特許 7470262 二酸化炭素固定化装置及び二酸化炭素固定化方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-09

(45)【発行日】2024-04-17

(54)【発明の名称】二酸化炭素固定化装置及び二酸化炭素固定化方法

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/14 20060101AFI20240410BHJP

   B01D 53/18 20060101ALI20240410BHJP

   B01D 53/62 20060101ALI20240410BHJP

   B01D 53/78 20060101ALI20240410BHJP

   C01F 11/18 20060101ALI20240410BHJP

【ＦＩ】

B01D53/14 200

B01D53/18 110

B01D53/62

B01D53/78

C01F11/18 B

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023567252

(86)(22)【出願日】2023-03-27

(86)【国際出願番号】 JP2023012265

(87)【国際公開番号】W WO2023190372

(87)【国際公開日】2023-10-05

【審査請求日】2023-11-01

(31)【優先権主張番号】P 2022052024

(32)【優先日】2022-03-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000228660

【氏名又は名称】日本コンクリート工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000183646

【氏名又は名称】出光興産株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100092565

【弁理士】

【氏名又は名称】樺澤 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100112449

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 哲也

(72)【発明者】

【氏名】早川 康之

(72)【発明者】

【氏名】八木 利之

(72)【発明者】

【氏名】吉田 浩之

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 猛

(72)【発明者】

【氏名】寺前 剛

【審査官】山田 陸翠

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１４８４３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１３６７７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－０３１９８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２７９５５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１３８５７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０６９８６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１９０５３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１１７６３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０５０１２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２１／００１７０３５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－０７６９７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１１－５２４２５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０１Ｄ ５３／１４－５３／１８

Ｂ０１Ｄ ５３／６２

Ｂ０１Ｄ ５３／８０

Ｂ０１Ｊ ２０／０２

Ｂ０９Ｂ ３／００－ ３／８０

Ｃ０１Ｆ １１／１８

Ｃ０２Ｆ １１／００－１１／２０

Ｃ０４Ｂ ２／００－３２／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

コンクリート二次製品製造段階で粗骨材及び細骨材が除去されているコンクリートスラッジであるセメントペーストスラッジに対し固液分離をすることなく撹拌しつつ加水した第一中間体を得る加水手段と、
前記第一中間体に対し固液分離をすることなく二酸化炭素を含むガスを供給して第二中間体を得る供給手段と、
前記第二中間体を水切りして、炭酸カルシウムの結晶である軽質炭酸カルシウムと、セメント粒子のカルシウム成分がこのセメント粒子の表面に炭酸塩化したセメント分炭酸塩化粉体と、未反応のセメント粒子と、を含む粉体を製造する水切り手段と、
を備えることを特徴とする二酸化炭素固定化装置。

【請求項2】

加水手段は、コンクリート二次製品製造段階で粗骨材及び細骨材が除去されている水セメント比が略１のコンクリートスラッジであるセメントペーストスラッジに対し、その重量の４倍以上１５倍以下の水を加える
ことを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素固定化装置。

【請求項3】

水切り手段は、第二中間体をこの第二中間体の自重により水切りする
ことを特徴とする請求項１または２記載の二酸化炭素固定化装置。

【請求項4】

コンクリート二次製品製造段階で粗骨材及び細骨材が除去されているコンクリートスラッジであるセメントペーストスラッジに対し固液分離をすることなく撹拌しつつ加水した第一中間体を得る加水工程と、
前記第一中間体に対し固液分離をすることなく二酸化炭素を含むガスを供給することで第二中間体を得る供給工程と、
前記第二中間体を水切りして、炭酸カルシウムの結晶である軽質炭酸カルシウムと、セメント粒子のカルシウム成分がこのセメント粒子の表面に炭酸塩化したセメント分炭酸塩化粉体と、未反応のセメント粒子と、を含む粉体を製造する水切り工程と、
を備えることを特徴とする二酸化炭素固定化方法。

【請求項5】

加水工程では、コンクリート二次製品製造段階で粗骨材及び細骨材が除去されている水セメント比が略１のコンクリートスラッジであるセメントペーストスラッジに対し、その重量の４倍以上１５倍以下の水を加える
ことを特徴とする請求項４記載の二酸化炭素固定化方法。

【請求項6】

水切り工程では、第二中間体をこの第二中間体の自重により水切りする
ことを特徴とする請求項４または５記載の二酸化炭素固定化方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コンクリートスラッジから粉体を製造する二酸化炭素固定化装置及び二酸化炭素固定化方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、コンクリート製造工程で発生するコンクリートスラッジ（セメントスラリー）のカルシウム分に二酸化炭素を反応させて、炭酸カルシウムを得る二酸化炭素固定化装置が知られている（例えば、特許文献１ないし３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５０７２０９０号公報

【文献】特許第４８９２５２０号公報

【文献】特開２０１０－７６９７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記の各特許文献に記載された構成の場合、高純度の炭酸カルシウムを得ることができるものの、製造工程が複雑であり、コストが掛かるとともに、生産量の増加が容易でない。特に、炭酸カルシウムは、低純度であっても、その用途によっては十分に要求品質を満たす場合があるため、必要以上の高純度のものでなくとも、安価で大量に生産できるものが求められる。

【0005】

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、二酸化炭素を安価に固定化できるとともに、二酸化炭素を固定化した粉体を安価に大量生産できる二酸化炭素固定化装置及び二酸化炭素固定化方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

請求項１記載の二酸化炭素固定化装置は、コンクリート二次製品製造段階で粗骨材及び細骨材が除去されているコンクリートスラッジであるセメントペーストスラッジに対し固液分離をすることなく撹拌しつつ加水した第一中間体を得る加水手段と、前記第一中間体に対し固液分離をすることなく二酸化炭素を含むガスを供給して第二中間体を得る供給手段と、前記第二中間体を水切りして、炭酸カルシウムの結晶である軽質炭酸カルシウムと、セメント粒子のカルシウム成分がこのセメント粒子の表面に炭酸塩化したセメント分炭酸塩化粉体と、未反応のセメント粒子と、を含む粉体を製造する水切り手段と、を備えるものである。

【0007】

請求項２記載の二酸化炭素固定化装置は、請求項１記載の二酸化炭素固定化装置において、加水手段は、コンクリート二次製品製造段階で粗骨材及び細骨材が除去されている水セメント比が略１のコンクリートスラッジであるセメントペーストスラッジに対し、その重量の４倍以上１５倍以下の水を加えるものである。

【0008】

請求項３記載の二酸化炭素固定化装置は、請求項１または２記載の二酸化炭素固定化装置において、水切り手段は、第二中間体をこの第二中間体の自重により水切りするものである。

【0009】

請求項４記載の二酸化炭素固定化方法は、コンクリート二次製品製造段階で粗骨材及び細骨材が除去されているコンクリートスラッジであるセメントペーストスラッジに対し固液分離をすることなく撹拌しつつ加水した第一中間体を得る加水工程と、前記第一中間体に対し固液分離をすることなく二酸化炭素を含むガスを供給することで第二中間体を得る供給工程と、前記第二中間体を水切りして、炭酸カルシウムの結晶である軽質炭酸カルシウムと、セメント粒子のカルシウム成分がこのセメント粒子の表面に炭酸塩化したセメント分炭酸塩化粉体と、未反応のセメント粒子と、を含む粉体を製造する水切り工程と、を備えるものである。

【0010】

請求項５記載の二酸化炭素固定化方法は、請求項４記載の二酸化炭素固定化方法において、加水工程では、コンクリート二次製品製造段階で粗骨材及び細骨材が除去されている水セメント比が略１のコンクリートスラッジであるセメントペーストスラッジに対し、その重量の４倍以上１５倍以下の水を加えるものである。

【0011】

請求項６記載の二酸化炭素固定化方法は、請求項４または５記載の二酸化炭素固定化方法において、水切り工程では、第二中間体をこの第二中間体の自重により水切りするものである。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、二酸化炭素を固定化した、軽質炭酸カルシウムと、セメント分炭酸塩化粉体と、セメント分炭酸塩化未反応粉体と、を含む粉体を安価に大量生産できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施の形態の二酸化炭素固定化装置を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の一実施の形態について、図１を参照して説明する。

【0015】

図１において、１は二酸化炭素固定化装置である。二酸化炭素固定化装置１は、原素材となるコンクリートスラッジ２を用い、二酸化炭素を固定化した乾燥状態の粉体３を製造する粉体製造装置である。

【0016】

コンクリートスラッジ２は、コンクリート二次製品製造時に発生するコンクリートスラッジである。コンクリート二次製品とは、セメント、水、細骨材、粗骨材、混和材からなるコンクリート材料を固化させた、例えばコンクリート柱、コンクリート杭等の製品をいう。特に、コンクリートスラッジ２は、コンクリート二次製品製造時の遠心成形工程にて発生するものである。遠心成形工程にて発生するコンクリートスラッジは、品質的にモルタルスラッジ、さらにはセメントペーストスラッジと同等のものである。そのため、コンクリートスラッジ２及び粉体３は、粗骨材及び細骨材が除去されている。本実施の形態の二酸化炭素固定化装置１で製造される粉体３は、粒子径０．５ｍｍ以上の骨材（石粉等）を含んでいない。粉体３は、二酸化炭素を固定化した二酸化炭素固定化粉体であって、かつ、二酸化炭素吸着機能を有する二酸化炭素吸着材である。

【0017】

コンクリートスラッジ２は、セメント由来のカルシウム（Ｃａ）分を豊富に含む、高アルカリ性の材料である。当該カルシウム分が二酸化炭素の吸着に有効な成分である。

【0018】

また、本実施の形態で用いられるコンクリートスラッジ２は、水セメント比（Ｗ／Ｃ）が略１である。例えば、コンクリートスラッジ２は、成分比が、セメント分４９．９％、水４９．９％、及び、微細砂分０．２％のものである。

【0019】

なお、コンクリートスラッジ２は、コンクリート二次製品工場で発生するコンクリートスラッジ、あるいは、生コンプラントにおける残コンクリート（残コン）、あるいは戻りコンクリート（戻りコン）について、粗骨材及び細骨材を分離したものを用いてもよい。すなわち、コンクリートスラッジ２は、いずれもフレッシュコンクリートの余剰分である。そして、コンクリートスラッジ２は、加熱処理や乾燥処理を経ることなく、そのまま常温の範囲で使用される。

【0020】

二酸化炭素固定化装置１は、加水手段５を備える。加水手段５は、非加熱のコンクリートスラッジ２に対して撹拌しつつ水ＷＩを加えることで、第一中間体６を得るものである。一例として、加水手段５は、溶出槽８と、溶出槽８に設置された撹拌手段９と、を有する。撹拌手段９としては、例えば回転翼が用いられる。コンクリートスラッジ２の重量に対して、加水量が小さいほど二酸化炭素の吸着量の効率は高く、加水量が多いほど水和反応による強度発現が抑制される。本実施の形態において、加水手段５では、コンクリートスラッジ２の重量の４倍以上１５倍以下の水ＷＩが加えられる。加水量がコンクリートスラッジ２の重量の４倍未満の場合、コンクリートスラッジ２の粘着性が高くなり、１５倍より大きい場合、カルシウムイオン濃度が下がり、それぞれ二酸化炭素の吸着効率が低下する。そのため、例えば加水量がコンクリートスラッジ２の重量の１０倍の場合には、第一中間体６の成分比は、セメント５％、水９５％、微細砂分０％となる。

【0021】

また、二酸化炭素固定化装置１は、供給手段１１を備える。供給手段１１は、加水手段５と直接接続され、加水手段５から直接得た第一中間体６に対し二酸化炭素を含むガスＧを供給することで、第二中間体１２を得るものである。一例として、供給手段１１は、反応槽１４と、反応槽１４に設置されたガス供給手段１５と、を有する。

【0022】

反応槽１４は、例えば竪型サイロとも呼ばれ、上下方向に長手状に形成されている。反応槽１４には、加水手段５の溶出槽８から排出部１６を介して第一中間体６が上部から投入される。本実施の形態において、反応槽１４は、外面が円筒状の反応槽本体部１７と、外面が円錐状の縮小部１８と、を上下に一体的に有し、軸方向を上下方向に沿わせて配置されている。反応槽本体部１７は、一定または略一定の径寸法を有する円筒状である。縮小部１８は、反応槽本体部１７の下部に同軸状に連なり、下方に向かって縮径している。

【0023】

ガス供給手段１５は、ガスＧ中の二酸化炭素をコンクリートスラッジ２のカルシウム分に反応させることで、炭酸カルシウムを生成させ、二酸化炭素を固定化させるものである。ガス供給手段１５は、ガス供給源と接続された配管、バルブ、及び、ノズルなどを有する。ガス供給手段１５は、反応槽１４の下部に接続され、ガスＧを反応槽１４の下部から所定時間、例えば１５分以上１２０分以下に亘り噴出させる。ガス供給手段１５によるガスＧの噴出は、連続的でもよいし断続的でもよい。

【0024】

ガス供給手段１５により供給されるガスＧは、ボイラや発電所などのガス供給源からの排ガスが好適に利用される。このガスＧは、一例として、二酸化炭素を５％以上２５％以下含む。

【0025】

さらに、二酸化炭素固定化装置１は、水切り手段２０を備える。水切り手段２０は、供給手段１１から第二中間体１２を直接得て、この第二中間体１２を水切りして粉体３を製造するものである。本実施の形態において、水切り手段２０は、第二中間体１２をこの第二中間体１２の自重により水切り（自然脱水）する。すなわち、本実施の形態の水切り手段２０は、動力や熱源等を備えない、非駆動のものである。水切り手段２０としては、例えばフレキシブルコンテナバッグなどが好適に用いられる。すなわち、水切り手段２０は、化学繊維などからなる不織布により袋状に形成され、粉体３を内部に保持しつつ、粉体３よりも粒子が小さい水ＷＯなどを底部や周辺部から排出するものである。水切り手段２０には、供給手段１１の反応槽１４の下部の導出部２２から反応槽１４の外部に導出された第二中間体１２が供給される。なお、水切り手段２０は、製造される粉体３の用途によっては、強制乾燥させてもよい。

【0026】

次に、本実施の形態の二酸化炭素固定化装置１による二酸化炭素固定化方法（粉体３の製造方法）について説明する。

【0027】

まず、コンクリートスラッジ２を加水手段５の溶出槽８に導入する。所定量のコンクリートスラッジ２が溶出槽８に導入されると、加水手段５では、溶出槽８内のコンクリートスラッジ２に対し、所定量の水ＷＩを加えつつ撹拌手段９によって撹拌して第一中間体６を得る。この加水工程（加水攪拌工程）は、常温で実施される。

【0028】

続いて、この第一中間体６を、排出部１６を介して供給手段１１の反応槽１４へと上部から導入する。供給手段１１では、反応槽１４内の第一中間体６に二酸化炭素を含むガスＧをガス供給手段１５により加圧供給することで、第一中間体６に含まれるコンクリートスラッジ２の二酸化炭素吸着機能（ＤＡＣ（Direct Air Capture）機能）によって、第一中間体６に含まれるカルシウム分が二酸化炭素と反応し、炭酸カルシウムが生成されて、二酸化炭素が第一中間体６に固定化されていく。

【0029】

そして、二酸化炭素固定化装置１の所定時間の稼働により、コンクリートスラッジ２に二酸化炭素が吸着された第二中間体１２が反応槽１４内に製造される。この後、第二中間体１２は、供給手段１１の反応槽１４の導出部２２を介して水切り手段２０へと導入され、水切り手段２０により水ＷＯが脱水されて粉体３が製造される。水切り手段２０を経て製造された粉体３の含水率は４％以上４０％以下の幅を有し、粉体３の用途に応じて設定できる。

【0030】

製造された粉体３は、軽質炭酸カルシウムと、セメント分炭酸塩化粉体と、セメント分炭酸塩化未反応粉体と、の３種を含む、１μｍ以上５０μｍ以下の粒径の複合的な二酸化炭素固定化粉体である。なお、粉体３には、微細砂分が極少量含まれるが、成分比としては実質的に無視できる。軽質炭酸カルシウムとは、セメント粒子から水分へ溶出したカルシウム成分が、二酸化炭素と反応して生成される炭酸カルシウムの結晶である。セメント分炭酸塩化粉体とは、セメント粒子のカルシウム成分が、導入された二酸化炭素と反応して、その粒子表面等に炭酸カルシウムとして二酸化炭素固定化（炭酸塩化）した粉体である。セメント分炭酸塩化未反応粉体とは、上記が“未反応”な粉体、すなわち本実施の形態ではセメント粒子（未反応スラッジ）そのものである。

【0031】

製造された粉体３における軽質炭酸カルシウム、セメント分炭酸塩化粉体、セメント分炭酸塩化未反応粉体の成分比は、軽質炭酸カルシウムが２％、セメント分炭酸塩化粉体が９４％以上、セメント分炭酸塩化未反応粉体が４％以下である。また、二酸化炭素吸着反応による二酸化炭素成分重量比は、軽質炭酸カルシウムが４４ｗｔ％－ＣＯ_２、セメント分炭酸塩化粉体が２５ｗｔ％－ＣＯ_２、セメント分炭酸塩化未反応粉体が１ｗｔ％－ＣＯ_２である。そのため、当該粉体３の単位重量当たりの二酸化炭素固定重量は、２４．４ｗｔ％に相当する。

【0032】

なお、製造された粉体３は、製造過程で二酸化炭素が固定化されているだけでなく、その内部においてさらなる二酸化炭素吸着機能を備え、時間経過とともに二酸化炭素を吸着する機能、つまり緩速的な二酸化炭素吸着機能を発揮する。

【0033】

例えば、本実施の形態により製造される粉体３は、コンクリート混練時の混和材、アスファルト舗装フィラー材、土壌改良材の補助材、及び、トンネルなどの裏込め注入材の補助材、などとして適用でき、使い勝手が良好であるとともに、これらの適用により二酸化炭素を固定化した固定物の利活用が可能となる。

【0034】

したがって、従来産業廃棄物として廃棄されてきて年間３００万トン以上の排出があるコンクリートスラッジ２を有効利用して粉体を製造できるだけでなく、二酸化炭素に起因する地球温暖化対策にも有効であるとともに、二酸化炭素を回収し有効利用するＣＣＵ（Carbon dioxide Capture and Utilization）に好適に用いることができる。

【0035】

このように、本実施の形態によれば、加水手段５により、粗骨材及び細骨材が除去されたコンクリートスラッジ２に対し撹拌しつつ加水して第一中間体６を生成し、その第一中間体６に対し供給手段１１により二酸化炭素を含むガスＧを供給して第二中間体１２を生成し、その第二中間体１２を水切り手段２０により水切りして粉体３を製造することにより、全体の反応フロー中に例えば固液分離手段、固体分離手段、粉粒体破砕手段、強制乾燥手段などが不要であり、つまり設備投資が少なく、常温常圧においての簡便なフローによって二酸化炭素を安価に固定化できるとともに、二酸化炭素を固定化した粉体３を安価に大量生産できる。

【0036】

また、原材料となるコンクリートスラッジ２を、加熱処理などを施すことなくそのまま使用できるため、加熱に要する電力消費による二酸化炭素排出量の増加を抑制した、簡素な構成及び工程での粉体の製造（二酸化炭素の固定化）が可能である。

【0037】

加水手段５（加水工程）では、粗骨材及び細骨材が除去された水セメント比が略１のコンクリートスラッジ２に対し、その重量の４倍以上１５倍以下の水を加えることで、適切な水分量でコンクリートスラッジ２を撹拌して供給手段１１（供給工程）に送る第一中間体６を製造できる。

【0038】

水切り手段２０（水切り工程）では、第二中間体１２を第二中間体１２の自重により水切りすることで、動力などを用いる必要がなく、二酸化炭素の固定化に当たり、電力消費による二酸化炭素排出量の増加を抑制できる。

【0039】

本実施の形態の二酸化炭素固定化装置１により製造された粉体３としては、純度が高い軽質炭酸カルシウムを得ることはできず、複合的な二酸化炭素固定化粉体となるものの、製造過程が簡便化され、粒径が５０μｍ以下で３種の粉体が複合化されているものであって、二酸化炭素固定重量比も重量の２５％程度保持できており、かつ、従来の軽質炭酸カルシウムの製造方法により製造される軽質炭酸カルシウムの５０倍以上の生産量を得ることができる。

【0040】

当該粉体３は、純度が低くても、例えばアスファルト舗装フィラー材などの用途であれば、要求品質を十分に満たすことができる。つまり、用途に適した品質の粉体３を安価に大量生産でき、二酸化炭素固定材の広範な利活用が可能となる。

【0041】

上記の特徴から、当該粉体は、軽質炭酸カルシウムよりも安価に提供する事が出来る。またＣＯ_２固定利活用の設備、技術としても高く評価できる。

【符号の説明】

【0042】

１ 二酸化炭素固定化装置
２ コンクリートスラッジ
３ 粉体
５ 加水手段
６ 第一中間体
１１ 供給手段
１２ 第二中間体
２０ 水切り手段
Ｇ ガス

【図1】