[发明专利]生产地质聚合物的方法

说明书

本发明涉及由油页岩和/或源自利用油页岩产油的矿物残渣生产地质聚合物的方法。

地质聚合物是无机的硅铝酸盐聚合物，它通过在高pH值和低温(室温)下缩聚而获得。利用碱性介质，Si(OH)₄和[Al(OH)₄]或低聚物最初从固体材料中释放出来。随后通过缩聚进行硬化，从而形成硅铝酸盐聚合物网络。这一网络由SiO₄和AlO₄四面体组成，其中各四面体通过四个角彼此相连。

地质聚合物可在建筑材料工业中用作粘结剂，以便降低水泥含量或者确保更快硬化。地质聚合物的进一步的优点包括耐化学性、耐温性、高的最终强度、高的密度和低的渗透性。

许多固体例如偏高岭土或粉煤灰可用作离析物(educts)。使用地质聚合物作为混凝土的替代粘结剂开启了新的建筑材料的可能性。其潜力主要在于下述事实：在生产经典水泥例如波特兰水泥的过程中，通过下述反应释放主要量的温室气体二氧化碳：CaCO₃→CaO+CO₂。

因此，地质聚合物代表了一种减少CO₂排放并抵销温室效应的替代粘结剂。

由于地质聚合物的性能取决于其组成，在实践中根据要求方向生产不同的地质聚合物。

US4472199例如公开了来自具有下述组成的硅铝酸盐类地质聚合物：氧化钾与氧化硅之比为0.3-0.38，氧化硅与氧化铝之比为4.0-4.2，水与氧化铝之比为14-20，和氧化钾与氧化铝之比为1.3-1.52。如此获得的地质聚合物显示出特别突出的结构，它具有离子交换性能，和因此可按照类似方式用作沸石或分子筛。

但由US4509985可知具有下述组成的聚合物：M₂O与氧化硅之比为0.2-0.36，氧化硅与氧化铝之比为3-4.12，水与M₂O之比为12-20，和M₂O与氧化铝之比为0.6-1.35，其中字母M可以代表氧化硅、氧化钾或者氧化钠和氧化钾的混合物中的一员。如此生产的固体材料的特征在于特定的早期高强度。

尽管在这两篇文献中所述聚合物通过添加碱性活化剂和水同时连续搅拌和在略微升高的温度下由不同硅酸盐的混合物生产，但DE69105958T2公开了一种使用硅粉尘的生产硅铝酸盐地质聚合物的方法。这些硅粉尘通过冷凝来自在非常高的温度下的电熔融的氧化硅蒸汽而获得，且具有无定形结构。

所有文献的共同之处在于将具有确定组成的矿物质用作离析物。但为了进一步改进生态平衡，使用作为其它方法的废产物获得的物质看起来是有利的。这一物质可以是油页岩。

油页岩是含沥青和/或低挥发性油的岩石，其中键合的有机组分含量基于沉积物可以是10-30%。油页岩特别可用作能源，且基于原料物质计具有介于4-8兆焦/kg的热值。

因此，本发明的目的是使用油页岩燃烧过程中留下的残渣生产地质聚合物。

这一目的的解决在于，燃烧油页岩和/或源自利用页岩产油的矿物残渣，和随后粉碎，之后使它们与碱性活化剂和水混合并固化。在根据本发明使用油页岩煅烧残渣的过程中，油页岩煅烧残渣起到矿物组分和活化剂两者的作用。在生产煅烧残渣过程中必然形成的氧化钙起到活化剂的作用。与以前的实践相反，希望在煅烧过程中使粗油页岩内包含的碳酸钙相对完全地脱碳，以便最大化氧化钙的产率。当随后添加水时，氧化钙(CaO)反应形成氢氧化钙(Ca(OH)₂)，而氢氧化钙本身又充当碱。按照这一方式，可减少生产地质聚合物必须的碱性活化剂的添加量和可以降低生产成本。

由于相当高的热值，因此在燃烧过程中释放大量的热，这些热可用于回收能量。与此同时，使用剩余的矿物残渣(特别是半焦炭，一种由油页岩不完全碳化得到的物质，且就组成和结构来说介于煤和沥青之间)作为地质聚合物离析物代表了这一废产物的合理利用。

根据本发明，为了允许替代大部分氢氧化钾碱性活化剂，油页岩内的钙含量为至少10%。

本发明的优选方面还提供在燃烧之前粉碎油页岩。为了能确保均匀燃烧，粉碎应当进行到<10mm、优选<5mm的平均粒度，优选例如±0.5mm的窄粒度范围。

根据本发明的进展，燃烧在850-1000℃下进行，其中特别有利的温度范围为900-950℃，因为从约900℃起包含在油页岩内的石灰石完全脱碳。

根据本发明的优选方面，为了避免不希望的副反应，原料在燃烧后冷却。冷却螺杆或流化床冷却器特别适用于这一目的。