В 1 литре сколько килограмм цемента: Перевести литры цемента в кг (килограммы) онлайн калькулятор

Это значение умножают на 10 или 12 литров (зависит от объема ведра) и получают вес в ведре. Далее количество килограммов в мешке делят на полученное число и узнают, сколько ведер вмещает один мешок.

Зная, сколько килограммов цемента умещается в ведре, можно вычислить более-менее точное число мешков материала, который понадобится для выполнения работ. Точные расчеты – залог экономии финансов, времени и сил.

Конвертер единиц объема 1 литр бетона в килограммы

Категория : главное меню • конкретное меню • литров

Перевод значения литра в килограммы в шкале конкретных единиц.

ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ: из килограммов в литры наоборот.

CONVERT: между другими конкретными измерительными приборами — полный список.

Калькулятор конвертации для вебмастеров .

Бетон

Этот состав общего назначения для бетона , также называемый бетонно-заполнитель (4: 1 — заполнитель песок / гравий: цемент — соотношение смеси с водой), основан на массовой плотности бетона 2400 кг / м3 — 150 фунт / фут3 после отверждения (округлено). Удельная масса на кубический сантиметр, бетон имеет плотность 2,41 г / см3. Главная страница конкретного калькулятора.

Формула смешивания бетона с прочностью 4: 1 применяет размеры порций по объему (например,г. 4 ведра заполнителя для бетона, состоящего из гравия и песка, с 1 ведром цемента.) Чтобы бетон не получился слишком влажным, добавляйте воду постепенно по мере перемешивания. При ручном замешивании бетона; сначала смешайте порции сухого вещества и только потом добавляйте воду. Этот тип бетона обычно армируют металлической арматурой или сеткой.

Преобразование единиц измерения бетона между литр (L) и килограммов (кг — килограмм) , но в обратном направлении из килограммов в литры.

Этот онлайн-конвертер бетона из литра в килограмм — удобный инструмент не только для сертифицированных или опытных профессионалов.

Первая единица: литр (L) используется для измерения объема.
Секунда: килограмм (кг — килограмм) — единица массы.

бетона на 2,41 кг — килограмм эквивалентно 1 чему?

Килограммы составляют 2,41 кг — килограмм конвертируется в 1 л, один литр. Это РАВНОЕ значение объема бетона, равное 1 литру, но в альтернативном варианте единицы массы — килограммах.

Как преобразовать 2 литра (л) бетона в килограммы (кг — килограммы)? Есть ли формула расчета?

Сначала разделите две переменные единиц измерения. Затем умножьте результат на 2 — например:
2.4065302626279 * 2 (или разделите на / 0,5)

ВОПРОС :
1 л бетона =? кг — килограммы

ОТВЕТ :
1 л = 2,41 кг — килограмм бетона

Калькулятор для других приложений …

С помощью вышеупомянутой услуги расчета с двумя единицами измерения, этот преобразователь бетона оказался полезным также в качестве онлайн-инструмента для:
1. Практики обмена измеряемыми величинами в литрах и килограммах бетона (L по сравнению с кг — килограммами).
2. Коэффициенты пересчета конкретных количеств — между многочисленными парами единиц.
3. Работа с бетоном — насколько он тяжел — ценности и свойства.

Международные символы единиц для этих двух конкретных измерений:

Аббревиатура или префикс (abbr. Short brevis), обозначение единицы для литра:
L
Аббревиатура или префикс (abbr.) Brevis — краткое обозначение единицы килограмма:
кг — килограмм

Один литр бетона в килограммах равен 2.41 кг —

Сколько килограммов бетона в 1 литре? Ответ: изменение единицы измерения бетона в 1 л (литр) равно 2,41 кг — килограмм в качестве эквивалентной меры для того же типа бетона.

В принципе, при выполнении любой задачи измерения профессиональные люди всегда гарантируют, и их успех зависит от того, получают ли они наиболее точные результаты преобразования везде и всегда. Не только когда это возможно, это всегда так. Часто наличие только хорошей идеи (или большего количества идей) может быть несовершенным или достаточно хорошим решением.Если существует точная известная мера в литрах для конкретного количества, правило состоит в том, что количество литров переводится в кг — килограммы или любую другую конкретную единицу абсолютно точно.

мешков портландцемента в килограммы

Перевести мешок в кг — Перевод единиц измерения

›› Перевести мешок [портландцемент] в килограммы

Пожалуйста, включите Javascript для использования конвертер величин.
Обратите внимание, что вы можете отключить большую часть рекламы здесь:
https://www.convertunits.com/contact/remove-some-ads.php

›› Дополнительная информация в конвертере величин

Сколько мешка в 1 кг? Ответ — 0,023453432147327.
Мы предполагаем, что вы конвертируете мешков [портландцемента] и килограммов .
Вы можете просмотреть более подробную информацию о каждой единице измерения:
мешок или кг
Базовой единицей СИ для массы является килограмм.
1 мешок равен 42.63768278 килограмм.
Обратите внимание, что могут возникать ошибки округления, поэтому всегда проверяйте результаты.
Используйте эту страницу, чтобы узнать, как перевести мешок [портландцемент] в килограммы.
Введите свои числа в форму для преобразования единиц!

›› Таблица быстрой конвертации мешка в

1 мешок на кг = 42,63768 кг

2 мешка на кг = 85,27537 кг

3 мешка на кг = 127. кг

4 мешка на кг = 170,55073 кг

5 мешков на кг = 213,18841 кг

6 мешков по кг = 255.8261 кг

7 мешков на кг = 298,46378 кг

8 мешков на кг = 341,10146 кг

9 мешков на кг = 383,73915 кг

10 мешков на кг = 426,37683 кг

›› Хотите другие единицы?

Вы можете произвести обратное преобразование единиц измерения из кг в мешок, или введите любые две единицы ниже:

›› Преобразование общего веса

мешок для qintar
мешок для uncia
мешок для dekatonne
мешок для центнеров
мешок для гвоздики
мешок для liang
мешок для oncia
мешок для marco
мешок для центнера
мешок для граммов

›› Определение:

Килограмм или килограмм (обозначение: кг) — это основная единица массы в системе СИ.Грамм определяется как одна тысячная килограмма. Преобразование единиц описывает эквивалентные единицы массы в других системах.

›› Метрические преобразования и др.

ConvertUnits.com предоставляет онлайн калькулятор преобразования для всех типов единиц измерения. Вы также можете найти метрические таблицы преобразования для единиц СИ. в виде английских единиц, валюты и других данных. Введите единицу символы, сокращения или полные названия единиц длины, площадь, масса, давление и другие типы.Примеры включают мм, дюйм, 100 кг, жидкая унция США, 6 футов 3 дюйма, 10 стоун 4, кубический см, метры в квадрате, граммы, моль, футы в секунду и многое другое!

Калькулятор плотности

Укажите любые два значения в полях ниже, чтобы вычислить третье значение в уравнении плотности

Плотность материала, обычно обозначаемая греческим символом ρ, определяется как его масса на единицу объема.

Расчет плотности довольно прост.Однако важно уделять особое внимание единицам, используемым для расчета плотности. Есть много разных способов выразить плотность, и неиспользование или преобразование в правильные единицы приведет к неверному значению. Полезно тщательно записать все значения, с которыми работаете, включая единицы, и выполнить анализ размеров, чтобы убедиться, что конечный результат имеет единицы

Ниже приводится таблица единиц, в которых обычно выражается плотность, а также плотности некоторых распространенных материалов.

Единицы измерения общей плотности

Плотность обычных материалов

Программа преобразования массы — кг — фунты — унции

Этот калькулятор преобразования метрической системы для мер и весов может использоваться для преобразование:

Используйте эту программу преобразования для преобразования таких единиц, как килограмм в карат фунта или камня, в качестве альтернативы метрической таблице / диаграмме преобразования.

Килограмм — единица массы; он равен массе международного прототипа килограмма.(1e CGPM (1889))
Источник: http://www.nmi.nl/english/about_metrology/quantities_and_units/definition_of_the_basic_units.htm
Источник: http://physics.nist.gov/cuu/Units/current.html

Ранее килограмм определялся как масса кубического дециметра воды. С 1901 года это килограмм блока платино-иридия, сохраненного во Франции. Вес одного литра воды по действующим нормам 0,998 кг.

Часто массу и вес путают друг с другом.Вес пропорционален силе тяжести. На Земле сила тяжести не везде одинакова, поэтому вес не везде одинаков, но масса одинакова. Если вы взвесите массу на Луне, она будет в 6 раз легче, чем на Земле, потому что сила тяжести в шесть раз меньше. Вы можете измерить массу в килограммах с помощью весов и вес с помощью весов в Ньютонах. Вы можете рассчитать вес с помощью:

F = m * g

F — вес в N
m = масса в килограммах
g = сила тяжести в м / с ²

У массы странная единица, потому что в единице стоит приставка.Это связано с историей СИ. Единица должна быть равна одному литру воды. Это могло бы быть названо могилой . Единица объема литр является производным от единицы длины. Французы считали устройство слишком большим и считали, что это может создать проблемы при торговле и повседневном использовании. Вот почему они отказались от могилы и ввели новый блок. Эта единица равна одному миллилитру воды. Это 1/1000 литра. Этот новый агрегат получил название «грамм». Это казалось не таким уж практичным, поэтому они хотели вернуться в могилу, но под новым именем.Грамм был ровно одной тысячной могилы, поэтому новой единицей был килограмм, другими словами: 1000 грамм. Поэтому в СИ есть приставка. Позже определение было отвергнуто, так как оно было не совсем точным. В настоящее время килограмм представляет собой блок платино-иридиевого сплава, который хранится в Севре, Франция. Это не соответствует условиям. Это нестабильная единица, потому что она не основана на природной константе. Есть риск, что значение килограмма может измениться. Вот почему ученые придерживаются точного определения, но это очень сложно, потому что слишком сложно сослаться на природную константу.

SI — это сокращение для Système International d’Unités. В настоящее время это стандартная метрическая система. СИ возникла во Франции. В 1790 году Французская академия наук получила указание Национального собрания разработать новый стандарт единиц измерения для всего мира. Они решили, что система должна быть основана на следующих условиях:

0. Единицы в системе должны быть основаны на неизменных количествах в природе

13 Все единицы, кроме основных, должны быть производными от базовых единиц

0. Умножение единиц должно производиться на десятичные множители

05

Только в 1875 году мир начал проявлять некоторый интерес к французским разработкам.Поскольку все больше и больше стран интересовались французской системой, в настоящее время было основано Международное бюро Poids et Mesures (BIPM): Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM). В 1960 году на 11 ^th CGPM система получила официальное название International d’Unité. Вы можете увидеть больше на http://physics.nist.gov/cuu/Units/history.html или на официальном сайте BIPM: http://www.bipm.fr/enus/3_SI/si-history. html.

Подразделение в Нидерландах контролирует Nederlands Meetinstituut (NMi).
Официальным учреждением мирового эталона измерений является Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM).
Официальное учреждение в США — Национальный институт стандартов и технологий (NIST).
Английское учреждение эталонов — Национальная физическая лаборатория (NPL).

Lenntech BV не несет ответственности за ошибки программирования или расчетов на этом листе. Не стесняйтесь обращаться к нам за любыми отзывами.

А. Введение в цемент

Цемент один из самых полезных материалов в колодцах строительстве . Это легко смешивается с песком и водой для получения раствором или щебнем, песком и водой для изготовления бетона. И раствор, и бетон являются одними из самых прочных и самых прочные материалы, используемые для всех типов конструкции вокруг Мир.Раствор обычно используется в качестве связующего вещества между кирпичи или камни, в то время как бетон обычно армирован сталью прутки и формованные до нужного размера и формы.

Для хорошей работы обычно используют раствор или бетон. лучший материал для облицовки, перегородки, платформы и покрытия выкопал колодцев , а платформу и уплотнитель вокруг трех верхних метров обсадных труб в пробуренных скважинах .

Цемент доступны почти во всех странах мира и песка и гравий обычно доступны на месте.Иногда это будет трудно достать цемент для скважин строительство либо потому что есть другие более приоритетные требования к цементу или потому, что это просто слишком дорого. Здесь невозможно сказать, как и даже можно ли получить цемент в такое обстоятельство.

Из двух цементных составов, раствор и бетон, бетон прочнее. Это потому что камень, из которого состоит гравий, прочнее чем бетон, и поэтому способствует его прочности.Иногда эти два могут использоваться взаимозаменяемо там, где не хватает материалов или условия труда этого требуют. Помните, что бетон — это более сильный продукт, и его следует использовать там, где это возможно.

ПРИМЕЧАНИЕ. Остальная часть обсуждения в этом приложении будет иметь дело именно с бетоном. Те же процедуры можно и нужно соблюдайте, если вместо этого используется строительный раствор.

Б. Состав бетона

Бетон изготавливается из цемента, песок, гравий и вода.Эти ингредиенты объединены в определенные пропорции для достижения желаемой прочности. Количество воды используется для смешивания этих ингредиентов, безусловно, самый важный фактор в определении окончательной прочности бетона. Используйте наименьшее количество воды, чтобы у вас работоспособная смесь. Песок и гравий, иногда именуемые соответственно мелким и крупным заполнителем, должны быть чистые и правильно оцененные. Цемент и вода образуют пасту который при смешивании действует как клей для связывания собирается вместе в прочную твердую массу.

1. Пропорции:

• Всего четыре основные ингредиенты в бетоне: цемент, песок, гравий, вода.

• Сухие ингредиенты обычно смешиваются в определенных пропорциях и затем добавляется вода. Пропорции выражаются следующим образом: 1: 2: 4, это означает, что к одной части цемента вы добавляете два части песка и четыре части гравия. Под «частью» обычно понимается к единице объема. Пример: бетонная смесь 1: 2: 4. можно получить, смешав 1 ведро цемента с 2 ведрами песка и 4 ведрами гравия.

• Пропорции почти всегда выражаются как цемент: песок: гравий, и они обычно так маркируются.

• Используемые пропорции могут незначительно отличаться. для замешивания бетона. Чаще всего используются 1: 2: 4, 1: 2: 3, 1: 2,5: 5. Для наших целей все работает одинаково хорошо.

ПРИМЕЧАНИЕ: микс 1: 2: 4 будет немного дальше, чем 1: 2: 3, и позволяет немного больше места для использования не самого лучшего песка или гравия чем 1: 2.5: 5 микс.

• Нормальный диапазон количества воды, используемой для смешивания каждого Мешок с цементом 50 кг составляет от 20 литров до 30 литров (94 фунта. Мешок цемента составляет 4,5 гал. и 7 галлонов.)

• Водонепроницаемость бетон зависит в первую очередь от водоцементного отношения и длины влажного отверждения. Это похоже на прочность бетона в что меньше воды и более длительное отверждение во влажном состоянии обеспечивают водонепроницаемость.

2.Выбор ингредиентов

При использовании должен быть сухим, рассыпчатым и без комков. При хранении цемент старайтесь избегать любого возможного контакта с влагой. Хранить подальше от наружных стен, от сырых полов и штабелированных близко друг к другу, чтобы уменьшить циркуляцию воздуха. Если бы это могло быть полностью сухим, его можно хранить неограниченно долго. Даже разоблачены для проветривания он будет постепенно впитывать влагу, тем самым ограничивая даже время хранения под навесом от 6 месяцев до 1 года. год в зависимости от условий.

• вода: Как правило, питьевая вода подходит для замешивание бетона. Примеси в воде могут повлиять на бетон, схватив время, прочность, усадка или способствовать коррозии арматуры.

• агрегатов: мелкие и крупные агрегаты вместе занимают от 60 до 80% объема бетона.

— мелкий заполнитель: песок должен иметь размер менее От 0,25 мм до 6,3 мм. Песок с берегов моря, дюны или берега реки обычно слишком хороши для обычных смесей.(Иногда можно соскрести около 30 см тонкой поверхности отшлифуйте и найдите под ним более крупный и подходящий песок.)

— крупный заполнитель: в пределах рекомендуемых размеров упоминается позже, чем крупнее гравий, тем прочнее и экономичнее будет бетон.

• Чем больше размер щебня тем меньше воды и цемента потребуется для получения такой же по прочности бетон.

• Максимальный гравий размер не должен превышать

— одна пятая минимального размера элемента;

— три четверти свободного пространства между арматурными стержнями или арматурой и формы.(Оптимальный размер заполнителя во многих случаях составляет около 2,0 см.)

Форма и текстура поверхности заполнители больше влияют на свойства свежезамешенного бетона, чем они воздействуют на затвердевший бетон. Шероховатые или плоские и удлиненные частицы требуется больше воды для производства работоспособного бетона, чем для округлых или кубические заполнители и большее количество воды снижает конечную прочность бетона.

Чрезвычайно важно очистить гравий и песок.Ил, глина или биты органических веществ даже в низких концентрациях разрушит бетон. Очень простой тест на чистоту использует прозрачная банка с широким горлышком. Наполните банку примерно наполовину песок и мелкий заполнитель, подлежащие испытанию, и накрыть с водой. Энергично встряхните смесь и дайте ей постоять три часа. Почти в каждом случае есть будет четкая линия, разделяющая мелкий песок, подходящий для бетона и того, что слишком хорошо. Если очень мелкий материал составляет более 10% подходящий материал, то изготовленный из него бетон будет слабый.

Это означает, что другой тонкий материал должен поискать, или имеющийся материал следует промыть, чтобы удалите слишком тонкий материал. Это может быть выполняется путем помещения песка (и гравия, если необходимо) в какой-нибудь контейнер, например, барабан. Покройте агрегат воды, тщательно перемешайте и дайте постоять минуту, и слить жидкость. Одно или два таких лечения удалить большую часть очень тонкого материала и органических веществ.

Еще один момент, который следует учитывать при выборе agre-gate — его сила.О единственном простом тесте разбить некоторые камни молотком. Если усилие, необходимое для разрушения большинства камней-заполнителей больше, чем усилия, необходимые для разрушения аналогичного размер куска бетона, тогда заполнитель сделает прочный конкретный. Если камень легко ломается, то можно ожидать что бетон из этих камней будет только такой же прочный, как и сами камни.

В очень в сухом климате необходимо принять несколько мер предосторожности.Если песок идеально сухой, он упаковывается в меньшее пространство. Если вы кладете 20 ведер сухого песка в сложить и размешать в двух ведрах воды, можно унесите около 27 ведер влажного песка. Если твой песок полностью высох, добавьте в него немного воды или иначе измеряйте по весу, а не по объему. Поверхность затвердевающий бетон должен быть влажным. Это потому что вода, испаряющаяся с поверхности, удалит часть вода, необходимая для правильного отверждения.Покройте бетон строительной бумагой, мешковиной, соломой или чем-нибудь, что будет удерживать влаги и не допускайте попадания прямых солнечных лучей и ветра бетонная поверхность. Держите бетон влажным, как можно чаще поливая как надо; это может быть до трех раз в день. После первой недели отверждения он нет необходимости постоянно держать поверхность влажной.

3. Изготовление быстротвердеющего бетона.

К производить быстротвердеющий бетон с высокой начальной прочностью, хлорид кальция может быть добавленным к смеси.

Это не будет влияют на оценку материалов, необходимых, потому что хлорид кальция растворяется в воде, используемой для смешивания конкретный.

Быстротвердеющий цемент часто бывает полезен, например, когда необходимы повторные отливки из одной формы. А бетонная смесь, содержащая хлорид кальция в качестве ускорителя схватывается примерно в два раза быстрее, чем смесь, нет. Смешанную партию необходимо разлить по формам. быстрее, но поскольку партии быстрого схватывания обычно небольшие, это не проблема.Хлорид кальция не снижает прочности полностью затвердевшего бетона.

Не более 1 кг (2 фунта) хлорида кальция следует использовать на мешок. цемента. Его следует использовать только в том случае, если он в оригинальных контейнерах, которые должны быть влагонепроницаемыми пакетами или мешки или герметичные стальные бочки.

Лучший путь добавить хлорид кальция — значит перемешать раствор, содержащий 1/2 кг на литр (1 фунт на кварту) вода.Используйте этот раствор как часть воды для замешивания. из расчета 2 литра (2 кварты) на мешок цемента.

4. Оценка количества необходимых материалов.

1. Рассчитайте необходимый объем бетона.

2. Умножьте необходимый объем бетона на 3/2. (1.5), чтобы получить общий объем сухого сыпучего материала нужный. Цемент и песок мало что добавляют к объем бетона, потому что они заполняют воздушные промежутки между щебнем.

3. Добавьте 10% (1/10) для потерь из-за погрузочно-разгрузочных работ.

4. Добавить числа в объемной пропорции, которые вы будете использовать чтобы получить относительную сумму. Это позволит вам позже для вычисления долей от общего количества, необходимого для каждого ингредиента. (1: 2: 3 = 6)

5, Определите количество необходимого цемента умножив необходимый объем сухого материала (из шага 2) пропорциональной сумме всего микса (количество цемент) = 1/6 x (объем сухих материалов).

6. Разделите на единицу объема в мешке 33,2 литра. на мешок цемента 50 кг или 1 кубический фут на 94 фунта цемента в мешках. При расчете количества цемента мешков округлить до ближайшего целого числа.

ПРИМЕЧАНИЕ: Этот расчет, даже с 10% прибавкой к потерям при погрузочно-разгрузочных работах, редко оставляет лишний бетон, особенно для небольших работ, требующих менее 5 мешков с цементом, смешанных вручную.

Вот пример:

• объем цилиндра = Pr ² h = (3.1416) (радиус) ² (высота) = (3,1416) (радиус) (радиус) (высота)

• объем бетона, необходимый для строительства футеровки и платформу изображенной скважины можно рассчитать как следует (см. рис. IV-1).

— объем обшивки и перегородки должен быть объем цилиндра высотой 20,8 м и радиусом 0,7 м за вычетом объема цилиндра высотой 20,8 м с Радиус 0,6 м.

— V = [P (.7) ² (20,8) — [P (0,6) ² (20,8)]

= [(3.1416) (. 49) (20.8)] — [(3.1416) (. 36) (20.8)]

= 32,0–23,5

= 8,5 м ³

— объем платформы будет объем цилиндра высотой 0,08 м при 2 м радиус минус объем цилиндра высотой 0,08 м с радиус 0,7 м.

— V = [(3.1416) (2) ² (.08)] — [(3.1416) (. 7) ² (.08)]

[(3.1416) (4) (. 08)] — [(3.1416) (. 49) (. 08)]

= 1 — 0,1 = 0,9 м ³

После шаги, указанные выше, объем материалов, необходимых для строительства скважина будет рассчитана следующим образом:

1. общий объем = 8,5 + 0,9 = 9,4 м

2. (9,4) (1,5) = 14,1 м сухого материала по оценкам

3.14,1 x 1,1 = 15,5 м сухого материала необходимо из-за потерь в транспорте.

4. 1: 2: 4 цемент: песок: гравий 1 + 2 + 4 = 7

5. 15,5 х 1/7 = 2,2 м цемента

15,5 х 2/7 = 4,4 м песок

15,5 x 4,7 = 8,9 м гравия

6. 2,2 м цемента = 2200 литров (1.) цемента

2200 1. цемент 33,2 1. за 50 кг мешка цемента = 66,26 мешка цемента

Потребуется 67 мешков цемента.

C. Строительство с бетоном

1. Очертание бетона Работа

• форма сборки;

• место перерод;

• смесь бетонная;

• заливка бетона;

• чистовая поверхность;

• твердый бетон;

• удалить формы.

2.Формы внутренних колодцев

а. Вступление

Внутренняя форма колодца или лепка круглая с гладкой внешней поверхностью, которая образует внутренняя поверхность вагонки. Эта форма может быть используется либо на поверхности с другими формами, чтобы сделать футеровочные кольца или в колодце для формирования футеровки что заливается на место. (См. Рис. IV-2.)

Свежее бетонная смесь тяжелая и пластичная.Формы для его проведения на месте, пока не затвердеет, необходимо хорошо закрепить и должна иметь гладкую внутреннюю поверхность. Трещины, сучки и т. Д. недостатки в формах могут быть постоянно воспроизведены в бетонная поверхность.

Формы должны легко заполняться с бетоном и легко удаляется после того, как бетон затвердевший. Убедитесь, что крепежные детали, удерживающие формы вместе доступны и легко отстегиваются.

ПРИМЕЧАНИЕ: при использовании гвоздей для фиксации деревянной формы вместе, не загоняйте их полностью.Покинуть их достаточно, чтобы они могли легко при необходимости вытащить, чтобы удалить форму.

б. Материалы для форм

Следующие материалы используются для создания внутренних форм:

• сталь: стальные формы высотой от От 1/2 м до 1 м. Они тяжелые, неудобные и дорого, но длится долго.

• листовой металл: с простой треугольной внутренней опорой, формы выполнены листового металла оказались успешными.Они есть легче и маневреннее стальных форм, но не такой же прочный и долговечный.

• дерево: этот материал обычно используется, потому что он легкий и прочный. Это должны быть тщательно согнуты, гидроизолированы и усилены.

Используя доски как можно шире, сформируйте строительство будет проще и быстрее. Это также уменьшит количество линий на бетонной поверхности, образующих на стыке двух досок.Фанера отличная, особенно если он имеет специальную накладываемую поверхность высокой плотности. Этот обеспечивает более гладкую поверхность бетона, более легкое снятие формы и меньший износ форм.

Если необработанная древесина используется для форм, масла или смазки внутренней поверхности чтобы облегчить удаление форм и предотвратить дерево из-за слишком большого количества воды из бетона. Не смазывайте дерево маслом или жиром, если бетон поверхность будет окрашена или отштукатурена.

• земля: любая земля, в которую можно врыть и по-прежнему держать свою форму также можно использовать как Форма. Тщательно выкопайте нужную форму и залейте это с бетоном. Как только бетон схватится и затвердеет его можно выкопать и использовать там, где это необходимо. А новую форму придется откопать для каждого залил кусок бетона. (См. Рис. 8-12 и 9-10.)

• другие материалы: Пластмассы и стекловолокно так время от времени используется и продолжает экспериментировать как форма материалы.Стекловолокно намного легче стали и, если его взять правильный уход, должен длиться долго. Его стоимость и доступность в развивающихся странах кажутся только факторы, ограничивающие более масштабные исследования.

3. Армирование бетона.

Армирование бетона позволит гораздо большие грузы, которые нужно нести. Конструкция из железобетона большие конструкции, которые должны выдерживать высокие нагрузки, могут стать слишком сложным для человека без специальной подготовки.

Сам по себе бетон имеет большую прочность на сжатие, но небольшое растяжение. сила. Бетон очень сложно сдавливать (сжимать), но ломается относительно легко при растяжении (натяжении). Арматурная сталь имеет прямо противоположные свойства; он силен в напряжении и слабый при сжатии. Объединение двух результатов в материале (железобетон), прочный как на сжатие, так и на растяжение и поэтому полезен в большом количестве ситуаций.

Бетон лучше всего армировать специально изготовленными стальными стержнями. который можно заделать в бетон. Бамбук также с некоторым успехом использовался для армирования бетона, хотя со временем может ухудшиться.

• Железобетонные секции должны быть не менее 7,5 см толщиной и 10 см намного лучше.

• Арматурный стержень (стержень) обычно бывает длинных секций. заданного диаметра.

• Ассортимент обычно производимые диаметры различных диаметров обычно измеряются в миллиметрах; например, 4 мм, 6 мм, 8 мм, 10 мм, и 12 мм.

• Точно сколько rerod требуется в конкретной заливке, будет зависеть от нагрузку его придется поддерживать. Для большинства конкретных работ включая все, что обсуждается в этом руководстве, rerod должен От 0,5% до 1% площади поперечного сечения.

• Арматурные стержни также должны иметь чистую поверхность без отслаивающихся окалина и ржавчина. Стержни в плохом состоянии следует чистить щеткой. тщательно жесткой металлической щеткой.

• Когда размещение стержня в форме перед заливкой бетона он должен располагаться:

— не менее 2.5 см от формы везде.

— в самолете примерно на двух третях пути в толщина заливки со стороны, которая будет иметь вес или силу, давящую на бетон. (Видеть Рис. IV-3.)

— в сетке так, чтобы никогда не бывает более чем в 3 раза больше конечного бетона толщина между соседними стержнями.

— не ближе чем 3 см до параллельного стержня.

• Прочность на повторное испытание приблизительно аддитивна в зависимости от поперечного сечения. площадь. Четыре стержня диаметром 4 мм будут примерно такими же прочными как один стержень 8 мм. Площадь поперечного сечения четырех Стержни диаметром 4 мм равны площади поперечного сечения одного стержня диаметром 8 мм. стержень мм.

• Стержень должен быть установлен в равномерно распределенном сетчатом шаблоне с большим и / или более толстым стержень по самому длинному размеру заливки.

• Все пересечения стержней должны быть связаны тонкая проволока.

• При обвязывании одного стержня на к другому, чтобы увеличить длину стержней, они должен перекрывать 20-кратный диаметр стержня и дважды связать проволокой. (См. Рис. IV-4.)

• Штанги большего размера часто имеют выпуклые узоры на их, которые предназначены для того, чтобы их можно было удерживать прочно закреплен бетоном. Меньшие размеры стержня вообще гладкие. При использовании гладкого стержня всегда делайте небольшой крючок на конце каждой детали, который будет быть в бетоне. Без крючка изменения температуры могут со временем отсоединить бетон от стержня, тем самым потеряв много его усиливающего действия.

• Рерод должен быть тщательно подготовить, чтобы стержень был прямым и квадратным где это должно быть.Неаккуратная работа штанги приведет к более слабый бетон и отходы стержня.

• Для особо прочные детали или небольшие участки неправильной формы, стержень можно собрать в виде клетки. Используйте стержень меньшего размера для поперечных сечений и стержень большего размера для длина. Эта система используется для усиления таких деталей, как врезное кольцо неправильной формы или, возможно, укрытие колодца, на котором может стоять много людей один раз.

• По возможности обычно лучше всего собрать переточку внутри формы, чтобы она точно подойдет.

• Правильное расстояние от дно заливки в плиту может быть достигается установкой стержня на несколько маленьких камней перед заливкой бетона или просто вытягивая стержень сетка на пару сантиметров в бетон после немного бетона было покрыто всей заливкой.

4.Смешивание бетона машиной или вручную

а. Машинное смешивание

Бетон необходимо тщательно перемешать, чтобы получить максимально прочный продукт. Для машинного перемешивания подождите 5 или 6 минут после того, как все материалы находятся в барабане. Сначала ставим около 10% воды для замешивания в барабане. Затем добавьте воды равномерно с сухими _ материалами, оставив еще 10% для добавляется после того, как сухие материалы окажутся в барабане.

б. Смешивание вручную

На многих проекты самопомощи, количество необходимого бетона может быть небольшим или может быть трудно достать механический миксер.Бетон можно смешивать вручную; если несколько мер предосторожности взяты, он может быть таким же прочным, как бетонная смесь в машине.

Первое требование к смешиванию вручную — это зона смешивания, которая одновременно чистая и водонепроницаемый. Это может быть смешение дерева и металла. желоб (рис. IV-5) или простой круглый бетонный пол (рис. IV-6).

Использовать следующая процедура:

1) Разложите мелкий заполнитель равномерно по зоне смешивания.

2) Распространите равномерно зацементировать мелкий заполнитель и перемешать эти материалы поворачивая их лопатой до тех пор, пока цвет не станет униформа.

3) Равномерно распределите эту смесь и распределите по нему крупный заполнитель и еще раз тщательно перемешайте. Все сухие материалы следует тщательно перемешать перед тем, как слить воду. добавлен.

Когда работа закончена на день, обязательно промойте бетон в зоне замешивания и инструменты, чтобы уберечь их от ржавчины и предотвратить цемент от налипания на них.Гладкие блестящие инструменты и смешивание поверхности лодки делают смешивание на удивление проще. Инструменты также будут длиться намного дольше. Старайтесь не намокать бетон на вашей коже, потому что он едкий.

А рабочая смесь должна быть гладкой и пластичной — ни в коем случае не такой влажной. что он будет работать и не настолько жестким, чтобы рассыпаться.

Если смесь слишком влажная, добавьте небольшое количество песка и гравия в правильной пропорции, пока смесь не станет работоспособной.

Если смесь слишком жесткий, добавьте небольшое количество воды и цемента, поддержание надлежащего водоцементного отношения до тех пор, пока смесь не станет работоспособной.

Обратите внимание на количество добавленных материалов, чтобы у вас будут правильные пропорции для последующих партий.

Если бетонная смесь слишком густая, она быть трудным для размещения в формах. Если это недостаточно жесткая, возможно, не хватает смеси заполнитель, что делает использование цемента неэкономичным.

5. Заливка бетона в форму

Делать крепкие бетонные конструкции, важно укладывать свежий бетон в формах правильно.

Влажная бетонная смесь не следует грубо обращаться с ним при переноске и поместите в формы. Это очень просто, через бегом или метанием, чтобы отделить мелкий агрегат от крупный заполнитель. Не позволяйте бетону свободно падать расстояние от 90 до 120 см.Бетон самый прочный при различных размерах заполнителей и цементного теста хорошо перемешаны.

Правильно подобранный бетон будет иметь быть введенным в форму. Бетон, который будет вытекать сам по себе, чтобы полностью заполнить форма будет слишком влажной и, следовательно, слабой.

При заливке бетонных конструкций высотой более 120 см, оставлять отверстия в формах с интервалом менее 120 см, через которые можно заливать бетон и через которые можно позже накрыть крышкой, чтобы заливка была выше этого уровня.В качестве альтернативы, можно использовать горку, через которую может течь бетон вниз до низа формы без разделения.

Любой желоб в форме буквы u, достаточно широкий, чтобы облегчить заливку бетона. в него, достаточно узкий, чтобы поместиться внутри формы, и достаточно долго, чтобы бетон мог соскользнуть по желоб без разделения будет работать.

Как бетон укладывается, он должен быть уплотнен так, чтобы не было воздушные отверстия, которые оставляют слабые места в бетоне, осталось.Это можно сделать, утрамбовывая бетон. с помощью длинного тонкого инструмента или встряхивая бетон в одним из нескольких способов. Подбивку можно производить с помощью тонкий (2 см) железный прут, деревянный шест или лопата.

На крупных коммерческих объектах бетон уплотняется. со специальным вибратором, обычно приводимым в действие воздушным компрессором который погружается в бетон сразу после того, как он залил. Бетон будет до некоторой степени уплотнен по мере того, как он перемещается в свое окончательное положение в форме.Однако особое внимание следует уделить краям заливку, чтобы убедиться, что бетон полностью заполнить форму до краев. Если формы достаточно сильны, их можно ударить молоток снаружи, чтобы бетон достаточно сильно вибрировал чтобы позволить ему полностью осесть против форм. Слишком сильная утрамбовка может заставить большую часть крупного заполнителя ближе к низу заливки, тем самым уменьшая общий прочность бетона.

6.Отделка

После заливки бетона в формы его поверхность следует обработать до ровной поверхности. Гладкость отделка будет зависеть от того, какой будет поверхность используется для. Где позже будет больше бетона или раствора помещенный на эту заливку, область должна быть оставлена ​​относительно грубый для облегчения склеивания. Где позже будет поверхность гулял, как например крышка колодца на котором будет монтироваться насос, он должен быть несколько грубый, чтобы люди не поскользнулись на бетоне когда его поверхность влажная.Эта несколько грубая текстура может достигается отделкой деревянной теркой или также слегка обработав поверхность щеткой, чтобы придать ей текстуру. Очень гладкую отделку можно сделать металлической шпатель. Чрезмерная чистовая обработка (повторная чистовая обработка) может привести к истиранию и эрозии. поверхности.

7. Отверждение бетона.

После заполнения форм бетон необходимо затвердеть. пока не достигнет необходимой прочности. Лечение предполагает сохранение бетон влажный, чтобы химическая реакция, вызывающая бетон до затвердевания будет продолжать до тех пор, пока необходимо для достижения желаемой прочности.Как только бетон дать высохнуть, действие химического отверждения будет постепенно уменьшаться выключить и прекратить.

Ранняя стадия лечения крайне критично. Следует предпринять особые шаги, чтобы сохранить бетон мокрый. Как только бетон высохнет, он остановится закаливание; после этого его нельзя повторно смачивать в поле, чтобы перезапустить процесс закалки.

Покрытие открытые бетонные поверхности обычно легче, чем непрерывно обрызгивать или часто поливают бетон водой, которая в противном случае необходимо для предотвращения высыхания бетонной поверхности до прикосновение.Часто используемые защитные покрытия включают холст, пустой цемент. мешки, мешковина, пластик, пальмовые листья, солома и мокрый песок. В покрытие также должно быть влажным, чтобы оно не впитывать воду из бетона.

Бетон Достаточно прочный для легких нагрузок через 7 дней. В большинстве корпуса, формы можно снимать с стоящих конструкций, например мостов и стены через 4 или 5 дней, но если они остаются на месте, они помогут сохранить бетон от высыхания.Где заливают бетонные конструкции на земле формы можно снимать, как только поскольку бетон схватывается достаточно, чтобы сохранять свою форму (От 3 до 6 часов), если нет нагрузки на структура и меры принимаются для обеспечения надлежащего отверждения.

Окончательная прочность бетона частично приведет к от того, как долго он будет влажным. Как может быть как видно из графика, бетон в конечном итоге достигнет около 60% его расчетной прочности, если вообще не отверждаться во влажном состоянии, 80% при влажном отверждении в течение 3 дней и почти 100% при влажном отверждении в течение 7 дней.Если бетон сохраняется влажный, он будет продолжать затвердевать бесконечно.

Ты также заметит из графика, что даже если бетон может затвердеть в течение 7 дней, после этого он наберет только около 60% силы в конечном итоге это будет, и это будет еще один За 3 недели до достижения 90% максимальной прочности. Фактически это означает, что при заливке бетонного кольца, которое будет позже будет помещен в колодец даже после того, как отверждение остановлено, кольцо следует оставить в покое хотя бы на еще неделю (а желательно дольше) до его установки в колодец.За это время будет трудно достичь около 75% от его окончательной прочности.

На пути к электрохимическому синтезу цемента — процесс на основе электролизера для декарбонизации CaCO3 при производстве полезных газовых потоков

Реферат

Производство цемента в настоящее время является крупнейшим промышленным источником выбросов CO ₂ , составляя ∼8% (2,8 Гт / год ) глобальных выбросов CO ₂ .Глубокая декарбонизация производства цемента потребует устранения как выбросов CO ₂ из-за разложения CaCO ₃ до CaO, так и выбросов из-за сжигания ископаемого топлива (в основном угля) при прокаливании (~ 900 ° C) и спекании ( ~ 1450 ° С). Здесь мы демонстрируем электрохимический процесс, в котором используется электролиз нейтральной воды для получения градиента pH, в котором CaCO ₃ декарбонизируется при низком pH, а Ca (OH) ₂ осаждается при высоком pH, одновременно производя O _{высокой чистоты. 2} / CO ₂ газовая смесь (молярное соотношение 1: 2 при стехиометрическом режиме) на аноде и H ₂ на катоде.Мы показываем, что твердый продукт Ca (OH) ₂ легко разлагается и вступает в реакцию с SiO ₂ с образованием алита, основной вяжущей фазы портландцемента. Электрохимическое прокаливание дает концентрированные газовые потоки, из которых можно легко отделить и изолировать CO ₂ , H ₂ и / или O ₂ можно использовать для выработки электроэнергии через топливные элементы или камеры сгорания, можно использовать O ₂ в качестве компонента кислородного топлива в цементной печи для повышения эффективности и снижения выбросов CO ₂ , или выходные газы могут использоваться для других процессов с добавленной стоимостью, таких как производство жидкого топлива.Анализ показывает, что если бы водород, производимый в реакторе, сжигался для нагрева высокотемпературной печи, процесс электрохимического цементирования мог бы работать исключительно за счет возобновляемой электроэнергии.

Как обсуждалось на Коллоквиуме Саклера в 2018 г. «Состояние и проблемы науки для декарбонизации нашего энергетического ландшафта» и в других недавних анализах (1⇓⇓ – 4), глубокая декарбонизация сегодняшней энергетической системы потребует решения не только производства энергии (24% глобальных выбросов парниковых газов) и транспорта (14% глобальных выбросов парниковых газов), а также секторов, которые трудно декарбонизировать, таких как крупная промышленность, на которую сегодня приходится около 21% глобальных выбросов парниковых газов (5).Промышленность использует ископаемые виды топлива для обогрева и проведения химических и термохимических реакций, но может стать менее зависимой от ископаемого топлива, если 1) станут доступны электрические альтернативы и 2) стоимость и надежность возобновляемой электроэнергии продолжит расти (6, 7). Распространение очень дешевой возобновляемой электроэнергии уже стимулировало поиск электрохимических методов для обновления промышленных процессов (1, 8, 9). Среди них до сих пор были ограничены электрохимические пути производства цемента; 1 предыдущий пример представляет собой высокотемпературную электрохимическую декарбонизацию с использованием расплавов солей, работающих в том же диапазоне температур, что и печи для термической обжига (10, 11).Здесь мы предлагаем и демонстрируем доказательство концепции электрохимического процесса при температуре окружающей среды, который декарбонизирует CaCO ₃ , осаждает твердый Ca (OH) ₂ , из которого синтезируются желаемые силикаты кальция, и производит потоки концентрированного газа H _2. и O ₂ + CO ₂ , которые поддаются улавливанию и улавливанию CO ₂ и / или используются в других процессах с добавленной стоимостью (рис. 1).

Схема электрохимического цементного завода с низким уровнем выбросов.Реактор электрохимической декарбонизации, работающий на возобновляемых источниках энергии, преобразует CaCO ₃ в Ca (OH) ₂ для использования в синтезе цемента. В ячейке декарбонизации (рис. 2) используется градиент pH, полученный при электролизе в нейтральной воде, для растворения CaCO ₃ на кислотном аноде и осаждения Ca (OH) ₂ при pH ≥ 12,5. Одновременно на катоде генерируется H ₂ , а на аноде генерируется O ₂ / CO ₂ . Эти газовые потоки могут выполнять несколько альтернативных функций в устойчивой производственной системе.CO ₂ может улавливаться непосредственно из изначально сконцентрированного потока (CCS). Электричество или тепло можно вырабатывать из H ₂ и O ₂ через топливные элементы или камеры сгорания. Кислородное топливо O ₂ / CO ₂ может быть рециркулировано в печь для более чистого сжигания в цикле спекания цемента. Можно использовать концепции повторного использования и утилизации CO ₂ (CO ₂ U), такие как использование в EOR или производстве жидкого топлива.

Портландцемент (12) — самый широко производимый искусственный материал в мире, производимый со скоростью 4 миллиарда метрических тонн в год (13).За исключением сельского хозяйства, производство цемента является крупнейшим промышленным источником парниковых газов (за ним следует производство стали), на которое сегодня приходится 8% мировых выбросов парниковых газов (14). Около половины выбросов CO ₂ связано с использованием CaCO ₃ (как правило, известняк) в качестве ключевого компонента, а остальная часть приходится в основном на сжигание ископаемого топлива в цементной печи (15). Спрос на цемент растет по мере того, как население мира увеличивается и становится все более городским, а также по мере развития инфраструктуры в странах с развивающейся экономикой (16).Ожидается, что к 2060 году количество построек на Земле удвоится; это эквивалентно строительству Нью-Йорка каждые 30 дней в течение следующих 40 лет (17). Поскольку каждый килограмм произведенного цемента выделяет около 1 кг CO ₂ (15), несколько гигатонн CO ₂ в год будут выбрасываться из новой инфраструктуры, что подчеркивает срочность декарбонизации производства цемента.

Текущие усилия по сокращению углеродного следа цемента включают улавливание углерода из дымовых газов, использование альтернативных видов топлива или разработку дополнительных вяжущих материалов (14, 18⇓⇓ – 21).В настоящее время дымовой газ цементных заводов слишком загрязнен для экономичного улавливания углерода с помощью аминовой очистки; использование альтернативных видов топлива (например, изношенных шин) не снижает первичные выбросы CaCO ₃ ; а использование дополнительных материалов в бетоне имеет ограниченное влияние на выбросы углерода из портландцемента и может одновременно ухудшить его физические свойства (14, 19⇓ – 21). В другом семействе подходов используется цемент для улавливания и секвестрации большего количества CO ₂ , в результате чего получается обогащенный карбонатом цемент или бетонный продукт (22⇓⇓ – 25).В отличие от вышеупомянутых подходов, мы были мотивированы искать подходы, основанные на электрохимии, которые имеют потенциал для производства наиболее широко распространенных и используемых цементов, тем самым сводя к минимуму риск внедрения, и в то же время используя преимущества появляющейся очень дешевой возобновляемой электроэнергии для уменьшения количества химических веществ. и тепловые источники CO ₂ . Как мы показываем, наш процесс может работать синергетически с другими научными и технологическими инструментами устойчивой энергетической системы, обсуждаемыми на коллоквиуме Саклера, включая ветровое и солнечное электричество, разделение воды и создание топлива, а также хранение химической и электрической энергии.

Наш реактор использует преимущества присущих градиентам pH в электролизной ячейке для декарбонизации CaCO ₃ и осаждения и сбора Ca (OH) ₂ (рис. 2). Мы показываем, что Ca (OH) ₂ , полученный таким образом, который требует меньше энергии для дегидратации до CaO, чем требуется для прокаливания CaCO ₃ , легко реагирует с SiO ₂ с образованием алита, основной активной фазы. (От 50 до 70% по весу) в портландцементе (12). Практика, близкая к стехиометрической, когда каждые 2 протона электролитически образуются в кислородно-генерирующем анодном декарбонате 1 формульная единица CaCO ₃ , продемонстрирована в лабораторном масштабе.Мы предлагаем несколько путей, с помощью которых этот реактор электрохимической декарбонизации может быть интегрирован в цементный завод с низким или нулевым выбросом углерода (рис.1), включая питание от возобновляемой электроэнергии и использование газов, производимых в любой из нескольких альтернативных функций, таких как 1 ) прямой улавливание и связывание изначально концентрированного потока CO ₂ , 2) выработка электроэнергии или тепла из H ₂ (и, возможно, O ₂ ) через топливные элементы или камеры сгорания, 3) обеспечение кислородного топлива для более чистое горение в цикле спекания цемента и 4) производство жидкого топлива.Представлен технико-экономический анализ первого порядка зависимости энергопотребления и стоимости топлива от стоимости возобновляемой электроэнергии.

Схема декарбонизатора на базе электролизера. Реакции 1 и 2 представляют собой полуэлементные реакции выделения кислорода и выделения водорода соответственно при почти нейтральном pH. Реакция 3 — это образование воды из составляющих ее ионов. Реакции 4 и 5 представляют собой разложение карбоната кальция и выделение CO ₂ ; см. текст для промежуточных шагов.В реакции 6 гидроксид-ионы в реакции 3 вместо этого идут на образование гидроксида кальция, а протоны протонируют карбонат-ионы (реакция 5). Общая реакция, в которой CaCO ₃ превращается в Ca (OH) ₂ с сопутствующим высвобождением H ₂ , O ₂ и CO ₂ , показана внизу.

Результаты

Наша ячейка для декарбонизации одновременно функционирует как электролизер, а также как химический реактор для преобразования твердого CaCO ₃ в твердый Ca (OH) ₂ , схематически показанный на рис.2 и продемонстрировано экспериментально на рис. 3 и SI Приложение , рис. S2 и S3. Электролизер, работающий с водой, близкой к нейтральной, имеет следующие реакции анодной и катодной полуэлементов: 2h3O → O2 + 4H ++ 4e‐ [1] 2h3O + 2e- → h3 + 2OH -. [2] В установившемся режиме электролизер создает градиент pH, который легко визуализируется при добавлении универсального индикатора pH к работающей H-ячейке, как показано на рис. 3 и видеороликах S1 и S2. В таком электролизере H ⁺ и OH ^— обычно рекомбинируют с образованием воды: H ++ OH- → h3O.[3] Наш реактор заменяет эту реакцию реакцией декарбонизации. Когда CaCO ₃ добавляется к кислому раствору, образующемуся вблизи анода во время электролиза, химическое декарбонизация происходит по следующей последовательности реакций (26): (K = 6 × 10-9) CaCO3 (s) ⇌Ca ( aq) 2 ++ CO3 (aq) 2- [4] (K = 2,1 × 1010) CO32- + H + ⇌HCO3- [5a] (K = 2,2 × 106) HCO3- + H + ⇌h3CO3 [5b] (K = 5,9 × 102) h3CO3 (водн.) ⇌CO2 (г) + h3O. [5c] Растворенный Ca ²⁺ (уравнение 4 ) притягивается к аноду, а затем осаждается из раствора в виде Ca (OH) ₂ при реакции с ОН ^— ; эта реакция предпочтительна при pH выше 12.5: Ca2 ++ 2OH- → Ca (OH) 2. [6] Сумма электрохимических и химических реакций, протекающих в ячейке, равна 2CaCO3 (s) + 4h3O (l) → 2Ca (OH) 2 (s) + 2h3 ( г) + O2 (г) + 2CO2 (г). [7] Мы определяем стехиометрическую работу этого реактора как условие, при котором каждые 2 моль протонов, образующихся во время электролиза (уравнение 1 ), превращает 1 моль CaCO ₃ на 1 моль Ca (OH) ₂ , как показано в уравнении. 7 ; это представляет собой максимально возможный выход и кулоновскую эффективность. При стехиометрической операции соотношение производимых газов также определяется формулой. 7 : каждый моль Ca (OH) ₂ давал результаты в образовании 1 моль H ₂ на катоде и 1 моль O ₂ и 2 моль CO ₂ на аноде.

Покадровые снимки декарбонизированных Н-ячеек с использованием платиновых электродов и 1 М NaNO ₃ в деионизированной воде в качестве электролита. Каждая ячейка содержит несколько капель индикаторной краски pH, цветовая шкала которых указана внизу. ( A — E ) Ячейка, содержащая порошок CaCO ₃ в анодной (левой) камере и без пористого разделителя между камерами.Электролиз при напряжении ячейки 2,5 В (ток ~ 6 мА) дает цветовой градиент, показывающий кислотный раствор на аноде (слева) и щелочной раствор на катоде (справа). Внимательное изучение поперечной трубы показывает расслоение растворов, связанное с конвекцией, обусловленной плотностью. ( F — I ) Камера обезуглероживания, в которой в обеих камерах используются сепараторы пористого волокна для ограничения конвекции, а источник порошка CaCO ₃ находится внутри съемной чашки, что позволяет отслеживать потерю веса.Обратите внимание на отсутствие расслоения. ( Дж ) Ca (OH) ₂ осаждается в поперечной трубке после 12 ч электролиза при высоком напряжении ячейки 9 В для ускорения реакции.

Ранее Рау, наряду с другими (27⇓⇓ – 30), предлагал использовать электролитическое обезуглероживание с использованием возобновляемых источников энергии в качестве средства уменьшения закисления океана. Их концепция, в свою очередь, аналогична работе кальциевого реактора, используемого для поддержания щелочности в рифовых аквариумах: CaCO ₃ реагирует с кислотой (в случае Рау кислота образуется в результате окисления морской воды) с образованием растворенного Ca (HCO ₃ ) ₂ и Ca (OH) ₂ на катоде.Полученный раствор Ca (HCO ₃ ) ₂ и Ca (OH) ₂ является щелочным и захватывает CO ₂ из атмосферы для преобразования CaCO ₃ и может быть возвращен в соленую воду для уменьшения подкисления. . Здесь вместо использования электролитической декарбонизации для улавливания CO ₂ мы выделяем CO ₂ в виде газообразного продукта, который нужно улавливать и улавливать или использовать в других процессах, и осаждаем Ca (OH) ₂ для использования в производство цемента.Обратите внимание, что помимо производства цемента, Ca (OH) ₂ является важным компонентом при производстве сахара-рафинада, целлюлозы и бумаги, карбонатов щелочных металлов, для очистки сточных вод и в качестве флюса при рафинировании стали (31). Обычно Са (ОН) ₂ получают гашением СаО, полученного прокаливанием СаСО ₃ ; Используя наш реактор декарбонизации, Ca (OH) ₂ может быть произведен непосредственно для этих применений, позволяя при этом непосредственно улавливать произведенный CO ₂ .

Для проверки предложенной схемы построена серия лабораторных реакторов с Н-ячейками. На рис. 3 A — E показаны покадровые изображения реактора, собранного с платиновыми электродами и использующего электролит, состоящий из 1 M NaNO ₃ в дистиллированной воде, к которому было добавлено несколько капель универсального индикатора pH. . Цветовая шкала, коррелирующая цвет с pH, показана внизу рисунка. В анодной камере находится порошок CaCO ₃ , и в отличие от ячейки на рис.3 F — J , между камерами не используется пористый сепаратор. Первоначально на рис. 3 A желтый оттенок показывает, что электролит имеет pH ~ 6 везде, кроме непосредственно над слоем порошка CaCO ₃ , где фиолетовый оттенок показывает, что частичное растворение карбоната привело к повышению pH до > 10. На рис. 3 B — E показана ячейка в разное время после начала электролиза в потенциостатических условиях (напряжение ячейки 2,5 В, ток ∼6 мА).Цветовые градиенты показывают, что со временем развивается более крутой градиент pH, достигающий более экстремальных значений pH в каждой камере, что согласуется с реакциями полуэлементов (уравнения 1 и 2 ). Однако при внимательном рассмотрении раствора в поперечной трубке видно отчетливое расслоение: кислый (розовый) раствор вверху и щелочной (фиолетовый) раствор внизу, что мы приписываем разнице плотностей между двумя растворами. Фильм S1 показывает развитие градиента pH и слоистых слоев жидкости в этой ячейке с течением времени.В этой конфигурации ячейки Ca (OH) ₂ выпадал в осадок по всей длине ячейки, в том числе непосредственно на катоде из платиновой проволоки, который он в конечном итоге пассивировал. Как показано в приложении SI , рис. S1, пассивация приводит к резкому падению тока элемента через несколько часов работы.

Рис. 3 F — I демонстрирует ту же конструкцию ячейки, но с пористым бумажным разделителем, размещенным на пересечении каждой камеры с поперечной трубкой для ограничения конвекции.Кроме того, источник порошка CaCO ₃ в этой ячейке содержится в съемном стакане, так что растворение CaCO ₃ как функция времени можно было измерить путем удаления и взвешивания оставшегося порошка (после сушки). Обратите внимание на отсутствие расслоения; при отсутствии конвективного перемешивания ячейки могут работать> 12 ч без пассивации катода Ca (OH) ₂ ( SI Приложение , рис. S1). В этой ячейке щелочной раствор диффундирует равномерным фронтом через ячейку, и при работе в установившемся режиме pH внутри поперечной трубки достаточно высок, чтобы осаждение Ca (OH) ₂ происходило преимущественно между сепараторами, где он легко выпадает. собраны для анализа.Также обратите внимание, что в этой конфигурации pH вокруг анода намного менее кислый (то есть без розового оттенка), и на самом деле желтый цвет указывает на pH ∼6. Это важно, потому что 6 приблизительно соответствует pH, при котором HCO ₃ ^— и CO _{2 (водн.)} находятся в равновесии. Наблюдение предполагает, что практически все протоны, образующиеся в реакции выделения кислорода (уравнение 1 ), расходуются в реакции с карбонатным ионом (уравнение 5 ). Мы подтверждаем это независимыми измерениями, которые обсуждаются позже.Кроме того, состав выходящих газов подтвержден газовой хроматографией.

Используя конструкцию ячейки, показанную на рис. 3 F — I , мы собрали значительное количество белого осадка на пористом бумажном сепараторе непосредственно перед катодом, как показано на рис. 3 J . После высыхания с помощью порошковой рентгеновской дифракции (XRD) было подтверждено, что осадок состоит преимущественно из Ca (OH) ₂ с небольшим количеством CaCO ₃ (6%, согласно уточнению Ритвельда) (рис.4 А ). Анализ Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ) показал, что осадок имеет удельную поверхность 0,8 м ² / г. Примесь CaCO ₃ могла образоваться при воздействии воздуха на Ca (OH) ₂ при подготовке образцов для XRD или когда часть растворимого HCO ₃ ^— депротонируется при контакте с OH ^— до реформирование CaCO ₃ . Сканирующая электронная микроскопия (SEM) показывает, что частицы Ca (OH) ₂ кристаллизованы с 3 различными характерными масштабами длины.Наиболее крупные изолированные кристаллиты (рис. 4 B ) имеют размеры в десятки микрометров и имеют морфологию гексагональной призмы, характерную для Ca (OH) ₂ (32). Следующими по шкале размеров являются агрегаты гораздо более мелких кристаллитов, имеющих размеры несколько микрометров (рис. 4 C и D ), но аналогичную морфологию гексагональной призмы. Наконец, существуют выделения с округлой морфологией клубеньков, которые при большем увеличении выявляют кристаллиты субмикронного размера (рис.4 E и F ). Появление 3 различных морфологий преципитатов Ca (OH) ₂ предполагает, что условия зародышеобразования и роста в реакторе сильно различаются. Происхождение этих вариаций — тема для будущих исследований. Однако практически все полученные частицы имеют размер менее 90 мкм, типичный для сырьевых смесей при производстве цемента (12). Анализ состава с помощью энергодисперсионного рентгеновского анализа ( SI Приложение , рис. S2) показал отсутствие примесей выше фонового уровня в Ca (OH) ₂ , за исключением следовых количеств Na, вероятно, возникающих из-за соли Na, используемой в реакторный электролит.Таким образом, настоящий подход, по-видимому, позволяет производить мелкие частицы Ca (OH) ₂ высокой чистоты.

Ca (OH) ₂ порошок, полученный в реакторе декарбонизации. ( A ) Рентгенограмма порошка типичного образца; Уточнение по Ритвельду показывает 94% Ca (OH) ₂ и 6% CaCO ₃ . ( B — F ) СЭМ-изображение показывает Ca (OH) ₂ кристаллитов трех шкал длины. ( B ) Крупнейшие кристаллиты Ca (OH) ₂ имеют размеры в десятки микрометров и характерную морфологию гексагональной призмы.( C ) Агрегаты более мелких кристаллитов Ca (OH) ₂ , показанные при большем увеличении в D , имеют аналогичную морфологию гексагональной призмы, но имеют микрометровые размеры. ( E ) Ca (OH) ₂ с округлой морфологией узелков, которые при большем увеличении ( F ) показывают кристаллиты субмикронного размера.

Была проведена серия экспериментов для определения кулоновской эффективности реактора по сравнению со стехиометрическим пределом.В каждом эксперименте реактор с Н-ячейкой собирали со свежим электролитом, используя 1 М соли NaClO ₄ или NaNO ₃ и такое же исходное количество порошка CaCO ₃ . Реактор работал в потенциостатических условиях (3,5 В) в течение времени от 1 до 14 ч, после чего чашку, содержащую CaCO ₃ , извлекали из реактора, сушили и взвешивали для получения количества CaCO ₃ , потерянного до химическое растворение. Результаты 13 экспериментов представлены на рис.5 как количество молей растворенного CaCO ₃ относительно пройденных кулонов (верхняя абсцисса), полученное интегрированием тока за время эксперимента, и газовый эквивалент H ₂ (нижняя абсцисса), рассчитанный в предположении, что скорость электролиз равен току ячейки (т. е. побочных реакций нет). Красная пунктирная линия на фиг. 5 представляет стехиометрическую реакцию, в которой каждые 2 протона, образующиеся на аноде в реакции с выделением кислорода, протонируют 1 ион карбоната.Планки погрешностей для каждой точки данных соответствуют накопленной ошибке взвешивания, основанной на точности весов. Аппроксимация методом наименьших квадратов по всем точкам данных дает отношение скорости химической реакции к скорости электролиза 0,85 по сравнению с максимальным значением 1. Это демонстрирует, что высокая кулоновская эффективность возможна даже при использовании неоптимизированного реактора лабораторного масштаба. . Для обоих электролитов данные за самое долгое время (крайние правые точки данных) показывают снижение эффективности, что и в других экспериментах ( SI Приложение , рис.S1) связано с пассивацией катода Ca (OH) ₂ при длительном времени работы реактора. Обратите внимание, что некоторые точки данных лежат выше линии максимальной теоретической эффективности. Мы связываем это отклонение с некоторой непреднамеренной потерей CaCO ₃ во время удаления чашки, содержащей CaCO ₃ , из реактора. Мы также попытались напрямую измерить количество Ca (OH) ₂ , продуцируемого в этих экспериментах, но не смогли восстановить весь Ca (OH) ₂ , осажденный в клетках (например,g., со стенок ячеек) или для эффективного удаления всего осадка на бумажном сепараторе. Очевидно, что могут быть спроектированы более совершенные реакторы, в которых имеется больший контроль над конвекцией и химическими градиентами, и в которых осажденный Ca (OH) ₂ собирается более эффективно, в том числе непрерывно. Такие усовершенствования конструкции реактора выходят за рамки данной статьи. Даже в этом случае нынешний КПД близок к термическому КПД обычного прекальцинатора цемента, который декарбонизирует около 90% поступающего CaCO ₃ .

Кулоновская эффективность реактора декарбонизации, измеренная в 13 экспериментах, каждый из которых начинался со свежесобранной Н-ячейки типа, показанного на рис. 2. Потеря массы CaCO ₃ из-за растворения отложена в зависимости от общего количества пройденного заряда через систему (верхняя абсцисса) и эквивалентные моли водорода, производимые на катоде (нижняя абсцисса), рассчитанные в предположении, что весь ток идет на электролиз. Красная пунктирная линия представляет стехиометрическую реакцию, дающую максимальную эффективность преобразования на основе заряда, а черная пунктирная линия представляет собой аппроксимацию данных методом наименьших квадратов, наклон которой соответствует ~ 85% кулоновской эффективности.

Продемонстрировав эффективность предложенного реактора декарбонизации, мы обратили наше внимание на оценку пригодности твердого продукта Ca (OH) ₂ в качестве предшественника портландцемента. Самым распространенным минералом в портландцементе, составляющим от 50 до 70% по весу, является алит, 3CaO · SiO ₂ . Были приготовлены смеси Ca (OH) ₂ и мелкодисперсного порошка SiO ₂ , а также контрольный образец с использованием покупного порошка CaCO ₃ , смешанного с тем же SiO ₂ , в алитовом молярном соотношении соотношение.Смешанные порошки подвергались термообработке в широком диапазоне температур. На рис. 6 A и B показаны рентгенограммы и СЭМ-изображение смеси Ca (OH) ₂ + SiO ₂ после нагревания до 600 ° C в течение 2 часов на воздухе. В отличие от CaCO ₃ , который не разлагается до 898 ° C (при 1 атм P _CO2 ), Ca (OH) ₂ имеет термодинамическую температуру разложения 512 ° C (при 1 атм P _h3O ) и здесь уже разложился до CaO при обжиге при 600 ° C, хотя CaO еще не прореагировал с SiO ₂ с образованием алита.После нагревания в течение 2 часов при 1500 ° C, типичной температуре цементной печи, и охлаждения путем выключения питания печи смесь прореагировала с образованием низкотемпературной полиморфной модификации алита T1 (ICSD: 4331), как показано рентгеновской дифрактометрией. Схема на рис.6 C . Известно, что полиморфизм алита зависит от природы и количества примесей в сырье, а также от скорости охлаждения от температуры печи (33). В то время как высокотемпературные полиморфы M1 и M2 чаще всего получают в промышленных процессах, полиморф T1, который мы получили в медленно охлаждаемых образцах, считается столь же цементирующим (33–35).Рис. 6 D показывает, что частицы алита, полученные из наших прекурсоров, имеют размер менее 30 мкм, что находится в пределах диапазона, необходимого для коммерческих портландцементов (12). На рис. 6 E и F показаны карты состава кальция и кремния, из которых очевидна однородность состава алита. Фиг.7 A и B показывают рентгенограмму и изображение с помощью сканирующего электронного микроскопа соответствующей смеси CaCO ₃ и SiO ₂ после нагревания до 600 ° C в течение 2 часов на воздухе, а на рис.7 C и D показывают результаты после нагревания до 800 ° C в течение 2 часов на воздухе. При 600 ° C значительного разложения не произошло, тогда как при 800 ° C CaCO ₃ разложился до CaO, но реакция на алит не началась. После нагревания до 1500 ° C в течение 2 ч (рис. 7 E и F ) XRD показывает, что образовалась фаза алита. Однако остается некоторое количество непрореагировавшего CaO, 6% согласно уточнению Ритвельда спектров XRD. СЭМ-изображение на рис.7 F по сравнению с фиг. 6 D показывает, что алиты, полученные из Са (ОН) ₂ — и СаСО ₃ , в конечном итоге достигают аналогичных морфологий и размеров частиц. Эти результаты показывают, что электрохимически полученный Ca (OH) ₂ из нашего реактора декарбонизации является подходящим предшественником для синтеза основной гидратирующей фазы силиката кальция в портландцементе. Более того, из-за мелкодисперсной морфологии осадка (по сравнению, например, с измельченным известняком) и его более низкой температуры разложения на> 300 ° C, по-видимому, он имеет улучшенную реакционную способность по сравнению с CaCO ₃ , что может привести к сокращению времени обжига и / или температуры, которые снижают потребление энергии на стадии высокотемпературной реакции.

Синтез алита, 3CaO-SiO ₂ , с использованием Ca (OH) ₂ , полученного в реакторе декарбонизации. ( A ) XRD-диаграмма и ( B ) SEM-изображение смеси Ca (OH) ₂ и SiO ₂ после нагревания до 600 ° C в течение 2 часов на воздухе. Ca (OH) ₂ разложился до CaO, но еще не прореагировал с SiO ₂ с образованием фазы алита. После обжига при 1500 ° C в течение 2 часов ( ° C ) XRD-диаграмма показывает однофазный алит, морфология которого показана на SEM-изображении в D .Карты состава ( E и F ) кальция и кремния, соответственно, показывают равномерное распределение обоих элементов.

Синтез алита с использованием CaCO ₃ и SiO ₂ показывает более низкую реакционную способность, чем с Ca (OH) ₂ . После нагревания до 600 ° C в течение 2 ч на воздухе рентгенограмма ( A ) и изображение ( B ) SEM показывают, что CaCO ₃ еще не разложился до CaO. После нагревания до 800 ° C в течение 2 часов на воздухе рентгенограмма ( ° C ) показывает, что CaCO ₃ разложился до CaO, но еще не прореагировал с SiO ₂ с образованием фазы алита.( D ) СЭМ-изображение полученной смеси порошков CaO и SiO ₂ . После обжига при 1500 ° C в течение 2 часов на воздухе рентгенограмма ( E ) показывает смесь алита с некоторым остаточным CaO. ( F ) СЭМ-изображение этой неполностью прореагировавшей смеси.

Обсуждение

Помимо производства реакционноспособного Ca (OH) ₂ , подходящего для синтеза цемента, наш реактор декарбонизации на основе электролиза производит концентрированные газовые потоки H ₂ на катоде и O ₂ и CO ₂ (в молярном соотношении 1: 2 при работе с высоким кулоновским КПД) на аноде.Эти газы являются важными компонентами в широком спектре устойчивых технологий, которые в настоящее время используются во всем мире, и открывают несколько возможных синергий между производством цемента и этими технологиями, которые мы сейчас обсуждаем.

Улавливание и связывание углерода (CCS) на уровне цементного завода на сегодняшний день сосредоточено на улавливании CO после сжигания ₂ в сочетании с использованием кислородного сжигания. Поток O ₂ / CO ₂ из нашего реактора декарбонизации может сделать эти процессы более простыми и эффективными.Улавливание после сжигания относится к технологиям улавливания CO ₂ из выхлопных газов печи, таким как кальциевый цикл, очистка амином и мембранная фильтрация (36⇓ – 38). Кислородное топливо, или сжигание с повышенным содержанием кислорода, относится к сжиганию ископаемого топлива (здесь, в первую очередь, угля) с кислородом вместо воздуха (37, 39). Кислородное сжигание в первую очередь приводит к повышению эффективности использования топлива, поскольку азот, содержащийся в воздухе, не должен нагреваться. Во-вторых, отсутствие азота допускает более высокие температуры пламени без выделения оксидов азота (NO _x ), которые имеют потенциал глобального потепления в 298 раз больше, чем CO ₂ в пересчете на массу (40), а также способствуют образованию смога, кислотные дожди и истощение озонового слоя.В-третьих, дымовой газ от сжигания кислородного топлива имеет более высокую концентрацию CO ₂ и меньше примесей NO _x (37, 41), что делает улавливание углерода более эффективным. Таким образом, на цементном заводе, использующем наш реактор декарбонизации, газовая смесь O ₂ / CO ₂ может использоваться в качестве кислородного топлива в высокотемпературной печи для снижения энергопотребления и выбросов NO _x . Среди других преимуществ обогащения кислородом, 1 эксперимент в промышленном масштабе с использованием обогащения кислородом от 30 до 35% привел к увеличению производства цементных печей на 25-50% (42).Кроме того, кислородное сжигание оказывает незначительное, если не положительное, влияние на качество портландцементного клинкера (39, 43⇓⇓⇓ – 47).

Концентрация CO ₂ в дымовых газах обычных цементных печей составляет ∼25% (48). Для химической абсорбции с аминами, наиболее технологически зрелый метод улавливания после сжигания для комбинированного потока (37, 38), увеличение концентрации CO ₂ до 60%, как было показано, снижает потребность в тепле, энергии регенерации растворителя и стоимости пара. захвата (49⇓⇓⇓ – 53).Газовый поток из нашей камеры декарбонизации еще выше (67%), что должно сделать очистку амином более эффективной. Однако большим преимуществом может быть возможность полностью избежать дорогостоящих процессов CCS, таких как очистка амином. Поскольку здесь CO ₂ доставляется в высококонцентрированной форме, смешанной только с O ₂ (и некоторыми парами H ₂ O), прямой захват с использованием тех же простых процессов сжатия (54, 55), которые сейчас используются для очищенных и концентрированный CO ₂ , может быть использован.

Газообразный водород, производимый на катоде в нашей ячейке декарбонизации, имеет ценность как сырье в основных отраслях промышленности, таких как производство аммиака и удобрений, переработка нефти и газа и перерабатывающая металлургия, и считается ключевым компонентом разработки технологий, которые могут декарбонизировать тяжелые отходы. дежурный транспорт, авиация и отопление (56, 57). Объединенные газовые потоки также могут быть использованы в процессах утилизации CO ₂ , которые производят жидкое топливо, например те, которые также используют водород и производят спирты.

Водород также может быть возвращен для поддержки цементного процесса (рис. 1). Его можно сжигать напрямую, чтобы обеспечить тепло или электроэнергию обратно для производства цемента, или потоки газа H ₂ и O ₂ / CO ₂ могут снабжать топливный элемент, который вырабатывает электроэнергию на месте для питания электрохимической установки. реактор или другие производственные операции, такие как измельчение, перемешивание и транспортировка. При использовании твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) (58), который имеет самый высокий электрический КПД среди всех типов топливных элементов (от 60 до 80%) (59), вредное воздействие CO ₂ на топливные элементы с протонообменной мембраной (60, 61) предотвращается, и типичные рабочие температуры ТОТЭ от 500 до 1000 ° C можно легко поддерживать, используя тепло от цементной печи (которая обычно работает при 1450–1500 ° C).Одновременно кислород будет удален из газового потока O ₂ / CO ₂ , дополнительно очищая CO ₂ и упрощая связывание. Обратите внимание, что эта комбинация электрохимического реактора и ТОТЭ создает регенеративный топливный элемент (62), который имеет способность накапливать энергию, если предусмотрено хранение реагентов, и тем самым может сглаживать прерывистость возобновляемой электроэнергии, используемой для питания цементного завода.

Поток CO ₂ , созданный из ячейки декарбонизации, также может иметь значение в приложениях, которые производят повышающий цикл захвата CO ₂ .CO ₂ уже используется для увеличения нефтеотдачи (EOR) (63, 64) и для производства таких химикатов, как мочевина, салициловая кислота, метанол, карбонаты (65), синтетическое топливо (с помощью процесса Фишера-Тропша) (66) и синтетический природный газ (по реакции Сабатье) (67). Растет интерес к поиску способов электрохимической или фотохимической реакции на CO ₂ для создания химикатов и топлива из захваченного CO ₂ с использованием возобновляемой электроэнергии (68). Например, была продемонстрирована модельная установка, использующая захваченный CO ₂ для производства синтоплива (69).

Мы также рассмотрели возможность использования электрохимического процесса производства цемента исключительно с использованием возобновляемой электроэнергии. Возможно, наименее капиталоемкий способ использования выходных газов из реактора декарбонизации — это сжигание для нагрева цементной печи. Мы проанализировали потоки энергии в этой конфигурации; подробности приведены в Приложении SI . Предполагая, что реактор декарбонизации работает с кулоновским КПД 85%, электролизер работает с КПД от 60 до 75% и сгорает образующиеся H ₂ и O ₂ для нагрева печи для спекания с КПД от 60 до 80%, входная электрическая энергия, необходимая для изготовления 1 кг цемента, равна 5.От 2 до 7,1 МДж. Это предполагает отсутствие энергетической выгоды от замены Ca (OH) ₂ на CaCO ₃ в процессе высокотемпературного спекания или других потенциальных преимуществ, таких как снижение капитальных и энергетических затрат на измельчение известняка (при условии, что эта функция заменена путем химического растворения). При эффективном сжигании на 80% H ₂ и O ₂ , полученных из ячейки декарбонизации, произведенная тепловая энергия немного превышает энергию, необходимую для спекания.Если сгорание имеет эффективность только 60%, 90% тепловой энергии, необходимой для спекания, может быть получено из газов электролизера (т. Е. Требуется ~ 0,5 МДж / кг дополнительной энергии). Этот дефицит энергии, а также электроэнергии для поддержки операций может быть восполнен за счет превышения емкости электролизера над стехиометрически необходимой для декарбонизации. Этот анализ предполагает, что процесс электрохимического цементирования с использованием возобновляемых источников энергии не потребует больших объемов дополнительной энергии, если таковая имеется.

Важный связанный с этим вопрос — это, конечно, стоимость процесса, основанного на электрохимии. Учитывая многочисленные возможные конфигурации, описанные выше, полный технико-экономический анализ выходит за рамки данной статьи. Стоимость срока службы и экономическая отдача для всей системы или любого из ее компонентов зависит от капитальных затрат, эффективности и долговечности, а также от стоимости цемента и газообразных побочных продуктов. Многие факторы стоимости в настоящее время неизвестны; например, стоимость срока службы реактора декарбонизации будет зависеть от его конкретной конструкции и характеристик, ни одна из которых еще не была оптимизирована.Поэтому мы ограничиваем наш технико-экономический анализ сравнением стоимости энергии электрохимического процесса с его аналогом, работающим на угле. Расчетное значение от 5,2 до 7,1 МДж / кг цемента для электрохимического процесса действительно превышает энергию, требуемую для обычного цементного процесса в средней обжиговой печи США, которая составляет 4,6 МДж / кг (70). При цене угля 61 доллар за тонну (для битуминозного угля) (71) стоимость энергии для обычного процесса составляет около 28 долларов за тонну цемента, что составляет 25% от средней цены продажи цемента в США, составляющей 113 долларов за метрическую тонну (13 ).Соответствующие затраты на электрохимический процесс, естественно, зависят от цены на электроэнергию и в некоторых случаях могут быть нулевыми или даже отрицательными, если они получены из возобновляемых источников. Однако для затрат на электроэнергию в размере 0,02, 0,04 и 0,06 доллара за кВт⋅ч и при условии, что потребность в энергии для электрохимического процесса составляет 6 МДж / кг, что находится в середине нашего расчетного диапазона, стоимость энергии составляет 35-60 долларов, и 100 долларов за тонну цемента соответственно. Это говорит о том, что при отсутствии других соображений, электрохимический процесс будет конкурентоспособным по стоимости с обычными заводами (~ 28 долларов за тонну цемента), если электричество доступно по цене <0 долларов.02 за кВт⋅ч. Обратите внимание, что оптовая стоимость ветровой электроэнергии в настоящее время составляет 0,02 доллара США за кВт orч или немного ниже на большей части территории Соединенных Штатов (72). Мы предполагаем, что ветровая электроэнергия будет доступна по этой цене для предлагаемых цементных заводов, например, от расположенной рядом ветровой электростанции.

Однако это сравнение затрат не учитывает затраты на улавливание и связывание углерода, которые для аминовой очистки обычного цементного дымового газа оцениваются примерно в 91 доллар за тонну (50).В смоделированной выше электрохимической последовательности, где электролитический H ₂ сжигается для нагрева печи, стоимость прямого улавливания CO ₂ из потока O ₂ / CO ₂ , показывающего реактор декарбонизации, должна составлять менее 40 долларов. за тонну (50). Это изменит чистые затраты на электроэнергию в пользу электрохимического процесса в среде, где политика требует удаления углерода и где доступна недорогая возобновляемая электроэнергия.

Наконец, следует учитывать водоемкость такого процесса на основе электролизера.На каждый килограмм цемента, изготовленного с использованием предлагаемой камеры обезуглероживания, потребуется 0,4 кг воды; это означает, что средняя обжиговая печь в США, производящая 1800 тонн цемента в день, потребует ~ 760 тонн воды в день. Однако половина этой воды будет извлечена при дегидратации Ca (OH) ₂ . Если в качестве топлива для печи использовался H ₂ , другая половина воды могла бы конденсироваться из дымовых газов. В принципе, вся вода, используемая для электролиза, может быть переработана.

Выводы

Мы предлагаем и демонстрируем электрохимический процесс синтеза цемента, в котором CaCO ₃ декарбонизируется, а Ca (OH) ₂ осаждается в градиенте pH, создаваемом электролизером с нейтральной водой, в то время как потоки концентрированного газа H ₂ и O ₂ / CO ₂ производятся одновременно.Мелкодисперсный порошок Ca (OH) ₂ используется для синтеза фазово-чистого алита, основной вяжущей фазы в обычном портландцементе. Концентрированные газовые потоки из этого процесса могут использоваться синергетически с другими процессами, находящимися в стадии разработки для устойчивых промышленных технологий. Среди нескольких альтернатив CO ₂ может быть непосредственно захвачен и изолирован; H ₂ и / или O ₂ могут использоваться для выработки электроэнергии через топливные элементы или камеры сгорания; O ₂ может использоваться как компонент кислородного топлива для дальнейшего снижения выбросов CO ₂ и NO _x из цементной печи; или выходные газы могут использоваться для синтеза продуктов с добавленной стоимостью, таких как жидкое топливо.Показано, что наши лабораторные прототипы реакторов декарбонизации способны работать с кулоновской эффективностью, близкой к теоретической, в которой каждые 2 протона, образующиеся на аноде во время электролиза, растворяют 1 формульную единицу CaCO ₃ . В таких условиях произведенный электролитический водород, если он сгорает, может обеспечить большую часть или всю тепловую энергию, необходимую для высокотемпературного спекания цемента. Эти результаты предлагают путь к рентабельному производству цемента без выбросов, при котором вся энергия вырабатывается из возобновляемых источников.

Материалы и методы

Ячейки декарбонизации.

Н-ячейки специальной конструкции были изготовлены James Glass, Inc. Электролитом был 1 М NaClO ₄ или NaNO ₃ (Sigma-Aldrich, ≥98%), растворенный в деионизированной воде. Эти электролиты были выбраны потому, что их соли кальция растворимы и не разлагаются при высоком напряжении. Оба электрода были изготовлены из платины: стержень у катода и проволока у анода (MW-1032; BASi). Платина была выбрана потому, что она обладает высокой каталитической активностью в отношении выделения водорода и кислорода как в кислоте, так и в основании.Альтернативные недорогие электродные материалы могут включать никель, медь или нержавеющую сталь для катода (pH 12,5) и Al, Sn или Pb для анода (pH 6). Порошок CaCO ₃ (Sigma-Aldrich, ≥99%) добавляли в анодное отделение. Фильтровальная бумага (28310-015, задержка частиц 5 мкм; VWR) использовалась в качестве пористого сепаратора. Потенциостатические эксперименты проводили с использованием потенциостата Bio-Logic Science Instruments VMP3. Все тесты проводились при комнатной температуре.

XRD-анализ.

Рентгенограмм получали с использованием XRPD PANalytical X’Pert PRO с использованием излучения Cu и тета: тета-гониометра с вертикальным кругом с радиусом 240 мм.Конфигурация этого инструмента по умолчанию — геометрия Брэгга – Брентано с высокоскоростным позиционно-чувствительным детектором высокого разрешения X’Celerator, использующим предметный столик Open Eulerian Cradle. Данные XRD были проанализированы с использованием Highscore, версия 4.7.

SEM Характеристика.

СЭМ-визуализация и анализ состава образцов проводились с использованием прибора Phenom XL, оснащенного энергодисперсионным детектором рентгеновского излучения (nanoScience Instruments), работающего при ускоряющем напряжении 10 кВ для визуализации и 15 кВ для энергодисперсионного рентгеновского излучения. спектроскопический анализ.

BET Характеристика. №

Quantachrome Instruments NOVA 4000E (Anton Paar QuantaTech) использовался для выполнения многоточечного БЭТ-анализа удельной поверхности порошка.

Синтез алита.

Электрохимически осажденный Ca (OH) ₂ или CaCO ₃ (Sigma-Aldrich, ≥99%) смешивали с SiO ₂ (99,5%, 2 мкм; Alfa Aesar) в молярном соотношении 3: 1. Порошки смешивали в суспензии с этанолом, затем сушили. Полученные хорошо перемешанные порошки прессовали в таблетки.Гранулы помещали в платиновые тигли и нагревали со скоростью 2 ° C в минуту до 1500 ° C в муфельной печи (Thermolyne F46120-CM). Температуру поддерживали на уровне 1500 ° C в течение 2 ч, затем окатыши охлаждали в печи путем отключения питания. Рентгеноструктурный анализ подтвердил алитность полученных порошков.

Благодарности

Настоящая публикация основана на работе, финансируемой Сколковским институтом науки и технологий (Сколтех), программой «Центр исследований, образования и инноваций в области электрохимического хранения энергии» по контракту 186-MRA.L.D.E. выражает признательность за поддержку программы стипендий для докторантов Banting, осуществляемой правительством Канады. Мы благодарим Исаака Меткалфа, Натана Корбина, Киндл Уильямс и Картиша Мантирама (Массачусетский технологический институт) за помощь в проведении экспериментов; Мухаммаду Адилу и 24 M Technologies, Inc. за выполнение измерений BET; и Form Energy, Inc. за предоставление доступа к Phenom XL SEM. В этой работе использовались общие экспериментальные установки, частично поддерживаемые программой центров материаловедения и инженерных центров Национального научного фонда в рамках награды DMR-1419807.

Сноски

• Автор: L.D.E. и Y.-M.C. спланированное исследование; L.D.E., A.F.B., M.L.C. и R.J.-Y.P. проведенное исследование; L.D.E., A.F.B. и Y.-M.C. проанализированные данные; и L.D.E., A.F.B. и Y.-M.C. написал газету.

• Заявление о конфликте интересов: Y.-M.C., L.D.E. и A.F.B. являются изобретателями по патентным заявкам, поданным Массачусетским технологическим институтом в отношении определенного предмета статьи.

• Эта статья является результатом исследования Артура М.Коллоквиум Саклера Национальной академии наук «Состояние и проблемы декарбонизации нашего энергетического ландшафта» прошел 10–12 октября 2018 г. в Центре Арнольда и Мейбл Бекман Национальной академии наук и инженерии в Ирвине, Калифорния. Коллоквиумы НАН начались в 1991 г. и с 1995 г. публикуются в PNAS. С февраля 2001 г. по май 2019 г. коллоквиумы поддерживались щедрым подарком от Дамы Джиллиан и д-ра Артура М. Саклера Фонда искусств, наук и гуманитарных наук в память мужа дамы Саклер, Артура М.