[发明专利]将烟气汞隔离在混凝土中的组合物和方法

说明书

相关申请的交叉引用 

本申请要求于2006年11月22日提交的名称为“将烟气汞隔离在混凝土中的组合物和方法(Compositions and methods to sequester flue gas mercury inconcrete)”的美国临时申请号60/860,563的优先权，由此将其通过参考引入，如同完全引入此处一样。 

关于联邦政府资助的研究或开发的声明 

本申请是在美国政府以美国国家科学基金授予号DMI-0232735和DMI-0349752(U.S.National Science Foundation Award Numbers DMI-0232735和DMI-0349752)授予的合作协议的支持下作出的。美国政府可以拥有对本发明的一定权力。 

背景技术

本发明涉及用于胶接性应用或凝硬性应用的新型组合物。更特别地，本发明涉及包含被碳汞吸附剂隔离在混凝土内的、从煤燃烧烟气中捕获的汞的胶接性组合物或凝硬性组合物，当经过冷冻-解冻循环时该混凝土将不会破裂和碎裂。本发明还涉及用于制备在该胶接性组合物内的含碳的汞吸附剂的方法和用于由该组合物制备硬化的加气结构的方法。 

煤燃烧产生的飞灰通常用作混凝土和灰泥中水泥的部分替代物。由煤燃烧的排出气体包含汞。这种污染物可以通过注射到烟气流中并在颗粒去除装置中和飞灰一起被收集的粉末活性碳(PAC)吸附。例如，本发明人之一的美国专利号6,953,494提供了制备用于汞吸附的溴化PAC，该专利的内容引入本文作为参考。然而，当用于汞排放控制的现有PAC吸附剂与来自燃煤发电厂的飞灰混合时，该飞灰不再作为混凝土内水泥的替代物被销售用于其最高价值的应用。这是因为用于捕获汞的高吸附性PAC也吸附了随后添加到混凝土浆液中 用于产生混凝土可操作性和冷冻-解冻性能所需的气泡的加气混合物(AEA)化学物。 

美国发电厂产生的超过20％的飞灰(每年超过1500万吨)目前销售用于混凝土和灰泥应用，而不是丢弃在填埋场。正在进行努力以提高这一数量。这种飞灰代替了混凝土或灰泥混合物中的一部分制造昂贵的波特兰水泥。这种混凝土大部分用于道路建筑和远离人体接触的结构中。 

使用飞灰代替混凝土中的一部分水泥的经济利益包括从飞灰销售中提高了收入、降低了飞灰处理的成本、以及使用飞灰代替更昂贵的水泥而导致的成本节约。混凝土性能利益包括耐化学浸蚀性的提高、强度的提高和可操作性的改进。环境利益包括温室气体排放的降低、地下处置的减少和原始资源利用的减少。如果飞灰组合物包含超过最小含量的现有技术汞吸附剂，所有这些利益都丧失了。这是双倍不利的，因为不仅必须将飞灰处理掉，而不是有利地利用，而且丧失了通过将其封闭在混凝土中将汞进行物理和化学隔离而不使其释放以及与环境相互作用的机会。 

在2005年，美国环保部颁布了其清洁空气汞量规定(Clean Air MercuryRule)，首次要求燃煤发电厂降低其汞排放。而且，多个州已经要求更迅速和更高的汞降低水平。例如伊利诺斯州具有约50个大型煤燃烧动力锅炉，已经有效要求2009年中汞降低90％。宾夕法尼亚州已经要求2010年开始去除80％。 

对于大部分这些燃煤发电厂，没有二氧化硫湿洗器的那些发电厂，满足新的汞排放降低要求的最廉价的主要候选技术是在装有现有的颗粒物控制装置之前将PAC注射到烟气中。然而，在该方法中，PAC和装置收集的飞灰混合。由于典型PAC的高表面积及其高吸附性能，即使用最少量与飞灰混合，该飞灰也不能再被用于混凝土。PAC吸附随后添加到该混凝土浆液中的加气混合物(AEA)化学物。这些表面活性剂产生了精确量的为生成混凝土可操作性和冷冻-解冻性能所要求的空气间隙所需要的气泡。对于另外可以销售其飞灰用于混凝土的发电厂，但现在必须将其处置掉，这将是大的经济损失。美国能源部及国家能源技术实验室(Department of Energy National Energy TechnologyLaboratory)分析指出这种有害的副产物影响将有效地将一些发电厂的汞降低成本增加四倍。 

水泥窑的汞排放也被逐渐被认识到是个问题。同样可以将PAC注射到这些排出的废气中，并在颗粒去除装置中将其收集，该颗粒去除装置将水泥窑粉尘从排出的废气中分离出来。然而，因为收集的水泥窑粉尘然后包含AEA吸附剂PAC，因此其不能再作为用于加气混凝土的水泥销售。 

现有技术包括了使碳汞吸附剂更加混凝土友好或者改进其汞性能的努力。