TWI643833B - 用於消耗二氧化碳之材料的固化系統及使用其之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種固化系統，該固化系統用於固化將二氧化碳作為試劑消耗之材料。該系統具有固化腔室，該固化腔室含有待固化之材料及含有二氧化碳之氣體。該系統包括裝置，該裝置可在裝載系統時傳遞二氧化碳以取代環境空氣、可在需要時且隨著消耗提供二氧化碳、可在固化循環期間控制固化腔室中之二氧化碳濃度、溫度及濕度及可記錄在固化製程期間發生之變數且向使用者顯示該等變數。

Description

用於消耗二氧化碳之材料的固化系統及使用其之方法 【相關申請案之交叉引用】
本申請案主張2013年3月14日申請之共同未決之美國臨時專利申請案第61/785,226號之優先權及權益，該申請案之全文以引用之方式併入本文中。
本發明大體上係關於用於製備新型複合材料之系統及方法。更特定言之，本發明係關於用於由包括水及二氧化碳之各種常見原材料(或前驅體)材料製造合成材料之設備及方法。該等複合材料適用於施工、基礎設施、藝術品及裝潢中之各種用途。
混凝土及石料
自古到今，人類已知且使用混凝土及石材。舉例而言，材料(諸如，混凝土、板岩、花崗岩及大理石)用於建構各種有用結構。
混凝土用於各種結構，包括道路、建築物及建築組件(諸如，管、砌塊、鋪設材料及鐵道枕木)。混凝土具有許多有益性質，諸如，堅硬(或抗機械力變形)、防火、防 水及防元素(包括防黴變及防菌類繁殖)。
板岩為主要由石英及雲母組成之細紋理變質岩(有時公式為KAl2(AlSi3O10))。因為板岩為平坦、堅硬、防火、防水及防元素(包括防黴變及防菌類繁殖)，故發現板岩在建築物及建構中之更廣范使用，諸如，鋪設材料及屋面材料。板岩存在各種顏色，例如，灰色(灰黑色)、綠色、青色(藍綠色)或紫色。板岩為大體「葉片狀的」或分層的，以使得板岩***形成不同平坦表面圖型。板岩之獨特美學及物理品質使其在建築及構造中以及在裝飾藝術及雕塑中為理想材料。
努力研究人造板岩類材料以低成本、易生產之仿製品取代更昂貴且稀有之天然板岩。然而，該等努力尚未生產合成材料，該合成材料具有板岩之所需外觀、紋理、密度、硬度、孔隙率及其他美觀特徵，同時可以低成本及最小環境影響製造大量合成材料。
「複合板岩」為由再循環橡膠及塑膠製成之仿造板岩替代品。雖然該等產品在外觀及一些性質上類似於板岩(主要在於該等產品係防水及防元素的)，但該等產品缺乏板岩之硬度，該等產品之防火程度不如板岩，且該等產品具有明顯不同之「手感」。該等產品在近距離看起來不同。最終，雖然該等產品可含有再循環材料，但該等產品係基於源自石油化學產品之材料。
層壓瀝青片具有使其與天然板岩相比相當不理想的人造外觀。其他人造板岩仿製品由合成樹脂黏結劑製備。該 等方法受眾多缺陷影響，包括不良再現性、低產率、退化、高加工成本、不盡人意的機械性質等。
花崗岩為主要包含石英、雲母及長石之火成岩。花崗岩在細粒基質內通常具有粗粒。眾所周知，花崗岩自然存在各種顏色。
自古到今，人類已知且使用花崗岩。花崗岩之獨特美觀及物理品質使其在建築物及建構以及在裝飾藝術及雕塑中為理想材料。努力研究人造花崗岩類材料以低成本、易生產之仿製品取代昂貴且稀有之材料。然而，該等努力尚未生產合成材料，該合成材料具有花崗岩之所需外觀、紋理、密度、硬度、孔隙率及其他美觀特徵，同時可以低成本及最小環境影響製造大量合成材料。
大部分人造花崗岩仿製品藉由將天然石材粉末及礦物與合成樹脂(例如，丙烯酸、不飽和聚酯、環氧樹脂)摻合來製備。該等方法受眾多缺陷影響，包括不良再現性、低產率、退化、高加工成本、不盡人意的機械性質等。
自古到今，人類已知且使用大理石。大理石之獨特美觀及物理品質使其在建築物及建構以及在裝飾藝術及雕塑中為理想材料。努力研究人造大理石類材料以低成本、易生產之仿製品取代昂貴且稀有之材料。然而，該等努力尚未生產出合成材料，該合成材料具有大理石之所需外觀、紋理、密度、硬度、孔隙率及其他美學特徵，同時可在環境影響最小的情況下以低成本製造大量該合成材料。
大部分人造大理石仿製品係藉由將天然石材粉末及 礦物與合成樹脂(例如，丙烯酸、不飽和聚酯、環氧樹脂)摻合而製備。該等方法受眾多缺陷影響，包括不良再現性、低產率、退化、高加工成本、不盡人意的機械性質等。
習知混凝土固化腔室
傳統混凝土固化腔室用於各種預鑄混凝土工業。固化腔室為完全或部分封閉之容積，其中可形成受控環境。封閉容積可由剛性結構(諸如，房間)之實心壁界定或由撓性障壁(諸如，以帳篷形式之防水布)界定。在形成混凝土樣本後，將該樣本放置於具有足夠濕氣含量及足夠高之溫度的受控環境中，以確保在合理時間內達到充分固化，通常以天為單位量測。固化對混凝土產物之品質極其重要，且對性質(諸如，耐久性、強度及耐磨性)具有巨大影響。適當固化亦幫助減輕隨時間發生之次級反應，該等反應可導致成品之缺陷及不需要之顏色改變。
混凝土固化幫助波特蘭水泥混凝土被稱為水合作用之化學反應。腔室意欲保持受控環境受調節且保持產物內之適當水分達固化製程之持續時間。任何可觀水分損失將顯著延遲或防止水合作用，且因此降低產物之性質。此外，溫度在固化製程期間起重要作用，係因為低於10℃或高於70℃之溫度非常不利於固化，而60℃之溫度係最佳的。
生產預鑄混凝土之一些公司試圖使用由防水布覆蓋之大房間或區域簡化固化製程，該等大房間或區域容納產物以試圖保持溫度及濕度。該等系統可充當保持由作為放熱反應結果之樣品產生之熱量或保持熱量或濕度的手段，該放熱 反應在水合反應期間發生，該熱量或濕度可由外部加熱器或噴水系統提供。然而，固化預鑄混凝土之最高效且有效之方法依賴永久、密封且可控之固化環境。
在範圍廣泛之產品(包括但不限於鋪路石材、混凝土砌築單元(concrete masonry unit；CMU)、擋土牆及屋面瓦)之生產中，存在許多專門從事設計、製造及安裝用於預鑄行業之波特蘭水泥混凝土固化腔室的公司。該等固化系統最通常由鋼(通常為鍍鋅鋼)構成且經絕緣以防止熱損失並保持能量效率。一些系統係高度自動化的且包括係自動轉移系統之「子母機」，該等自動轉移系統將由成型器形成之預鑄產物送入固化腔室機架中。商業固化系統的範圍可自標準裝運貨櫃之大小(約40呎×10呎×8呎)直至可為200呎×100呎×50呎大之高容積生產系統。若產品一致，腔室可經配置為一個「大房間」系統，但對於具有許多產品線之製造商，通常使用允許對可歸屬於不同產品線之每一各別隔間的單獨溫度及濕度輪廓控制之「多線」系統。
第1圖為包括主要組件之傳統(先前技術)混凝土固化腔室之示意圖，該等組件為循環系統、熱交換器及增濕系統。系統可含有用於氣體循環之一或多個鼓風機，該一或多個鼓風機提供足夠高的跨過產品之氣體速度以允許根據需要分佈溫度及濕度。熱交換器可使用直接燃氣燃燒器、間接燃氣燃燒器或電熱器。增濕系統通常包括霧化噴嘴或加熱蒸氣發生器以向系統提供水蒸氣。溫度及濕度兩者由感測器監視，該等感測器將信號發送回電腦或可程式化邏輯控制器， 該控制器用於控制固化參數。許多系統允許完成對於諸如第2圖中所示之溫度及濕度增加步驟、暫停步驟及冷卻步驟之有序自動化。第2圖為圖示傳統(先前技術)混凝土固化輪廓的曲線圖，圖示溫度為時間之函數。
使用二氧化碳之處理系統
對使用二氧化碳作為反應物之系統的描述為：
克拉夫特能量，克拉夫特能量在大量文件(諸如，克拉夫特能量混凝土固化系統(Kraft Energy Concrete Curing Systems))中描述該等系統之用途。克拉夫特能量在第195頁中闡明(混凝土之)碳化為「【a】製程，藉由該製程，二氧化碳自空氣穿透混凝土且與氫氧化物(諸如，氫氧化鈣)反應以形成碳酸鹽。在與氫氧化鈣之反應中，形成碳酸鈣。」在第37頁處，克拉夫特能量展示經碳化之鋪路石之圖式。圖像下之說明闡明「在蒸氣固化7N/mm2之固體砌塊24小時後發現的典型碳化。(酚酞指示)」。影像展示在表面上具有灰色區域及紫色中心區域的矩形砌塊。已知酚酞係化學式為C20H14O4之化合物。酚酞在酸性溶液中變成無色且在鹼性溶液中變成粉紅色。若指示劑之濃度特別高，則酚酞可呈現出紫色。自圖像可看出碳化僅繼續至淺深度，且不在砌塊之中心部分發生。
先前技術中亦已知Murray於1978年9月26日發佈之美國專利第4,117,060號，據說該案揭示提供用於製造混凝土產品或類似建構之方法及裝置，其中將鈣質膠結性的黏結劑物質(諸如，水泥)、聚集體、乙烯醋酸丁酯馬來酸共聚 物及足以進行相對乾燥混合之大量水的混合物在模具中壓縮成所需配置，且其中在進行壓縮發生之前，將混合物曝露至模具中之二氧化碳氣體，以使得二氧化碳氣體與成分反應以提供在加速固化狀態下具有良好物理性質之硬化產品。
先前技術中亦已知Malinowski於1982年12月7日發佈之美國專利第4,362,679號，據說該案揭示一種無需使用固化腔室或高壓釜澆鑄不同類型之混凝土的方法，其中澆鑄混合後之混凝土且在外部及/或在內部使該混凝土經受真空處理以使混凝土脫水及壓實。接著，將二氧化碳氣體供應至砌塊，同時以使由於次壓所致的氣體擴散至形成於混凝土砌塊中之毛細管的方式保持次壓或欠壓，以快速硬化砌塊。在一個實施例中(參看第2圖)，其中砌塊(I)藉由放置於砌塊(I)上及經由管道或線路(5)曝露至次壓之基墊或平板(2)脫水及壓實，經由該基墊或平板(2)供應二氧化碳氣體，同時使用砌塊中佔主導之欠壓。在另一實施例中(參看第3圖)，藉由特定嵌件、藉由元件內部之孔或空腔或經由模具之內部部分中的多孔材料層(Ib)，將次壓(經由線路5)自模具之一或多個側(2b)施加至正經澆鑄之元件之內部。接著，(經由線路6)相應地供應二氧化碳氣體。該等兩個主要實施例可在某些情況下以不同方式組合。進一步地，混凝土可同時或隨後經受另一類型之處理，諸如，由適當溶液浸漬。
先前技術中亦已知Getson於1989年9月5日發佈之美國專利第4,862,827號，據說該案在第3列第26行至第32行中揭示「參看第1圖，圖示進氣口33及排氣口37，以 及在進氣口33之空氣路徑下游之腔室35。該腔室可用於引入二氧化碳用於催化及固化某些組成物及/或該腔室可用於引入30額外水分以進一步加速固化濕固化系統」。
先前技術中亦已知Charlebois於1998年9月1日發佈之美國專利第5,800,752號，據說該案揭示聚合物複合產品，包括由聚合物混凝土、加強聚合物混凝土及加強塑膠製成之產品，諸如大砌塊：模製化合物系統、片模製化合物系統、礦物模製化合物系統及高級模製化合物系統藉由同時向填料與聚合黏結劑之混合物施加振動、熱量及壓力而生產。同時施加振動、熱量及壓力提供聚合黏結劑之保護層，該保護層保護模具之表面且提供實質上不含捲曲、破裂或空隙之產品。本發明之製程實質上減少固化聚合物複合產品所需之時間。
先前技術中亦已知Soroushian等人於1999年8月10日發佈之美國專利第5,935,317號，據說該案揭示：在加速(蒸汽或高壓蒸汽)固化水泥及混凝土產品之前，使用CO2預固化週期，以便：(1)製備在加速固化環境中耐受高溫及蒸氣壓力而無微裂紋及損壞的產品；及(2)在不實質改變習知加速固化工序的情況下將碳化反應在尺寸穩定性、化學穩定性、增加之強度及硬度及改良之耐磨性方面的優點併入水泥及混凝土產品中。視產品之含水量而定，本發明可藉由首先乾燥產品(例如，在略微高溫下)及接著將產品曝露至富二氧化碳環境來完成CO2預固化。水泥漿在二氧化碳存在下之劇烈反應在相對短時間週期中為產品提供增加之強度、完 整性與化學及尺寸穩定性。即使在減少之時間週期(在能量及成本消耗較少的情況下)，隨後之加速固化將產生比可由加速固化水泥及混凝土產品之前的習知預設週期所達成之效能特徵高的效能特徵。
先前技術中亦已知Ramme等人於2008年6月24日發佈之美國專利第7,390,444號，據說該案揭示：揭示一種用於固存來自自燃燒室發出之煙道氣之二氧化碳。在該製程中，形成包括發泡劑及煙道氣之泡體，且將泡體添加至包括膠結性材料(例如，飛灰)及水之混合物以形成發泡混合物。此後，允許發泡混合物較佳地設置為受控低強度材料，該材料具有1200 psi或更小之抗壓強度。煙道氣及廢熱中之二氧化碳與受控低強度材料中之水合產物反應以增加強度。在此製程中，固存二氧化碳。CLSM可經壓碎或粒化以形成具有類似於天然形成之礦物、浮石性質之輕型聚集體。
先前技術中亦已知2012年6月21日公開之CARBONCURE TECHNOLOGIES INC的國際專利申請公開案WO 2012/079173 A1號，據說該案揭示：包括砌塊、實質平坦之產品(諸如，鋪設材料)及中空產品(諸如，中空管)之混凝土製品形成於模具中，而二氧化碳經由穿孔注入模具之混凝土中。
描述二氧化碳與混凝土之反應之所有以上文件處理具有波特蘭水泥作為黏結劑之混凝土。波特蘭水泥在無CO2情況下經由水合反應固化。
此外，現有方法通常涉及大能量消耗及具有不良碳 足跡之二氧化碳排放。
存在對用於製造新型複合材料之裝置及方法的持續需要，該等材料顯示出有用之美學特徵及物理特徵，且可以低成本在改良能量消耗及理想碳足跡的情況下大量生產該等材料。
本發明部分地基於對新型複合材料(諸如混凝土及石類材料)之意外發現，該等材料可藉由適用於大規模生產之製程易於由廣泛使用的呈顆粒形式之低成本前驅體材料生產。前驅體材料包括包含微粒矽酸鈣(例如，研磨之矽灰石)之接合元素及包括礦物(例如，石英及其他含SiO2之材料，即花崗岩、雲母及長石)之微粒填充材料。流體組分亦提供為反應介質(包含液態水及/或水蒸氣)及反應物(二氧化碳(CO2))。添加材料可包括天然材料或回收材料，及富碳酸鈣材料及富碳酸鎂材料，以及流體組分之添加劑，諸如，水溶性分散劑。
各種添加劑可用於微調所得複合材料(諸如，有色材料(諸如有色玻璃)之顆粒、有色砂粒及有色石英顆粒及顏料(例如，黑色氧化鐵、氧化鈷及氧化鉻))之實體外觀及機械性質。可使用術語「著色劑」大體上指代有色材料及顏料中之一者或兩者。為模擬板岩類外觀，微粒填充材料可包括粗顆粒及細顆粒。粗顆粒主要為矽酸鹽基材料以提供硬度，且細顆粒可為各種材料，包括砂粒、選自礦物及添加劑材料之經研磨、壓碎或以其他方式粉碎的物質。
該等複合材料可顯示出視覺美感圖型，以及顯示類似於相應天然材料之抗壓強度、撓曲強度及吸水性。可使用高效氣體輔助熱液液相燒結(hydrothermal liquid phase sintering；HLPS)製程以低成本並在較大改良能量消耗及碳足跡之情況下生產本發明之複合材料。事實上，在本發明之較佳實施例中，將CO2作為反應性物種消耗，從而導致CO2之淨固存。
根據一個態樣，本發明以用於固化要求CO2作為固化試劑之材料之固化系統為特徵。材料在無CO2的存在下不進行固化。材料不將水作為試劑消耗。固化系統包含固化腔室，該固化腔室經配置以含有將CO2作為反應物(或試劑)消耗且在無CO2存在下不進行固化的材料。固化腔室具有至少一個埠，該至少一個埠經配置以允許材料引入固化腔室且自固化腔室移除；及固化腔室具有用於埠之至少一個閉合件，該閉合件經配置以在關閉時提供大氣密封，以防止固化腔室外之氣體污染存在於固化腔室中之氣體；二氧化碳源，該二氧化碳源經配置以經由固化腔室中之氣體入口埠將氣態二氧化碳提供至固化腔室，該二氧化碳源具有至少一個流量控制器或壓力調節器，該流量控制器或壓力調節器經配置以控制氣態二氧化碳進入固化腔室之流速；氣流子系統，該氣流子系統經配置以在固化將CO2作為反應物消耗之材料的時間段期間使氣體循環穿過固化腔室；溫度控制子系統，該溫度控制子系統經配置以控制腔室內之氣體的溫度；濕度控制子系統，該濕度控制子系統經配置以控制腔室內之氣體的濕 度，以提高或降低濕度；及至少一個控制器，該至少一個控制器與二氧化碳源、氣流子系統、溫度控制子系統及濕度控制子系統中之至少一者連通；且至少一個控制器經配置以在固化將CO2作為反應物消耗之材料的時期期間單獨控制氣態二氧化碳之流速、氣體穿過固化腔室之循環、氣體溫度及氣體濕度中之至少各別一者。
在一個實施例中，固化腔室經配置以含有在固化腔室中高於大氣壓力之氣體壓力。
在另一實施例中，二氧化碳源包括壓力調節器及流量控制器，該流量控制器經配置為以一速率供應二氧化碳氣體，該速率實質上等於由在固化期間將CO2作為試劑消耗之材料對二氧化碳之消耗率。
在又一實施例中，二氧化碳源包括流量控制器，該流量控制器經配置以在15分鐘或更少之時間段中以足以自固化腔室清除環境空氣之速率供應二氧化碳氣體。
在又另一實施例中，二氧化碳源包括壓力調節器及流量控制器，該流量控制器經配置以一速率供應二氧化碳氣體，該速率實質上等於自固化腔室排出氣體之速率。
在進一步實施例中，氣流子系統包括量測裝置，該量測裝置經配置以量測存在於固化腔室中之氣體中之二氧化碳的量。
在一個實施例中，氣流子系統包括量測裝置，該量測裝置經配置以量測存在於固化腔室中之氣體之氣體速度。
在一個實施例中，經配置以量測氣體速度之量測裝 置為皮託管。
在一個實施例中，經配置以量測氣體速度之量測裝置為雷射都蔔勒偵測系統。
在一個實施例中，氣流子系統包括變速鼓風機，該變速鼓風機經配置以在固化腔室中以所需速度循環氣體。
在又進一步實施例中，溫度控制子系統包括溫度感測器，該溫度感測器經配置以量測固化腔室中之氣體的溫度。
在額外實施例中，溫度控制子系統包括熱交換器以調節固化腔室中之氣體的溫度。
在再一個實施例中，溫度控制子系統包括熱交換器以控制經由固化腔室中之氣體入口埠提供至固化腔室之氣態二氧化碳的溫度。
在又進一步實施例中，溫度控制子系統包括加熱器，該加熱器位於固化腔室之外表面上或構建至腔室壁中。
在一個實施例中，濕度控制子系統包括量測裝置，該量測裝置經配置以決定腔室內之氣體之相對濕度。
在另一實施例中，濕度控制子系統包括冷凝器及單向冷凝物排水管，該單向冷凝物排水管經配置以降低腔室內之氣體的濕度。
在又一實施例中，濕度控制子系統包括排氣閥，該排氣閥經配置以降低腔室內之氣體的濕度。
在又另一實施例中，濕度控制子系統包括供水器，該供水器經配置以增加腔室內之氣體的濕度。
在進一步實施例中，至少一個控制器為可程式化邏 輯控制器。
在又進一步實施例中，至少一個控制器為通用可程式化電腦，該電腦在機器可讀媒體上記錄之一組指令控制下操作。
在額外實施例中，至少一個控制器包括顯示器，該顯示器經配置以向使用者顯示固化循環之持續時間、氣態二氧化碳之流速、固化腔室中之二氧化碳的濃度、固化腔室中之氣體壓力、氣體穿過固化腔室之循環率、氣體溫度及氣體濕度中之任一者。
在再一個實施例中，至少一個控制器經配置以記錄固化循環之持續時間、氣態二氧化碳之流速、固化腔室中之二氧化碳的濃度、固化腔室中之氣體壓力、氣體穿過固化腔室之循環率、氣體溫度及氣體濕度中之任一者。
在又進一步實施例中，至少一個控制器包括觸控螢幕顯示器。
1610‧‧‧CO2入口
1710‧‧‧偶極子極化水分體積探針
1720‧‧‧CO2比例控制閥
1730‧‧‧樣品冷卻器
1740‧‧‧CO2非分散紅外線(NDIR)分析器
1910‧‧‧偶極子極化氣體取樣器
1920‧‧‧冷凝旋管
1930‧‧‧幹球濕球濕度量測器件
1940‧‧‧孔口
1950‧‧‧入口
第1圖為傳統(先前技術)混凝土固化腔室之示意圖。
第2圖為圖示傳統(先前技術)混凝土固化輪廓的曲線圖，圖示溫度為時間之函數。
第3(a)圖至第3(c)圖為根據本發明之示例性實施例之接合元素之橫截面示意圖，該等接合元素包括三個示例性核心形態：(a)纖維狀、(b)橢圓形及(c)等軸狀。
第4(a)圖至第4(f)圖為根據本發明之示例性實施例 之複合材料的側視圖及橫截面視圖之示意圖，圖示：(a)稀釋接合基質中之1D定向纖維狀接合元素(不觸碰接合元素)；(b)稀釋接合基質中之2D定向薄片狀接合元素(不觸碰接合元素)；(c)稀釋接合基質中之3D定向薄片狀接合元素(不觸碰接合元素)；及(d)稀釋接合基質中之隨機定向薄片狀接合元素(不觸碰接合元素)，其中複合材料包括接合基質及填充組分，諸如，聚合物、金屬、無機顆粒、聚集體等；(e)接合元素之濃縮接合基質(具有足以建立滲透網路之體積分率)，其中基質經3D定向；及(f)隨機定向的接合元素之濃縮接合基質(具有足以建立滲透網路之體積分率)，其中可包括填充組分諸如，聚合物、金屬、無機顆粒、聚集體等。
第5圖為根據本發明之原理建構且操作之CO2混凝土固化腔室之示意圖。
第6圖為根據本發明之原理提供增濕作用之CO2混凝土固化腔室之示意圖。
第7圖為根據本發明之原理藉由清除濕氣提供除濕作用之CO2固化腔室之示意圖。
第8圖為根據本發明之原理使用冷卻熱交換器提供除濕作用之CO2固化腔室之示意圖。
第9圖為根據本發明之原理之具有CO2清除線路及恒流CO2補給線路的固化腔室的示意圖。
第10圖為根據本發明之原理之具有CO2清除線且可提供經調節壓力CO2補給的固化腔室的示意圖。
第11圖為根據本發明之原理之中型固化腔室的示意圖，該固化腔室具有多個濕度控制方法以及能夠使用恒流或壓力調節控制並補給CO2且該固化腔室可控制濕度。
第12圖為由55加侖不銹鋼圓桶建構之許多鼓式反應器的影像。
第13圖為包括機架之圓桶之內部的影像，該機架支撐待在機架中處理之材料之托板。
第14圖為由加熱護套圍繞之鼓式反應器外部的影像且圖示許多熱電偶連接器及氣體入口埠。
第15圖為鼓式反應器之控制面板的影像，圖示控制(自左至右)浸沒加熱器、護套加熱器、線內氣體加熱器及風扇之四個控制器，其中讀出三個加熱器之溫度。
第16圖為根據本發明之原理之由CDS公司構建之經翻新用於低壓CO2固化之市售混凝土固化腔室的影像。
第17圖為第16圖之腔室之內部之一部分的影像，圖示對先前技術波特蘭水泥固化系統進行之進一步修改。
第18圖為CO2 NDIR分析器1740之另一視圖。
第19圖為圖示已添加之額外組件之固化腔室內之視圖。
第20圖為根據本發明之原理之連接至控制固化腔室之可程式化邏輯控制器的顯示器的螢幕截圖。
第21圖為針對實例5之相應溫度及濕度剖面圖。
第22圖為針對實例6之相應溫度及濕度剖面圖。
本發明之本質為形成受控氣氛之固化系統，藉此，監視且控制溫度、壓力、CO2濃度、相對濕度及氣體速度以形成基於混凝土之最終產品，該等產品在CO2存在下將主要固化且在無CO2情況下將不充分固化。
藉由熱液液相燒結製成之複合材料
本發明提供用於製造新型複合材料之裝置及方法，該等複合材料主要由CO2消耗反應固化、顯示出有用性質且可易於藉由適用於具有最小環境影響之大規模生產之製程由廣泛使用的低成本前驅體材料生產。前驅體材料包括便宜且豐富之矽酸鈣及富碳酸鈣材料，例如，研磨之矽灰石、研磨石灰岩、粗顆粒及細顆粒。粗顆粒及細顆粒主要為SiO2基材料以提供硬度。粗顆粒及細顆粒可包括礦物(例如，石英及其他含SiO2材料，即花崗岩、雲母及長石)。其他關鍵製程組分包括水及CO2。各種添加劑可用於修改及微調所得複合材料之實體外觀及/或機械性質，諸如，使用顏料(例如，黑色氧化鐵、氧化鈷及氧化鉻)及有色玻璃及/或有色石英。
該等複合材料顯示各種圖型、紋理及其他特徵，諸如，各種顏色之視覺圖型。另外，本發明之複合材料顯示出類似於習知混凝土或相應天然材料之抗壓強度、撓曲強度及吸水性質。此外，如本文中所揭示，複合材料可使用高能效之HLPS製程生產且可以低成本並在具有有利環境影響之情況下製造。例如，在本發明之較佳實施例中，將CO2用作反應性物種，從而導致CO2在生產之複合材料之固存，以及導致任何現有生產技術無法匹敵之碳足跡。HLPS製程由一或多 個化學反應之自由能及由晶體生長導致之表面能量(面積)減小而熱力驅動。HLPS製程之動力在低溫下以合理速率進行，因為使用溶液(水溶液或非水溶液)而非使用高熔化點流體或高溫固態介質來傳送反應性物種，可在以下各者中找到對HLPS之各種態樣之論述：美國專利第8,114,367號、美國公開案第US2009/0143211號(申請號12/271,566)、美國公開案第US2011/0104469號(申請號12/984,299)、美國公開案第20090142578號(申請號12/271,513)、WO2009/102360(PCT/US2008/083606)、WO2011/053598(PCT/US2010/054146)、WO2011/090967(PCT/US2011/021623)、2012年3月2日申請之美國申請案第13/411,218號(Riman等人)、2012年6月7日申請之美國申請案第13/491,098號(Riman等人)、2012年10月1日申請之美國臨時專利申請案第61/708,423號及均於2012年10月4日申請之美國臨時專利申請案第61/709,435號、第61/709,453號、第61/709,461號及第61/709,476號，該等案中之每一者全文出於所有目的以引用之方式明確併入本文中。
在某些實施例中，複合物進一步包括顏料。顏料可均勻分散或實質上不均勻分散於接合基質中，視所需複合材料而定。顏料可為任何適當顏料，包括(例如)各種金屬之氧化物(例如，氧化鐵、氧化鈷、氧化鉻)。顏料可為例如選自黑色、白色、藍色、灰色、粉紅色、綠色、紅色、黃色及褐色中的任何一或多種顏色。視所需複合材料而定，顏料 可以任何適當數量存在，例如以範圍如下的量存在：按重量計自約0.0%至約10%(例如，約0.0%至約8%、約0.0%至約6%、約0.0%至約5%、約0.0%至約4%、約0.0%至約3%、約0.0%至約2%、約0.0%至約1%、約0.0%至約0.5%、約0.0%至約0.3%、約0.0%至約0.2%、約0.0%至約0.1%)。
視所需複合材料而定，複數個接合元素可具有任何適當中等粒度及大小分佈。在某些實施例中，複數個接合元素具有在以下範圍之中等粒度：約5μm至約100μm(例如，約5μm至約80μm、約5μm至約60μm、約5μm至約50μm、約5μm至約40μm、約5μm至約30μm、約5μm至約20μm、約5μm至約10μm、約10μm至約80μm、約10μm至約70μm、約10μm至約60μm、約10μm至約50μm、約10μm至約40μm、約10μm至約30μm、約10μm至約20μm)。
複數個填充顆粒可具有任何適當中等粒度及大小分佈。在某些實施例中，複數個填充顆粒具有在以下範圍之中等粒度：約5μm至約7mm(例如，約5μm至約5mm、約5μm至約4mm、約5μm至約3mm、約5μm至約2mm、約5μm至約1mm、約5μm至約500μm、約5μm至約300μm、約20μm至約5mm、約20μm至約4mm、約20μm至約3mm、約20μm至約2mm、約20μm至約1mm、約20μm至約500μm、約20μm至約300μm、約100μm至約5mm、約100μm至約4mm、約100μm至約3mm、約100μm至約2mm、約100μm至約1mm)。
在某些較佳實施例中，填充顆粒由富碳酸鈣材料(諸 如，石灰石(例如，研磨之石灰岩))製成。在某些材料中，填充顆粒由SiO2基或矽酸鹽基材料(諸如，石英、雲母、花崗岩及長石)中之一或多者(例如，研磨之石英、研磨之雲母、研磨之花崗岩、研磨之長石)製成。
在某些實施例中，填充顆粒可包括天然材料、合成材料及再循環材料，諸如，玻璃、再循環玻璃、煤渣、富碳酸鈣材料及富碳酸鎂材料。
複數個接合元素可由任何適當前驅體材料(例如，由除矽灰石之外的前驅體矽酸鈣)化學轉換。前驅體矽酸鈣可包括鋁、鎂及鐵中之一或多個化學元素。
如本文中所使用，術語「矽酸鈣」係指天然形成礦物或合成材料，該等材料由含鈣矽化合物之群組中之一或多者組成，該等化合物包括CaSiO3(亦稱為「矽灰石」或「偽矽灰石」且有時表示為CaO．SiO2)、Ca3Si2O7(亦稱為「矽鈣石」且有時表示為3CaO．2SiO2)、Ca2SiO4(亦稱為「矽酸二鈣」且有時表示為2CaO．SiO2)、Ca3SiO5(亦稱為「矽酸三鈣」且有時表示為3CaO．SiO2)(以上材料可包括一或多個其他金屬離子及氧化物(例如，氧化鋁、氧化鎂、氧化鐵或氧化錳))或以上各者之摻合物，或該等天然形成礦物或合成材料可包括按重量計範圍自微量(1%)至約50%或更高之呈一或多種天然形成形式或合成形式之一定量矽酸鎂。
應注意，可採用本文中揭示之組成物及方法以使用矽酸鎂代替矽酸鈣或除矽酸鈣以外使用矽酸鎂。如本文中所使用，術語「矽酸鎂」係指天然形成礦物或合成材料，該等 天然形成礦物或合成材料由含鎂矽化合物之群組中之一或多者組成，例如，Mg2SiO4(亦稱為「鎂橄欖石」)及Mg3Si4O10(OH)2)(亦稱為「滑石」)(以上材料可包括一或多個其他金屬離子及氧化物(例如，氧化鈣、氧化鋁、氧化鐵或氧化錳))或以上各者之摻合物，或該等天然形成礦物或合成材料可包括按重量計範圍為自微量(1%)至約50%或更高之呈一或多種天然形成形式或合成形式之一定量矽酸鈣。
如本文中所使用，術語「石英」係指任何SiO2基材料，包括常見砂粒(施工及砌體用砂粒)，以及玻璃及再循環玻璃。術語亦包括含有大量SiO2的任何其他再循環天然材料及合成材料(例如，有時表示為KAl2(AlSi3O10)之雲母)。
視所需複合材料而定，(接合元素)：(填充顆粒)之重量比可為任何適當比率，例如，範圍為約(15至50)：約(50至85)。
在某些較佳實施例中，複數個接合元素係藉由使經研磨之矽灰石(或非矽灰石前驅體矽酸鈣或矽酸鎂)經由氣體輔助HLPS製程與CO2反應而自經研磨之矽灰石化學轉化而製備。
在某些實施例中，複合材料以自約90MPa至約175MPa(例如，約90MPa至約150MPa、約90MPa至約140MPa、約90MPa至約130MPa、約90MPa至約120MPa、約90MPa至約110MPa、約100MPa至約175MPa、約120MPa至約175MPa、約130MPa至約175MPa、約140MPa至約175 MPa、約150MPa至約175MPa、約160MPa至約175MPa)之抗壓強度為特徵。
在某些實施例中，複合材料以自約5MPa至約30MPa(例如，約5MPa至約25MPa、約5MPa至約20MPa、約5MPa至約15MPa、約5MPa至約10MPa、約10MPa至約30MPa、約20MPa至約30MPa、約25MPa至約30MPa)之撓曲強度為特徵。
在某些實施例中，複合材料以小於約10%(例如，小於約8%、5%、4%、3%、2%、1%)之吸水率為特徵。
在某些實施例中，複合材料具有按重量計小於約10%之選自石英、雲母、長石、碳酸鈣及碳酸鎂之一或多個礦物。
複合材料可顯示任何所需紋理、圖型及物理性質，詳言之係天然石材之特徵的彼等紋理、圖型及物理性質。在某些較佳實施例中，複合材料顯示出類似於天然石材之可見圖型。其他特徵包括顏色(例如，黑色、白色、藍色、粉紅色、灰色(灰黑色)、綠色、紅色、黃色、褐色、青色(藍綠色)或紫色)及紋理。
在另一態樣中，本發明大體上係關於用於製備複合材料之製程。製程包括以下步驟：混合微粒組成物與液體組成物以形成漿料混合物；藉由將漿料澆鑄於模具中、在模具中壓制漿料、在振動模具中壓制漿料、擠壓漿料、滑動成形漿料或使用混凝土生產中常見之任何其他成形方法將漿料混合物形成為所需形狀；及在範圍為自約20℃至約150℃之溫 度下在包含水及CO2之蒸氣下固化所形成之漿料混合物約1小時至約80小時，以生產顯示出紋理及/或圖型之複合材料，該蒸氣具有範圍為自約環境大氣壓力至環境大氣壓力以上約50 psi之壓力及具有範圍為自約10%至約90%之CO2濃度。
微粒組成物包括具有範圍為自約1μm至約100μm之中等粒度之經研磨矽酸鈣及具有範圍為自約3μm至約7mm之中等粒度之經研磨碳酸鈣或含SiO2材料。液體組成物包括水及水溶性分散劑。
在某些實施例中，微粒組成物進一步包括第二研磨碳酸鈣，該第二研磨碳酸鈣具有實質上小於或大於第一研磨石灰岩之中等粒度。製程可進一步包括在固化澆鑄之混合物之前乾燥澆鑄之混合物的步驟。微粒組成物進一步包含顏料或著色劑，如本文中所論述。
在某些實施例中，固化所形成漿料混合物之步驟在範圍為約30℃至約120℃之溫度下在一蒸氣下執行約1小時至約70小時，該蒸氣包含水及CO2之且具有在自約環境大氣壓力至環境大氣壓力以上約30 psi之範圍中的壓力。
在某些實施例中，固化所成形漿料混合物之步驟在範圍為約60℃至約110℃之溫度下在一蒸氣下執行約1小時至約70小時，該蒸氣包含水及CO2且具有在自約環境大氣壓力至環境大氣壓力以上約30 psi之範圍中的壓力。
在某些實施例中，固化所形成漿料混合物之步驟在範圍為約80℃至約100℃之溫度下在一蒸氣下執行約1小時至約60小時，該蒸氣包含水及CO2且具有在自約環境大氣壓 力至在環境大氣壓力以上約30 psi之範圍中的壓力。
在某些實施例中，固化所形成漿料混合物之步驟在等於或小於約60℃之溫度下在一蒸氣下執行約1小時至約50小時，該蒸氣包含水及CO2且具有環境大氣壓力。
在某些實施例中，研磨矽酸鈣主要包括研磨矽灰石，第一研磨碳酸鈣主要包括第一研磨石灰岩，且第二研磨碳酸鈣主要包括第二研磨石灰岩。
例如，在一些實施例中，研磨矽灰石具有自約5μm至約50μm(例如，約5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、40μm、90μm)之中等粒度、自約0.6g/mL至約0.8g/mL(鬆散)及自約1.0g/mL至約1.2g/mL(拍緊)之體密度、自約1.5m2/g至約2.0m2/g之表面積。第一研磨含SiO2材料具有自約40μm至約90μm(例如，約40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、30μm、90μm)之中等粒度、自約0.7g/mL至約0.9g/mL(鬆散)及自約1.3g/mL至約1.6g/mL(拍緊)之體密度。
在某些較佳實施例中，液體組成物包括水及包含聚合物鹽(例如，丙烯酸均聚物鹽)之水溶性分散劑，該聚合物鹽具有自液體組成物之約0.1%w/w至約2%w/w之濃度。
在又一態樣中，本發明大體上係關於根據本文中揭示之製程製備的複合材料，例如，具有自約90MPa至約175MPa之抗壓強度及自約5.4MPa至約20.6MPa之撓曲強度之複合材料。
在又一態樣中，本發明大體上係關於由本文中揭示 之複合材料製成之製品。
可使用任何適當前驅體材料。例如，主要由矽灰石(CaSiO3)形成之矽酸鈣顆粒可與溶於水之二氧化碳反應。據信，鈣陽離子自矽灰石瀝濾且將矽灰石核心之周邊部分轉化成缺鈣矽灰石。隨著鈣陽離子繼續自核心之周邊部分瀝濾，周邊部分之結構最終變得不穩定且分解，從而將核心之缺鈣矽灰石周邊部分轉化成主要富二氧化矽之第一層。同時，主要為碳酸鈣之第二層自水析出。
更具體言之，第一層及第二層可由前驅體顆粒根據以下反應(1)形成：CaSiO3(s)+CO2(g)=CaCO3(s)+SiO2(s)△H=-87kJ/mol CO2 (1)例如，在諸如與矽灰石之矽酸鹽礦物碳化反應中，引入CO2作為氣相，CO2溶於諸如水之滲透流體中。溶解CO2形成酸性碳酸物種，該物種導致溶液中pH之降低。弱酸性溶液不協調地溶解來自CaSiO3的鈣物種。釋放之鈣陽離子及離解之碳酸鹽物種導致析出不溶碳酸鹽。富二氧化矽層被認為作為鈣貧化層保持在礦物顆粒上。
因此，根據本發明之較佳實施例，CO2較佳與矽灰石前驅體核心之鈣陽離子反應，從而將前驅體核心之周邊部分轉化成富二氧化矽之第一層及富碳酸鈣之第二層。又，第一層及第二層存在於核心上充當矽灰石與二氧化碳之間的進一步反應的障壁，從而產生具有核心、第一層及第二層之接 合元素。
在一些實施例中，具有不同於Ca或除Ca之外之金屬之矽酸鹽材料(例如，鎂橄欖石(Mg2SiO4)、透輝石(CaMgSi2O6)及滑石(Mg3Si4O10(OH)2))可以類似於矽灰石反應之方式與溶於水中之二氧化碳反應，如上所述。據信，根據本發明之原理，該等矽酸鹽材料可單獨、組合及/或與矽灰石組合用作接合元素之前驅體。
較佳地，氣體輔助HLPS製程使用部分滲透孔隙空間，以致能氣體擴散以快速滲透多孔預製件且用溶解之CO2使孔中之液體界面溶劑薄膜飽和。CO2基物種在純淨水中具有低溶解度(在25℃、1大氣壓力下為1.5g/L)。因此，大量CO2必須連續供應至多孔預製件且分佈在整個多孔預製件中，以致能顯著碳酸鹽轉換。相對於在液相中擴散可溶CO2等效時間之擴散長度，利用氣相擴散提供擴散長度之巨大(約100倍)增加。(「Handbook of chemistry and physics」，編輯：D.R.Lide，第6章及第8章，2006-2007第87版，CRC)。此部分滲透狀態使得反應能夠在固定時間段中進行至高碳化程度。
孔中之液態水加速反應速率，因為液態水對碳酸及鈣物種兩者之離子化係必要的。然而，水位準必須足夠低，以使得CO2氣體可在溶解於孔困縛水相之前擴散至多孔基質中。此外，主動溶解多孔預製件充當用於擴展性反應晶體生長之模板。因此，接合元素及基質可經形成具有最小畸變應力及殘留應力。此情況使得能夠產生大而複雜之形狀，諸如， 基礎設施及建築材料以及許多其他應用所需之彼等形狀。
因此，可想到固化條件之各種組合以實現所需生產製程，包括變化之反應溫度、反應壓力及反應長度。在第一示例性實施例中，溶解有CO2之水以液體形式傳送至前驅體材料，且固化製程在約90℃及約20 psig(亦即，環境壓力以上20 psi)下進行約48小時。在第二示例性實施例中，水存在於前驅體材料(例如，作為來自先前混合步驟之殘留水)，且水蒸氣連同CO2經提供至前驅體材料(例如，以保持水位準及/或防止水由於蒸發而損耗)，且固化製程在約60℃及0 psig(在環境大氣壓力下)下執行約19小時。在第三示例性實施例中，水連同CO2以蒸氣形式傳送至前驅體材料，且固化製程在約90℃及20 psig(環境大氣壓力以上20 psi)下執行約19小時。
在又一態樣中，本發明大體上係關於複合材料，該複合材料包括：複數個接合元素及複數個填充顆粒。每一接合元素包括：主要包含矽酸鎂之核心、富二氧化矽之第一層或內層及富碳酸鎂之第二層或外層。複數個接合元素及複數個填充顆粒一起形成一或多個接合基質，且接合元素及填充顆粒實質上均勻地分散於該等接合基質中且接合在一起，藉此，複合材料顯示出一或多個紋理、圖型及物理性質。
可採用本文中揭示之關於矽酸鈣之組成物及方法以使用矽酸鎂替代矽酸鈣或除矽酸鈣之外使用矽酸鎂。
B. 接合元素、接合基質及複合材料
B1. 接合元素
如第3(a)圖至第3(c)中示意性所示，接合元素包括核心(由黑色內部部分表示)、第一層(由白色中間部分表示)及第二或封裝層(由外部部分表示)。第一層可包括僅一個層或多個子層，且可完全或部分覆蓋核心。第一層可以晶相、非晶相或晶相與非晶相之混合存在，且可以連續相或作為離散顆粒存在。第二層可包括僅一個層或多個子層，且亦可完全或部分覆蓋第一層。第二層可包括複數個顆粒或可為具有最少離散顆粒之連續相。
視預期應用而定，接合元素可顯示出任何大小及任何規則或不規則實心或空心形態。示例性形態包括：立方體、長方體、棱柱、圓盤、角錐體、多面體或多面顆粒、圓柱體、球體、錐體、圓環、管狀體、新月體、針狀物、纖維、長絲、片狀體、球體、不完整球體(sub-spheres)、珠粒、葡萄狀體、粒狀體、橢圓體、條狀體、波紋體等。
大體而言，如本文中更詳細論述，接合元素係經由轉換製程由反應性前驅體材料生產。前驅體顆粒可具有任何大小及形狀，只要前驅體顆粒滿足預期應用需要。轉換製程大體上導致相應接合元素具有類似於前驅體顆粒之大小及形狀。
前驅體顆粒可選自任何適當材料，該材料可經受適當轉換以形成所需接合元素。例如，前驅體顆粒可包括以下各者之氧化物及非氧化物：矽、鈦、鋁、磷、釩、鎢、鉬、鎵、錳、鋯、鍺、銅、鈮、鈷、鉛、鐵、銦、砷、鉭及/或鹼土元素(鈹、鎂、鈣、鍶、鋇及鐳)。
示例性前驅體材料包括氧化物，諸如矽酸鹽、鈦酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、釩酸鹽、鎢酸鹽、鉬酸鹽、五倍子酸鹽、錳酸鹽、鋯酸鹽、鍺酸鹽、銅酸鹽、錫酸鹽、鉿酸鹽、鉻酸鹽、鈮酸鹽、鈷酸鹽、鉛酸鹽、鐵酸鹽、銦酸鹽、砷酸鹽、鉭酸鹽及以上各者之組合。在一些實施例中，前驅體顆粒包括矽酸鹽，諸如，正矽酸鹽、雙矽酸鹽、環矽酸鹽、鏈矽酸鹽、頁矽酸鹽、網矽酸鹽及/或水合矽酸鈣。
某些廢棄材料可用作用於一些應用之前驅體顆粒。廢棄材料可包括例如礦物、工業廢料或工業化學材料。一些示例性廢棄材料包括礦物矽酸鹽、鐵礦、方鎂石、石膏、氫氧化鐵(II)、飛灰、底灰、爐渣、玻璃、油皮(oil shell)、紅泥、廢電池、再循環混凝土、尾礦、紙灰或來自濃縮之逆滲透鹽水之鹽。
額外前驅體顆粒可包括不同類型之含岩石礦物，諸如，矽酸鈣岩、鮋地層(fitch formation)、希伯倫片麻岩(hebron gneiss)、分層片麻岩、中段、泥板岩、石英岩、中間前寒武紀沉積物、具有最小石灰岩床之深色長石質石英岩、高級變質沉積黑雲母片岩、黑雲母片麻岩、雲母片岩、石英岩、胡薩克(hoosac)地層、帕特裡奇(partridge)地層、華盛頓片麻石、泥盆紀、志留紀格林韋爾灣地層、奧科伊超群(ocoee supergroup)、變質砂岩、變質雜砂岩、郎吉利地層、閃岩、方解石及白雲石大理岩、曼哈頓地層、鏽灰色黑雲母-石英-長石片麻岩及沃特福群。
前驅體顆粒亦可包括火成岩(諸如，安山岩、斜長 岩、貝氏岩、玻紫安山岩、碳酸岩及紫蘇花崗岩)、沉積材料(諸如但不限於泥板岩、長石砂岩、角礫岩、碎裂岩、白堊岩、黏土岩、燧石、火石、粗砂岩(gritstone)、萊茵岩(lighine)、石灰岩、泥岩、砂岩、葉岩及沙泥岩)、變質材料(諸如但不限於閃岩、變閃長岩、片麻岩、粒變岩、綠岩、角葉岩、大理石、泥質岩、千枚岩、石英岩、片岩、矽卡岩、板岩、滑石碳酸鹽及皂石)及其他種類之岩石(諸如但不限於石英二長石、富閃深成岩、隱晶岩、霞榴正長岩、藍色花崗岩、綠簾岩、霏細岩、燧石、緻密矽岩、霓霞岩、硬玉岩、似碧玉岩、霓橄粗面岩、閃輝正煌岩、鹼性正長岩、霞雲鈉長岩、電氣花崗岩、紋長二長岩、雲煌岩、均密石英岩、地函岩、環斑花崗岩、菱長斑岩、等色岩、鐵燧岩、沸綠岩、霞斜岩及麻點玄武岩)。
表1提供用於第一層及第二層之不同類型之化學品之示例性實施例，該等層可使用不同前驅體材料獲得。對於第一層，藉由使用不同前驅體材料，可獲得二氧化矽、氧化鋁或二氧化鈦。第二層亦可由前驅體材料之選擇而修改。例如，第二層可包括各種類型之碳酸鹽，諸如，純淨碳酸鹽、多個陽離子碳酸鹽、具有水或OH基團之碳酸鹽、具有水或OH基團之分層碳酸鹽、含陰離子碳酸鹽、含矽酸鹽碳酸鹽及含碳酸鹽礦物。
第二層可藉由引入額外陰離子及/或陽離子修改。該等額外陰離子及陽離子可用於修改第二層以增加第二層之物理性質及化學性質，諸如，耐火性或耐酸性。舉例而言，如表2中所示，儘管第一層經保持作為富二氧化矽層，但第二層可藉由添加額外陰離子或陽離子(諸如PO4 2-及SO4 2-)至反應而修改。因此，第二層可包括(例如)不同磷酸鹽、硫酸鹽、氟化物或以上各者之組合。
B2. 接合基質及複合材料
接合基質包含複數個接合元素，從而形成三維網路。接合基質可為多孔或非多孔的。孔隙度視可用於控制孔隙率的大量變數而定，該等變數諸如，溫度、反應器設計、前驅體材料及在轉換製程期間引入之液體量。視預期應用而定，孔隙率可設置為幾乎自約1體積%至約99體積%之任何孔隙率程度。
接合基質可併入一或多個填充材料，該等填充材料在轉換製程之前或期間與前驅體材料混合，以形成複合材料。接合基質中之接合元素的濃度可改變。例如，接合元素 基於體積之濃度可相對高，其中接合元素中之至少一些元素彼此接觸。若填充材料併入接合基質中但填充材料之類型及/或填充材料之量使得接合元素之體積稀釋位準相對低時，可能出現該情況。在另一實例中，接合元素基於體積之濃度可相對低，其中接合元素更廣泛分散在接合基質內，以使得少數接合元素(若存在)彼此接觸。當填充材料併入接合基質中但填充材料之類型及/或填充材料之量如使得稀釋位準相對高時，可能出現該情況。
大體而言，填充材料可包括可併入接合基質中之多種類型之材料中之任一者。填充材料可為惰性的或活性的。雖然惰性材料可物理或機械地與接合基質相互作用，但惰性材料在轉換期間不經厲任何化學反應，且不充當成核位點。惰性材料可涉及聚合物、金屬、無機顆粒、聚集體等。特定實例可包括(但不限於)玄武岩、花崗岩、再循環PVC、橡膠、金屬顆粒、氧化鋁顆粒、氧化鋯顆粒、碳顆粒、毯式顆粒、KevlarTM顆粒及以上各者之組合。活性材料在轉換期間與接合基質化學反應、在轉換期間經受任何化學反應及/或充當成核位點。舉例而言，氫氧化鎂可用作填充材料，且可與來自接合基質之溶解鈣組分相化學反應以形成碳酸鎂鈣。
接合基質可佔用複合材料之幾乎任何百分數。因此，例如，接合基質可佔用約1體積%至約99體積%之複合材料(例如，接合基質之體積分率可小於或等於約90體積%、70體積%、50體積%、40體積%、30體積%、20體積%、10體積%)。接合基質之體積分率之較佳範圍為約8體積%至約 90體積%(例如，約8體積%至約80體積%、約8體積%至約70體積%、約8體積%至約50體積%、約8體積%至約40體積%)且更佳範圍為約8體積%至30體積%。
複合材料亦可為多孔或非多孔的。孔隙度視可用於控制孔隙率的大量變數而定，該等變數諸如，溫度、反應器設計、前驅體材料及在轉換製程期間引入之液體量且是否使用任何填料。視預期應用而定，孔隙率可設置為自約1體積%至約99體積%之幾乎任何孔隙度(例如，小於或等於約90體積%、70體積%、50體積%、40體積%、30體積%、20體積%、10體積%)。複合材料之孔隙率的較佳範圍為約1體積%至約70體積%，更較佳，針對高密度及耐久性在約1體積%至約10體積%之間，且針對輕重量且低熱導率在約50體積%與約70體積%之間。
在接合基質內，黏結元素可在眾多定向中之任一者上相對於彼此定位。第4(a)圖至第4(f)圖示意性圖示示例性接合基質，該接合基質包括在不同定向中之可能藉由併入填充材料稀釋(如由接合元素之間的間隔表示)的纖維狀或薄片狀接合元素。例如，第4(a)圖圖示接合基質，該接合基質包括在一個方向(「1-D」)定向中對準(例如，相對於x方向對準)的纖維狀接合元素。第4(b)圖圖示接合基質，該接合基質包括在二個方向(「2-D」)定向中對準(例如，相對於x方向及y方向對準)的薄片狀接合元素。第4(c)圖圖示接合基質，該接合基質包括在三個方向(「3-D」)定向中對準(例如，相對於x方向、y方向及z方向對準)的薄片狀接合元素。 第4(d)圖圖示接合基質，該接合基質包括隨機定向上之薄片狀接合元素，其中接合元素不相對於任何特定方向對準。第4(e)圖圖示接合基質，該接合基質包括在3-D定向上對準之相對高濃度之薄片狀接合元素。第4(f)圖圖示接合基質，該接合基質包括相對低濃度之薄片狀接合元素，該等元素位於隨機定向(滲透網路)上。第4(f)圖之複合材料達到滲透臨限，因為大部分接合元素彼此接觸以使得連續接觸網路自材料之一個末端至另一末端形成。滲透臨限為臨界濃度，超過該濃度，接合元素顯示與有序定向(例如，第4(e)圖)或隨機定向(例如，第4(f)圖)之長期連接性。可在例如Newnham等人之「Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites」(Mat.Res.Bull.，第13卷，第525頁至第536頁，1978)中找到連接性圖型之實例。
此外，一或多位準重複階層結構可以可促進緊密壓緊堆積之方式達成，提供該結構用於製造堅固材料，以及其他潛在有用之功能性目的。階層描述結構如何在許多長度尺度上形成圖型。不同類型之接合基質可藉由改變基質孔隙率及藉由併入不同大小之核心纖維形成。不同類型之微粒及纖維組分可與階層結構一起用於製造具有不同連接性之不同類型之結構。
C. 形成接合元素、接合基質及複合材料之製程
轉換(固化)製程藉由將前驅體材料曝露至反應液體進行。與液體相關聯之反應物與組成前驅體顆粒之化學成分反應，且更具體而言與前驅體顆粒之周邊部分中之化學反 應物反應。此反應最終導致形成第一層及第二層。
在一些實施例中，前驅體顆粒包括兩個或兩個以上化學元素。在轉換製程期間，液體中之反應物優先與化學元素中之至少第一者反應，其中液體中之反應物(例如，溶液中之CO2及相關物種)與至少一個第一化學元素(例如，Ca2+)之間的反應導致形成第一層及第二層，該第一層包含前驅體顆粒之衍生物，大體而言不包括至少一個第一化學元素，而該第二層包含反應物與至少一個第一化學元素之組合(例如，CaCO3)。相比之下，核心包含與前驅體顆粒相同或幾乎相同之化學組成物(例如，CaSiO3)。例如，核心之周邊部分可由於特定化學元素自核心選擇性瀝濾而與前驅體顆粒之化學組成物不同。
因此，核心及第二層共用前驅體顆粒之至少一個第一化學元素(例如，Ca2+)，且核心及第一層共用前驅體顆粒之化學元素中之至少另一者(例如，Si4+)。由核心及第二層共用之至少一個第一化學元素可為例如至少一個鹼土元素(鈹、鎂、鈣、鍶、鋇及鐳)。由核心及第一層共用之化學元素中之至少另一者可為例如矽、鈦、鋁、磷、釩、鎢、鉬、鎵、錳、鋯、鍺、銅、鈮、鈷、鉛、鐵、銦、砷及/或鉭。
在一些實施例中，液相中之反應物與前驅體顆粒之至少一個第一化學元素之間的反應可經執行完成，從而導致第一層變成接合元素之核心且具有不同於前驅體顆粒之化學組成物之化學組成物，且導致至少一個額外或第二殼層包含一組成物，該組成物可或可不包括前驅體顆粒之兩個或兩個 以上化學元素之至少一個第一化學元素。
C1. 氣體輔助熱液液相燒結
接合元素可例如藉由基於氣體輔助HLPS之方法形成。在此方法中，包括複數個前驅體顆粒之多孔實心主體曝露至液體(溶劑)，該液體使多孔實心主體之孔部分地飽和，意謂孔之體積部分地用水填充。
在某些系統(諸如，形成碳酸鹽之彼等系統)中，據信，用水完全填充孔係不合需要的，因為反應性氣體不能夠藉由氣體擴散自多孔實心主體之外表面擴散至所有內孔。相反，反應性氣體之反應物將溶解於液體中且以液相自外表面擴散至內孔，此舉慢得多。此液相擴散可適用於轉換薄多孔實心主體，但將不適用於較厚多孔實心主體。
在一些實施例中，含氣體之反應物經引入多孔實心主體之部分飽和孔中，且反應物由溶劑溶解。溶解之反應物接著與前驅體顆粒中之至少第一化學元素反應，以將前驅體顆粒之周邊部分轉換成第一層及第二層。作為反應之結果，溶解之反應物自溶劑耗盡。同時，將含氣體之反應物繼續引入部分飽和孔中，以將額外反應物供應至溶劑。
隨著反應物與前驅體顆粒之至少第一化學元素之間的反應進行，前驅體顆粒之周邊部分經轉換成第一層及第二層。第一層在核心之周邊處的存在最終藉由分離反應物與前驅體顆粒之至少第一化學元素阻礙進一步反應，從而使得反應有效停止，留下接合元素，該接合元素具有作為前驅體顆粒之未反應中心之核心、核心周邊處之第一層及第一層上之 第二層。
所得接合元素包括核心、第一層及第二層，且大體上尺寸大於前驅體顆粒，從而填充多孔實心主體之周圍多孔區域且可能與多孔實心主體中之相鄰材料接合。因此，可形成網狀構造之產物，該等產物具有與多孔實心主體實質上相同之大小及形狀，但具有比多孔實心主體高之密度。在產生比初始粉末壓塊密度更高之材料方面，此情況相對於由於質量傳輸導致收縮的傳統燒結製程具有優勢。
C2. 高壓釜中之HLPS
在HLPS方法之示例性實施例中，將包含複數個前驅體顆粒之多孔實心主體放置於高壓釜腔室中且加熱。藉由蒸發腔室中之水，將作為溶劑之水引入多孔實心主體之孔中。多孔實心主體上方之冷卻板冷凝蒸發水，該蒸發水接著滴落在多孔主體上且滴落至多孔實心主體之孔中，從而使多孔實心主體之孔部分飽和。然而，在該實例中引入水之方法為可傳送水之許多方式中之一者。例如，水亦可經加熱及噴射。
同時，將作為反應物之二氧化碳泵送至腔室中，且二氧化碳擴散至多孔主體之部分飽和孔中。一旦在孔中，則二氧化碳溶解於水中，從而允許前驅體顆粒與二氧化碳之間的反應，以將前驅體顆粒之周邊部分轉換成第一層及第二層。
隨著第二反應物與第一層之間的反應進行，第二反應物繼續與第一層反應，從而將第一層之周邊部分轉換成第二層。可藉由脫溶第一層中之組分形成第二層，且此第二層 可為梯度層，其中組成第二層之化學元素(陽離子)中之一者的濃度隨著自核心顆粒表面移動至第一層之末端而自高至低變化。亦可能的是，第二層亦可為梯度組成物，諸如在該等層為非晶的或由具有恆定或變化組成物之固體溶液組成時如此。
第二層在前驅體核心之周邊處的存在最終藉由分離第二反應物與第一層阻礙進一步反應，使反應有效停止，從而留下接合元素，該接合元素具有核心、核心周邊處之第一層及第一層上之第二層。所得接合元素大體上尺寸大於原始前驅體顆粒，從而填充多孔實心主體之周圍多孔區域且與多孔實心主體之相鄰材料接合。因此，方法允許產物之網狀構造，該等產物具有與原始多孔實心主體實質上相同之形狀但具有比原始多孔實心主體高之密度。在產生比初始粉末壓塊密度更高之材料方面，此情況相對於由於質量傳輸導致收縮的傳統燒結製程具有優勢。
C3. 滲透介質
用於傳送至多孔基質之至少一部分之滲透介質包括溶劑(例如，水)及反應性物種(例如，CO2)。溶劑可為含水的或無水的。溶劑可包括一或多個組分。例如，在一些實施例中，溶劑可為水及乙醇、乙醇及甲苯或各種離子液體之混合物，諸如，基於烷基取代咪唑及吡啶陽離子以及鹵化物或三鹵代鋁酸鹽陰離子之離子液體。潤濕系統優於非潤濕系統，以便簡化處理設備。
溶劑不應與多孔基質化學反應，雖然溶劑可與反應 性物種化學反應。溶劑可經由各種分離方法移除，諸如，整體流動、蒸發、昇華或用清洗媒體溶解或本領域一般技術者已知之任何其他適當分離方法。
更具體而言，溶劑在溶解之反應性物種與多孔基質反應之溫度下為液體。該溫度將視所選的特定溶劑及反應性物種變化。低溫優於較高之溫度以節能且簡化處理設備，從而降低製造成本。
溶劑之作用與涉及先前技術之反應性系統(諸如波特蘭水泥)相反，其中諸如水之溶劑與多孔基質反應以形成含有溶劑分子之產物(諸如，金屬水合物或金屬氫氧化物)以及其他沉澱產物。
無論純淨反應性物種之相如何，反應性物種溶解於溶劑中作為中性物種、陰離子物種或陽離子物種。例如，至少一個反應性物種可為CO2，CO2在室溫下為溶解於水中作為中性CO2但可產生反應性物種(諸如，H3O+、HCO3 -、H2CO3及CO3 2-)之氣體。無論反應性物種及溶劑在自然狀態下的初始相如何，滲透介質在多孔基質之孔(例如，間隙空間)中為液相。
例如，毛細力可用於自發地將滲透介質毛細作用成多孔基質。此類型之潤濕在滲透介質具有極低接觸角度(例如，<90℃)時發生。在此情況下，介質可部分地填充(部分地飽和)或完全填充(飽和)孔。滲透亦可以一些孔經填充而其他孔為空的及/或部分填充之方式發生。亦可能的是，在孔填充或飽和中具有梯度之經滲透多孔基質可在稍後經由 毛細流轉換成均勻基質。另外，在滲透介質之接觸角度較高(例如，>90°)時，潤濕不會自發地發生。在此類情況下，流體將不滲透多孔基質，除非施加外部壓力。此方法在需要藉由釋放壓力撤回滲透介質(例如，反應可由壓力開始或停止)時具有實用性。
當使用孔中之自發毛細流進行滲透時，整體流動在孔經填充(飽和)時終止。在HLPS期間，反應性物種與基質反應以藉由各種反應形成一或多個產物。至少一個反應性物種自孔空間內部耗盡，且因此在反應過程期間需要補充。當孔完全由滲透介質飽和時，反應性物種必須經由基質孔自多孔基質外之滲透介質傳送。在靜止液體中，擴散為進行傳送之製程。因此，對於孔內之反應相對於所有其他質量傳送製程為快速的一些HLPS方法，反應變成受限於多孔基質厚度之極大增加。在此情況下，僅基質之外部部分與反應性物種徹底反應，而多孔基質之內部區域較不完全反應或未反應。此類型之反應適用於製備梯度微結構，其中HLPS製程之產物的濃度在結構之外側部分(靠近外表面區域)上相對於結構內部較高。
C4. 製程選擇及控制
當高度放熱反應相對於滲透介質之傳送緩慢進行且基質隔熱時，截留之熱量可增加基質內部中的反應速率，以使得基質內部能夠含有比基質內部多之產物相(亦即，至少一個反應性物種與多孔基質之一部分之間的反應的產物)。對於反應相對於滲透介質之質量傳輸以中間速率等溫進行之 HLPS製程，擴散可繼續以向孔供應反應性物種，且將不會觀察到反應程度(或產物濃度)中之梯度。在此情況下，整塊結構或主體之材料的內部與外部的化學及/或相組成物之間存在少許差異。
在許多情況下，在整塊結構主體中需要關於相及組成物之均勻微結構。此外，亦需要在相對短的時間範圍內進行HLPS反應，例如，在需要用於諸如道路或橋樑之應用的大而厚的整塊主體的情況下。需要平衡HLPS製程之反應速率及質量傳輸。用於前驅體選擇及引入前驅體以包含滲透介質之方法的策略係重要的。前驅體及引入滲透介質之方法之較佳選擇至少部分地為最薄方向上之樣品厚度、經考慮對於製程可接受之時間尺度及商業上可行之製程所需之熱力學及動力學限制條件(諸如，溫度、壓力及組成物)的函數。
表3概述前驅體選擇及方法引入策略。多孔基質可直接滲透或多孔基質可在表3中所述之滲透順序中之任一者之前經排除。描述將氣體用作前驅體、液體用作前驅體或固體用作前驅體之方法。另外，相混合物(諸如，固體與液體、氣體與液體及氣體與固體)均可使用。例如，反應物(諸如，CO2)為處於純淨狀態之氣體，但經轉換成溶於水中之溶液物種。此情況可藉由至多孔基質中之氣體擴散及在觸碰到孔時的後續冷凝產生。此類之前驅體系統在需要具有碳酸鹽相之微結構時係重要的。添加前驅體(溶劑及反應性物種)之次序可影響材料之反應產率及微結構。
在一些實施例中，溶劑及反應性物種可經預混合以形成滲透介質，且接著以單一步驟引入基質中。在其他實施例中，使用多個滲透順序可能係較佳的。例如，可首先引入溶劑前驅體，接著滲透反應性物種，或反之亦然。
溶劑及反應性物種前驅體最初均不需要為相同相，因為滲透介質將為在基質之孔中發現的液體。例如，溶劑前驅物可為諸如水之蒸氣，該蒸氣在100℃或更高之溫度下於大氣壓力下為氣體，且該蒸氣可藉由將基質冷卻至低於100℃之溫度或藉由使用多孔基質(該多孔基質具有在克耳文孔徑範圍(小於100nm)內之孔徑)而利用表面能來冷凝為液體。 當孔較大時，溫度升高，以使得氣態物種不能以熱方式冷凝，由於此處未論述之其他原因需要少量滲透溶液，且可能需要使用潮解性化合物在孔中形成液體。該等化合物之實例包括硼酸、硝酸鐵及氫氧化鉀。在此情況下，蒸氣(諸如，水)可在孔中將潮解性固相轉換成液體，且產物相之晶體生長可在孔中進行。此舉在液體滲透及擴散限制由HLPS製成之產物的厚度時尤其有用。或者，氣體擴散可用於在大得多的距離傳送物種，以在基質之孔內形成HLPS所需的滲透介質。
可併入各種添加劑以改良HLPS製程及所得產物。添加劑可為處於純淨狀態之固體、液體或氣體，但在併入滲透介質之前可溶於溶劑相中或與多孔基質共處理(例如，預混合)。實例包括成核觸媒、成核抑製劑、溶劑調和劑(例如，硬水軟化劑)、潤濕劑、非潤濕劑、水泥或混凝土添加劑、用於建築材料之添加劑、晶體形態控制添加劑、晶體生長觸媒、減慢晶體生長之添加劑、pH緩衝劑、離子強度調節劑、分散劑、黏結劑、流變控製劑、反應速率觸媒、靜電分散劑、空間分散劑、電空間分散劑、聚電解質分散劑及Vold層分散劑、封端劑、偶聯劑及其他表面吸附物種、酸或鹼pH改質劑、產生氣體、液體或固體(例如，在加熱、加壓、減壓、與另一物種反應或曝露至此處未列示之任何處理變數時)之添加劑及生物或合成組分(例如，提供任何上述功能及/或充當溶劑、反應性物種或多孔基質)。
在一些實施方式中，可使用潮解性固體。潮解性固體可與多孔基質預混合。接著，溶劑與至少一個反應興物種 之預混合物可引入至潮解性固體多孔基質。預混合物中之溶劑及至少一個反應性物種可皆為氣相或皆為液相。在一些實施例中，溶劑可為液體，且至少一個反應性物種在預混合物中可為氣相，或反之亦然。
氣體水蒸氣流可經過多孔基質中之潮解性鹽，以在多孔基質中之間隙空間中產生液相滲透介質。例如，潮濕氣體水蒸氣流可充當用於CO2溶解及離子化之溶劑。已知大量鹽為潮解性的，且可經使用適合於由潮濕空氣在鹽表面上方之流動形成液體溶液。適當之鹽的選擇依賴於空氣之濕度位準。一些鹽可在極低相對濕度下作用。潮解性鹽之實例包括Mg(NO3)2、CaCl2及NaCl。
對於滲透介質之傳送，滲透介質可作為自發潤濕多孔基質之整體溶液傳送。存在用於傳送該溶液之許多選擇。首先，多孔基質可浸入液體中。其次，滲透溶液可噴射至多孔基質上。在靜止系統中，當滲透溶液之體積大於多孔基質之孔體積時，擴散藉由將反應性物種傳送至孔位點而擴展反應。
或者，流體可藉由各種方法流動(機械對流)穿過多孔基質。方法(諸如，加壓流動、乾燥、電滲流動、磁滲流動及溫度梯度動及化學梯度驅動流動)可用於使液態滲透介質流動穿過多孔主體。與依賴於擴散製程相反，此動態流動允許新鮮反應物靠近多孔基質。只要基質之孔徑分佈容許相當高的流體流動速率，此方法則係有益的，該方法比擴散製程更快地供應反應性物種，且在供應速率等於或超過產物 形成之反應速率時係最佳的。另外，滲透介質之流通對高度放熱反應特別有用。此舉對於整塊結構尤其有利，該等整塊結構為厚的且可在內部產生熱量，該熱量能夠產生能夠使整體結構破裂之內部壓力。
存在材料厚度超過此長度尺度的許多應用。在此等情況下，藉由本領域一般技術者已知之任何適當手段機械對流流體係較佳的。替代案為引入溶劑或反應性物種作為氣態物種。又，可採用超臨界條件以達成介於液體與氣體之間的傳送速率。氣體物種可藉由跨越多孔基質施加壓力梯度而機械對流。若氣體為反應性物種，則孔中填充之溶劑流體可流出孔，從而在孔上留下可吸收反應性物種氣體之溶劑膜。或者，在溶劑吸收流過之氣體的一部分時，部分填充之孔將允許氣體流動穿過孔。
系統可使用低溫及低壓以致能低成本製程。因此，將一部分溶劑保留在孔中以促進反應性物種之氣體擴散的製程優於利用靜止液體以供反應(其中大量產物是所需的)之彼等製程。存在許多裝置設計，該等設計可將反應物及溶劑物種有效傳送至孔。一些該等設計涉及習知反應器設備，諸如，壓濾機、噴射腔室、高壓釜及蒸汽機。
D. CO2固化腔室
本發明提供用於低成本、節能及低碳足跡固化混凝土之將二氧化碳用作反應物之裝置及方法。現描述工程設計原理及方法，該等工程設計原理及方法提供與傳統波特蘭水泥混凝土固化腔室相比具有最少或沒有成本增加之碳捕獲及 利用。
D1. 使用CO2之混凝土固化
本發明之系統及方法係使用材料及化學品加以利用，該等材料及化學品依賴於用於固化之CO2的存在，諸如反應介質(諸如，水)中之CO2，其中提供碳酸、碳酸鹽離子及二碳酸鹽離子。該等材料及化學品之實例已在上文描述。
本文中所描述之CO2混凝土固化製程大體上類似於上文描述之習知混凝土固化製程，其中明顯差異在於五個參數相對於代表傳統固化之兩個原始環境中在受控固化環境獨立受控。除溫度及濕度之外，亦控制系統壓力、二氧化碳濃度及腔室內之氣體速度。關於濕度控制之區別在於：在習知先前技術系統中，濕度上升高於周圍環境，因為水在波特蘭水泥固化中為反應物，但是在根據本發明之系統及方法中，水不為反應物，而為反應介質。相反，在本系統及方法中，CO2為反應物。因此，在本發明中，水蒸氣、溫度及氣體速度可經控制以使水如可需要地自固化產物移除或添加至固化產物。如習知混凝土固化系統中所描述之「大房間」及「多通道」類型之固化系統亦可用於CO2固化系統中。
第5圖為根據本發明之原理建構且操作之CO2混凝土固化腔室之示意圖。在第5圖中，固化腔室藉由比例閥自源供應有CO2，該比例閥可控制CO2之壓力、流速及流動持續時間。使CO2大氣再循環穿過鼓風機及熱交換器或加熱器，以使得固化腔室內之大氣的溫度可經調節或修改。在一些實施例中，熱交換器可用於冷卻固化腔室內之大氣，例如， 若固化反應係充分放熱的，則大氣被過度加熱。
在描述之實施例中，使用由各種不同工業氣體公司(諸如，Praxair公司、Linde AG、Air Liquide及其他公司)提供之約99%之純度的工業級CO2。此供應可以在特定溫度下調節之液態二氧化碳的形式保持於大加壓保存槽中，以使得保持蒸氣壓力為約300 PSIG。此氣體接著經管送及經壓力調節至CO2固化腔室。或者，可使用在工業設施(包括但不限於氨生產設備、天然氣處理設備、水泥製造設備、玻璃製造設備、來自填埋之CO2及其他生物氣體、生物柴油設備)及燃燒源設施(例如，電力或蒸氣生產)處捕獲之CO2。另外，亦可使用由二氧化碳生產阱產生之CO2，該等二氧化碳生產阱鑽入土中以自地質岩層或含有二氧化碳沉積物之岩層群組提取二氧化碳流。
D2. CO2混凝土固化溫度控制
在一些實施例中，使用感測器(諸如，熱電偶或RTD)量測溫度。量測信號經引導回至能夠調節進入熱交換器之能量且從而隨時間調整整個系統之溫度的控制器或電腦。鼓風機係加熱系統之重要組件，因為鼓風機能夠幫助將熱能傳送至氣體，該氣體自身傳送至產物及腔室，該氣體為樣品之受控水分的重要部分。加熱方法可為電熱或氣體燃燒。護套加熱器可用於控制流動穿過與加熱護套接觸之腔室之CO2的溫度，可使用任何習知熱源。外部加熱手段可包括但不限於電加熱、熱水加熱或熱油加熱。對於CO2固化腔室，迄今為止利用間接燃氣系統，且避免直接燃氣燃燒器，因為直接燃氣 燃燒器將會拉入空氣及產物燃燒至系統中，從而稀釋CO2及控制CO2濃度問題。一些更小規模之系統(諸如，鼓式反應器)利用電護套加熱器加熱腔室之整個表面，而非腔室內之加熱元件。
D3. CO2混凝土固化濕度控制選擇
第6圖為根據本發明之原理之提供增濕作用之CO2混凝土固化腔室之示意圖。在第6圖中，提供供水器，且將水蒸氣添加至在固化腔室內循環之大氣。水可為任何方便的飲用水源。在一些實施例中，使用普通自來水。在一些實施例中，水可藉由流動穿過墨霧噴嘴或噴霧噴嘴、電蒸氣產生器、燃氣蒸氣產生器，或藉由加熱至高於腔室之氣體溫度而轉換成蒸氣，以導致自液態水供應器蒸發，實例為具有浸沒加熱器之鼓式反應器。在又一實施例中，CO2供應在經由加熱水供應器起泡之後可流入系統中，以增加進入之氣流的相對濕度，實例為經配置用於「流動穿過」或「開環」處理的鼓式反應器。
相對濕度為傳統混凝土固化以及CO2混凝土固化兩者中之重要參數。在傳統固化腔室中，存在大多由氮、氧及水蒸氣組成之濕氣氣氛。在該等系統中，相對濕度最常由標準電容式感測器技術量測。然而，CO2固化腔室具有主要由與一些類型之該等感測器不相容之二氧化碳組成之氣氛。在本文中描述感測技術，諸如，利用幹球濕球技術，該等幹球濕球利用二氧化碳與水蒸氣之濕度比或偶極子極化水蒸氣量測設備或冷鏡式濕度計或CO2混凝土固化系統中之電容式濕度 感測器。
視固化之產物之類型及幾何形狀、腔室之設計及腔室中之產物的充填效率而定，濕度可能需要降低或提高且經調節至特定設定點。設定點之範圍可在自1%至99%之相對濕度之間。在可組合至單個系統之CO2混凝土固化製程中，可存在三種不同的用於濕度控制之方法。在一個實施例中，用於增濕CO2固化系統之方法圖示於第6圖中。
第7圖為根據本發明之原理之藉由清除濕氣提供除濕作用之CO2固化腔室之示意圖。如所提及，在一些情況下，需要自系統移除水分以用CO2固化混凝土產物。降低相對濕度之簡單方法係藉由用乾燥氣體(在此情況下為二氧化碳)代替系統中之濕氣。濕CO2氣體混合物經由排氣閥釋放，該排氣閥可為比例控制閥或自動放氣閥，且組成的乾燥CO2進入循環系統，以降低相對濕度至所需設定點，同時保持固化系統內之經調節壓力及氣流。在此類型之清除除濕中，缺點為更大量的二氧化碳將自系統排出。然而，優點為大量水蒸氣可經降低至進入之沖洗氣中之水蒸氣的濃度，在一些情況下，若CO2沖洗氣藉由蒸發液態CO2而產生，則濃度可極低。
第8圖為根據本發明之原理之使用冷卻熱交換器提供除濕作用之CO2固化腔室之示意圖。在替代實施例中，第8圖中所示之除濕裝置及方法表示降低相對濕度且因此藉由非清除方法自氣體移除水蒸氣之技術。該特定技術使用水萃取裝置及方法以移除水，在一個較佳實施例中，該裝置為冷卻熱交換器。再循環冷卻器機組使水及冷卻至-15℃與15℃之間 的乙二醇溶液循環穿過安裝於直線濕氣流中之高表面積不銹鋼熱交換器旋管。來自氣流之一些水將經受相變及冷凝以在旋管上形成液體，該液體接著可經由液體排洩阱、習知閥或定時器上之電磁閥收集及排出系統以排出液體而非氣體。使用此類系統之益處在於：在製程期間，相比於第7圖中所示之沖洗除濕方法，將噴出並浪費極少量二氧化碳氣體。此技術之一個缺點為需要在傳統混凝土固化腔室中不標準之一些額外設備。另一缺點為系統之能量需求將增加以操作冷卻器機組。
在一些情況下，例如，若存在自系統移除大量水之需要，則上文所述之兩個除濕方法可一起操作以保持濕度位準盡可能低。
D4. 固化系統中之二氧化碳之填充及濃度上升
在固化製程開始時，可能首先存在控制參數的預二氧化碳踏綜時間可首先存在，該等參數諸如溫度、相對濕度及氣體速度，在此時，可藉由使CO2自氣源流入系統中且將空氣轉移出腔室外來增加固化腔室中之二氧化碳濃度，此舉稱為清除循環。在整個清除循環中，將使用過量二氧化碳，此舉導致製程中之一些少量但不可避免之浪費。在一些實施例中，預期退出的氣體可經收集及經分餾以還原CO2，CO2否則將藉由排氣或傳送至次級固化腔室或多通道固化系統中之額外隔間而損失。清除循環在達到固化腔室中之所需CO2濃度時結束。CO2濃度可利用各種不同量測技術(諸如，非色散紅外線感測或氣相色譜分析)量測。上文中描述之碳化水 泥組成物中之反應速率與二氧化碳濃度具有密切關係，且因此，通常在反應循環開始處達到高CO2濃度，但此舉並不適用於所有情況。在清除循環之後，在需要時，可調整腔室中之相對濕度、溫度及氣體速度以減少水自腔室中之樣本的蒸發。
在本文中所述之實施例中，二氧化碳為反應物，且將在製程中消耗。因此，在整個製程中補充CO2的供應以保持所需反應速率係重要的。在終止在清除循環中進入腔室中的高流量CO2之後，存在很少在反應期間保持高CO2位準的選項。
D5. 藉由恆定流動及曳放(開環)之CO2補充
可應用之一個技術為在固化製程之整個持續時間中利用始終低流量的CO2，同時逸出低流量廢氣。此類固化系統可為最簡單的且要求自系統之最小量回饋及控制，且該類固化系統可在尚未知曉產物剖面或在不要求精確控制時使用。然而，此類固化系統亦可以複雜方式配置，該系統可在系統之入口及出口上具有流量計，以進行CO2之質量平衡且決定使用電腦控制系統固存之CO2的速率及總量，該電腦控制系統可最終指示反應速率且確定何時完成固化製程。此情況將允許補充CO2濃度。組成CO2之流速僅需高達製程中消耗之氣體的速率。該方法之次級效應為藉由使用乾燥氣體去除濕氣之「清除除濕」，如先前所述。此製程可藉由提供高流量CO2閥用於清除循環及提供低流量CO2閥或流量控制器用於在固化循環之整個持續時間中之補充而實施，如第9圖 中所示。如先前所述，用於CO2補充及除濕之此方法要求CO2超過反應中所需之CO2。
此恒流方法稱為流過反應，且亦用於使用連續富CO2廢氣流之製程。該等廢氣流可為來自各種工業(包括但不限於水泥窯、玻璃熔化窯、發電廠、生物沼氣等)之煙道氣。因此，該等恒流腔室可經配置且與工業CO2氣體供應以及廢氣流兩者相容。第12圖至第15圖中所示之Solidia鼓式反應器為可用作低流量CO2補充系統之小型單元之實例。
D6. 低壓調節補充
在CO2清除循環之後，存在在固化循環之整個持續時間中保持CO2濃度之另一方法。該替代方法使用低壓調節。在機械調節系統中，使用低壓膜片調節器。此調節器可控制壓力低至1吋H2O(或約1/400之大氣)。該等調節器係高度敏感的，且允許僅在壓力由於反應製程中CO2之消耗而降低時補充CO2。此類系統之實例為Solidia小型鼓式反應器，該反應器可經配置用於低壓調節補充以及恒流補充。
在另一實施例中，可藉由用高度精確低壓轉換器量測系統中之壓力來使用電子方法，該轉換器與比例控制閥而非機械膜片閥耦接。第10圖為固化腔室之示意圖，該固化腔室具有CO2清除線且可使用該技術提供調節壓力CO2補充。此情況之實例為在低壓下操作之Solidia高壓釜系統。
D7. CO2濃度閉環調節
用於在反應期間維持二氧化碳濃度之另一方法適用於保持高度一致之濃度，雖然此方法為最昂貴的技術。該方 法使用在系統中直接量測CO2濃度，且使用諸如PLC之控制器以在使用電子/自動控制閥的設定點處控制CO2濃度。應較佳地使用直接量測CO2之量測技術(諸如，NDIR)。在NDIR量測方法中，經由低流量泵將氣體樣品流自系統抽出。在氣流由NDIR設備取樣時，冷卻器用於將水分抽取出氣流。因此，由分析器提供之量測漏掉氣流之水蒸氣組分，且需調整量測以說明已自測試樣品移除之濕度。系統氣流中之濕度量測可使用如第19圖中所示之幹球濕球濕度技術(參見幹球濕球濕度量測器件1930)或使用不同類型之水分感測器執行。真正CO2濃度可使用電腦控制系統或PLC計算。一旦已知真正的CO2濃度，則當乾燥CO2已經消耗且低於彼時所需之設定點時，經致動比例控制閥可添加乾燥CO2至系統中。在各種實施例中，設定點可隨時間變化，若需要，基於在混凝土樣本之固化特定組成物、形狀及大小方面的經歷而變化。
第11圖為根據本發明之原理之中型固化腔室的示意圖，該固化腔室具有多個濕度控制方法以及能夠使用恒流或壓力調節控制及補充CO2且該固化腔室可控制濕度。
D8. 氣體速度控制
另一重要控制參數為系統中待固化之材料中之氣體速度，該氣體速度可極為依賴於不同態樣之數目，該等態樣包括但不限於腔室設計、擋板設計、風扇大小、風扇速度/功率、風扇數目、系統內之溫度梯度、系統內之機架設計及系統內之樣品幾何形狀。控制腔室內之氣體速度之最簡單方法為藉由調整鼓風機速度(RPM's)，該方法通常藉由利用變頻 驅動進行，以允許控制鼓風機馬達速度。鼓風機可用於在固化腔室中以所需速度循環氣體。系統中之氣體速度在系統中經由各種不同技術(包括但不限於皮託管量測系統及雷射都蔔勒偵測系統)量測。用於氣體速度之量測信號可發送回電腦系統或可程式化邏輯控制器，且可用作固化剖面中之控制參數。
裝置實例
第12圖至第20圖圖示根據本文中給出之本發明系統之描述建構及操作之裝置的各種實施例。
第12圖為由55加侖不銹鋼鼓輪建構之許多鼓式反應器的影像。
第13圖為包括機架以支撐待在該機架中處理之材料之托板的鼓式反應器內部的影像。
第14圖為由加熱護套圍繞之鼓式反應器外部的影像且圖示許多熱電偶連接器及氣體入口埠。
第15圖為鼓式反應器之控制面板的影像，圖示控制(自左至右)浸沒加熱器、護套加熱器、線內氣體加熱器及風扇之四個控制器，其中讀出三個加熱器之溫度。
第16圖為根據本發明之原理之市售CDS固化腔室(購自CDS公司，Cinderhill Trading Estate，Weston Coyney Road，Longton，Stoke-on-Trent ST3 5JU，Great Britain)之影像，該腔室翻新用於低壓CO2固化。在第16圖中，自CO2源(諸如槽)至腔室中之CO2入口1610經添加且圖示。此為CO2濃度調節固化系統之實例，稱為Solidia可攜式裝運貨櫃 反應器。
第17圖為第16圖之腔室之內部之一部分的影像，圖示對先前技術波特蘭水泥固化系統進行之進一步修改。添加偶極子極化水分體積探針1710。已添加允許決定CO2濃度之市售CO2非分散紅外線(NDIR)分析器1740(購自西門子公司，One Internet Plaza，約翰遜城，TN 37604之西門子Ultramat 23)。已在流程線中添加進入該分析器之樣品冷卻器1730。樣品冷卻器首先將水分排出氣流，以便感測器可讀取無水蒸氣干擾之CO2濃度。冷卻器1730可用於冷凝系統中之水，且除濕提供至系統之氣流。已添加CO2比例控制閥1720用於提高CO2濃度，且接著維持整個固化反應過程中之CO2位準。
第18圖為CO2 NDIR分析器1740之另一視圖。
第19圖為圖示已添加之額外組件之固化腔室內之視圖。添加用於以極高精確度量測H2O之體積百分數之偶極子極化氣體取樣器1910。在循環氣體到達鼓風機及50kW電熱器之前，冷凝旋管1920添加於CO2回風管之吸入側中。自回風管內側之冷卻器還原為液體的水蒸氣由用於除濕流動的CO2氣體之冷凝排水管抽取，且可經由流量計量測以致能對腔室中之樣本的乾燥速率的量測。添加幹球濕球濕度量測器件1930，該器件類似於操作中之搖轉濕度計。濕球溫度計與幹球溫度計之間的溫差提供對相對濕度之度量。在一個實施例中，可程式化邏輯控制器(PLC)用指令程式化，該等指令基於熱量測、氣體之濕度比及表示溫度範圍中正被使用之蒸汽 的方程式提供計算相對濕度。固化腔室藉由提供孔口1940修改，氣體經由該孔口1940在CO2 NDIR分析器1740(位於固化腔室之主動部分外側)中以1L/min之速率取樣以用於分析。在第19圖中所示之實例中，用於來自比例閥之CO2氣體的入口1950提供於固化腔室之底部。在其他實施例中，入口可位於腔室之另一面，或可使用多個入口。
第20圖為連接至可程式化邏輯控制器或其他控制裝置(諸如在記錄於機械可讀媒體上之指令集控制下操作的通用可程式化電腦)的顯示器的螢幕截圖。在所示之實施例中，固化腔室為壓力容器，使用50%至99%之純CO2之約0.25 PSIG之超壓將該壓力容器作為大氣壓反應器操作，該純CO2視作自含有處於高壓之液態CO2及剩餘主要為水蒸氣之容器蒸發。可為觸控螢幕之自動控制系統螢幕展示各種控制且讀出製程變數，諸如，時間、溫度、相對濕度、壓力、氣體流速等等。自動控制系統在高CO2氣體濃度存在下提供對溫度及濕度剖面的控制。當固化腔室首次加載且起動時，CO2清除系統用於在15分鐘內引入CO2，在此時間期間，固化腔室中之環境空氣由CO2取代。本發明之系統提供動態控制，其中溫度、濕度、CO2濃度、CO2流速及系統壓力在整個固化循環中獨立受控，且各自可變化以獨立於或依賴於其他變數之變化而增加或降低。控制器可記錄其顯示之任何資料。
固化方法實例
實例1：在具有自發濕度的CO2氣氛下於鼓式反應器中固化的6吋×9吋鋪設材料。
原料
中國東海的東海縣富豐源工貿公司(Donghai Golden Resources Industries)之合成矽灰石(SC-C2)、來自Stavola(新澤西)之¼"暗色岩聚集體、來自Bound Brook(新澤西)之施工用砂及Glenium 7500(BASF)。表4給出用於製備鋪設材料之原料的混合物比例。
混合程序
1. 量測及裝載25kg之¼"聚集體至行星式攪拌機(Sicoma TM MP375/250)中。
2. 量測及裝載55.2kg之施工用砂至攪拌機中。
3. 量測及裝載17.1kg之合成矽灰石(SC-C2)至攪拌機中。
4. 混合裝載至攪拌機中之固體組分達大約3分鐘。此舉產生乾式混合物。
5. 量測及裝載液體組分(如在此實例中為5.632kg之水及0.068kg之Glenium 7500)至含幹混合物之攪拌機中，且繼續混合約2分鐘，直至形成均勻漿料。此舉產生濕式混合物。
壓製程序
1. 將濕式混合物放料至料斗中且傳輸至鋪設材料形成機器(Columbia模型1600)。
2. 隨後將濕式混合物放料至鋪設材料形成機器之進料料斗。
3. 隨後將濕式混合物自進料料斗放料至鋪設材料模腔中。隨著濕式混合物經放料至鋪設材料模腔中，振動模具以有效填充空腔。
4. 鋪設材料壓機之壓縮頭壓緊濕式混合物約1.5秒或直至濕式混合物達到2 5/8"吋之高度。此舉產生陶瓷坯體。
5. 隨後自模腔剝離呈鋪設材料形狀之陶瓷坯體。
固化程序
呈鋪設材料形狀之陶瓷坯體在鼓式反應器中如下固化。將與55加侖不銹鋼鼓輪之外部接觸之1.6kW之市售加熱護套加熱高達110攝氏度以預熱殼體約二十分鐘。將陶瓷坯體裝載至鋁片上及放置於系統之排架中，該排架含有373 CFM風扇及擋板系統以引導跨過樣品之流動。含½"直徑之孔口的蓋經由壓縮墊圈密封於鼓輪周圍。啟動風扇及起始範圍為自20L/min至500L/min之CO2流動，從而流動穿過系統及退出蓋上之½"孔口。十五分鐘後，停止CO2流動及用低壓溢流塞堵塞½"孔口，從而排出超過1/2 PSIG之任何壓力。控制加熱護套以在60℃下調節系統的內部氣體溫度。當壓力由加熱期間之氣體膨脹形成及水蒸氣壓力自樣品中之水蒸發增 大時，低壓溢流塞將間隙地釋放壓力且排出一些濕的CO2。打開替代CO2管線，該管線含有將鼓輪中之氣體調節至0.33 PSIG之低壓調節器。若壓力降至低於0.33 PSIG(一旦達到熱平衡且CO2在反應腔室中被消耗，此情況則可發生)，則此調節器添加氣體至系統。將系統之相對濕度維持在60%至96%範圍中的相對較高量。20小時後，停止氣體進入系統之流動並打開蓋。自系統移除現經轉換成固化鋪設材料之陶瓷坯體且該等陶瓷坯體含有按質量計3%至5%之CO2且具有如每ASTM C 936測試之在2000 PSI至13000 PSI之範圍中的抗壓強度。
實例2：在使用用於除濕的冷凝物排洩的CO2氛圍下於鼓式反應器中固化的6吋×9吋鋪設材料
呈鋪設材料形狀之陶瓷坯體以與實例1相同之方式製備。
固化程序
執行實例1中描述之固化製程，同時利用在鼓式反應器之底部處之定時器(每10分鐘打開5秒)上的電磁閥，以移除反應器底部上之冷凝物且因此降低系統在固化循環過程中之濕度。使用一時間，以使得系統保持密封且僅間歇性地排出冷凝物，而不將很多氣體排出系統。可使用排液阱，但由於涉及低氣壓，該使用可能具有挑戰性。在此期間，相對濕度保持在37%至67%範圍中。20小時後，停止氣體進入系統之流動且打開蓋。自系統移除固化之鋪設材料，且該等鋪設材料含有按質量計3%至5%之CO2且具有如每ASTM C 936測試之在2000 PSI至13000 PSI之範圍中的抗壓強度。
實例3：在濕度增加的CO2氛圍下藉由加熱腔室底部上之水於鼓式反應器中固化的6吋×9吋之鋪設材料。
呈鋪設材料形狀之陶瓷坯體以與實例1相同之方式製備。
執行實例1中描述之固化製程，其中鼓式反應器之底部裝備有位於鼓輪底部之1kW浸沒加熱器。鼓輪填充有約3加侖至5加侖之水，足以遮蔽1kW浸沒加熱器。含½"直徑之孔口的蓋經由壓縮墊圈密封於鼓輪周圍。啟動風扇及起始範圍為自200L/min至500L/min之CO2流動，從而流動穿過系統且退出蓋上之½"孔口。十分鐘後，停止CO2流動及用低壓溢流塞堵塞½"孔口，從而排出超過1/2 PSIG之任何壓力。控制加熱護套以在60℃下調節系統的內部氣體溫度。為增加系統之相對濕度，控制至浸沒加熱器之功率輸出以將水加熱至64℃，該溫度由沒入水中之單獨的熱電偶量測。當壓力由加熱期間之氣體膨脹形成且水蒸氣壓力自樣品中之水蒸發增大時，低壓溢流塞將間隙地釋放壓力且排出一些濕的CO2。打開替代CO2管線，該管線含有將鼓式反應器中之氣體調節至0.33 PSIG之低壓調節器。若壓力降至低於0.33 PSIG(一旦達到熱平衡且CO2在反應腔室中被消耗，此情況則可發生)，則此調節器添加氣體至系統。將系統之相對濕度維持在83%至99%範圍中的極高的量。20小時後，停止氣體進入系統之流動且打開蓋。自系統移除固化之鋪設材料，且該等鋪設材料含有按質量計3%至5%之CO2，且具有如每ASTM C 936測試之在5000 PSI至13000 PSI之範圍中的抗壓強度。
實例4：在具有加濕的進入CO2流的CO2氣氛下藉由使氣流鼓泡穿過熱水系統於鼓式反應器中固化的6吋×9吋之鋪設材料
呈鋪設材料形狀之陶瓷坯體以與實例1相同之方式製備。
固化程序
樣品在流通鼓式反應器中如下固化：將與55加侖不銹鋼鼓輪之外部接觸之1.6kW之市售加熱護套加熱高達110攝氏溫度以預熱殼體約二十分鐘。將樣品裝載至鋁片上及放置於系統之排架中，該排架含有373 CFM風扇及擋板系統，以引導跨越樣品之流動。含½"直徑之孔口的蓋經由壓縮墊圈密封於鼓輪周圍。對於此實驗，產生稀釋CO2流。使用混合氣體浮子流量計調節99.9%之工業食品級CO2氣流及壓縮空氣，該混合氣體浮子流量計允許控制每一氣體之流量及稀釋至25%至40%之範圍的CO2濃度，其中總流速的範圍在20L/min至50L/min之間。用水填充市售1.1kw之受熱蒸處機壓力容器(壓力鍋)且將該容器連接至CO2入口。氣流經鼓泡穿過調節之75℃熱水並進入鼓式反應器，從而提供高度濕潤之氣流。水溫可經控制以調整濕度。自熱蒸處機延行至鼓式反應器之管線係絕緣的以防止冷凝，且該等管線亦可經熱追溯用於甚至更高之濕度。啟動風扇且開始穿過系統的流動，從而退出蓋上之½"孔口。恆定排出該濕潤氣體混合物在固化循環過程中經由前蓋上之½"孔口退出系統。控制加熱護 套以在60℃下調節系統之內部氣溫且保持系統壁溫暖，以防止進入之濕潤氣流冷凝。將系統之相對濕度維持在92%至98%區域中相對高的量。20小時後，停止氣體進入系統之流動且打開蓋。
實例5：在使用冷卻器降低濕度之CO2氣氛中在大氣壓力下於高壓釜中固化的具有18%之研磨矽酸鈣之輕型砌塊
原料
中國東海的東海縣富豐源工貿公司(Donghai Golden Resources Industries)之合成矽灰石(SC-C2)；來自Stavola(新澤西)之¼"暗色岩聚集體、來自Bound Brook(新澤西)之施工用砂、來自Austral Masonry(澳大利亞)之底灰、來自Austral Masonry(澳大利亞)之碎石灰塵、Sika Viscocrete(Sika)及Glenium 7500(BASF)。表5顯示用於製備鋪設材料之原料的混合比例。
混合程序
1. 量測及裝載23.33kg之施工用砂至行星式攪拌機(Sicoma TM MP375/250)中。
2. 量測及裝載14.91kg之¼"聚集體至攪拌機中。
3. 量測及裝載18.06kg之底灰至攪拌機中。
4. 量測及裝載19.63kg之碎石灰塵至攪拌機中。
5. 量測及裝載16.67kg之合成矽灰石(SC-C2)至攪拌機中。
6. 混合裝載至攪拌機中之固體組分約3分鐘。此舉產生乾式混合物。
7. 量測及裝載液體組分(如在此實例中為7.26kg之水、0.02kg之Glenium 7500及0.068kg之Glenium 7500)至含有乾式混合物之攪拌機，及繼續混合約2分鐘，直至形成均勻漿料。此舉產生濕式混合物。
壓製程序
1. 將濕式混合物放料至料斗中且傳輸至鋪設材料形成機器(Columbia模型1600)中。
2. 隨後將濕式混合物放料至鋪設材料形成機器之進料料斗。
3. 隨後將濕式混合物自進料料斗放料至鋪設材料模腔中。隨著濕式混合物經放料至鋪設材料模腔中，振動模具以有效填充空腔。
4. 鋪設材料壓機之壓縮頭壓縮濕式混合物約1.5秒或直至濕式混合物達到2 5/8"吋之高度。此舉產生陶瓷坯體。
5. 隨後自模腔剝離呈砌塊形狀之陶瓷坯體。
固化程序
每次每板形成3個呈砌塊形狀之陶瓷坯體。每一板放置於鋁推車且轉移至7吋之直徑、12吋長的水平高壓釜內，該高壓釜經由具有140 PSI之蒸汽壓之間接蒸氣熱交換器旋管預熱至60℃。接著用藉由保持頂部通氣孔打開而加熱至75℃之CO2氣體排淨高壓釜，同時以3600 RPM運轉7.5馬力之鼓風機，而使60 PSI之CO2氣壓自液態CO2保存槽流至腔室中。進行排淨達12分鐘以達到按體積計97%之CO2濃度。接著關閉高壓釜頂部處之放氣閥，且調節高壓釜內之CO2壓力至0 psig，且將氣體溫度保持於60℃下。在此實施例中，相對濕度未經精確控制但係經手動調整。對於剖面之第一個5小時，用乙二醇/水混合物經由10kW之冷卻器冷卻至4℃之高表面積熱交換器曝露至氣流，從而允許在該持續時間內除濕腔室氣氛。形成於冷卻器上之冷凝水經由市售阿姆斯壯排液阱滴下且退出反應器。5小時後，斷開冷卻器且系統之濕度開始上升且維持在60%與55%之範圍內。在20小時之固化循環結束時，將新鮮環境空氣經由泵引入固化系統中且取代來自固化腔室之CO2用於安全打開腔室門。在完成固化循環後，一定量之冷凝水在系統底部處累積，從而佔據自砌塊失 去之大部分水。
第21圖為針對實例5之相應溫度及濕度剖面。
實例6：在使用自發濕度的CO2氣氛中在大氣壓下於高壓釜中固化的正常重量砌塊。
原料：
中國東海的東海縣富豐源工貿公司(Donghai Golden Resources Industries)之合成矽灰石(SC-C2)、來自Stavola(新澤西)之¼"暗色岩聚集體、來自Bound Brook(新澤西)之施工用砂及Glenium 7500(BASF)。表6限制用於該實例之原料的混合比例。
混合程序
該混合程序類似於如實例1中所描述的經壓制鋪設材料所採用之程序。
壓製程序
除了模具幾何形狀外，如經壓制鋪設材料之實例1中所提及使用類似程序壓制砌塊以形成陶瓷坯體。壓制砌塊之尺寸為7 5/8"×7 5/8"×15 5/8"(49%體積為實心的)。
固化程序每次每板形成3個呈砌塊形式之陶瓷坯 體。每一板放置於鋁推車且轉移至7吋之直徑、12吋長的水平高壓釜內，該高壓釜經由具有140 PSI之蒸汽壓之間接蒸氣熱交換器旋管預熱至60℃。接著用藉由保持頂部通氣孔打開而加熱至75℃之CO2氣體排淨高壓釜，同時以3600 RPM運轉7.5馬力之鼓風機，而使60 PSI之CO2氣壓自液態CO2保存槽流至腔室中。進行排淨達12分鐘以達到按體積計97%之CO2濃度。接著關閉高壓釜頂部處之放氣閥，且調節高壓釜內之CO2壓力至0 psig，且將氣體溫度保持於60℃下。在8小時之固化循環過程中，相對濕度由於來自樣品之水的蒸發而自然增加至約70%，且傾向於由於系統中之冷凝而緩慢減少至約65%。在8小時之固化循環結束時，將新鮮環境空氣經由泵引入固化系統中且取代來自固化腔室之CO2用於安全打開腔室門。在完成固化循環後，一定量之冷凝水在系統底部處累積，從而佔據砌塊失去之大部分水。
第22圖為針對實例6之相應溫度及濕度剖面。
測試
根據ASTM C90測試呈經壓制砌塊形式之固化陶瓷體之無限制抗壓強度。製備之砌塊的抗壓強度為17.2MPa(2500 psi)。
定義
如本文中所述，術語「化學試劑」、「試劑」、「反應物」及「化學反應物」均意欲為同義的，且該等術語用於指代與另一化學物種反應之化學物種。
將記錄操作或資料獲取之結果(諸如(例如)記錄 特定時間或特定操作條件下之結果)理解為且在本文中界定為以非揮發性方式將輸出資料寫入至儲存元件、機器可讀儲存媒體或儲存器件。可用於本發明中之非揮發性機器可讀儲存媒體包括：電子、磁性及/或光學儲存媒體(諸如，磁性軟碟及硬碟)；在一些實施例中可使用DVD磁碟、CD-ROM磁碟(亦即，唯讀光學儲存磁碟)、CD-R磁碟(亦即，單次寫入、多次讀出光學儲存磁碟)及CD-RW磁碟(亦即，可再寫光學儲存磁碟)中之任一者之DVD驅動器、CD驅動器；及電子儲存媒體(諸如RAM、ROM、EPROM、小型閃存卡、PCMCIA卡，或者SD或SDIO記憶體)；及容納儲存媒體且自儲存媒體讀出及/或寫入儲存媒體之電子組件(例如，軟碟驅動器、DVD驅動器、CD/CD-R/CD-RW驅動器或小型閃存/PCMCIA/SD配接器)。除非另外明確敘述，本文中對「記錄(record)」或「記錄(recording)」之引用應理解為指代非揮發性記錄(record)或非揮發性記錄(recording)。
如熟習機器可讀儲存媒體技術者所知，不斷設計用於資料儲存之新式媒體及格式，且未來可變得可用之任何方便的市售儲存媒體及相應讀取/寫入器件很可能適合使用，尤其是在該媒體或器件提供更大儲存容量、更高存取速度、更小尺寸及更低每位元儲存資訊之成本的情況下如此。已知之較舊機器可讀媒體亦可在某些條件下使用，該等媒體諸如打孔紙帶或打孔卡、用磁帶或導線之磁性記錄、光學或磁性讀取印刷字符(例如，OCR及磁性編碼符號)及機械可讀符號，諸如，一維及二維條碼。記錄影像資料供以後使用(例如， 將影像寫入記憶體或寫入數位記憶體)可經執行以能夠將記錄之資訊用作輸出、將記錄之資訊用作顯示給使用者之資料，或將記錄之資料用作可用於以後使用的資料。該等數位記憶體元件或晶片可為獨立記憶體器件，或可併入所關注之器件內。「寫入輸出資料」或「將影像寫入記憶體」在本文中界定為包括將轉換之資料寫入微電腦內之暫存器。
「微電腦」在本文中定義為與微處理器、微控制器及數位信號處理器(「DSP」)同義。應理解，由微電腦使用之編碼為「韌體」之記憶體(包括例如用於資料處理之指令)可位於在微電腦晶片實體內部之記憶體中，或位於微電腦外之記憶體中或內部記憶體及外部記憶體之組合中。類似地，類比信號可由獨立類比至數位轉換器(「ADC」)數位化，或一或多個ADC或多工ADC通道可位於微電腦套裝軟體內。亦應理解，現場可程式化陣列(「FPGA」)晶片或特殊應用積體電路(「ASIC」)晶片可以微電腦之硬體邏輯、軟體模擬或藉由硬體邏輯及軟體模擬兩者之組合執行微電腦功能。具有本文中所述之任何發明特徵的裝置可整體在一個微電腦上操作或可包括超過一個微電腦。
用於根據本描述控制測量儀錶、記錄信號及分析信號或資料之通用可程式化電腦可為個人電腦(PC)、基於微處理器之電腦、可攜式電腦或其他類型之處理器件中之任一者。通用可程式化電腦通常包含中央處理單元、可使用機器可讀儲存媒體記錄且讀取資訊及程式之儲存或記憶單元、通信終端(諸如，有線通信器件或無線通信器件)、輸出器件 (諸如，顯示終端)及輸入器件(諸如，鍵盤)。顯示終端可為觸控螢幕顯示器，在此情況下，顯示終端可起到顯示器件及輸入器件的功能。可存在不同及/或額外輸入器件，諸如，指向器件(諸如，滑鼠或操縱桿)，且可存在不同或額外輸出器件，諸如，發音器(例如揚聲器)、第二顯示器或印表機。電腦可運行各種操作系統中之任一者，諸如(例如)各種版本之Windows，或各種版本之MacOS，或各種版本之UNIX或各種版本之Linux中之任一者。在通用電腦操作中獲得之計算結果可經儲存以供以後使用，及/或可顯示給使用者。起碼每一基於微處理器之通用電腦具有儲存微處理器內之每一計算步驟的暫存器，該等結果通常隨後儲存於快取記憶體中以供以後使用，以使得可將結果顯示、記錄至非揮發性記憶體或將結果用於進一步資料處理或分析。
在本說明書及附加申請專利範圍中，單數形式「一」(「a」、「an」)及「該」(「the」)包括複數個指示物，除非上下文另有明確規定。
除非另有界定，本文中使用之所有技術及科學術語具有與本領域一般技術者通常理解的意義相同的意義。雖然類似於或等效於本文中所述之彼等方法及材料之任何方法及材料亦可用於本揭示案之實踐或測試中，但現描述較佳方法及材料。除所揭示之特定次序之外，本文中所述之方法可以邏輯上可能之任何次序執行。
以引用之方式併入
在本揭示案中已對其他文件(諸如，專利、專利申 請案、專利公開案、期刊、書籍、論文、網頁內容)進行參考及引用。所有此等文件在此全部以引用之方式併入本文以用於所有目的。據說以引入之方式併入本文中但與本文中明確闡述之現有定義、表述或其他揭示內容材料衝突之任何材料或該材料之部分僅在彼經併入材料與本揭示內容材料之間不產生衝突的程度上併入。若發生衝突，則以支持本揭示案作為較佳揭示案之方式解決該衝突。
等效物
本文中揭示之代表性實例意欲幫助說明本發明，且不欲亦不應被理解為限制本發明之範疇。事實上，對於熟習此項技術者，本發明之各種修改及本發明之許多進一步實施例(除本文中所示及所描述之彼等實施例之外)將自本文件之全部內容(包括實例及對本文引用之科學與專利文獻之參考)而變得顯而易見。實例含有可適用於在本發明之各種實施例及實施例之等效物中實踐本發明的重要額外信息、範例及指導。

Claims (20)

  1. 一種用於固化要求將CO2作為一固化試劑之一材料的固化系統，該固化系統包含：一固化腔室，該固化腔室經配置以含有一材料，該材料將CO2作為一試劑消耗且在固化期間在無CO2存在下不進行固化，該固化腔室具有至少一個埠，該至少一個埠經配置以允許該材料引入該固化腔室中並自該固化腔室移除，且該固化腔室具有用於該埠之至少一個閉合件，該閉合件經配置以在閉合時提供一大氣密封，以防止該固化腔室外之氣體污染存在於該固化腔室中之一氣體；一二氧化碳源，該二氧化碳源經配置以經由該固化腔室中之一氣體入口埠將氣態二氧化碳提供至該固化腔室，該二氧化碳源具有至少一個流量控制器，該至少一個流量控制器經配置以控制該氣態二氧化碳進入該固化腔室之一流速；一氣流子系統，該氣流子系統經配置以在固化將CO2作為一試劑消耗之該材料的一時間段期間使該氣體循環穿過該固化腔室；一溫度控制子系統，該溫度控制子系統經配置以控制該腔室內之該氣體的一溫度；一濕度控制子系統，該濕度控制子系統經配置以控制該腔室內之該氣體的一濕度；及至少一個控制器，該至少一個控制器與該二氧化碳源、該氣流子系統、該溫度控制子系統及該濕度控制子系統中之至少一者連通，該至少一個控制器經配置以在固化將CO2作為一試劑消耗之該材料的一時間段期間單獨控制該氣態二氧化碳之該流速、該氣體穿過該固化腔室之該循環、該氣體之該溫度及該氣體之該濕度中之至少一各別者。
  2. 如請求項1所述之固化系統，其中該固化腔室經配置以含有該固化腔室中之一氣體壓力，該氣體壓力高於大氣壓力。
  3. 如請求項1所述之固化系統，其中該二氧化碳源包括一壓力調節器及一流量控制器，該流量控制器經配置為以一速率供應二氧化碳氣體，該速率實質上等於由在固化期間將CO2作為一試劑消耗之該材料對該二氧化碳之一消耗率。
  4. 如請求項1所述之固化系統，其中該二氧化碳源包括一流量控制器，該流量控制器經配置以在15分鐘或更少之一時間段中以足以自該固化腔室清除環境空氣之一速率供應二氧化碳氣體。
  5. 如請求項1所述之固化系統，其中該二氧化碳源包括一壓力調節器及一流量控制器，該流量控制器經配置為以一速率供應二氧化碳氣體，該速率實質上等於自該固化腔室排出該氣體之一速率。
  6. 如請求項1所述之固化系統，其中該氣流子系統包括一量測裝置，該量測裝置經配置以量測存在於該固化腔室中之該氣體中之一二氧化碳量。
  7. 如請求項1所述之固化系統，其中該氣流子系統包括一量測裝置，該量測裝置經配置以量測存在於該固化腔室中之該氣體之一氣體速度。
  8. 如請求項7所述之固化系統，其中經配置以量測一氣體速度之該量測系統係一皮託管及一雷射都蔔勒偵測系統中之一選定者。
  9. 如請求項1所述之固化系統，其中該氣流子系統包括一變速鼓風機，該變速鼓風機經配置以在該固化腔室中以一所需速度循環氣體。
  10. 如請求項1所述之固化系統，其中該溫度控制子系統包括一溫度感測器，該溫度感測器經配置以量測該固化腔室中之該氣體的該溫度。
  11. 如請求項1所述之固化系統，其中該溫度控制子系統包括一熱交換器以調節該固化腔室中之該氣體的該溫度。
  12. 如請求項1所述之固化系統，其中該溫度控制子系統包括一熱交換器以控制該氣態二氧化碳之一溫度，該氣態二氧化碳經由該固化腔室中之該氣體入口埠提供至該固化腔室。
  13. 如請求項1所述之固化系統，其中該溫度控制子系統包括一加熱器，該加熱器位於一外表面上或構建至該固化腔室之壁中。
  14. 如請求項1所述之固化系統，其中該濕度控制子系統包括一量測裝置，該量測裝置經配置以決定該腔室內之該氣體之一相對濕度。
  15. 如請求項1所述之固化系統，其中該濕度控制子系統包括一冷凝器，該冷凝器經配置以降低該腔室內之該氣體的該濕度。
  16. 如請求項1所述之固化系統，其中該濕度控制子系統包括一排氣閥，該排氣閥經配置以降低該腔室內之該氣體的該濕度。
  17. 如請求項1所述之固化系統，其中該濕度控制子系統包括一供水器，該供水器經配置以增加該腔室內之該氣體的該濕度。
  18. 如請求項1所述之固化系統，其中該至少一個控制器係一可程式化邏輯控制器、具有一觸控螢幕顯示器之一控制器及一通用可程式化電腦中之一選定者，該通用可程式化電腦在記錄於一機器可讀媒體上之一指令集的控制下操作。
  19. 如請求項1所述之固化系統，其中該至少一個控制器包括一顯示器，該顯示器經配置以向一使用者顯示以下中之任一者：一固化循環之一持續時間、該氣態二氧化碳之該流速、該固化腔室中之二氧化碳的一濃度、該氣體穿過該固化腔室之一循環率、該氣體之該溫度及該氣體之該濕度。
  20. 如請求項1所述之固化系統，其中該至少一個控制器經配置以記錄以下中之任一者：一固化循環之一持續時間、該氣態二氧化碳之該流速、該固化腔室中之二氧化碳的一濃度、該氣體穿過該固化腔室之一循環率、該氣體之該溫度及該氣體之該濕度。
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