用いて圧粉し、続いてそのシステムを加熱する。または、炭酸塩溶液が、多孔質層（ｐｏｒｏｕｓｂｅｄ）に噴射され、続いてローラーによる圧密及び加熱がなされる。埋設型枠は、ポリマーライナー（ｐｏｌｙｍｅｒｌｉｎｅｒｓ）を含んで構成され、導波路マイクロ波エネルギーが水を局所的に加熱して反応を開始、終了させることができる。この場合、圧縮構造体における局所的な圧力は、未臨界又は超臨界状態に相当する。この多用途性により、建設計画には、材料硬化の時間が殆ど必要とされないか、又は不要となる。また、ＨＬＰＳ処理は現地で水を添加することができるため、運搬を必要とする建設材料の重量を低減し、これにより、コスト及びエネルギー消費を削減することができる。しかも、ＨＬＰＳの場合、水は、例えば、従来のセメントにおける反応物質としてよりも、むしろ浸透媒体のための溶媒として用いられる。特に、ＨＬＰＳにおける水は、再利用されるか、又は生態系に還元される。

一実施形態では、ガス回収及び隔離処理は、単一の処理に結合が可能である。例えば、温室効果ガスは、温室効果ガスと反応可能な反応種により回収される。続いて、回収されたガス（この時点では水性形態）は、溶液中で反応種となり、そして前述のように浸透媒体として作用してガスを隔離する。もう一つの方法では、回収処理は隔離の前になされない。例えば、少なくとも溶解した温室効果ガスがあれば、浸透媒体の入手が容易に可能となって、こうして、この実施形態では、温室効果ガスの隔離のみを用いることができる。媒体は、必要であれば、市販の製品であってもよい。

一実施形態では、収縮のない処理の構成を可能とすることにより、広範な多成分系構造を形成できる。この場合、結合相以外の成分が、構造中に受動的に存在する。このような成分は、砂利や砂であり、砂利や砂の気孔構造を通して拡散する結合炭酸塩物質を結合させて相互に接続したネットワークにより、強化された高浸透ネットワークを提供できる。また、他の構造体（例えば、鉄筋）を組み込んで、界面反応により追加的な補強を行うことができる。砂利や砂から得られる可溶性ケイ酸塩は、鉄との間でこの界面反応を促進するとともに、炭酸塩をベースとする複合構造中の結合相をもたらす他のケイ酸塩形成を促進する。また、収縮が存在しないことにより、低応力環境でのデバイスの埋め込みも促進し、これにより材料の機械的安定性と応力状態のリアルタイム監視が容易となる。

本明細書に記載された生成物の更なる利点には、特に炭酸塩に関する耐火性が含まれる。炭酸塩（例えば、炭酸カルシウム）は、かなりの高温となるまで（ＣａＣＯ₃の粒径及びＣＯ₂の分圧−ｐ_ＣＯ2にもよるが、約８００〜１０００℃まで）、分解しない。

また、不活性物質（例えば、無機反射性、顔料、乳白剤、又は発光性等の粒子）を、これらのカルボン酸セラミックに組み込むこともできる。例えば、前述のように、ＦｅＴｉＯ₃の分解を利用して、チタニア及びＦｅＣＯ₃から複合建設材料をつくることができる。

（燃焼後炭素の回収）
カルボン酸塩（例えば、金属炭酸塩及び金属シュウ酸塩など）は、ＨＬＰＳ処理における燃焼後二酸化炭素の回収に用いられる。炭酸イオンは、以下のような最初の反応を介して、ＣＯ₂分子から形成される。
ＣＯ₂ ＋２ＯＨ^- → ＣＯ₃ ^2- ＋Ｈ₂Ｏ

留意すべきは、水が副生成物として生成されることである。したがって、多量のＣＯ₂が処理される場合に、水が不足してきたときには、水の生成は有益となる。一実施形態では、１価−２価無機カチオンは、以下のように、それぞれ炭酸化に用いられる。
ｘＭ²⁺ ＋ＣＯ₃ ^2- → Ｍ_x（ＣＯ₃）

例えば、無機イオンがナトリウムである場合、原子百分率を基準とした無機生成物に対するＣＯ₂の比率は、１対２であるのに対し、無機イオンがカルシウムである場合、原子百分率を基準とした無機生成物に対するＣＯ₂の比率は、１対１である。１価の炭酸塩は、水に対して高溶解性であるので、好ましい。

金属シュウ酸塩も用いられる。以下のように、２モルのＣＯ₂を用いて、１モルのシュウ酸イオンが生成される。
２ＣＯ₂ ＋２ｅ^- → Ｃ₂Ｏ₄ ^2-

このイオンは、一酸化炭素から、又は、広範な植物中のＣＯ₂から生物学的に、形成される。シュウ酸塩は、各シュウ酸塩アニオンに対し２モルのＣＯ₂を回収できることにより、ＣＯ₂回収に関して他の可能性も、もたらされる。例えば、以下のように、鉱物（例えば、石灰岩など）が通常分解して、ＣＯ₂を排出する。
ＣａＣＯ₃ → ＣａＯ＋ＣＯ₂

この代わりとして、炭酸塩は、シュウ酸塩の添加により分解される。
ＣａＣＯ₃ ＋Ｋ₂Ｃ₂Ｏ₄ ＋Ｈ₂Ｏ→ ＣａＣ₂Ｏ₄・Ｈ₂Ｏ＋Ｋ₂ＣＯ₃

このように、回収が必要なＣＯ₂ガスの生成とは対照的に、ＣＯ₃ ^2-は石灰岩から回収され、水熱焼結でさらに用いられるＫ₂ＣＯ₃前駆体を生成することが可能である。この反応は、シュウ酸の添加によっても起こる。
ＣａＣＯ₃ ＋Ｈ₂Ｃ₂Ｏ₄ → ＣａＣ₂Ｏ₄・Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂

水酸化カルシウムは、水中で酸化カルシウムを水和させて製造されることは一般に知られている。水酸化カルシウムは、以下のように、炭酸塩に転換される。
Ｃａ（ＯＨ）₂ ＋ＣＯ₂ → ＣａＣＯ₃ ＋Ｈ₂Ｏ

このように、この反応は、ＣａＯ形成のため既に排出されたＣＯ₂を消費するので、カーボンニュートラルである。しかしながら、シュウ酸塩が用いられる場合には、以下のように、反応は炭素消費である。
Ｃａ（ＯＨ）₂ ＋Ｈ₂Ｃ₂Ｏ₄ → ＣａＣ₂Ｏ₄・Ｈ₂Ｏ＋Ｈ₂Ｏ
又は、
Ｃａ（ＯＨ）₂ ＋Ｋ₂Ｃ₂Ｏ₄ ＋Ｈ₂Ｏ → ＣａＣ₂Ｏ₄・Ｈ₂Ｏ＋２ＫＯＨ

一実施形態では、反応で生成される腐食性塩基は、ＣＯ₂回収溶液としてさらに用いられる。したがって、ＣＯ₂回収の１つのＨＬＰＳ処理は、別のＨＬＰＳ処理となり得る。

燃焼後の炭素回収溶液は、可溶性水酸化物（例えば、苛性ソーダ）に基づいている。可溶性の水酸化物は洗浄塔を経て回収溶液として用いられる。

提案されている処理の１つの利点は、燃焼排ガスの全発熱量を回収でき、高温で作用し、定量的にＣＯ₂と反応し、あらゆる海岸線から採取可能な原材料を利用することができて船積みにも便利である、ということである。燃焼排ガスが、蒸発及び炭酸化に必要な発熱量を供給できない場合を除いては、二酸化炭素排出量は、非常に小さいものとなる。

（限定されない実施例）
（実施例１．水酸化カルシウム及び炭酸カリウムからの炭酸カルシウム）
５ｇ以下の酸化カルシウム粉末は、室温で１００ｍｌ以下の純水と反応して、テフロン（登録商標）瓶にＣａ（ＯＨ）₂を形成した。水酸化カルシウムと水の混合液は、室温まで冷却された。その後、混合液は振動を加えられ、コロイダルプレス（ｃｏｌｌｏｉｄａｌｐｒｅｓｓ）に、その容器の大体約７５％を満たすまで注入された。コロイダルプレスに７０００ポンド（約３１７５ｋｇ）の負荷を徐々に加えた。テフロン（登録商標）瓶は、２００ｍｌの純水で満たされ、３０ｇのＫ₂ＣＯ₃が、その中で溶解された。湿ったＣａ（ＯＨ）₂ペレットは、テフロン（登録商標）トレー上に置かれ、そして、テフロン（登録商標）瓶中に置かれた。瓶の蓋は密閉され、４日間室温に保たれた。その後、ペレットは取り出され、純水で洗浄された。反応生成物は、Ｘ線回折を受け、少量のＣａ（ＯＨ）₂を伴った主にＣａＣＯ₃を含んで構成されていることが判明した。試料はその形状を維持し、破壊に対して対抗できる十分な機械的強度を有した。

（水酸化カルシウム及びシュウ酸からのシュウ酸カルシウム一水和物）
５ｇ以下の酸化カルシウム粉末は、室温で１００ｍｌ以下の純水と反応して、テフロン（登録商標）瓶にＣａ（ＯＨ）₂を形成した。水酸化カルシウムと水の混合液は、室温まで冷却された。その後、混合液は振動を加えられ、１インチ径のコロイダル（フィルタ）プレスに、その容器の大体約７５％を満たすまで注入された。コロイダルプレスに７０００ポンドの負荷を徐々に加えた。テフロン（登録商標）瓶は、２００ｍｌの純水で満たされ、３０ｇのＨ₂Ｃ₂Ｏ₄が混合された。湿ったＣａ（ＯＨ）₂ペレットは、テフロン（登録商標）トレー上に置かれ、そして、テフロン（登録商標）瓶中に置かれた。瓶の蓋は密閉され、４日間室温に保たれた。その後、ペレットは取り出され、純水で洗浄された。Ｘ線回折により、ＣａＣ₂Ｏ₄・Ｈ₂Ｏ及びＣａ（ＯＨ）₂の両方の存在が明らかとなった。試料は、プレスされても形状及びサイズを維持し、水熱液相焼結後も寸法が変化しなかった。その物質は、機械的に安定している。プレスの間、純水を用いるよりもシュウ酸を用いてＣａ（ＯＨ）₂と混合した方が、より完全な反応及びより高強度な物質となろう。

前述の実施例及び好ましい実施形態の意図するところは、本発明の範囲の広さを説明することであり、決して本発明を限定するものではない。本開示で与えられる詳細な説明を考慮すれば、他の実施形態は、間違いなく当業者に明白であろう。このような他の実施形態は、本発明の範囲及び精神に含まれると考えられ、本発明は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

Claims

（ｉ）温室効果ガスと反応可能な第１の薬剤を運搬する溶液を提供することと、
（ｉｉ）少なくとも前記第１の薬剤と前記温室効果ガスとの間の反応を促進することにより、少なくとも第１の反応物質が生成されるという条件下で、前記溶液を前記温室効果ガスに接触させることと、
（ｉｉｉ）格子間空間を有し、かつ、少なくとも第２の反応物質を含んで構成された、
多孔質マトリックスを提供することと、
（ｉｖ）少なくとも前記第１の反応物質と少なくとも前記第２の反応物質との間の反応を促進することにより、少なくとも第１の生成物が提供されるという条件下で、少なくとも前記第１の反応物質を運搬する溶液を、前記多孔質マトリックスの前記格子間空間の少なくとも相当部分に浸透可能とすることと、
（ｖ）少なくとも前記第１の生成物が、前記多孔質マトリックスの少なくとも一部の前記格子間空間を形成及び充填し、これにより、前記温室効果ガスの隔離を可能とすることと、
を含んで構成された温室効果ガス隔離の方法。
前記温室効果ガスは、二酸化炭素を含んで構成された、請求項１に記載の方法。
前記温室効果ガスは、硫黄、リン、窒素、又はこれらの組み合わせ、を含んで構成された、請求項１に記載の方法。
前記ステップ（ｖ）後の前記固体マトリックスは、前記ステップ（ｖ）前のモル体積と略等しいモル体積を有する、請求項１に記載の方法。
前記ステップ（ｖ）後の前記固体マトリックスは、前記ステップ（ｖ）前のモル体積よりも大きいモル体積を有する、請求項１に記載の方法。
前記ステップ（ｖ）後の前記固体マトリックスは、前記ステップ（ｖ）前のモル体積よりも小さいモル体積を有する、請求項１に記載の方法。
前記ステップ（ｖ）後の前記固体マトリックスは、前記ステップ（ｖ）前の密度よりも大きい密度を有する、請求項１に記載の方法。
前記温室効果ガスは、工場により発生した、請求項１に記載の方法。
前記第２の反応物質は、金属酸化物、金属水酸化物、金属硫化物、金属フッ化物、チタン酸金属塩、又はこれらの組み合わせ、を含んで構成された、請求項１に記載の方法。
前記第２の反応物質は、金属を含んで構成された、請求項１に記載の方法。
前記第１の反応物質は、シュウ酸塩、炭酸塩、硫酸塩、リン酸塩、クエン酸塩、金属イオン、又はこれらの組み合わせ、を含んで構成された、請求項１に記載の方法。
前記第１の生成物は、析出により形成された、請求項１に記載の方法。
前記第１の生成物は、炭酸カルシウムを含んで構成された、請求項１に記載の方法。
前記第１の生成物は、カルボン酸塩を含んで構成された、請求項１に記載の方法。
前記第１の生成物は、金属炭酸塩、金属シュウ酸塩、又はこれらの組み合わせ、を含んで構成された、請求項１に記載の方法。
前記第１の生成物は、少なくとも約１０００℃の分解温度を有する、請求項１に記載の方法。
前記第１の生成物は、相互接続するネットワーク微細構造を有する、請求項１に記載の方法。
前記第１の薬剤は、水性形態である、請求項１に記載の方法。
前記方法は、約３００℃未満の温度で行われる、請求項１に記載の方法。
前記方法は、室温で行われる、請求項１に記載の方法。
炭素回収処理、炭素隔離処理、又はこれらの組み合わせ、により生成されるセラミックであって、
前記処理は、多孔質マトリックスの少なくとも１つの成分が、浸透媒体により運搬される少なくとも第１の反応物質との反応を経て、少なくとも第１の生成物を提供し、前記反応中、前記多孔質マトリックスの残りが、前記反応混合物からの前記第１の生成物の形成を容易にする骨格として機能し、これによりセラミックの生成を可能にすることを含んで構成された、セラミック。
前記セラミックは、水硬性結合を略含まずに構成された、請求項２１に記載のセラミック。
前記セラミックは、主にセラミック結合を含んで構成された、請求項２１に記載のセラミック。
前記セラミックの形状と前記固体マトリックスの形状が略等しい、請求項２１に記載のセラミック。
前記セラミックは、少なくとも約１０００℃の分解温度を有する、請求項２１に記載のセラミック。
前記セラミックは、少なくとも約２０００℃の分解温度を有する、請求項２１に記載のセラミック。
前記第１の生成物は、イオン置換、イオン添加、不均化、又はこれらの組み合わせ、により生成される、請求項２１に記載のセラミック。
前記第１の生成物は、析出により生成される、請求項２１に記載のセラミック。
前記セラミックは、セメントである、請求項２１に記載のセラミック。
前記第１の生成物は、カルボン酸塩を含んで構成された、請求項２１に記載の方法。
セラミックの製造方法であって、
（ｉ）格子間空間を有し、かつ、少なくとも第１の反応物質を含んで構成される、多孔質マトリックスを提供することと、
（ｉｉ）前記多孔質マトリックスを、少なくとも第２の反応物質を運搬し、温室効果ガスを含んで構成された浸透媒体に接触させることと、
（ｉｉｉ）少なくとも前記第１の反応物質と少なくとも前記第２の反応物質との間の反応を促進することにより、少なくとも第１の生成物が提供されるという条件下で、前記浸透媒体を前記多孔質マトリックスの少なくとも一部の前記格子間空間に浸透可能とすることと、
（ｉｖ）少なくとも前記第１の生成物が、前記多孔質マトリックスの少なくとも一部の前記格子間空間を形成及び充填し、これによりセラミックの生産を可能とすることと、
を含んで構成され、
前記方法は、多量の前記温室効果ガスを消費し、かつ、排出しない、セラミックの製造方法。
前記ステップ（ｉｉ）から（ｉｖ）までは、少なくとも１度繰り返される、請求項３１に記載の方法。
前記セラミックは、水硬性結合を略含まない、請求項３１に記載の方法。
前記セラミックは、多量のチタン酸バリウムを含まない、請求項３１に記載の方法。
前記温室効果ガスは、工場から得られる、請求項３１に記載の方法。
前記セラミックは、殆どき裂を含まない、請求項３１に記載の方法。
水硬性結合を略含まずに構成されたセメント。
セラミック結合を含んで構成され、
前記セラミックは、相互接続のネットワーク微細構造を含んで構成されたセラミック。
（ｉ）少なくとも１つの温室効果ガスを第１の反応物質として運搬する溶液を提供することと、
（ｉｉ）格子間空間を有し、かつ、少なくとも第２の反応物質を含んで構成された、多孔質マトリックスを提供することと、
（ｉｉｉ）少なくとも前記第１の反応物質と少なくとも前記第２の反応物質との間の反応を促進することにより、少なくとも第１の生成物が提供されるという条件下で、少なくとも前記第１の反応物質を運搬する前記溶液を、前記多孔質マトリックスの前記格子間空間の少なくとも相当部分に浸透可能とすることと、
（ｉｖ）少なくとも前記第１の生成物が、前記多孔質マトリックスの少なくとも一部の前記格子間空間を形成及び充填し、これにより、前記温室効果ガスの隔離を可能とすることと、
を含んで構成された温室効果ガス隔離の方法。
前記温室効果ガスは、前記溶液に溶解する、請求項３９に記載の方法。