Integrated chemical methods

本発明は、二酸化炭素ガスを永続的かつ安全に隔離する方法に関し、特に二酸化炭素を固体の炭酸塩に化学変換することによって、大気中の二酸化炭素の蓄積を減らす効率的な統合法に関する。

大気から隔離された保存場所での二酸化炭素ガスの隔離は、大気への二酸化炭素の放出量を減らす地球規模の試みにおいて重要な要素として広く認識されている開発中の技術である。 大気の二酸化炭素濃度の速い増加は、その温室効果ガスとしての性質並びにその地球規模の温暖化及び気候変動の現象への寄与のために、関心を集めている。 二酸化炭素の捕捉及び隔離のための試作型の実験施設が、幾つかの国に存在する。 様々な技術が燃焼排ガス中の二酸化炭素の捕捉及び濃縮のために存在する一方で、最新の施設は、地中隔離（ｇｅｏｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ）として知られる地下への隔離を利用する。 これは、適切に大気から隔離されている、使い果たした油若しくはガスの貯蔵器又は他の地下の多孔質構造体で起こり得る。 これらの貯蔵器又は構造体は、陸及び海の下に置いてよい。 二酸化炭素ガス用の別の予想可能な地下保存場所は、いわゆる塩性帯水層である。 深海中での二酸化炭素の直接保存も調べられたが、工業用では上手く実証されていない。

研究の別の分野は、鉱物の炭酸化として知られているものであり；それによって二酸化炭素は、アルカリ及びアルカリ土類金属の酸化物又はケイ酸塩の鉱物と化学反応して、安定な固体の炭酸塩を形成する。 抽出されて処理されていた鉱物を用いる鉱物炭酸化法プラント中のこの手段の使用は、ｉｎ−ｓｉｔｕ炭酸化とは対照的に、ｅｘ−ｓｉｔｕ鉱物炭酸化として知られ、それによって二酸化炭素は、地下の鉱物構造体中に堆積させられて、地下の構造体に存在している鉱物と、より長い時間枠に亘って反応する。 本発明は、鉱物炭酸化による二酸化炭素隔離へのｅｘ−ｓｉｔｕの取り組みに関する。

本発明は、二酸化炭素を含む流れが、そのような鉱物炭酸化に使用可能であることを前提とする。 そのような流れは、任意の燃焼法由来の、又はガス化又はガス改質として当技術分野で知られているような方法由来の、又はアンモニア又はポルトランド（Ｐｏｒｔｌａｎｄ）セメント製造などの典型的な化学製法由来の燃焼排ガスを起源としてよい。 そのような流れ中の二酸化炭素の濃度は、本技術分野で知られる技術的手法によって実質的に増加させられてよい。 これらとしては、膜分離技術を利用するもの又は代わりにアミンなどの二酸化炭素溶媒を利用するものなどの、いわゆる炭素捕捉技術が挙げられる。 後者の場合には、これらの溶媒は、燃焼排ガスなどの希釈流から二酸化炭素を捕捉して、次に溶媒再生を受け、二酸化炭素の濃縮流及びさらなる捕捉で用いる再生された溶媒を放出する。 また、「酸素燃料燃焼（ｏｘｙ−ｆｕｅｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）」として知られる方法では、濃縮された二酸化炭素及び水蒸気の流れは、空気を供給する燃焼法よりも、酸素を用いる燃焼法で直接形成されてよい。 ガス化として知られる別の方法は、適切なプロセス条件下で、炭化水素燃料のガス化によって、水素及び比較的純度の高い二酸化炭素の流れを製造する。

本発明は、本明細書で説明されている通り、鉱物炭酸化の方法におけるそのような二酸化炭素の流れの固化に関する。 本発明では二酸化炭素の非常に濃縮された流れを用いることが有利であるが、より低い純度の流れの使用も除外されない。 特に、本方法は水性スラリー（その含水量は必要に応じて容易に調整されてよい）を用いるから、そのような流れ中の水の存在は必ずしも不都合ではない。 さらに、本発明の重要な態様は、より遅く又はより集中的でない、二酸化炭素隔離の方法に適用してよい。 これらは、例えば、大気からの二酸化炭素の隔離を含んでよい。 本発明は、アルカリ又はアルカリ土類金属のケイ酸塩原料の適切な統合された活性化法及び実行可能なｅｘ−ｓｉｔｕ隔離に必須の炭酸化反応に必要な統合された溶媒法を提供する。

単なる一例として、次の概説及び研究論文には、これらの各種の隔離技術及びそれらの現状が記述されている：
Metz, B、Davidson, O、De Coninck H、Loos. M及びMeyer, L.(編集)、2006年、「Carbon Dioxide Capture and Storage - IPCC Special Report, UN Intergovernmental Panel on Climate Change」、ISBN92-9169-119-4、
Herzog, H.、2002年「Carbon Sequestration via Mineral Carbonation: Overview and Assessment」、2006年２月にアクセスされたhttp://sequestration.mit.edu/pdf/carbonates.pdf、
Huijgen, WJJ及びComans, RNJ、2005年「Carbon dioxide sequestration by mineral carbonation-Literature Review Update 2003-2004」、ECN-C-05-022、
Lackner, KS、Grimes, P.及びZiock, HJ.、2001年「Capturing Carbon Dioxide From Air, 1 ^st National Conference on Carbon Sequestration（２００１年５月１４〜１７日、米国」、２００６年１月にアクセスされたhttp://www.netl.doe.gov/publications/proceedings/01/carbon_seq/carbon_seq01.html、
O'Connor, WK、Dahlin, DC、Rush, GE、Gerdemann, SJ、Penner, LR及びNilsen, DN、2005年「Aqueous Mineral Carbonation-Mineral Availability, Pre-treatment, Reaction Parametrics and Process Studies-Final Report」 DOE/ARC-TR-04-002、Albany Research Center、米国エネルギー省、
ZECA社、2006年「Overview - carbon dioxide」、２００６年３月にアクセスされたhttp://www.zeca.org/overview/carbon dioxide.html.

さらに、本明細書に援用された特許文献中の関連先行技術の幾つかの例を下記に示す：
Rau及びCaldeiraによる米国特許出願公開第2001/0022952号明細書「Method and Apparatus for Extracting and Sequestering Carbon Dioxide」、
Geerlings、Mesters及びOosterbeekの米国特許出願公開第2004/0131531号明細書「Process for Mineral Carbonation with Carbon Dioxide」、
Geerlings及びWeskerによる米国特許出願公開第2004/0126293号明細書「Process for Removal of Carbon Dioxide from Flue Gases」、
Blencoe、Palmer、Anovitz及びBeardによる米国特許出願公開第2004/0213705号明細書「Carbonation of Metal Silicates for long-term CO ₂ Sequestration」、
Dziedic、Gross、Gorski及びJohnsonによる米国特許出願公開第2004/0219090号明細書「Sequestration of Carbon Dioxide」、
Park及びFanによる米国特許出願公開第2005/0180910号明細書「Carbon Dioxide Sequestration using Alkaline Earth Metal-Bearing Minerals」。

鉱物炭酸化には、二酸化炭素隔離の他の方法を越えた複数の潜在的利点がある。 これらとしては、相対的な永続性及び安定性並びに二酸化炭素ガス漏れの危険の除去が挙げられる。 さらに、地中隔離のための適切な地下の場所は、それらが必要とされる場所には少しもない。 鉱物炭酸化の化学反応も、炭酸塩の形成によるエネルギーの発熱放出のために、熱力学的に好ましい。 鉱物炭酸化に必要な多くの鉱物は豊富であり、広く地球規模で分布している。 これらの鉱物は、容易に採鉱され、既知の微粉砕及び他の技術に曝されてよい。 通常、それらは良性であり、そして環境の及び安全上の危険は容易に管理できる。 特に、蛇紋石として広く知られた鉱物は、既知の化石燃料埋蔵量からの二酸化炭素の全世界の排出量を隔離するほどの量で利用可能であると推定されていた。

鉱物炭酸化の化学反応の例を本明細書に示す：

後方の例は、蛇紋石のものであるが、それは、その相対的に過剰な存在量のために好ましい原料である。 そのために、大きな関心が蛇紋石に集まっている。

しかし、今までの鉱物炭酸化は、まだ調査段階にあると認識されているだけで、実行可能な工業法は報告されていない。 Ｍｅｔｚら（２００６年）による国連気候変動政府間パネルに関する概説によって、炭酸化に必要なエネルギーは、連結した石炭を燃料とするパワープラントのエネルギー出力の３０〜５０％であり、鉱物炭酸化を実行不可能にするであろうと結論付けられている。 彼らは、研究努力が、反応速度を増加させて炭酸化法をよりエネルギー効率の良いものにする経路を発見するために行なわれている点に注目する。 同様に、Ａｌｂａｎｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒのこの分野における主要研究者達（Ｏ'Ｃｏｎｎｏｒら（２００５年））は、水性鉱物炭酸化への彼らの最終報告書において、鉱物炭酸化による二酸化炭素隔離の費用が１トンの二酸化炭素当たりＵＳ＄５４〜１９９であろうと結論付けた。 彼らはかんらん石及び珪灰石が工業法の利用について最良の潜在力を発揮すると結論付け、そして蛇紋石の活性化に必要な高いエネルギー入力のために蛇紋石を全く実行不可能として拒絶する。 彼らはそのような実行可能な活性化を達成するいかなる手段も教示していないし、彼らの計算は、蛇紋石の活性化用電気エネルギーの利用に基づいている。 彼らは、工業法における蛇紋石の使用が除外され得ると結論付けて、それを非実用的な方法論として分類する。 さらに彼らは、隔離では蛇紋石の利用のみが、二酸化炭素のｉｎ−ｓｉｔｕ地中隔離のための遅反応性マトリクスとしてあり得ると結論付ける。

様々な研究者達が、蛇紋石と鉱物を含む他のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の反応性を改良する方法を探し続けている。 例えば、Ｐａｒｋ及びＦａｎによる米国特許出願公開第２００５／０１８０９１０号明細書は、鉱物懸濁液のｐＨを変え、内部粉砕媒体を備えた流動床反応器を利用して、蛇紋石を活性化する方法を示す。 彼らの発明は、物質表面活性化の助力を得た弱酸中のマグネシウム含有鉱物の溶解と、それに続く炭酸塩及び硫酸塩を沈殿させるための二酸化炭素との接触後の溶液のｐＨの増加に関する。 彼らの方法論は、米国特許出願公開第２００５／０１８０９１０号明細書に記述されている。 Ｐａｒｋ及びＦａｎの発明は、任意の手段によるマグネシウム含有鉱物の熱活性化だけでなく、幾つかの連結法の本発明の改良点及び用途も教示していない。

ＺＥＣＡ社（２００６年）は、ケイ酸マグネシウム鉱物の鉱物炭酸化を用いて、石炭を燃料とする発電から生じた二酸化炭素放出物を隔離する方法の情報を公表した。 しかし、Ａｌｂａｎｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒの研究に基づく特許案の方法は参考資料になるものの、これを実現する実行可能な方法の直接的な教示は全くない。 本明細書に示された通りであるが、Ａｌｂａｎｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒの研究者達から公表された研究は、二酸化炭素のｅｘ−ｓｉｔｕ鉱物隔離における蛇紋石の使用を除外していて、実行可能な方法を実現する手段を教示しなかった。

他の先行技術は、本発明を予期していない他の方法及び技術を教示する。 例えば、Ｇｅｅｒｌｉｎｇｓ及びＷｅｓｋｅｒによる米国特許出願公開第２００４／０１２６２９３号明細書は、鉱物炭酸化反応からの熱放出を利用して、燃焼排ガスから二酸化炭素を捕捉する方法に使われる溶媒を再生するための熱を提供する方法を報告する。 鉱物炭酸化法そのものについては全く教示がない。

別の米国特許出願公開第２００４／０１３１５３１号明細書では、Ｇｅｅｒｌｉｎｇｓらは、鉱物炭酸化法であって、二酸化炭素が、電解質水溶液に浸された二価のアルカリ土類金属ケイ酸塩と反応させられる方法を記述する。 注目することは、電解質塩のそのような開示内容はＯ'Ｃｏｎｎｏｒらによって以前に行なわれていた（２００１年）ことである。 米国特許出願公開第２００４／０１３１５３１号明細書には、そのような二価のアルカリ土類金属ケイ酸塩の活性化について全く示唆がない。 Ｇｅｅｒｌｉｎｇｓらによる上記出願に示された実施例は珪灰石に限られていて、活性化は炭酸化反応に全く必要ない。

Ｂｌｅｎｃｏｅらの米国特許出願公開第２００４／０２１３７０５号明細書は、苛性物質を用いる金属ケイ酸塩の溶解によってガス流から二酸化炭素を隔離して金属水酸化物を提供し、次に前記金属水酸化物を二酸化炭素と接触させて金属炭酸塩を提供する方法を記述する。 炭酸化への他の非苛性の経路についても、金属ケイ酸塩の活性化の他の手段についても全く教示はない。 注目することに、金属の強い苛性又は酸性溶解は、大量の強い苛性又は酸性溶媒を提供するための高エネルギー及び原料のために、大容量の二酸化炭素隔離のための実行可能な工業法である筈がない。

Ｒａｕ及びＣａｌｄｅｉｒａによる米国特許出願公開第２００１／００２２９５２号明細書は、二酸化炭素を水和させて炭酸を形成し、生成した炭酸を炭酸塩と反応させることにより、ガス流から二酸化炭素を隔離する方法を記述する。 この方法は、本発明とかなり異なる。

Ｄｚｉｅｄｉｃらによる米国特許出願公開第２００４／０２１９０９０号明細書は、二酸化炭素を水中に拡散させて、触媒を加えて二酸化炭素の炭酸への転化を促進し、そして鉱物イオンを加えて炭酸の塩の沈殿物を形成することにより、ガス流から二酸化炭素を除去する方法を記述する。 この方法は、特に大気から二酸化炭素を直接隔離するために、本発明とともに有利に使用され得るが、この方法も本発明とかなり異なる。

今まで、エネルギー効率の良い、生産工程については技術的にも環境的にも実行可能な統合法において、アルカリ金属又はアルカリ土類金属ケイ酸塩と反応させてアルカリ金属又はアルカリ土類金属炭酸塩を形成することにより、二酸化炭素の隔離を上手く行なうことができる方法を記述した調査又は先行技術は全くなかった。 そのような方法を提供するのは非常に有利であろう。 水性の手段に関する全ての公表された研究は、蛇紋石などのアルカリ金属又はアルカリ土類金属ケイ酸塩の鉱物の活性化及び脱水酸化のためのエネルギー損失が、実行可能な工業用炭酸化法に対するこの取り組みを除外すると結論付けた。 しかし、適切な溶媒中の懸濁と合わせた燃焼による直接熱活性化を備えた統合法と選択された方法の手段の利用が、特に蛇紋石などの原料用の、全体的な鉱物炭酸化工程を、従来予想されていたものよりはるかにエネルギー効率の良くて環境的に実行可能なものにすることが、今では発見されている。 この新しい取り組みは、蛇紋石を用いる鉱物炭酸化を初めて実行可能な工業法にする。 環境的な実行可能性は、隔離された二酸化炭素１トン当たりの比較的低い全費用、好ましくは、炭素税又は炭素放出取引若しくは許可の規制下での二酸化炭素の市場価格を下回るであろう費用の実現によって決まる。 本発明はそのような方法を提供する。

それ故に、本発明は、二酸化炭素をアルカリ金属又はアルカリ土類金属ケイ酸塩原料と反応させて、対応するアルカリ金属又はアルカリ土類金属炭酸塩を形成する、二酸化炭素を固化するための方法を提供し、その方法は、燃料の燃焼によりアルカリ金属又はアルカリ土類金属ケイ酸塩原料を直接熱活性化して、活性化された原料を製造する工程、活性化された原料を溶媒スラリー中に懸濁する工程、及び活性化された原料を二酸化炭素と接触させて、二酸化炭素を転化してアルカリ金属又はアルカリ土類金属炭酸塩を形成する工程を含む。

本発明の方法は、二酸化炭素を安定なアルカリ金属又はアルカリ土類金属炭酸塩に転化することにより二酸化炭素を隔離する手段を有利に提供する。 それによって、本方法は、大気へ放出された二酸化炭素の量を減らす手段を提供する。

本発明の重要な態様は、二酸化炭素との反応用のアルカリ又はアルカリ土類金属ケイ酸塩原料の直接熱活性化を伴う。 活性化は、放出された熱が原料に直接かけられる燃料の燃焼によって達成される。 本発明との関連では（発電するための）燃料の燃焼の熱は、原料を加熱するために直接かけられてはいないから、原料を活性化するための熱を与えるための電力の使用、例えば、電気炉の使用は、間接熱活性化を伴うであろう。 これはエネルギー的に不利である。

本発明によって原料の直接熱活性化を達成するのに使われる燃料は、常に石炭、石油又は天然ガスなどの炭素又は炭化水素燃料である。

原料の熱活性化は任意の適切な加熱容器内で行われてよい。 通常、これは窯、炉又は類似の燃焼チャンバ若しくはヒーターの形態を取るであろう。 原料は、燃料由来の燃焼ガスに触れてよく、或いは燃料燃焼チャンバからの放射、伝導又は対流によって加熱されてよい。 加熱容器は、活性化に必須の原料の脱水酸化を達成するのに役立つ乱流又は分散又は磨砕条件を与えられるように構成されてよい。 したがって、反応容器は、原料の加熱中に原料を回転及び／又は攪拌するように構成され、脱水酸化（活性化）を助長してよい。

典型的には、原料は加熱容器を通じて粉砕された固体として搬送される。 一実施形態では、加熱容器は、１個以上の実質的に垂直なチャンバを含む垂直軸構造でよく、そして原料は、燃料の燃焼で生まれたガスに対して向流で充填されて流れる。 また、固体原料は、パイプ又は容器中を、加熱容器を通して液状媒体によって搬送されてよく、そのような液状媒体はガス又は液体のいずれかである。

二酸化炭素と活性化された原料の反応は発熱反応である。 本発明の実施形態では、活性化された原料は、発熱（下流の／次の）反応によって放出された熱を用いる直接熱活性化の前に、予熱される。 この実施形態では、一連の熱交換は、原料に熱を運ぶのに使われてよい。 さらに、あるいは代わりに、予熱工程は、連結した炭素又は炭化水素の燃焼、ガス化及び／又は改質工程からの低級の又は廃熱を用いてよい。 このようにして、ケイ酸塩原料の予熱工程は、本発明の方法をよりエネルギー的に経済的なものにするであろう。

予熱工程は、次の炭酸化反応の発熱及び／又は連結した炭素若しくは炭化水素燃料の燃焼、ガス化又は改質工程から生じた低級の又は廃熱を連続的に利用している一連の加熱容器を利用してよい。

典型的には、ケイ酸塩原料の活性化は、前記原料の温度を約５８０〜８００℃の温度に上げて最終的に維持する工程を必要とする。 炭酸化反応の発熱による熱及び／或いは連結した炭化水素燃料の燃焼、ガス化又は改質工程からの低級の若しくは廃熱を、アルカリ金属又はアルカリ土類金属含有流を予熱するのに使用することは、この工程のエネルギー及び費用の効率を良くするかもしれないが、これらの工程が必須とは限らない。 活性化エネルギーを得るのに必要な全てのエネルギーは、効率的な加熱容器によって供給されてよい。 この工程が、特に燃焼容器又はヒーター内で適用された撹拌によって、ｅｘ−ｓｉｔｕ鉱物炭酸化による二酸化炭素隔離のための、よりエネルギー効率が良くて工業的に実行可能な方法を提供すると今や分かっている。

好ましくは、溶媒スラリーに懸濁した活性化された原料は、その後に超臨界の、液化した又は高圧の二酸化炭素ガスと接触して、二酸化炭素をアルカリ金属又はアルカリ土類金属炭酸塩に実質的に転化する。 この開示に関する用語「高圧の」とは、５ｂａｒを超えた、より好ましくは２０ｂａｒを超えた圧力をいう。

燃焼に最適な燃料は、連結した炭化水素燃料の燃焼、ガス化又は改質工程に使われるものと同じ燃料でよく、そこから出た二酸化炭素排出物は本発明の鉱物炭酸化法を受けることになる。 一般に、二酸化炭素排出物を隔離するのに必要な鉱物が高質量なので、鉱物炭酸化プラントは、望ましくはアルカリ金属又はアルカリ土類金属ケイ酸塩の鉱山又は採石場の近くに位置するべきである。 鉱物炭酸化プラントの位置が、連結した炭素又は炭化水素燃料の燃焼、ガス化又は改質工程プラントから離れている場合には、二酸化炭素はパイプライン等によって鉱物炭酸化プラントに運ばれなければならないし、前記連結したプラントからの低級の又は廃熱を使う選択肢は利用できない。 一般に、連結した燃焼、ガス化又は改質工程プラント（その二酸化炭素排出物は鉱物炭酸化法を受ける）に使われる炭素又は炭化水素燃料に対応する質量より大きな質量の鉱物が必要とされる。 これは、そのような燃焼、ガス化又は改質工程プラントをアルカリ金属又はアルカリ土類金属ケイ酸塩の鉱山又は採石場そのものの近くに置くことをより好ましいものにする。 したがって、炭素又は炭化水素燃料を一体化した燃焼及び炭酸化プラント部分に運ぶことは、全体的な意味では費用がかからず、そして好ましい選択肢である。

連結した炭化水素燃料の燃焼、ガス化又は改質工程は、石炭、石油又はガスを燃料とする発電プラント、アンモニア又は他の化学製造プラント、ポルトランドセメントプラントなどの一部を含む又は形成してよい。 通常、前記連結したプラントは発電プラント、通常は石炭を燃料とする発電プラントであろう。

本発明の特定の実施形態では、燃焼、ガス化、改質又は発電プラントに使われる炭素又は炭化水素燃料は、再生可能バイオマスから生じた少なくとも２０％、好ましくは２０〜１００％の燃料を含むので、下流のエネルギー工程に利用するための熱若しくは電気エネルギー又は水素を提供しながら、大気から二酸化炭素を最終的に除去する全体的な方法を提供する。

同様に、熱エネルギーをアルカリ金属又はアルカリ土類金属ケイ酸塩原料に供給するために燃焼させられる炭素又は炭化水素燃料は、再生可能バイオマスから生じた少なくとも２０％、好ましくは２０〜１００％の燃料を有利に含んでよい。 これは、鉱物炭酸化工程自体から過剰な追加の二酸化炭素を生産しない熱活性化の方法を提供する。 約８００℃を下回る温度が必要とされるから、再生可能バイオマス燃料は、この熱活性化法に特に適する。 有利には、酸素又は酸素を多く含む空気は加熱容器に供給され、二酸化炭素の隔離用鉱物炭酸化プラントに戻してよい二酸化炭素及び水で大部分ができている燃焼排ガス流を提供する。

最も好ましいアルカリ金属又はアルカリ土類金属ケイ酸塩原料は、蛇紋石又はその多形体の１種である。 しかし、蛇紋石及びその多形体のいずれか、アンチゴライト、リザルダイト又はクリソタイル、かんらん石、水滑石、ダナイト、かんらん岩、苦土かんらん石、珪灰石、滑石、ハルツバージャイト、並びにそれらの混合物からなる群から選択された原料を本発明に使用してよい。

一般に、原料は破砕及び／又は粉砕により微粉砕され、次にその抽出が行なわれるであろう。 直接加熱工程の前又は後に、炭酸化反応について最終的に好ましい粒径分布まで微粉砕を行なってよい。 炭酸化反応について前記の最終的に好ましい粒径分布は約７５μｍ以下である。 前記の直接燃焼加熱の前に、約２００μｍ以下の寸法まで微粉砕を行い、次に炭酸化反応のために前記の最終的に好ましい粒径分布までさらに微粉砕するのが有利であろう。 そのような次なる粉砕は、鉱物炭酸化工程の前に、溶媒スラリーと混合された活性化された原料を用いて湿式粉砕法で有利に行なってよい。

最も好ましい方法は、発熱の炭酸化反応から回収された熱を利用している１個以上の加熱容器を用いるケイ酸塩原料の予熱を必要とし、その熱は、一般的には２００℃を下回る、より一般的には約１５０℃を下回る温度であろう。 さらなる加熱は、説明したとおり、連結した炭化水素燃料の燃焼、ガス化又は改質プラントから回収された低級の熱を用いて行なわれてよい。 最後に、そして基本的にこの方法のために、予熱されたケイ酸塩原料は、適切な加熱容器内で約５８０〜８００℃の必要な活性化温度に加熱される。 これらの温度は、典型的に焼成操作に使われるものよりもかなり低いので、そのような加熱容器の使用をよりエネルギー効率の良いものにして、その構造で使われることになる更に低い費用の耐熱物を許容する。

適切な加熱容器としては、回転窯及び軸又は塔窯が挙げられる。 多段向流再生式軸又は塔窯などの、最もエネルギー効率の良い構造が好ましい。 石灰の焼成などの他の工業用途で使われる最もエネルギー効率の良い構造は、本発明のために適切に改良されたとき、特に有用であると分かった。 そのような構造体としては、軸方向燃焼チャンバ及び多段同軸焼成チャンバを備えた流動床窯又は代わりの回転窯が挙げられる。 この用途でのケイ酸塩原料の活性化に必要な更に低い温度は、標準的な焼成と比べて、そのような窯の設計品質をかなり下げることができる。 これは、この種類のユニットを採用することで達成されるであろう主要な及び操作上の費用削減を可能にする。

加熱容器内の鉱物原料の撹拌は、原料の活性化の工程に有益であり、そして加熱容器内で有利に使用されてよい。 そのような撹拌は、好ましくは鋼球などの幾つかの追加的な粉砕及び／又は撹拌媒体の存在下で、回転窯中の回転によって利用されてよい。 また、幾つかの撹拌は、軸又は塔窯又は流動床炉内の向流のガス流によって、さらに好ましくは、幾つかの追加的な粉砕及び／又は撹拌媒体の存在下で、行なわれてよい。

また、加熱容器内のパイプ又はチャンバによる鉱物原料の輸送は、２相の流体／固体流によって達成されてよく、前記流体はガス又は液体のいずれかを含む。 ガス／固体流の場合には、キャリアガスは、加熱容器を通した前記鉱物原料の輸送中の高いガス流速によって向上させてよい撹拌及び効率的な熱伝導を提供する。

鉱物原料は加熱容器を通過するので、液体キャリア中に懸濁したスラリーとして輸送するのが有利であろう。 この点では、最も好ましい媒体が炭酸化工程で使われるものを含んでいる状態の、水性媒体が好ましい；すなわち弱酸性水溶液又は混合水溶液及び／又は食塩水又は他の液体溶媒である。 炭酸化反応に関しては、溶媒は、水、公知の弱酸、例えば酢酸、シュウ酸、アスコルビン酸、フタル酸、オルトリン酸、クエン酸、ギ酸、又はそのような弱酸の塩溶液、食塩水、食塩及び重炭酸ナトリウム水溶液、重炭酸カリウム溶液、エタノール若しくはメタノール水溶液などの水及びアルコール混合溶液、水及びグリコール混合溶液、水及びグリセロール混合溶液、又はこれらの任意の組み合わせのいずれかから選択してよい。

スラリーを鉱物活性化のために望ましい約５８０〜８００℃の温度範囲にする熱エネルギー必要量を減らすために、直接熱活性化工程において固体に対する液体の比が、低く保たれ、そして通常は炭酸化工程で採用されるものより低いことが好ましい。 これらの条件下、通常、液体は過熱されるであろう。 液体キャリアの存在は、効率的な熱伝導、乱流及びアルカリ金属又はアルカリ土類金属の幾らかの溶解を与えることにより、またシリカ層の分裂を助長することにより、ケイ酸塩原料の脱水酸化に役立つ。

液体キャリアを介した原料の輸送の実施形態では、前記キャリアがガス又は液体のいずれかを含むので、加熱容器に供給される熱エネルギーは、前記加熱容器を通じた液体キャリアの再利用によって減らされてよい。 固体の鉱物原料は、加熱容器から出た後に液体キャリアから実質的に隔離され、次に再利用されて、加熱容器を通してさらに鉱物原料を運ぶことによって、加熱された液体の大部分の熱エネルギーを維持してよい。 実質的な固体／液体分離は、重力分離、遠心分離又はろ過などの周知の方法により行なわれてよい。

当然のことながら、この明細書に関する窯、炉又は他の加熱容器、微粉砕処理機及び反応容器などの処理装置の使用は、いかなる特定の数の容器にも限定されない。 任意の特定の鉱物炭酸化施設に必要な処理能力を与えるために、複数のそのような装置を、直列又は並列のいずれかで、使ってよい。 例えば、ギガワット単位の石炭を燃料とする発電プラントによって毎年製造される約１５百万トンの二酸化炭素を固体化して隔離するために、毎年、約４０百万トンの蛇紋石を処理する必要があろう。 これは、１日当たり１００キロトンを超える蛇紋石又は１時間当たり４５００トンを超える蛇紋石を処理する施設を必要とする。 複数の巨大な並列処理装置が、そのような処理能力を満たすのに必要とされる。

好ましくは、直接熱活性化工程後、炭酸化工程前に活性化された原料は、弱酸性水溶液或いは水及び／又は食塩若しくは他の溶媒の混合溶液に懸濁している。 有利には、Ｏ'Ｃｏｎｎｏｒらによって説明された重炭酸ナトリウムの食塩水溶液を含む水性溶媒系を利用してよい。 この分野の研究者により確認された他の適切な溶媒としては、重炭酸カリウム溶液が挙げられる。

好ましくは、溶媒に懸濁した前記活性化された原料は、高乱流又は高速分散又は磨砕反応容器内で超臨界の、液化した又は高圧の二酸化炭素ガスと接触して、実質的に二酸化炭素を炭酸塩に転化する。 好ましくは、１０〜２００ｂａｒ、より好ましくは５０〜１６０ｂａｒの圧力と１０〜２５０℃、より好ましくは１０〜１７５℃の温度が反応容器内では採用される。

適切な反応容器は、高圧攪拌槽、パイプライン反応器など、又はより好ましくは、高速反応容器を含み、前記活性化された原料の乱流、高速混合及び磨砕を促進してよい。 Ｐａｒｋ及びＦａｎによって説明されたような流動床反応器は、特に粉砕媒体を加えて、有利に利用されてよい。 さらに、Ｐａｒｋ及びＦａｎによって説明されたような、前記反応容器内のｐＨを上げて炭酸塩の沈殿を促進する方法は、有利に適用されてよい。

本発明の別の態様によれば、二酸化炭素を大気から固体のアルカリ金属又はアルカリ土類金属炭酸塩に長期間隔離する方法を提供し、それによって、アルカリ金属又はアルカリ土類金属ケイ酸塩を含む原料の採鉱、前記原料の微粉砕及び直接熱活性化の後に、活性化された原料は、液状二酸化炭素と混和できる及び／又は二酸化炭素の溶解度を増加できる溶媒を含む溶媒スラリーに懸濁し、そして反応容器内で二酸化炭素と接触して二酸化炭素をアルカリ金属又はアルカリ土類金属炭酸塩に実質的に転化する。

溶媒は、水、公知の弱酸、例えば酢酸、シュウ酸、アスコルビン酸、フタル酸、オルトリン酸、クエン酸、ギ酸、又はそのような弱酸の塩溶液、食塩水、食塩及び重炭酸ナトリウム水溶液、重炭酸カリウム溶液、エタノール若しくはメタノール水溶液などの水及びアルコール混合溶液、水及びグリコール混合溶液、水及びグリセロール混合溶液又はそれらの任意の組み合わせのいずれかから選択してよい。 溶媒の最終的な選択は、適切な反応条件及びＯ'Ｃｏｎｎｏｒらによって教示されたような炭酸化反応への緩衝作用を提供するだけでなく、炭酸化反応容器内での高圧の、超臨界の又は液化した二酸化炭素との適切な混和性を提供する必要性に応じて決まるであろう。

本発明の別の用途は、大気中の二酸化炭素濃度を減らして地球温暖化及び気候変動の影響を軽減するために、希釈流から又は大気から直接生じた二酸化炭素を隔離することに関するであろう。 これに関して、Ｌａｃｋｎｅｒらは、物理学的考察により、空気からかなりの量の二酸化炭素を吸収する構造を構築することが実現可能であることを示す方法の概略を示した。 彼らは、考えられる物質として酸化カルシウムの使用を挙げる以外には、二酸化炭素の吸収及び固化のいかなる好ましい化学法も示していない。 当業者にとっては明らかであるが、本発明で説明されたような方法を、そのような大気からの二酸化炭素の吸収及び固化に適用及び使用してよい。 本明細書で説明した重要な態様及び連結した工程改善及び用途は、そのような方法に利用できる。 特に、本明細書で説明した燃焼による熱活性化法の使用及び本明細書で説明した溶媒法並びに本明細書で説明した他の様々な工程改善及び用途は、そのような大気からの二酸化炭素の捕捉に利用できる。 大気中の二酸化炭素は、反応前に、例えばＬａｃｋｎｅｒらにより説明されたような捕捉及び濃縮法によって、濃縮されてよいし、或いは大気中の二酸化炭素との直接反応などの、希薄な形態で隔離されてもよい。 後者の場合には、隔離は高圧反応容器内よりも遅いかもしれないが、それでもなお、蛇紋石などの活性化されたアルカリ又はアルカリ土類金属ケイ酸塩及び／又は適切に選択されたスラリー溶媒を適切に使用して、二酸化炭素を炭酸塩に転化する。 そのような溶媒と混合された活性化された蛇紋石又は他のアルカリ又はアルカリ土類金属ケイ酸塩を含む開放容器、利用地、スラリーダム、吸収塔、通気ストックパイル又は堆積浸出配列の系をこの用途に利用してよい。 そのような容器、利用地、スラリーダム、吸収塔又は通気ストックパイル若しくは堆積浸出配列は、スプレー、アトマイザー、又はチャネルの系によって、好ましくは水性媒体中に炭酸として溶解させて、活性化された鉱物を二酸化炭素に最適に接触させるように構成してよい。 反応した鉱物は、炭酸塩の形態で、定期的に除去されて、未反応鉱物が二酸化炭素又は炭酸／水溶液流に触れることを可能にするべきである。 ストックパイルの場合には、例えば反応した層を、前記ストックパイルの曝露表面から定期的にこすり落としてよい。 次に、炭酸塩を含む除去された物質は廃棄のために輸送されてよく、そのような廃棄物は、鉱物原料鉱山又は採石場の採掘し尽くした場所に都合よく戻される。

活性化された鉱物との反応前に、大気中の二酸化炭素が水性媒体内で炭酸になって溶解することが増えるのは望ましいであろう。 そのような増強は、先行技術で知られた手段によって、例えばＤｚｉｅｄｚｉｃらによって説明されたような、水性媒体へのカルボニックアンヒドラーゼなどの酵素触媒の追加によって、行なわれてよい。 好ましくは、酵素触媒は再利用されるであろう。

本発明によって二酸化炭素を固体のアルカリ金属又はアルカリ土類金属炭酸塩にして長期間隔離する方法の様々な実施形態は、単なる一例として、添付図面に関して、すぐに説明されるであろう。

図１は本発明の汎用フローダイヤグラムを示す。 本発明の方法論を用いて、アルカリ土類金属ケイ酸塩鉱石、この場合の大部分は蛇紋石を活性化する方法が示される。 鉱石が抽出される鉱山又は採石場（１）、連結した燃焼、ガス化、改質又は発電プラント（その二酸化炭素排出物が隔離されることになる）（２）及び本発明の方法論によって設計された鉱物炭酸化プラント（５）に入る前記二酸化炭素を含む流れ（３）が示される。 蛇紋石は、微粉砕回路（６）内で７５μｍ未満の粒径に粉砕され、活性化のために一連の熱交換器に供給される。 第一の任意の熱交換器（７）は、炭酸化反応器（８）を１２０〜１５０℃の温度に維持することで生じた熱を利用して、前記反応器内の発熱炭酸化反応から熱を取り出す。 第二の任意の熱交換器（９）は、連結した燃焼、ガス化、改質又は発電プラント（２）内の利用可能な低級熱源（４）から出た低級熱を利用し、この場合には、さらに蛇紋石の温度を約３００℃に上げる。 最終的な及び必須の加熱容器（１０）は、炭化水素を燃料とする炉、窯又は類似の燃焼チャンバを含み、温度を約５８０〜８００℃に上げながら鉱石を直接熱活性化する。 活性化された鉱石は、炭酸化反応容器（８）に入る前に、溶媒（１１）と混ぜられる。 炭酸化反応容器（８）は、機械的手段又は流動誘起のいずれかによって、撹拌及び磨砕を有利に用いてよい。 溶媒（１１）は、水と弱酸、及び／又は塩及び／又は重炭酸ナトリウムの水性混合物である。 二酸化炭素含有流（３）は、前記炭酸化反応容器（８）に入る前に、コンプレッサー（１２）によって液状に又は１５０ｂａｒを超える圧力に圧縮される。 固体の炭酸塩及びシリカ残留物（１３）は、最終処分のために元の鉱山又は採石場（１）へ戻され、回収溶媒（１４）は本方法に再利用される。

図１に示された方法は、オーストラリアにおいて、標準的な微粉燃料発電プラントから１年当たり１４．１Ｍｔの二酸化炭素排出物を永続的に固化することが環境的に実行可能であると実証した。 発電プラントには、１年当たり約１５５００ＧＷｈを配電網に運び、１年当たり６．４Ｍｔの黒炭を消費する４機の６６０ＭＷ発電機がある。 図１に示された方法は、１年当たり約４１Ｍｔの蛇紋石によるほぼ１００％の永続的な二酸化炭素隔離と蛇紋石を活性化する燃料炉内での１年当たり０．９Ｍｔの付加的石炭消費を達成する。 発電プラントから導かれた電力は、蛇紋石の微粉砕のために電力を供給する必要条件に応じて、隔離なしでも元の供給量の９６．６％に減るであろう。 本方法は、二酸化炭素１トン当たり約Ａ＄２２（豪ドル）の費用で、１４．１Ｍｔの二酸化炭素を無効にするであろう。 発電費用については、この方法を用いるほぼ１００％の二酸化炭素隔離の不利益は、約２．１ｃ／ｋＷｈであると実証された。

図２は、図１と類似する本発明の別の汎用フローダイヤグラムを示す。 全構成要素は、熱活性化熱交換器を通して前記鉱石を輸送するために、熱活性化前に溶媒流（１５）をアルカリ土類金属ケイ酸塩の鉱石に加えること以外は、図１に示されたものと一致する。

図３は、図１と類似する本発明の別の汎用フローダイヤグラムを示す。 全構成要素も、熱活性化熱交換器を通して前記鉱石を輸送するために、熱活性化前にガス流（１５）を、この例では圧縮空気を、アルカリ土類金属ケイ酸塩の鉱石に加えること以外は図１で示したものと一致する。

図４は、本発明の別の汎用フローダイヤグラムを示す。 本発明の方法論を用いて、アルカリ土類金属ケイ酸塩の鉱石、この場合には主として蛇紋石を活性化するための方法が示される。 鉱石が抽出される鉱山又は採石場（１）、連結した燃焼、ガス化、改質又は発電プラント（その二酸化炭素排出物が隔離されることになる）（２）及び本発明の方法論によって設計された鉱物炭酸化プラント（５）に入る前記二酸化炭素を含む流れ（３）が示される。 蛇紋石は、微粉砕回路（６）内で２００μｍ未満の粒径まで粉砕されて、活性化のために一連の熱交換器に供給される。 任意の第一の熱交換器（７）は、炭酸化反応器（８）を１２０〜１５０℃の温度に維持することで生じた熱を用いて、前記反応器内の発熱炭酸化反応から熱を取り出す。 任意の第二の熱交換器（９）は、連結した燃焼、ガス化、改質又は発電プラント（２）内の利用可能な低級熱源（４）から出た低級熱を利用し、この場合には、さらに蛇紋石の温度を約３００℃に上げる。 最終的な及び必須の熱交換器（１０）は、炭化水素燃料を燃料とする炉、窯又は類似の燃焼チャンバを含み、温度を約５８０〜８００℃に上げながら、鉱石を直接熱活性化する。 加熱容器（１０）は、熱効率を高める２段向流塔炉である。 所望により、それは鉱石の流動床を利用してよい。 活性化された鉱石は、炭酸化反応容器（８）に入る前に弱酸、及び／又は塩及び／又は重炭酸ナトリウム並びに所望により、アルコール及び／又はグリコール若しくはグリセロール溶媒を含む追加溶媒（１３）と混ぜられて二酸化炭素をより混和性にする前に、弱酸を含む水性溶媒流（１１）と混ぜられて、さらに湿式粉砕工程（１２）で７５μｍ未満の粒径まで微粉砕される。 二酸化炭素含有流（３）は、炭化水素を燃料とする炉、窯（１０）からの二酸化炭素と混ぜられて、前記炭酸化反応容器（８）に入る前に、コンプレッサー（１４）によって、液状に又は１５０ｂａｒを超える圧力に圧縮される。 炭酸化反応容器（８）は、機械的手段又は流動誘起のいずれかによって、撹拌及び磨砕を有利に用いてよい。 固体の炭酸塩及びシリカ残留物（１５）は、最終処分のために元の鉱山又は採石場（１）に戻され、回収溶媒（１６）は本方法に再利用される。

図５は、本発明の別の汎用フローダイヤグラムを示し、この場合には、図２で説明されたものと類似の工程が適合し、ここで特に明記しない限り、図２に関して番号付けされた構成要素を含む。 この実施例では、連結した燃焼、ガス化、改質又は発電プラント（２）は、２０〜１００％の再生可能バイオマス（１７）を利用して、大気から二酸化炭素を最終的に除去するための全体的な方法を得る。 この実施例では、加熱容器（１０）は、同様に主として再生可能バイオマス（１８）から生じた炭化水素燃料を燃焼して温度を約５８０〜８００℃に上げながら鉱石を直接熱活性化する燃料の炉、窯又は類似の燃焼チャンバを含み、また酸素の豊富な供給流（１９）で稼動して、鉱物炭酸化プラント（５）中に戻される二酸化炭素及び水蒸気を主として含む燃焼排ガス流（２０）を供給する。

図６は、図１で説明されたものと類似する本発明の別の汎用フローダイヤグラムを示し、ここで明記しない限り、図１に関して番号付けされた構成要素を含む。 この実施例では、加熱容器（１０）は、機械的な撹拌及び磨砕を行なう粉砕媒体（１５）を備えた回転窯を含むが、同時に炭化水素燃料の燃焼によりその温度を約５８０〜８００℃に上げることで鉱石を熱活性化する。 この加熱容器（１０）は、所望により及び有利に２０〜１００％の再生可能バイオマス（１６）を含む燃料を供給され、また所望により、酸素の豊富な供給流（１７）で稼動して、鉱物炭酸化プラント（５）に戻される二酸化炭素及び水蒸気を主として含む燃焼排ガス流（１８）を提供してもよい。

図７は本発明の別の汎用フローダイヤグラムを示す。 この実施例では、その方法は、図２に示されたものと類似し、図４に示した幾つかの要素も包含する。 ここで特に明記しない限り、この実施例では、加熱容器（１０）は機械的な撹拌及び磨砕を行なう粉砕媒体（１５）を備えた回転窯を含むが、同時に炭化水素燃料の燃焼により温度を約５８０〜８００℃に上げて鉱石を熱活性化することを除いて、構成要素は図２に関して番号付けされたものである。 この加熱容器（１０）は、所望により及び有利に２０〜１００％の再生可能バイオマス（１７）を含む燃料を供給され、また所望により、酸素の豊富な供給流（１８）で稼動して、鉱物炭酸化プラント（５）に戻される二酸化炭素及び水蒸気を主として含む燃焼排ガス流（１９）を提供してよい。 活性化された鉱石は、炭酸化反応容器（８）に入る前にアルコール及び／又はグリコール若しくはグリセロール溶媒を含む追加溶媒（１３）と混ぜられて二酸化炭素をより混和性にする前に、弱酸を含む水性溶媒流（１１）と混ぜられて、さらに湿式粉砕工程（１２）で７５μｍ未満の粒径まで微粉砕される。 炭酸化反応容器（８）は、機械的手段又は流動誘起のいずれかによって、撹拌及び磨砕を有利に用いてよい。 二酸化炭素含有流（３）は、炭化水素燃料を燃料とする炉、窯（１０）からの二酸化炭素と混ぜられて、前記炭酸化反応容器（８）に入る前に、コンプレッサー（１４）によって、液状に又は１５０ｂａｒを超える圧力に圧縮される。 固体の炭酸塩及びシリカ残留物（１５）は最終処分のために元の鉱山又は採石場（１）に戻され、回収溶媒（１６）は本方法に再利用される。

図８は、本発明の特定の実施形態の別のフローダイヤグラムを示す。 この実施例では、鉱物炭酸化プラント（５）は図５に示されたものと類似するが、この場合には、それは、大気から二酸化炭素を隔離するのに使われる。 二酸化炭素（４）を濃縮し、それを流れ（３）として鉱物炭酸化プラント（その詳細は図５のものと類似する）（５）に供給し、かつ特に明記しない限り図５に関して番号付けされた構成要素を含む業界標準の捕捉プラント（２）内で、二酸化炭素は大気から取り出される。

図９は、本発明の特定の実施形態の別のフローダイヤグラムを示す。 本発明の方法論を用いて、アルカリ土類金属ケイ酸塩の鉱石、この場合には主として蛇紋石を活性化する方法と希釈流から又は周囲条件下で二酸化炭素を隔離するための活性化された鉱石の使用が示される。 鉱石が抽出される鉱山又は採石場（１）、本発明の方法論によって設計された鉱石の入る鉱物炭酸化調製プラント（２）が示される。 蛇紋石は、微粉砕回路（３）で２００μｍ未満の粒径まで粉砕され、そして炭化水素を燃料とする炉、窯又は類似の燃焼チャンバを含む加熱容器（４）に供給されて温度を約５８０〜８００℃に上げながら鉱石を直接熱活性化する。 ここで示された加熱容器は、内面研削媒体（５）を含む回転窯であるが、所望により、熱効率を高める多段向流塔炉でよい。 所望により、それは鉱石の流動床を使用してよい。 活性化された鉱石は、水と弱酸、及び／又は塩及び／又は重炭酸ナトリウムの混合物を含む水性溶媒流（７）と混ぜられて、さらに湿式粉砕工程（８）で７５μｍ未満の粒径まで微粉砕される。 次に、活性化された鉱石は、炭酸化区間（９）内の希釈二酸化炭素流に曝されて、二酸化炭素を鉱物の炭酸塩に転化する。 そのような炭酸塩を定期的に炭酸化区間から取り出し、未反応の活性化された鉱石を更なる二酸化炭素に曝してよい。 炭酸化区間は、そのような二酸化炭素への曝露並びに反応した炭酸塩の除去を行なえるように具体的に設計された容器を含んでよく、或いは、巨大な開放地、スラリーダム、ストックパイル若しくは類似の通気構造体又は堆積浸出配列を代わりに含み、活性化された鉱物を二酸化炭素に曝露してよい。 この炭酸化区間には追加溶媒又は水の追加が必要になる場合もある。 反応した炭酸塩と残存ケイ酸塩（１０）は、廃棄のために、鉱山又は採石場（１）に戻してよい。 炭酸化区間（９）は、それ自体で鉱山又は採石場（１）内に位置してよい。

図１０は、図９と類似する本発明の別の汎用フローダイヤグラムを示す。 容器、開放地、スラリーダム、ストックパイル又は類似の通気構造体若しくは堆積浸出配列の上にスプレーの装置又はフロー分配器（１２）を加え、スプレー水溶液（１１）がカルボニックアンヒドラーゼなどの酵素触媒を含み、炭酸の形成を促進してよいことを除いて、全構成要素は図９に示したものと一致する。 これらの流れは再利用される（１３）。

当業者には明らかであろうが、本明細書で説明された特定の実施形態及び実施例に限定されることのない本発明の範囲から外れることなく、様々な改良、省略又は追加を行なってよい。 当然のことながら、本発明は、その理念及び範囲に入る全ての変化及び改良を包含する。 本発明は、この明細書で、個々に又はまとめて、参照された又は示された全ての工程、要素、組成及び化合物並びに任意の２個以上の前記工程又は要素のいずれか及び全ての組み合わせも含む。

この明細書及び特許請求の範囲を通じて、文脈上他の意味に解すべき場合を除き、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」並びに「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの変化は、規定された数若しくは工程又は数若しくは工程の群を包含するが、任意の他の数若しくは工程又は数若しくは工程の群を除外するものではないと解される。

この明細書中の任意の先行技術への言及は、先行技術が本願の出願される国の技術常識の一部を形成するという確認又は提案の任意の形式として受け取られるものではないし、そのように受け取られるべきではない。