ES3036165T3

ES3036165T3 - A mechanochemically carbonated clay, methods of its production and uses thereof

Info

Publication number: ES3036165T3
Application number: ES24184085T
Authority: ES
Inventors: Apoorva Sinha
Original assignee: Carbon Upcycling Technologies Inc
Current assignee: Carbon Upcycling Technologies Inc
Priority date: 2022-08-17
Filing date: 2022-08-17
Publication date: 2025-09-15
Anticipated expiration: 2042-08-17
Also published as: EP4324802A1; EP4324802C0; WO2024038385A1; EP4324802B1; PL4324802T3; EP4410759C0; EP4410759A3; PL4410759T3; EP4410759B1; EP4410759A2; ES2987361T3

Abstract

La presente invención se refiere a una arcilla mecanoquímicamente carbonatada con una superficie específica inferior a 50 m2/g. La invención también se refiere a métodos para su producción y sus usos. La invención también se refiere a composiciones que comprenden la arcilla mecanoquímicamente carbonatada y un material adicional seleccionado del grupo que consiste en asfalto, cemento, polímeros y combinaciones de los mismos. La invención también se refiere al hormigón y a sus métodos de preparación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Arcilla carbonatada mecanoquímicamente, métodos para su producción y usos de la misma

Campo de la invención

[0001] La presente invención se refiere a una arcilla carbonatada mecanoquímicamente. La invención se refiere, además, a métodos para su producción y usos de la misma. La invención se refiere, además, a composiciones que comprenden la arcilla carbonatada mecanoquímicamente y un material adicional seleccionado del grupo que consiste en asfalto, cemento, geopolímeros, polímeros y combinaciones de los mismos. La invención se refiere, además, al hormigón y a sus métodos de preparación.

Estado de la técnica

[0002] El hormigón es un material compuesto, que comprende una matriz de agregado (normalmente un material rocoso) y un aglutinante (normalmente cemento Portland o asfalto), que mantiene la matriz unida. El hormigón es uno de los materiales de construcción más utilizados y se considera el segundo material más utilizado en la Tierra, después del agua.

[0003] Para reducir el coste del hormigón y las emisiones de CO2 generadas por la producción mundial de cemento, se han dedicado numerosos esfuerzos de investigación a la identificación de materiales económicos que puedan utilizarse como relleno o aglutinante alternativo para sustituir el componente aglutinante sin afectar (negativamente) a las propiedades del hormigón. Dichos materiales cementantes secundarios son un área de amplio interés en la industria.

[0004] Un ejemplo de un relleno de cemento ampliamente utilizado es la piedra caliza. Una descripción general completa de los rellenos en materiales cementantes se puede encontrar en Juan, Vanderley M.,et al."Fillers in cementitious materials-Experience, recent advances and future potential". Cement and Concrete Research 114 (2018): 65-78.

[0005] La producción de cemento Portland contribuye a aproximadamente el 8 % de las emisiones mundiales de dióxido de carbono. Según Vanderleyet al.,las estrategias tradicionales de mitigación de las emisiones de CO2 en la industria del cemento no son suficientes para asegurar la mitigación necesaria en un escenario de creciente demanda de cemento. Actualmente, la producción de cemento está aumentando debido a la creciente urbanización y la sustitución de infraestructura obsoleta. Por lo tanto, la adopción de sistemas costosos y con riesgos ambientales de captura y almacenamiento de carbono (CAC) se ha considerado una solución inevitable para los líderes de la industria del cemento.

[0006] Por lo tanto, sigue existiendo la necesidad de desarrollar una tecnología de relleno asequible que combine la reducción de emisiones de CO2 lograda mediante la reducción de la producción de cemento y la reducción de emisiones de CO2 lograda mediante la tecnología de captura de carbono, y que no afecte negativamente a las propiedades del hormigón.

[0007] El documento US 2012/0055376 A1 describe la reducción de las emisiones de CO2 del hormigón mediante la sustitución parcial del cemento por un material cementante complementario compuesto por una arcilla calcinada y material de carbonato molido.

[0008] Un objeto de la presente invención es proporcionar rellenos mejorados para cemento, geopolímero o aglutinante asfáltico.

[0009] Otro objeto de la presente invención es proporcionar rellenos mejorados para cemento, geopolímero o aglutinante asfáltico que sean de bajo coste de producción.

[0010] Otro objeto de la presente invención es proporcionar rellenos mejorados para cemento, geopolímero o aglutinante asfáltico que sean producidos usando tecnología de captura de CO2.

[0011] Otro objeto de la presente invención es proporcionar rellenos mejorados para cemento, geopolímero o aglutinante asfáltico que mejoren las propiedades del hormigón resultante, como la resistencia a la compresión, el índice de actividad de resistencia y/o la demanda de agua.

Resumen de la invención

[0012] En un primer aspecto, la presente invención proporciona una arcilla carbonatada mecanoquímicamente que tiene una superficie específica inferior a 50 m2/g.

[0013] En otro aspecto, la invención proporciona un método para producir una arcilla carbonatada mecanoquímicamente, donde dicho método comprende los pasos de:

a) proporcionar una materia prima que comprende o consiste en un precursor de arcilla;

b) proporcionar un gas que comprende CO2;

c) introducir dicha materia prima y dicho gas en una unidad de agitación mecánica; y

d) someter el material de dicha materia prima a una operación de agitación mecánica en presencia de dicho gas en dicha unidad de agitación mecánica.

[0014] Este método se puede aplicar a diversos tipos de precursores de arcilla, lo que da como resultado ventajoso una arcilla carbonatada mecanoquímicamente única.

[0015] En otro aspecto, la invención proporciona una arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenible mediante el método para producir la arcilla carbonatada mecanoquímicamente descrita en este documento.

[0016] Como se mostrará en los ejemplos adjuntos, se observó que, cuando se utilizan dichas arcillas carbonatadas mecanoquímicamente descritas en este documento como relleno en cemento, la resistencia a la compresión del hormigón resultante aumenta sorprendentemente superando los valores obtenidos con arcillas no carbonatadas y, en particular, considerablemente los del cemento Portland puro. En particular, el tiempo de fraguado para el desarrollo de la resistencia se mejora considerablemente (se acorta) en comparación con el uso de arcilla no carbonatada mecanoquímicamente como relleno. Además, se puede utilizar una cantidad mucho mayor de esta arcilla carbonatada mecanoquímicamente como relleno, por lo que se obtienen propiedades del hormigón aceptables o incluso mejoradas.

[0017] Además, se observó un aumento considerable de la durabilidad del hormigón producido usando dicha arcilla carbonatada mecanoquímicamente. Sin pretender limitarse a ninguna teoría, los presentes inventores creen que esto se debe a una mejor hidratación a microescala y submicroescala, una menor permeabilidad al cloruro, una menor porosidad del hormigón y/o la pasivación de la cal libre. Además, el aumento de contenido de oxígeno en comparación con los precursores o las materias primas sin tratar puede dar como resultado una mejor dispersión en disolventes polares, y una mejor compatibilidad con materiales que tienen grupos funcionales epoxi o carboxilo.

[0018] Además, como se muestra en los ejemplos adjuntos, la demanda de agua es menor en comparación con el cemento puro, así como en comparación con el cemento relleno de arcilla no carbonatada. Esto resulta particularmente sorprendente considerando el menor tamaño de partícula de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente en comparación con la arcilla no carbonatada. Un tamaño de partícula reducido generalmente está asociado con una mayor demanda de agua. Esta menor demanda de agua en comparación con las materias primas sin tratar o el cemento puro puede contribuir a mejorar propiedades, como la maleabilidad, la resistencia de compresión, la permeabilidad, la impermeabilidad, la durabilidad, la resistencia a la intemperie, la contracción por secado y el potencial de agrietamiento. Por estas razones, limitar y controlar la cantidad de agua en el hormigón es importante tanto para la constructibilidad como para la vida útil. Por lo tanto, la presente invención permite un mejor control de la demanda de agua. Sin pretender limitarse a ninguna teoría, se cree que el proceso mecanoquímico de la invención puede dar como resultado un aumento del contenido amorfo al analizarse mediante XRD, donde al menos algunos dominios cristalinos que pueden estar presentes en una materia prima se mantienen mediante una arquitectura interna en forma de microcristalinidad, que persiste en una estructura desordenada más generalizada. Esta macroestructura desordenada promueve, por tanto, una mayor reactividad y mejora la hidratación del cemento.

[0019] Además, la producción de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente se basa en una plataforma tecnológica económica de captura de CO2, capaz de operar con corrientes de CO2 diluidas, como, por ejemplo, directamente en las emisiones de una fuente puntual de una planta de combustión, de modo que se obtiene un relleno que se puede producir de manera económicamente viable y que combina tanto la reducción de emisiones de CO2 lograda mediante la reducción de la producción de cemento como la reducción de emisiones de CO2 lograda mediante el secuestro de CO2. Por lo tanto, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente de la presente invención, en particular la arcilla carbonatada mecanoquímicamente de la invención, constituye un excelente relleno para diversas aplicaciones combinando propiedades mecánicas distintivas con una tecnología de captura de CO2 rentable.

[0020] En otro aspecto, la invención proporciona una composición que comprende una arcilla carbonatada mecanoquímicamente, como se describe en este caso, y un material adicional seleccionado del grupo que consiste en asfalto, geopolímeros, cemento, polímeros y combinaciones de los mismos.

[0021] En otro aspecto, la invención proporciona un método para preparar una composición, como se describe en este caso, donde dicho método comprende los siguientes pasos:

(i) proporcionar una arcilla carbonatada mecanoquímicamente, como se describe en este caso;

(ii) proporcionar un material adicional seleccionado del grupo que consiste en asfalto, geopolímeros, cemento, polímeros y combinaciones de los mismos; y

(iii) combinar la arcilla carbonatada mecanoquímicamente del paso (i) con el material del paso (ii).

[0022] En otro aspecto, la invención proporciona un método para preparar hormigón o mortero, donde dicho método comprende los siguientes pasos:

(i) proporcionar una arcilla carbonatada mecanoquímicamente, como se describe en este caso, y un material adicional que se selecciona del grupo que consiste en asfalto, cemento, geopolímeros, y combinaciones de los mismos, opcionalmente en la forma de la composición, como se describe en este caso, donde el material adicional se selecciona del grupo que consiste en asfalto, cemento, geopolímeros y combinaciones de los mismos;

(ii) proporcionar un agregado de construcción; y

(iii) poner en contacto, preferiblemente mezclar, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente y el material adicional del paso (i) con el agregado de construcción del paso (ii) y opcionalmente agua.

[0023] En otro aspecto, la invención proporciona hormigón o mortero obtenible mediante un método para preparar hormigón descrito en el presente documento.

[0024] En otro aspecto, la invención proporciona el uso de una arcilla carbonatada mecanoquímicamente, como se describe en este caso:

• como relleno, preferiblemente como relleno en un material seleccionado del grupo que consiste en asfalto, geopolímero, cemento, mortero, polímeros y combinaciones de los mismos;

• como sustitución parcial del asfalto, geopolímero o cemento en el hormigón o mortero;

• para aumentar la resistencia a la compresión del hormigón o mortero;

• para mejorar la durabilidad del hormigón o mortero;

• para mejorar la durabilidad del hormigón o mortero al reducir la permeabilidad y/o porosidad a los cloruros;

• para mejorar el índice de actividad de resistencia del hormigón o mortero; y/o

• para reducir la demanda de agua del hormigón o mortero,

preferiblemente,

• para mejorar simultáneamente el índice de actividad de resistencia del hormigón y reducir la demanda de agua del hormigón; o

• para mejorar simultáneamente el índice de actividad de resistencia del mortero y reducir la demanda de agua del mortero.

Descripción de formas de realización

[0025] El verbo "comprender" y variaciones del mismo, como "comprende" y "que comprende(n)", como se utilizan en este documento, deberían interpretarse en un sentido amplio e inclusivo, lo que significa que la forma de realización descrita incluye las características mencionadas, pero no excluye la presencia de otras características, siempre que no hagan la forma de realización inviable.

[0026] Las expresiones "una forma de realización, "una forma de realización particular", etc., como se utilizan en este documento, deberían interpretarse como que una característica, estructura o un rasgo particulares descritos en relación con la forma de realización se incluye en al menos una forma de realización. Por lo tanto, los aspectos de dichas expresiones en varias posiciones a lo largo de esta especificación no se refieren necesariamente a la misma forma de realización. Además, las características, estructuras o los rasgos particulares pueden combinarse de cualquier manera adecuada en una o más formas de realización. Por ejemplo, ciertas características de la divulgación que se describen en el presente documento en el contexto de formas de realización separadas también se contemplan explícitamente en combinación en una única forma de realización.

[0027] Las formas singulares "un" o "una" y "el" o "la", como se utilizan en este documento, deberían interpretarse como que incluyen los referentes plurales, a menos que el contenido indique claramente lo contrario. También debería observarse que el término "o" se emplea generalmente en su sentido más amplio, es decir, como "y/o", a menos que el contenido indique claramente lo contrario.

[0028] Siempre que se haga referencia a un compuesto que sea una sal en este documento, se entenderá que incluye la forma anhidra, así como cualquier solvato (en particular, los hidratos) de dicho compuesto.

[0029] Los términos "precursor de arcilla" y "arcilla", tal y como se utilizan en este documento, deberían interpretarse como un material sólido que comprende al menos un 50 % en peso de filosilicatos de aluminio hidratados, preferiblemente al menos un 75 % en peso de filosilicatos de aluminio hidratados, más preferiblemente al menos un 90 % en peso de filosilicatos de aluminio hidratados. Los filosilicatos de aluminio hidratados se seleccionan preferiblemente del grupo del caolín, el grupo de la esmectita, el grupo de la vermiculita o mezclas de estos. La arcilla puede ser calcinada o no.

[0030] El término "arcilla carbonatada mecanoquímicamente" se utiliza en este caso para referirse a una arcilla que se puede obtener mediante el método de carbonatación mecanoquímica de la presente invención.

[0031] Según la invención, la superficie BET, como se menciona en este caso, se determina a una temperatura de 77 K usando una masa de muestra de 0,1-0,5g. La superficie BET, como se menciona en este caso, se determina usando nitrógeno. Un método de análisis preferido para determinar la superficie BET comprende el calentamiento de las muestras a 400 °C durante un ciclo de desorción del análisis de la superficie. Un aparato de análisis adecuado y, por lo tanto, preferido para determinar la superficie BET es un analizador de superficies Micromeritic Géminis VII 2390, equipado preferiblemente con una unidad de desgasificación de gas circulante Micromeritic FlowPrep 060.

[0032] El término TGA, como se utiliza en este documento, se refiere al análisis termogravimétrico, una técnica conocida por el experto en la materia. Una configuración preferida de TGA para determinar el contenido de CO2 de las materias primas y los materiales carbonatados en el contexto de la presente invención es una balanza de doble cámara Setaram TAG 16 TGA/DSC que emplea una muestra de 0,1-2 mg. Según la invención, el TGA se realiza en una atmósfera inerte, como nitrógeno o argón.

[0033] Según la invención, las características de la distribución del tamaño de partícula mencionadas en este caso, como D10, D50 y D90, así como la superficie específica (a menos que se indique explícitamente que es la superficie BET), se determinan midiendo con un analizador de tamaño de partícula por dispersión de luz láser que utiliza la teoría de dispersión de luz de Fraunhofer, como el analizador de tamaño de partícula láser Brookhaven, modelo Microbrook 2000LD u otro instrumento de igual o mayor sensibilidad, y comunicando los datos utilizando un modelo de esfera equivalente en volumen. Como es sabido por el experto en la materia, el D50 es el diámetro medio másico, es decir, el diámetro en el que el 50 % de la masa de una muestra está compuesta por partículas más pequeñas. De manera similar, D10 y D90 representan el diámetro en el que el 10 o 90 % de la masa de una muestra está compuesta por partículas más pequeñas.

[0034] El contenido de carbono Total (CT), denominado en este caso, se determina preferiblemente según el método descrito enSoil Sampling and Methods of Analysis,2.a edición, CRC Press (2008), pág. 244 y posteriores, que se incorporan al presente documento por referencia. El contenido de carbono total (CT) se expresa siempre en este documento como % en peso, con respecto al peso total de la composición medida, es decir, con respecto al peso total del precursor de arcilla, o con respecto al peso total de la arcilla carbonatada.

[0035] Según la invención, la resistencia a la compresión, el índice de actividad de resistencia y la demanda de agua, como se denominan en este caso de acuerdo con la norma ASTM C311/C311 M-22. Como será evidente para el experto en la materia, al realizar estas pruebas, se utilizó el precursor de arcilla o la arcilla carbonatada de la presente invención en vez de la "ceniza volante o puzolana natural" especificada por la norma.

[0036] A los efectos de la presente descripción, se asume la ley de los gases ideales, de modo que el % en volumen de un gas se considera igual al % en moles.

Arcilla carbonatada mecanoquímicamente

[0037] En un primer aspecto, la invención proporciona arcillas carbonatadas mecanoquímicamente que tienen una superficie específica inferior a 50 m2/g. La arcilla carbonatada mecanoquímicamente tiene preferiblemente un contenido de CO2 superior al 0,8 % en peso (con respecto al peso total de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente), preferiblemente superior al 1 % en peso con respecto al peso total de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente), más preferiblemente más del 1,5 % en peso (con respecto al peso total de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente), donde el contenido de CO2 se determina como la pérdida de masa por encima de 450 °C, medida mediante TGA, utilizando una trayectoria de temperatura donde la temperatura se incrementó desde temperatura ambiente hasta 800 °C a una velocidad de 10 °C/min.

[0038] En formas de realización preferidas, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente reúne los requisitos de resistencia establecidos en la norma ASTM C618-12a (2012).

[0039] En formas de realización preferidas de la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente tiene una superficie específica de al menos 0,6 m2/g, preferiblemente de al menos 0,7 m2/g, más preferiblemente de al menos 0,8 m2/g.

[0040] En formas de realización preferidas de la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente tiene una superficie específica inferior a 50 m2/g, preferiblemente inferior a 30 m2/g, más preferiblemente inferior a 15 m2/g. Por ejemplo, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente tiene una superficie específica de como máximo 50 m2/g, de como máximo 48 m2/g, de como máximo 46 m2/g, de como máximo 44 m2/g, de como máximo 42 m2/g, de como máximo 40 m2/g, de como máximo 38 m2/g, de como máximo 36 m2/g, de como máximo 34 m2/g, de como máximo 32 m2/g, de como máximo 30 m2/g, de como máximo 28 m2/g, de como máximo 26 m2/g, de como máximo 24 m2/g, de como máximo 22 m2/g, de como máximo 20 m2/g, de como máximo 18 m2/g, de como máximo 16 m2/g, de como máximo 15 m2/g, de de como máximo 12 m2/g, de como máximo 10 m2/g, de como máximo 8 m2/g, de como máximo 6 m2/g, de como máximo 4 m2/g, de como máximo 2 m2/g, etc.

[0041] En formas de realización muy preferidas de la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente tiene una superficie específica inferior a 5 m2/g, preferiblemente inferior a 3 m2/g, más preferiblemente inferior a 2 m2/g. Por ejemplo, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente tiene una superficie específica inferior a 5,0 m2/g, inferior a 4,5 m2/g, inferior a 4,0 m2/g, inferior a 3,5 m2/g, inferior a 3,0 m2/g, inferior a 2,5 m2/g, inferior a 2,0 m2/g, inferior a 1,5 m2/g, etc.

[0042] Los inventores han observado que una arcilla carbonatada mecanoquímicamente que tiene una superficie específica dentro de los rangos especificados en este documento tiene propiedades particulares en cuanto a rendimiento, manejo, etc., en comparación con precursores sin tratar o incluso materiales carbonatados con otras superficies. Por lo tanto, según formas de realización muy preferidas de la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente tiene una superficie específica en una región definida de acuerdo con los límites superior e inferior descritos en este documento, como una superficie específica en el rango de 0,3-50 m2/g, preferiblemente de 0,3-30 m2/g, más preferiblemente de 0,3-10 m2/g; una superficie específica en el rango de 0,4-50 m2/g, preferiblemente de 0,4-30 m2/g, más preferiblemente de 0,4-10 m2/g; una superficie específica en el rango de 0,5-50 m2/g, preferiblemente de 0,5-30 m2/g, más preferiblemente de 0,5-10 m2/g; una superficie específica en el rango de 0,3-5,0 m2/g, preferiblemente de 0,3-3,0 m2/g, más preferiblemente de 0,3-2,0 m2/g; una superficie específica en el rango de 0,4-5,0 m2/g, preferiblemente de 0,4-3,0 m2/g, más preferiblemente de 0,4-2,0 m2/g; una superficie específica en el rango de 0,5-5,0 m2/g, preferiblemente de 0,5-3,0 m2/g, más preferiblemente de 0,5-2,0 m2/g, etc.

[0043] En formas de realización de la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente tiene una, dos o las tres, preferiblemente las tres, de las siguientes características:

• un D10 dentro del rango de 0,005-3 jm , preferiblemente de 0,01-2 jm, de la manera más preferible, de 0,1 1,4 |jm;

• un D50 dentro del rango de 0,1-30 jm , preferiblemente de 0,5-15 jm , de la manera más preferible, de 1-10 jm;

• un D90 dentro del rango de 0,5-100 jm , preferiblemente de 1-80 jm , de la manera más preferible, de 5-70 jm.

[0044] En formas de realización de la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente tiene un contenido de carbono total de al menos el 0,75 % en peso, preferiblemente de al menos el 0,85 % en peso, más preferiblemente de al menos el 0,9 % en peso. Los inventores han observado que una arcilla carbonatada mecanoquímicamente que tiene un contenido de carbono total de al menos el 1 % en peso, preferiblemente de al menos el 1,5 % en peso, más preferiblemente de al menos el 2 % en peso, proporciona resultados aún mejores. Por lo tanto, en formas de realización preferidas, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente tiene un contenido de carbono total de al menos el 1 % en peso, preferiblemente de al menos el 1,5 % en peso, más preferiblemente de al menos el 2 % en peso, por lo que proporciona resultados aún mejores.

[0045] Sin pretender limitarse a ninguna teoría, los presentes inventores creen que el aumento de la superficie específica logrado mediante el método de carbonatación mecanoquímica en seco de otro aspecto de la invención (que se describe en otro lugar del presente documento) está asociado con las propiedades beneficiosas observadas (como el excelente índice de actividad de resistencia y la menor demanda de agua). Por lo tanto, en formas de realización de la invención, se proporciona la arcilla carbonatada mecanoquímicamente descrita en este documento, que se puede obtener mediante la carbonatación concomitante y el aumento de la superficie específica de un precursor de arcilla, donde la relación entre la superficie específica de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente y la superficie específica del precursor de arcilla es de al menos 1,2:1, preferiblemente de al menos 1,4:1, más preferiblemente de al menos 1,6:1.

[0046] Sin pretender limitarse a ninguna teoría, los presentes inventores creen que el aumento de la superficie BET logrado mediante el método de carbonatación mecanoquímica en seco de otro aspecto de la invención (que se describe en otro lugar del presente documento) está asociado con las propiedades beneficiosas observadas (como el excelente índice de actividad de resistencia y la menor demanda de agua). Por lo tanto, en formas de realización de la invención, se proporciona la arcilla carbonatada mecanoquímicamente descrita en este documento, que se puede obtener mediante la carbonatación concomitante y el aumento de la superficie BET de un precursor de arcilla, donde la relación entre la superficie BET de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente y la superficie BET del precursor de arcilla es de al menos 2:1, preferiblemente de al menos 3:1, más preferiblemente de al menos 3,5:1.

[0047] Sin pretender limitarse a ninguna teoría, los presentes inventores creen que el aumento de la superficie BET logrado mediante el método de carbonatación mecanoquímica en seco de otro aspecto de la invención (que se describe en otro lugar del presente documento) se puede atribuir en gran medida a un aumento del número de poros, observado por una disminución del ancho promedio de poro y un aumento de la superficial total de los poros. Por lo tanto, en formas de realización de la invención, se proporciona la arcilla carbonatada mecanoquímicamente que se puede obtener mediante la carbonatación concomitante y el aumento de la superficie BET de un precursor de arcilla, donde la superficie acumulativa de desorción BJH de los poros de la arcilla mecanoquímicamente carbonatada es de al menos el 110 %, preferiblemente de al menos el 120 %, más preferiblemente de al menos el 150 %, de la superficie acumulativa de desorción BJH de los poros del precursor de arcilla, y el ancho promedio de poro por desorción (4V/A por BET) de la arcilla mecanoquímicamente carbonatada no es superior al 90 %, preferiblemente al 85 %, más preferiblemente al 80 %, del ancho promedio de poro por desorción (4V/A por BET) del precursor de arcilla.

[0048] Según la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente tiene normalmente un índice de actividad de resistencia (IAR) en el día 7 de al menos el 75 %, preferiblemente de al menos el 80 %. Los inventores han observado que el proceso mecanoquímico de la presente invención permite obtener arcilla carbonatada que tiene un excelente IAR en el día 7. Por lo tanto, en formas de realización preferidas, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente tiene un IAR en el día 7 de al menos el 105 %, preferiblemente de al menos el 110 % e incluso más preferiblemente de al menos el 125 %.

[0049] En formas de realización de la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente tiene un índice de actividad de resistencia (IAR) en el día 28 que es de al menos el 75 %, preferiblemente de al menos el 95 %, más preferiblemente de al menos el 100 %. Los inventores han observado que el proceso mecanoquímico de la presente invención permite obtener arcilla carbonatada con un excelente IAR en el día 28. Por lo tanto, en formas de realización preferidas, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente presenta un IAR en el día 28 de al menos el 110 %, preferiblemente al menos el 115 %, y aún más preferiblemente al menos el 125 %.

[0050] En formas de realización de la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente tiene una demanda de agua que es inferior al 97 %, preferiblemente inferior al 96 %, más preferiblemente inferior al 95 %. Los inventores han observado que el proceso mecanoquímico de la presente invención permite obtener arcilla carbonatada que tiene una demanda de agua extremadamente baja. Por lo tanto, en formas de realización preferidas, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente tiene una demanda de agua que es inferior al 93 %, preferiblemente inferior al 91 %.

Método para la producción de arcilla carbonatada mecanoquímicamente y arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenible mediante este método

[0051] Sin pretender limitarse a ninguna teoría, los presentes inventores creen que el método de carbonatación mecanoquímica en seco de la presente invención confiere propiedades únicas y deseables a la arcilla carbonatada que se puede obtener mediante este método. Por ejemplo, se cree que la superficie única y las propiedades porosas que se obtienen mediante el método de carbonatación mecanoquímica en seco de la presente invención son importantes para lograr el sorprendente rendimiento de los materiales, por ejemplo, en el hormigón.

[0052] En otro aspecto, la invención proporciona un método para producir una arcilla carbonatada mecanoquímicamente, donde dicho método comprende los siguientes pasos:

b) proporcionar un gas que comprende CO2;

c) introducir dicha materia prima sólida y dicho gas en una unidad de agitación mecánica; y

d) someter el material de dicha materia prima sólida a una operación de agitación mecánica en presencia de dicho gas en dicha unidad de agitación mecánica para obtener la arcilla carbonatada mecanoquímicamente.

Descripción del proceso

[0053] El término "materia prima" debe interpretarse como un material que consiste o que comprende un precursor de arcilla. La arcilla se puede mezclar con otros materiales para formar la materia prima (por ejemplo, como ocurre cuando se utiliza esquisto como materia prima) o puede consistir esencialmente en arcilla. El término "precursor" se utiliza para indicar la arcilla antes de someterla a la carbonatación mecanoquímica de la invención. Sin embargo, preferiblemente, la materia prima consiste esencialmente en un precursor de arcilla, ya que esto permite optimizar las condiciones del proceso para lograr las propiedades de arcilla carbonatada deseadas sin tener en cuenta las propiedades de otros materiales presentes en la materia prima.

[0054] Un experto en la materia, a la luz de la guía proporcionada en la presente divulgación, puede adaptar los parámetros relevantes del proceso para obtener una arcilla carbonatada mecanoquímicamente con las propiedades descritas en este documento.

[0055] El gas proporcionado en el paso (b) puede ser cualquier corriente de gas que contenga CO2, como aire normal, una corriente de gas residual con baja concentración de CO2 o corrientes de CO2 concentradas.

[0056] En formas de realización del método descrito en este documento, el gas proporcionado en el paso (b) es aire normal.

[0057] En formas de realización muy preferidas del método descrito en este documento, el gas proporcionado en el paso (b) es un gas de combustión, en particular un gas de combustión procedente de la combustión de combustibles fósiles, pellets de madera, biomasa o residuos urbanos. La combustión de combustibles fósiles puede ser de carbón, coque de petróleo, petróleo, gas natural, petróleo de esquisto bituminoso, betún, aceite de arenas bituminosas o petróleos pesados, o cualquier combinación de estos. Los gases de combustión pueden haber sido tratados opcionalmente para reducir el contenido de agua, SO2 y/o NO2.

[0058] La concentración de CO2 en el gas proporcionado en el paso (b) es preferiblemente de al menos el 0,1 % en volumen, más preferiblemente de al menos el 0,5 % en volumen. Las concentraciones típicas de CO2 en los gases de combustión se encuentran en el rango del 1 al 15 % en volumen, por ejemplo, del 2 al 10 % en volumen, por lo que se prefiere que el gas proporcionado en el paso (b) tenga una concentración de CO2 en el rango del 1 al 15 % en volumen, por ejemplo, del 2 al 10 % en volumen. En formas de realización alternativas de la invención, el gas proporcionado en el paso (b) comprende al menos un 80 % en volumen de CO2, preferiblemente al menos un 95 % en volumen de CO2. En algunas formas de realización de la invención, el gas proporcionado en el paso (b) comprende al menos un 80 % en volumen de CO2, preferiblemente al menos un 95 % en volumen de CO2, y menos de 1000 ppm (v/v) de CO2, preferiblemente menos de 100 ppm (v/v) de H2O. En algunas formas de realización, el gas proporcionado en el paso (b) comprende al menos un 0,1 % en volumen de CO2 y un 5-25 % en volumen de H2O. Por ejemplo, en el caso de los gases de combustión, el gas proporcionado en el paso (b) comprende preferiblemente CO2 en un rango del 1 al 15 % en volumen, por ejemplo, del 2 al 10 % en volumen, y H2O en un rango del 5 al 25 % en volumen, por ejemplo, del 15 al 20 % en volumen. El gas no suele estar en estado supercrítico, ya que esto no es necesario para el proceso de carbonatación mecanoquímica suave de la presente invención. Por lo tanto, en cualquier forma de realización de la invención, es muy preferible que el gas no esté en estado supercrítico.

[0059] En algunas formas de realización de la invención, el método descrito en este documento se proporciona con la condición de que la temperatura y la presión durante el paso (d) sean tales que la presión sea inferior a la presión de vapor saturado del agua a la temperatura en la unidad de agitación mecánica.

[0060] La expresión "en presencia de dicho gas" en el paso (d) debe interpretarse como que la atmósfera dentro de la unidad de agitación mecánica consiste esencialmente en el gas proporcionado en el paso (b) al iniciarse el paso (d). El experto en la materia comprenderá que la composición del gas cambiará a medida que avanza la reacción, a menos que el reactor (la unidad de agitación mecánica) se purgue o reabastezca continuamente.

[0061] En general, el paso (d) se puede realizar a presión atmosférica, por debajo de la presión atmosférica o por encima de la presión atmosférica. En general, se prefiere que el paso (d) se realice a presión atmosférica o por encima de ella. Por lo tanto, se prefiere que el paso (d) se realice a una presión de al menos aproximadamente 100 kPa (por ejemplo, de al menos 101,325 kPa). En formas de realización preferidas de la invención, el paso (d) se realiza a una presión superior a aproximadamente 300 kPa (por ejemplo, 303,975 kPa), preferiblemente superior a aproximadamente 600 kPa (por ejemplo, 607,95 kPa). En formas de realización alternativas de la invención, el paso (d) se realiza a presiones inferiores a aproximadamente 100 kPa (por ejemplo, al menos 101,325 kPa), como inferiores a 50 kPa o inferiores a 10 kPa. El experto en la materia comprenderá que (si no se mantiene activamente) la presión del gas cambiará a medida que avanza la reacción. En estas formas de realización, se debe entender que la presión dentro de la unidad de agitación mecánica es la especificada en este documento al iniciarse el paso (d). En algunas formas de realización, la presión dentro de la unidad de agitación mecánica es como se especifica en el presente documento a lo largo del paso (d).

[0062] En formas de realización muy preferidas del método descrito en este documento, para estimular la carbonatación, el paso (d) se realiza a una temperatura inferior a 150 °C, preferiblemente inferior a 100 °C, preferiblemente inferior a 90 °C, más preferiblemente inferior a 80 °C, de la manera más preferible, inferior a 75 °C. En formas de realización muy preferidas de la invención, el paso d) se realiza a una temperatura en el rango de 45-85 °C, preferiblemente de 55-70 °C. En formas de realización preferidas de la invención, no se aplica calentamiento activo y cualquier aumento de temperatura se atribuye a la fricción resultante de la agitación mecánica o a las reacciones exotérmicas que tienen lugar durante la carbonatación mecanoquímica. La temperatura se determina preferiblemente en el material sólido en el reactor (es decir, la unidad de agitación mecánica) durante el procesamiento.

[0063] El requisito de baja temperatura del presente proceso significa que no se requieren combustibles fósiles, y que se pueden utilizar medios de calentamiento eléctrico (o fuentes de combustibles verdes de bajo valor calórico) pueden suministrar calor en caso de que la fricción causada por la agitación mecánica sea insuficiente para alcanzar la temperatura deseada, por ejemplo, superior a 45 °C. De esta manera, se evita el uso de combustibles fósiles en toda la cadena de producción.

[0064] Como en cualquier proceso químico, el tiempo de reacción adecuado depende en gran medida del grado de carbonatación deseado, la superficie deseada, así como de la presión, la temperatura y agitación mecanoquímica aplicada y puede determinarse fácilmente mediante el muestreo regular del material y la monitorización del progreso de la reacción, por ejemplo, mediante análisis BET, análisis del tamaño de partícula y la determinación del carbono total, como se explica en este documento.

[0065] Los presentes inventores han descubierto, además, que los métodos de carbonatación mecanoquímica descritos en este documento pueden llevarse a cabo ventajosamente sin emplear agentes oxidantes adicionales, como ácidos. Por lo tanto, los métodos de carbonatación mecanoquímica descritos en este documento se realizan preferiblemente sin emplear un ácido fuerte, preferiblemente sin emplear ningún otro agente oxidante que no sea el gas proporcionado en el paso (b).

[0066] En formas de realización preferidas de la invención, la operación de agitación mecánica del paso (d) comprende triturar, moler, mezclar, remover (como remover a baja o remover a alta velocidad), cizallar (como cizallar a alto par), agitar, mezclar, pulverizar, espolvorear, prensar, desmenuzar, lecho fluidizado o ultrasonicación, preferiblemente triturar, moler, mezclar, remover (como remover a baja o remover a alta velocidad), cizallar (como cizallar a alto par) o ultrasonicar. Los presentes inventores han descubierto que el proceso de carbonatación mecanoquímica se facilita si la operación de agitación mecanoquímica del paso (d) se realiza en presencia de medios de trituración o molienda, preferiblemente bolas o microesferas. Un material preferido es el acero inoxidable o el óxido de aluminio. En dichas formas de realización muy preferidas de la invención, la operación de agitación mecánica puede consistir simplemente en rotar la unidad de agitación mecánica que contiene la materia prima sólida, los medios de trituración o molienda y el gas. Por ejemplo, los medios de trituración o molienda pueden estar hechos de acero (por ejemplo, AISI H13, H10 modificado), fundición blanca de cromo (por ejemplo, ASTM A532), acero al molibdeno (por ejemplo, AISI M2, M4, M-42), aceros a base de cromo (por ejemplo, H11, H12, H13 CPM V9, ZDP-189) u otros medios con una dureza HRC objetivo de 60. Dichos medios de trituración se pueden utilizar con o sin tratamientos superficiales, como la nitruración y la carburación. Esto se realiza fácilmente en un tambor rotatorio. Se entenderá que el producto obtenible mediante el proceso de la invención, cuando se realiza en un tambor giratorio, también se puede obtener utilizando técnicas de trituración o molienda alternativas conocidas por el experto en la materia.

[0067] En formas de realización preferidas de la invención, el paso (d) se realiza en presencia de un catalizador, preferiblemente un catalizador de óxido metálico, como un catalizador de óxido de metal de transición. Los ejemplos de catalizadores adecuados se seleccionan del grupo que consiste en óxidos de hierro, óxidos de cobalto, óxidos de rutenio, óxidos de titanio, óxidos de níquel, óxidos de aluminio y combinaciones de los mismos.

[0068] Por lo tanto, como se desprende de lo anterior, en formas de realización muy preferidas de la invención, el paso (d) comprende triturar, moler, mezclar, remover (como remover a baja o remover a alta velocidad), cizallar (como cizallar a alto par), agitar, mezclar, pulverizar, espolvorear, prensar, desmenuzar, un lecho fluidizado o ultrasonicación, preferiblemente triturar, moler, mezclar, remover (como remover a baja velocidad o remover a alta velocidad), cizallar (como cizallar a alto par) o ultrasonidos, en presencia de medios de trituración o molienda y un catalizador de óxido metálico.

[0069] Los presentes inventores han descubierto que, para mejorar la eficiencia de la carbonatación mecanoquímica (por ejemplo, tiempo de reacción, absorción de CO2 y reducción del tamaño de partícula), resulta ventajoso emplear medios, como se describe anteriormente, recubiertos con dicho catalizador de óxido metálico y/o emplear una unidad de agitación mecánica (o partes de la misma) recubierta(s) con dicho catalizador. Como se explica en otra parte del presente documento, la operación de agitación mecánica puede consistir simplemente en rotar la unidad de agitación mecánica que contiene la materia prima o el precursor de arcilla para la carbonatación mecanoquímica, los medios de trituración o molienda, el catalizador de óxido metálico y el gas. Esto se puede realizar fácilmente en un tambor giratorio.

[0070] Como se desprende de la presente descripción, el paso (d) es un proceso sustancialmente seco. Si bien puede haber algo de humedad, el paso (d) no se realiza en una solución o lechada acuosa. Los presentes inventores han descubierto que esto mejora considerablemente la eficiencia energética (ya que no es necesario eliminar agua posteriormente) y confiere propiedades únicas a las arcillas carbonatadas mecanoquímicamente resultantes, lo que da lugar a materiales que son sustancialmente diferentes de, por ejemplo, los materiales de carbonatación acuosa. Esto también se refleja en sus propiedades distintivas, por ejemplo, cuando se usan como relleno en hormigón. En formas de realización de la invención, la materia prima sólida tiene preferiblemente un contenido de humedad inferior al 30 % en peso (con respecto al peso total de la materia prima sólida), preferiblemente inferior al 20 % en peso.

[0071] En particular, los presentes inventores han descubierto que es importante que el paso (d) se lleve a cabo de forma que se alcancen ciertos grados de carbonatación, reducción de tamaño y/o aumento de la superficie durante el paso (d), es decir, durante la carbonatación combinada y la agitación mecánica. Esto da como resultado materiales considerablemente diferentes a los materiales que se molieron y posteriormente se carbonataron.

[0072] Por lo tanto, en formas de realización muy preferidas de la invención, se proporciona el método de la invención, donde la carbonatación, la reducción de tamaño y/o el aumento de la superficie se efectúan durante el paso (d), de manera que el método tiene una, dos o las tres, preferiblemente las tres, de las siguientes características:

• la relación entre el contenido de CO2 de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) y el contenido de CO2 del precursor de arcilla del paso (a) es de al menos 1,1:1, preferiblemente de al menos 1,15:1, más preferiblemente de al menos 1,2:1, donde el contenido de CO2 se determina como la pérdida de masa por encima de 450 °C, medida mediante TGA, utilizando una trayectoria de temperatura donde la temperatura se incrementó desde la temperatura ambiente hasta 800 °C a una velocidad de 10 °C/min;

• la relación entre el D50 de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) y el D50 del precursor de arcilla del paso (a) es inferior a 0,9:1, preferiblemente inferior a 0,85:1, más preferiblemente inferior a 0,8:1;

• la relación entre la superficie específica de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) y la superficie específica del precursor de arcilla del paso (a) es de al menos 1,15:1, preferiblemente de al menos 1,2:1, más preferiblemente de al menos 1,25:1.

[0073] Como se muestra en los ejemplos, ciertos materiales tienen características adicionales mejoradas de resistencia y/o demanda de agua. Por lo tanto, en algunas formas de realización particularmente preferidas de la invención, se proporciona el método de la invención, donde la carbonatación, la reducción de tamaño y/o el aumento de la superficie se llevan a cabo durante el paso (d), de manera que el método tiene una, dos o las tres, preferiblemente las tres, de las siguientes características:

• la relación entre el contenido de CO2 de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) y el contenido de CO2 del precursor de arcilla del paso (a) es de al menos 1,5:1, preferiblemente de al menos 1,75:1, más preferiblemente de al menos 2:1, donde el contenido de CO2 se determina como la pérdida de masa por encima de 450 °C, medida mediante TGA, utilizando una trayectoria de temperatura, donde la temperatura se incrementó desde la temperatura ambiente hasta 800 °C a una velocidad de 10 °C/min;

• la relación entre el D50 de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) y el D50 del precursor de arcilla del paso (a) es inferior a 0,8:1, preferiblemente inferior a 0,75:1, más preferiblemente inferior a 0,1:1;

• la relación entre la superficie específica de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) y la superficie específica del precursor de arcilla del paso (a) es de al menos 2:1, preferiblemente de al menos 5:1, más preferiblemente de al menos 10:1.

[0074] Los inventores han observado que el método de la invención se proporciona preferiblemente, donde la carbonatación se realiza durante el paso (d), de tal manera que la relación entre el contenido de carbono total de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) y el contenido de carbono total del precursor de arcilla del paso (a) sea de al menos 1,3:1, más preferiblemente de al menos 1,35:1. Los inventores han observado que los métodos donde dicha relación es de al menos 1,4:1, preferiblemente de al menos 1,6:1, más preferiblemente de al menos 1,8:1, proporcionan resultados incluso mejores, por lo que son preferidos.

[0075] Sin pretender limitarse a ninguna teoría, los presentes inventores creen que el aumento de la superficie BET logrado mediante el método de carbonatación mecanoquímica en seco está asociado con las propiedades beneficiosas observadas (como el excelente índice de actividad de resistencia y la menor demanda de agua). Por lo tanto, en formas de realización muy preferidas de la invención, se proporciona el método de la invención, donde la carbonatación y el aumento de la superficie BET se efectúan durante el paso (d), de manera que la relación entre la superficie BET de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente y la superficie BET del precursor de arcilla sea de al menos 2:1, preferiblemente de al menos 3:1, más preferiblemente de al menos 3,5:1.

[0076] El experto en la materia comprenderá que, al introducirse el material del paso (a) en el paso (d), la carbonatación, la reducción de tamaño y/o la superficie especificados anteriormente se llevan a cabo durante el paso (d).

[0077] En formas de realización particularmente preferidas del método de la invención, la superficie acumulativa de desorción BJH de los poros de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) es de al menos el 110 %, preferiblemente de al menos el 120 %, más preferiblemente de al menos el 150 %, de la superficie acumulativa de desorción BJH de los poros del precursor de arcilla, y el ancho promedio de poro por desorción (4V/A por BET) de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) no supera el 90 %, preferiblemente no supera el 85 %, más preferiblemente no supera el 80 %, del ancho promedio de poro por desorción (4V/A por BET) del precursor de arcilla.

Propiedades del precursor de arcilla usado en el método de carbonatación mecanoquímica de la presente invención

[0078] En formas de realización preferidas del método descrito en este documento, el precursor de arcilla es un material sólido particulado que tiene una superficie específica inferior a 20 m2/g, preferiblemente inferior a 10 m2/g, más preferiblemente inferior a 2 m2/g.

[0079] En formas de realización muy preferidas de la invención, el precursor de arcilla tiene una, dos o las tres, preferiblemente las tres, de las siguientes características:

• un D10 dentro del rango de 0,1-50 jm , preferiblemente de 0,1-20 jm, de la manera más preferible, de 0,1 10 |jm;

• un D50 dentro del rango de 5-200 jm , preferiblemente de 10-200 jm , de la manera más preferible, de 10 150 jm;

• un D90 dentro del rango de 10-1000 jm , preferiblemente de 20-750 jm , de la manera más preferible, de 40-500 jm.

Propiedades de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d)

[0080] En formas de realización preferidas del método para producir una arcilla carbonatada descrita en este documento, la arcilla carbonatada obtenida en el paso (d) tiene una superficie específica inferior a 50 m2/g. La arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) tiene preferiblemente un contenido de CO2 superior al 0,8 % en peso (con respecto al peso total de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente), preferiblemente superior al 1 % en peso (con respecto al peso total de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente), más preferiblemente superior al 1,5 % en peso (con respecto al peso total de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente), donde el contenido de CO2 se determina como la pérdida de masa por encima de 450 °C, medida mediante TGA, utilizando una trayectoria de temperatura, donde la temperatura se incrementó desde la temperatura ambiente hasta 800 °C a una velocidad de 10 °C/min.

[0081] En formas de realización preferidas, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida el paso (d) reúne los requisitos de resistencia especificados en la norma ASTM C618-12a (2012).

[0082] En formas de realización preferidas de la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) tiene una superficie específica de al menos 0,6 m2/g, preferiblemente de al menos 0,7 m2/g, más preferiblemente de al menos 0,8 m2/g.

[0083] En formas de realización preferidas de la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) tiene una superficie específica inferior a 50 m2/g, preferiblemente inferior a 30 m2/g, más preferiblemente inferior a 15 m2/g. Por ejemplo, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) tiene una superficie específica de como máximo 50 m2/g, de como máximo 48 m2/g, de como máximo 46 m2/g, de como máximo 44 m2/g, de como máximo 42 m2/g, de como máximo 40 m2/g, de como máximo 38 m2/g, de como máximo 36 m2/g, de como máximo 34 m2/g, de como máximo 32 m2/g, de como máximo 30 m2/g, de como máximo 28 m2/g, de como máximo 26 m2/g, de como máximo 24 m2/g, de como máximo 22 m2/g, de como máximo 20 m2/g, de como máximo 18 m2/g, de como máximo 16 m2/g, de como máximo 15 m2/g, de como máximo 12 m2/g, de como máximo 10 m2/g, de como máximo 8 m2/g, de como máximo 6 m2/g, de como máximo 4 m2/g, de como máximo 2 m2/g, etc.

[0084] En formas de realización muy preferidas de la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) tiene una superficie específica inferior a 5 m2/g, preferiblemente inferior a 3 m2/g, más preferiblemente inferior a 2 m2/g. Por ejemplo, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente tiene una superficie específica inferior a 5,0 m2/g, inferior a 4,5 m2/g, inferior a 4,0 m2/g, inferior a 3,5 m2/g, inferior a 3,0 m2/g, inferior a 2,5 m2/g, inferior a 2,0 m2/g, inferior a 1,5 m2/g, etc.

[0085] Los inventores han observado que una arcilla carbonatada mecanoquímicamente que tiene una superficie específica dentro de los rangos especificados en este documento tiene propiedades particulares en cuanto a rendimiento, manejo, etc., en comparación con precursores sin tratar o incluso materiales carbonatados con otras superficies. Por lo tanto, según las formas de realización muy preferidas de la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) tiene una superficie específica en una región definida de acuerdo con los límites superior e inferior descritos en este documento, como una superficie específica en el rango de 0,6-50 m2/g, preferiblemente de 0,6-30 m2/g, más preferiblemente de 0,6-10 m2/g; una superficie específica en el rango de 0,8-50 m2/g, preferiblemente de 0,8-30 m2/g, más preferiblemente de 0,8-10 m2/g; una superficie específica en el rango de 1-50 m2/g, preferiblemente de 1-30 m2/g, más preferiblemente de 1-10 m2/g; una superficie específica en el rango de 0,6-5,0 m2/g, preferiblemente de 0,6-3,0 m2/g, más preferiblemente de 0,6 2,0 m2/g; una superficie específica en el rango de 0,8-5,0 m2/g, preferiblemente de 0,8-3,0 m2/g, más preferiblemente de 0,8-2,0 m2/g; una superficie específica en el rango de 1-5,0 m2/g, preferiblemente de 1-3,0 m2/g, más preferiblemente de 1-2,0 m2/g, etc.

[0086] En formas de realización de la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) tiene una, dos o las tres, preferiblemente las tres, de las siguientes características:

• un D90 en el rango de 0,5-100 jm , preferiblemente de 1-80 jm , de la manera más preferible, de 5-70 jm.

[0087] En formas de realización de la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) tiene un contenido de carbono total de al menos el 0,75 % en peso, preferiblemente de al menos el 0,85 % en peso, más preferiblemente de al menos el 0,9 % en peso. Los inventores han observado que una arcilla carbonatada mecanoquímicamente que tiene un contenido de carbono total de al menos el 1 % en peso, preferiblemente de al menos el 1,5 % en peso, más preferiblemente de al menos el 2 % en peso, proporcionó resultados aún mejores. Por lo tanto, en formas de realización preferidas, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) tiene un contenido de carbono total de al menos el 1 % en peso, preferiblemente de al menos el 1,5 % en peso, más preferiblemente de al menos el 2 % en peso, proporcionó resultados aún mejores.

[0088] Según la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) tiene normalmente un índice de actividad de resistencia (IAR) en el día 7 de al menos el 75 %, preferiblemente de al menos el 80 %. Los inventores han observado que el proceso mecanoquímico de la presente invención permite obtener arcilla carbonatada que tiene un excelente IAR en el día 7. Por lo tanto, en formas de realización preferidas, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) tiene un IAR en el día 7 de al menos el 105 %, preferiblemente de al menos el 110 %, aún más preferiblemente de al menos el 125 %.

[0089] En formas de realización de la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) tiene un índice de actividad de resistencia (IAR) en el día 28 que es de al menos el 75 %, preferiblemente de al menos el 95 %, más preferiblemente de al menos el 100 %. Los inventores han observado que el proceso mecanoquímico de la presente invención permite obtener arcilla carbonatada que tiene un excelente IAR en el día 28. Por lo tanto, en formas de realización preferidas, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) tiene un IAR en el día 28 de al menos el 110 %, preferiblemente de al menos el 115 %, aún más preferiblemente de al menos el 125 %.

[0090] En formas de realización de la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) tiene una demanda de agua que es inferior al 97 %, preferiblemente inferior al 96 %, más preferiblemente inferior al 95 %. Los inventores han observado que el proceso mecanoquímico de la presente invención permite obtener arcilla carbonatada con una demanda de agua extremadamente baja. Por lo tanto, en formas de realización preferidas, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida en el paso (d) tiene una demanda de agua que es inferior al 93 %, preferiblemente inferior al 91 %.

La arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenible mediante el método descrito en este documento.

[0091] Los presentes inventores han descubierto que la carbonatación mecanoquímica descrita en este documento confiere propiedades únicas a las arcillas carbonatadas mecanoquímicamente resultantes, lo que da lugar a materiales sustancialmente diferentes de, por ejemplo, los materiales carbonatados en agua. Esto también se refleja en sus propiedades diferentes, por ejemplo, cuando se usa como relleno en hormigón. En particular, los presentes inventores han descubierto que es importante que el paso (d) se lleve a cabo de manera que se alcancen ciertos grados de carbonatación, reducción de tamaño y/o aumento de la superficie durante el paso (d), es decir, durante la carbonatación combinada con la agitación mecánica. Esto da como resultado materiales considerablemente diferentes de los materiales que, por ejemplo, se carbonataron en un entorno acuoso, o incluso de los materiales que se trituraron y posteriormente se carbonataron.

[0092] Por lo tanto, en otro aspecto, la invención proporciona la arcilla carbonatada mecanoquímicamente que se puede obtener mediante el método para producir arcilla carbonatada mecanoquímicamente descrita en este documento.

[0093] Como comprenderá el experto en la materia a la luz de la presente divulgación, la arcilla mecanoquímicamente carbonatada de la presente invención constituye un excelente relleno para diversas aplicaciones, combinando propiedades mecánicas distintivas con un enfoque rentable de secuestro de CO2.Composición que comprende una arcilla carbonatada mecanoquímicamente, y método para su preparación

[0094] Por lo tanto, en otro aspecto, la invención proporciona una composición que comprende una arcilla carbonatada mecanoquímicamente, como se describe en este caso, y un material adicional seleccionado del grupo que consiste en asfalto, cemento, geopolímeros, polímeros y combinaciones de los mismos, preferiblemente cemento, más preferiblemente cemento Portland.

[0095] En formas de realización de la invención, el material adicional es un polímero seleccionado de entre polímeros termoplásticos y polímeros termoendurecibles. En formas de realización preferidas de la invención, el componente adicional es un polímero seleccionado del grupo que consiste en resina epóxida, resina de fenolformaldehído, tereftalato de polialquileno (preferiblemente tereftalato de polietileno), tereftalato de adipato de polialquileno (preferiblemente tereftalato de adipato de polibutileno), tereftalato de isosorbida de polialquileno (preferiblemente tereftalato de isosorbida de polietileno), poliamida aromática de polialquileno (preferiblemente poliamida aromática de polietileno), poliacrilonitrilo, poliacetal, poliimida, poliéster aromático, poliisopreno (preferiblemente cis-1,4-poliisopreno), polietileno, polipropileno, poliuretano, poliisocianurato, poliamida, poliéter, poliéster, polihidroxialcanoato, ácido poliláctico, poliláctico-co-glicólico, fluoruro de polivinilideno, acetato de polivinilo, cloruro de polivinilio, poliestireno, politetrafluoroetileno, acrilonitrilo-butadieno-estireno, caucho de nitrilo, estireno-butadieno, etileno-acetato de vinilo, sus copolímeros y combinaciones de los mismos, preferiblemente una poliolefina, como polipropileno, polietileno, sus copolímeros y combinaciones de los mismos. El término "polímero", como se utiliza en este documento, incluye copolímeros, tales como copolímeros en bloque.

[0096] En formas de realización muy preferidas, el material adicional se selecciona de entre cemento, asfalto, geopolímeros o combinaciones de los mismos.

[0097] Según la invención, el cemento puede ser un cemento hidráulico o no hidráulico. En formas de realización preferidas de la invención, el cemento es un cemento hidráulico, como cemento Portland. En formas de realización muy preferidas de la invención, el cemento es uno de los cementos definidos en la norma EN197-1 (2011), preferiblemente cemento Portland, tal y como se define en la norma EN197-1 (2011).

[0098] En formas de realización de la invención, la composición comprende al menos el 0,1 % en peso (con respecto al peso total de la composición), preferiblemente al menos el 1 % en peso, más preferiblemente más del 5 % en peso de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente y/o al menos el 0,1 % en peso (con respecto al peso total de la composición), preferiblemente más del 1 % en peso, más preferiblemente más del 20 % en peso del material adicional.

[0099] En formas de realización de la invención, la composición comprende menos del 60 % en peso (con respecto al peso total de la composición), preferiblemente menos del 50 % en peso, más preferiblemente menos del 45 % en peso de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente y/o menos del 95 % en peso (con respecto al peso total de la composición), preferiblemente menos del 90 % en peso, más preferiblemente menos del 80 % en peso del material adicional.

[0100] En formas de realización de la invención, se porporciona la composición, donde la relación peso:peso de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente y el material adicional está dentro del rango de 1:9 a 2:1, preferiblemente dentro del rango de 1:8 a 1:1, más preferiblemente dentro del rango de 1:6 a 5:6.

[0101] En formas de realización de la invención, la composición comprende 5-70 % en peso (con respecto al peso total de la composición), preferiblemente 10-60 % en peso, más preferiblemente 20-50 % en peso de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente y 30-95 % en peso (con respecto al peso total de la composición), preferiblemente 40-90 % en peso, preferiblemente 50-80 % en peso del material adicional.

[0102] En formas de realización de la invención, la composición comprende menos del 5 % en peso (con respecto al peso total de la composición agua, preferiblemente menos del 1 % en peso, más preferiblemente menos del 0,1 % en peso. La cantidad de agua se puede determinar adecuadamente como la pérdida de masa hasta 120 °C, medida mediante TGAMS, utilizando una trayectoria de temperatura, donde la temperatura se incrementó desde la temperatura ambiente hasta 800 °C a una velocidad de 10 °C/min.

[0103] En formas de realización de la invención, la composición consiste en la arcilla carbonatada mecanoquímicamente y el material adicional.

[0104] En otro aspecto, la invención proporciona un método para preparar una composición, como se describe en este caso, donde dicho método comprende los siguientes pasos:

(i) proporcionar una arcilla carbonatada mecanoquímicamente, como se describe en este caso, preferiblemente una arcilla carbonatada mecanoquímicamente, como se describe en este caso;

(ii) proporcionar un material adicional seleccionado del grupo que consiste en asfalto, cemento, geopolímeros, polímeros y combinaciones de los mismos;

(iii) combinar el sólido de arcilla carbonatada mecanoquímicamente del paso (i) con el material del paso (ii).

Un método para preparar hormigón o mortero

[0105] Por lo tanto, en otro aspecto, la invención proporciona un método para preparar hormigón o mortero, donde dicho método comprende los siguientes pasos:

(i) proporcionar una arcilla carbonatada mecanoquímicamente, como se describe en este caso, y un material adicional que se selecciona del grupo que consiste en asfalto, cemento, geopolímeros, y combinaciones de los mismos, opcionalmente en forma de la composición, como se describe en este caso, donde el material adicional se selecciona del grupo que consiste en asfalto, cemento, geopolímeros y combinaciones de los mismos;

(ii) proporcionar un agregado de construcción; y

(iii) poner en contacto, preferiblemente mezclar la arcilla carbonatada mecanoquímicamente y el material adicional del paso (i) con el agregado de construcción del paso (ii) y opcionalmente agua.

[0106] En otro aspecto, la invención proporciona un hormigón o mortero que se puede obtener mediante el método para preparar hormigón, como se describe en este caso.

[0107] En formas de realización preferidas de la invención, el paso (iii) comprende, además, poner en contacto, preferiblemente mezclar la arcilla carbonatada mecanoquímicamente y el material adicional del paso (i) con el agregado de construcción del paso (ii) y agua. Según la invención, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente y el material adicional del paso (i), el agregado de construcción del paso (ii) y el agua pueden ponerse en contacto, preferiblemente mezclarse prácticamente al mismo tiempo o de manera gradual, donde la composición del paso (i) se pone en contacto primero, preferiblemente se mezcla con agua, antes de ponerse en contacto, preferiblemente se mezcla con el agregado de construcción del paso (ii).

[0108] En otro aspecto, la invención proporciona el uso de una arcilla carbonatada mecanoquímicamente, como se describe en este caso:

• como relleno, preferiblemente como relleno en un material seleccionado del grupo que consiste en asfalto, cemento, geopolímeros, mortero, polímeros y combinaciones de los mismos;

• para aumentar la resistencia a la compresión del hormigón o mortero;

• para mejorar la durabilidad del hormigón o mortero;

• para mejorar la durabilidad del hormigón o mortero reduciendo la permeabilidad y/o porosidad a los cloruros;

• para reducir la demanda de agua del hormigón o mortero,

preferiblemente,

Ejemplos

[0109] La superficie BET (SSA), la superficie acumulativa de desorción BJH de los poros y el ancho promedio de poro por desorción (4V/A por BET) se determinó a una temperatura de 77K usando una masa de muestra de 0,5 1 g, donde las muestras se calentaron a 400 °C para un ciclo de desorción antes del análisis de la superficie.

[0110] La distribución del tamaño de partícula y las mediciones de la superficie específica se realizaron en un medidor de tamaño de partícula láser Brookhaven, modelo Microbrook 2000LD, utilizando la teoría de dispersión de luz de Fraunhofer y comunicando los datos mediante un modelo de esfera equivalente al volumen.

[0111] La resistencia a la compresión, el índice de actividad de resistencia y la demanda de agua se midieron según la norma ASTM C311/C311M-22. Como resultará evidente para el experto en la materia, al realizar estas pruebas, se utilizó el precursor de arcilla o la arcilla carbonatada de la presente invención en lugar de la "ceniza volante o puzolana natural" especificada por la norma.

[0112] El contenido de CO2 se determinó como la pérdida de masa por encima de 450 °C, medida mediante TGA, utilizando una trayectoria de temperatura donde la temperatura se incrementó desde la temperatura ambiente hasta 800 °C a una velocidad de 10 °C/min. Se utilizó una balanza de doble cámara Setaram TAG 16 TGA/DSC, que emplea una muestra de 0,1-2 mg en atmósfera inerte de nitrógeno.

Ejemplo 1

Muestra A

[0113] Se produjo arcilla carbonatada mecanoquímicamente insertando 0,4 kg de precursor de arcilla (arcilla no calcinada) en una celda de presión con 2 kg de un primer medio de molienda (cojinete(s) de bolas de acero inoxidable de 5 mm) y 5 kg de un segundo medio de molienda (cojinete(s) de bolas de acero inoxidable de 1 mm). La celda se presurizó con gas CO2 concentrado y se rotó sobre rodillos a 65 r.p.m. durante 5 días para obtener arcilla carbonatada mecanoquímicamente. El precursor de arcilla se usó tal y como se recibió. La reacción se inició a temperatura ambiente sin aplicar calentamiento ni enfriamiento. Las propiedades del precursor de arcilla (A1) y la arcilla carbonatada mecanoquímicamente obtenida (A2) se muestran en la tabla debajo.

Muestras B

[0114] Se produjo arcilla carbonatada mecanoquímicamente insertando 5 kg de precursor de arcilla (arcilla calcinada, de origen diferente de la muestra A) en una celda de presión con 150 kg de medios de molienda (cojinetes cerámicos de 10 mm de diámetro). La celda se presuriza con gases de escape (CO2: 8-10 % en volumen; H2O: 18-20 % en volumen; O2: 2-3 % en volumen; N2: 67-72 % en volumen) a una presión inicial de 448 kPa, y se rota en rodillos a 38 r.p.m. durante 3 días para obtener arcilla carbonatada mecanoquímicamente. El precursor de arcilla se usó tal y como se recibió. La reacción se inició a temperatura ambiente sin aplicar calor ni enfriamiento. Los cojinetes cerámicos tienen un contenido de A^Oa del 92 % en peso, por lo que también sirvieron como catalizador. Las propiedades del precursor de arcilla (B1) y de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente (B2) obtenida se muestran en la tabla debajo.

Muestras C

[0115] Se produjo arcilla carbonatada mecanoquímicamente insertando 10 kg de precursor de arcilla (arcilla calcinada, de origen diferente de la muestra B) en una celda de presión con 100 kg de medios de molienda (cojinetes cerámicos de 25,4 mm de diámetro). La celda se presuriza con gases de escape (CO2: 8-10 % en volumen; H2O: 18-20 % en volumen; O2: 2-3 % en volumen; N2: 67-72 % en volumen) a una presión inicial de 441 kPa, y se rota en rodillos a 38 r.p.m. durante 2 días para obtener arcilla carbonatada mecanoquímicamente. El precursor de arcilla se usó tal y como se recibió. La reacción se inició a temperatura ambiente sin aplicar calor ni frío. Los cojinetes cerámicos tienen un contenido de A^Os del 92 % en peso, por lo que también sirvieron como catalizador. Una porción del precursor de arcilla se sometió a molienda regular para servir como ejemplo comparativo. Las propiedades del precursor de arcilla triturada (C1) y de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente (C2) obtenida se muestran en la tabla debajo.

Muestras D

[0116] Se produjo arcilla carbonatada mecanoquímicamente insertando 5 kg de precursor de arcilla (arcilla no calcinada, del mismo origen que la muestra C) en una celda de presión con 100 kg de medios de molienda (cojinetes cerámicos de 25,4 mm de diámetro). La celda se presuriza con gases de escape (CO2: 8-10 % en volumen; H2O: 18-20 % en volumen; O2: 2-3 % en volumen; N2: 67-72 % en volumen) a una presión inicial de 448 kPa, y se rota en rodillos a 38 r.p.m. durante 2 días para obtener arcilla carbonatada mecanoquímicamente. El precursor de arcilla se usó tal y como se recibió. La reacción se inició a temperatura ambiente sin aplicar calor ni frío. Los cojinetes cerámicos tienen un contenido de Al2O3 del 92 % en peso, por lo que también sirvieron como catalizador. Una porción del precursor de arcilla se sometió a molienda regular para servir como ejemplo comparativo. Las propiedades del precursor de arcilla (D1) triturada y de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente (D2) obtenida se muestran en la tabla debajo.

Muestras E

[0117] Se produjo arcilla carbonatada mecanoquímicamente insertando 1 kg de precursor de arcilla (materia prima de esquisto, no calcinada), pretratado mediante calcinación (1000 °C) y molienda convencional, en una celda de presión con 17,5 kg de medios de molienda (cojinetes cerámicos de 10 mm de tamaño). La celda se presuriza con gases de escape (CO2: 8-10 % en volumen; H2O: 18-20 % en volumen; O2: 2-3 % en volumen; N2: 67-72 % en volumen) a una presión inicial de 441 kPa, y se rota en rodillos a 38 r.p.m. durante 2 días para obtener arcilla carbonatada mecanoquímicamente. La reacción se inició a temperatura ambiente sin aplicar calor ni frío. Los cojinetes cerámicos tienen un contenido de A^Os del 92 % en peso, por lo que también sirvieron como catalizador. Las propiedades del precursor de arcilla (E1) molida y calcinada y de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente (E2) obtenida se muestran en la siguiente tabla.

[0118] Para la muestra A, la superficie BET del precursor y del material carbonatado se determinó en 6,6 m2/g y 24,9 m2/g respectivamente, lo que demuestra que gran parte del aumento de la superficie obtenido con el método de la presente invención se puede atribuir a cambios en la superficie de los poros.

[0119]Comose puede observar a partir de las mediciones del índice de actividad de resistencia (IAR) y las mediciones de la demanda de agua, la arcilla carbonatada mecanoquímicamente de la presente invención proporciona una demanda de agua inesperadamente reducida y una mayor resistencia en comparación con la arcilla sin tratar, en comparación con la arcilla molida, en comparación con la arcilla calcinada, así como en comparación con el control de cemento Portland.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Arcilla carbonatada mecanoquímicamente que tiene una superficie específica inferior a 50 m2/g y que tiene un índice de actividad de resistencia, IAR, en el día 7, determinado según la norma ASTM C311/C311M-22, que es de al menos el 105 % y que tiene un índice de actividad de resistencia, IAR, en el día 28, determinado según la norma ASTM C311/C311M-22, que es de al menos el 110 %.

2. Arcilla carbonatada mecanoquímicamente según la reivindicación 1 que tiene una, dos o las tres, preferiblemente las tres, de las siguientes características:

• un D10 dentro del rango de 0,005-3 jm , preferiblemente de 0,01-2 jm , de la manera más preferible, de 0,1 1,4 |jm;

• un D90 dentro del rango de 0,5-100 jm, preferiblemente de 1-80 jm , de la manera más preferible, de 5-70 jm.

3. Arcilla carbonatada mecanoquímicamente según cualquier reivindicación anterior, que tiene un contenido de CO2 superior al 0,8 % en peso con respecto al peso total de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente, preferiblemente superior al 1 % en peso con respecto al peso total de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente, donde el contenido de CO2 se determina como la pérdida de masa por encima de 450 °C, medida mediante TGA, utilizando una trayectoria de temperatura donde la temperatura se incrementó desde la temperatura ambiente hasta 800 °C a una velocidad de 10 °C/min.

4. Arcilla carbonatada mecanoquímicamente según cualquier reivindicación anterior, que tiene un contenido de carbono total de al menos el 0,75 % en peso, preferiblemente de al menos el 0,85 % en peso, más preferiblemente de al menos el 0,9 % en peso.

5. Arcilla carbonatada mecanoquímicamente según cualquier reivindicación anterior, que tiene un índice de actividad de resistencia, IAR, en el día 7, determinado según la norma ASTM C311/C311M-22, que es de al menos el 125 % y que tiene un índice de actividad de resistencia, IAR, en el día 28, determinado según la norma ASTM C311/C311M-22, que es de al menos el 125 %.

6. Arcilla carbonatada mecanoquímicamente según cualquier reivindicación anterior, que tiene una superficie específica de 0,3-50 m2/g, preferiblemente de 0,3-30 m2/g.

7. Arcilla carbonatada mecanoquímicamente según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, que tiene una superficie específica inferior a 5 m2/g, preferiblemente inferior a 3 m2/g.

8. Arcilla carbonatada mecanoquímicamente según cualquier reivindicación anterior, que tiene una demanda de agua inferior al 97 %.

9. Composición que comprende la arcilla carbonatada mecanoquímicamente, tal y como se define en cualquiera de las reivindicaciones 1-8, y un material adicional, donde el material adicional se selecciona preferiblemente del grupo que consiste en asfalto, cemento, geopolímeros, polímeros y combinaciones de los mismos, preferiblemente cemento, más preferiblemente cemento Portland.

10. Composición según la reivindicación 9, que comprende la arcilla carbonatada mecanoquímicamente y el material adicional en una relación en peso entre 1:9 y 2:1.

11. Composición según la reivindicación 9, que comprende menos del 5 % en peso, con respecto al peso total de la composición, de agua.

12. Composición según la reivindicación 9, que comprende 5-70 % en peso, con respecto al peso total de la composición, de la arcilla carbonatada mecanoquímicamente, preferiblemente 10-60 % en peso.