Building materials for atmospheric carbon-dioxide sequestration and capture and production methods thereof

Abstract

Described herein is a sustainable concrete composition and processing method to significantly reduce carbon dioxide emissions associated with traditional concrete. The invention integrates recycled concrete aggregates and low-carbon raw materials with naturally occurring and abundant weathering enhancers, such as basalt, olivine derivatives, and zeolite, to promote mineral carbonation. This synergy enables atmospheric CO2 uptake through both physical adsorption and chemical transformation into stable carbonate minerals. Optimized formulations ensure effective sequestration while maintaining structural integrity, using minimal quantities of Ordinary Portland cement, and are applicable to conventional concrete casting methods such as wet casting and semi-dry casting. Post-treatment processes, such as air-curing, water-curing, or alkaline solution treatment, further enhance carbon capture efficiency. The resulting concrete block demonstrates a high atmospheric CO2 uptake rate, offering a practical solution for carbon-negative construction materials.

Description

BUILDING MATERIALS FOR ATMOSPHERIC CARBON-DIOXIDE SEQUESTRATION AND CAPTURE AND PRODUCTION METHODS THEREOFInventors: Ka Wai Antonio NG; Kwok Wa HO; and Jianfeng HUANGCross-Application to Relevant Applications:

[0001] The present application claims priority from U.S. Provisional Patent application number 63 / 680, 622 filed August 8, 2024; the disclosure of which is incorporated by reference herein in its entirety.Field of the Invention:

[0002] The present invention generally relates to the field of concrete block formulations and preparation. More specifically, the present invention relates to providing formulations of reduced carbon emission concrete blocks through incorporation of weathering enhancers, and methods of preparation of the concrete blocks thereof.Background of the Invention:

[0003] Carbon dioxide (CO2) is well-known as a potent greenhouse gas which causes recent global warming and extreme climate changes in Earth, due to its strong infrared absorption bands in the 13-17 μm range and long atmospheric lifetime of up to 1000 years. Alarmingly, CO2 concentration has been increased from 300 ppm to over 400 ppm in the last half century, attributed to human activities and industrialization. The raise of CO2 level contributed to global warming as more solar radiation would be trapped by the increased amount of greenhouse gases.

[0004] Since The United Nations Framework Convention on Climate Change with the ultimate goal of “preventing dangerous anthropogenic interference with Earth’s climate system” is signed by 154 countries in 1992. Subsequently, the reduction of carbon footprint and CO2 sequestration has since become one of the most popular topics in different research areas, given the multiple global climate agreements including but not limited to the 1997 Kyoto Protocol, the 2009 Copenhagen Accord and the 2015 Paris Agreement, all of which have set targets to limit the extent of global warming through the reduction of greenhouse gas emission and carbon footprint.

[0005] In nature, some metal oxides minerals such as CaO and MgO are well-known to undergo carbonation with atmospheric CO2 to give corresponding carbonate minerals (CaCO3 and MgCO3) , which is further captured and converted by corals, shellfish and plankton into limestone. This natural mechanism known as rock weathering or mineral carbonation, and has played a key role in moderating CO2 levels and climate, having captured a million times more CO2 than that currently existing in the oceans, thereby allowing life to thrive on Earth.

[0006] There have been numerous attempts in altering concrete formulations to incorporate mineral carbonation materials, and by doing so, developing architectural building blocks which can sequester and capture atmospheric CO2.

[0007] However, despite the attempts, the maximum amount of CO2 that can be sequestered by existing concrete compositions remain limited due to stoichiometric limits. In other words, the amount of carbonate-forming minerals incorporated in the composition is a major limiting factor of the maximum amount of CO2 that can be sequestered or captured. Incorporation of an excessive amount of these carbonate-forming minerals, however, could drastically undermine the mechanical strength of the concrete produced, rendering them not robust enough for actual architectural or infrastructure uses.

[0008] Additionally, existing formulations of CO2-sequestering concrete formulations rely on certain components such as fly ash, slag (e.g. ground granulated blast furnace slag, GGBS) and natural pozzolans, while supplies may be limited or regionally variable.

[0009] Therefore, there is a need in the art for a novel concrete formulation that optimizes the amount of CO2 sequestration, while reducing the reliance of existing pozzolanic materials by incorporating more readily available materials. The present invention addresses this need.Summary of Invention:

[0010] In view of the issues above, the first aspect of the present invention provides a composition for reduced carbon dioxide emission concrete. Specifically, the composition comprises (i) a weathering enhancer comprising basalt, olivine stone, olivine shell, zeolite, or any combination thereof, in a dosage of 2%or more of the composition, (ii) a first amount of low-carbon raw material comprising ground granulated blast-furnace slag, wollastonite, fly ash, biochar, or any combination thereof, in a dosage in the range of 1%to 4%of the composition, (iii) a second amount of recycled concrete aggregate, and (iv) a third amount of Ordinary Portland cement.

[0011] The concrete produced with the above composition is then processed by post-treatment methods selected from the group consisting of air-curing, water-curing, pH 8 alkaline solution treatment, or any combination thereof.

[0012] In an embodiment of the first aspect of the present invention, the weathering enhancer comprises basalt or olivine shell in a dosage of 2%or more of the composition.

[0013] In another embodiment, the concrete is processed by water-curing at 40℃ or in a pH 8 alkaline solution.

[0014] In other embodiment, the second amount is at least 75%of the composition, and the third amount is no more than 20%of the composition.

[0015] A reduced carbon dioxide emission concrete block comprising the aforementioned composition is also provided herewith, wherein the concrete block has an atmospheric carbon dioxide uptake rate of at least 150 kg / m3.

[0016] In a second aspect of the present invention, a wet casting method of preparing a reduced carbon dioxide emission concrete block is also provided. The method starts with mixing a concrete composition to obtain a first concrete mixture, the composition comprising (i) a weathering enhancer comprising basalt, olivine stone, olivine shell, zeolite, or any combination thereof, in a dosage of 2%or more of the composition, (ii) a first amount of low-carbon raw material comprising ground granulated blast-furnace slag, wollastonite, fly ash, biochar, or any combination thereof, in a dosage in the range of 1%to 4%of the composition, (iii) a second amount of recycled concrete aggregate, and (iv) a third amount of Ordinary Portland cement. Then, water and admixture are added to the first concrete mixture and mix to obtain a second slurry mixture. The second slurry mixture is cast into a mould and compacted for more than 24 hours, followed by demoulding to obtain a pre-curing concrete block. The pre-curing concrete is subjected to post-treatment methods selected from the group consisting of air-curing, water-curing, pH 8 alkaline solution treatment, or any combination thereof, and the reduced carbon dioxide emission concrete block is obtained, characterized by an increased atmospheric carbon dioxide uptake rate of at least 150 kg / m3.

[0017] In an embodiment of the second aspect of the present invention, the weathering enhancer comprises basalt or olivine shell in a dosage of 2%or more of the composition.

[0018] In another embodiment, the second amount is at least 75%of the composition, and the third amount is no more than 20%of the composition.

[0019] In other embodiment, the pre-curing concrete block is processed by water-curing at 40℃ or in a pH 8 alkaline solution.

[0020] In a third aspect of the present invention, a semi-dry casting method of preparing a reduced carbon dioxide emission concrete block is also provided. The method starts with mixing a concrete composition to obtain a first concrete mixture, the composition comprising (i) a weathering enhancer comprising basalt, olivine stone, olivine shell, zeolite, or any combination thereof, in a dosage of 2%or more of the composition, (ii) a first amount of low-carbon raw material comprising ground granulated blast-furnace slag, wollastonite, fly ash, biochar, or any combination thereof, in a dosage in the range of 1%to 4%of the composition, (iii) a second amount of recycled concrete aggregate, and (iv) a third amount of Ordinary Portland cement. Then, water and admixture are added to the first concrete mixture and mix to obtain a second slurry mixture. The second slurry mixture is poured into a steel mould in first two layers of equal depth, followed by manual compaction application to these two layers. Following the compaction of the first two layers, a third layer of the second slurry mixture is poured into the same steel mould with equal depth of each of the first two layers. Afterwards, the entirety is compacted by a compression machine, followed by demoulding to obtain a pre-curing concrete block. The pre-curing concrete is subjected to post-treatment methods selected from the group consisting of air-curing, water-curing, pH 8 alkaline solution treatment, or any combination thereof, and the reduced carbon dioxide emission concrete block is obtained, characterized by an increased atmospheric carbon dioxide uptake rate of at least 150 kg / m3.

[0021] In an embodiment of the third aspect of the present invention, the weathering enhancer comprises basalt or olivine shell in a dosage of 2%or more of the composition.

[0022] In another embodiment, the second amount is at least 75%of the composition, and the third amount is no more than 20%of the composition.

[0023] In other embodiment, the pre-curing concrete block is processed by water-curing at 40℃ or in a pH 8 alkaline solution.Brief Description of the Drawings:

[0024] FIG. 1 provides an illustrative overview of the various materials incorporated into the reduced carbon dioxide emission concrete of the present invention.

[0025] FIG. 2 illustrates the general process of production of the reduced carbon dioxide emission concrete, emphasizing the applicability of conventional concrete production processes (especially wet casting method and semi-dry casting method) to the composition of the present invention.

[0026] FIG. 3 shows microscopic images illustrating the porosity of the concrete of the present invention.

[0027] FIG. 4 compares the effect of various biochar materials on the carbon dioxide sequestration performance of concrete blocks.

[0028] FIG. 5 shows a comparative plot of the effect of various weathering enhancers on the carbon dioxide sequestration performance of concrete blocks.

[0029] FIG. 6 compares the effect of olivine shell contents on the carbon dioxide sequestration performance of concrete blocks.

[0030] FIG. 7 compares the effect of basalt contents on the carbon dioxide sequestration performance of concrete blocks.

[0031] FIG. 8 compares the effect of various post-treatment conditions on the carbon dioxide sequestration performance of concrete blocks.Detailed Description:

[0032] As used in the disclosure herein, “weathering” , “rock weathering” and “mineral carbonation” are interchangeably, referring to the capturing of atmospheric CO2 as by chemicals (particularly certain metal oxides) that can react and capture CO2 by undergoing carbonation.

[0033] This carbonation process is then further introduced into the concrete and cement industry by using CO2 as a curing and accelerating agent for cementitious materials. Cementitious products such as concretes can gain strength rapidly within a few hours in a CO2-rich environment. Such phenomenon is contributed by the rapid carbonation process between CO2 and cement components or hydration products: tricalcium silicate (3CaO SiO2, C3S) , dicalcium silicate (2CaO SiO2, C2S) , calcium hydroxide (Ca(OH)2) and calcium silicate hydrate (xCaO SiO2 yH2O,CSH) .

[0034] The corresponding carbonation processes are listed as following chemicalequation: 3CaO·SiO2+ (3-x) CO2+yH2O→xCaO·SiO2·yH2O+ (3-x) CaCO3 2CaO·SiO2+ (2-x) CO2+yH2O→xCaO·SiO2·yH2O+ (2-x) CaCO3 Ca (OH)2+CO2→CaCO3+H2O xCaO·SiO2·yH2O+CO2→CaCO3+ (x-1) CaO·SiO2·yH2O

[0035] However, despite attempts of incorporation of the carbonation process intoconcrete formulations, stoichiometric limitations exist, meaning that the maximumCO2 capturing and sequestration capacity is directly limited by the amount of carbonsequestration materials. However, common materials used in such formulations,including ground granular blast furnace slag (GGBS) , fly ash and natural pozzolansare not as readily available, and that they may face increasing limitations in supplies,as further elaborated below.

[0036] Fly ash – as a by-product of pulverized coal combustion in thermal powerplants, fly ash production is dropping due to the gradual phasing out of coal-firedpower in favor of renewable options or natural gas. As such, regions in which coal-fire power generation is more phased out are more dependent on imports, which inturn significantly increases costs. Also, fly ash with high carbon content orcontaminants are also unsuitable for use in concrete.

[0037] GGBS – similar to fly ash, due to the phasing out of blast furnace in favorfor lower-emission electric arc furnaces in modern steel production, GGBS, whichis a by-product of blast furnace-based steel production is also facing supplyconstraints. In addition, GGBS is also used in soil stabilization and as a feedstockfor other industrial processes, therefore competition with other industries overGGBS supply may arise.

[0038] Natural pozzolans, for example volcanic ash, diatomaceous earth andmetakaolin are geologically limited, as they are only found in specific volcanic orsedimentary regions. However, large scale extraction through mining may also beenvironmentally unfriendly, which also contradicts the core concept of carbonfootprint reduction.

[0039] In view of the above, the concrete composition of the present invention incorporates alternatives to the above-mentioned Ordinary Portland cement substitutes, including olivine and basalt.

[0040] Olivine is a magnesium iron silicate, which is a common mineral in Earth’s lithospheric mantle in general, the geological resources of olivine globally amount to up to 1014 tonnes. Powdered, fine-grained or pulverized olivine generally display carbon sequestration properties.

[0041] On the other hand, basalt is the most common volcanic rock on Earth, constituting up to 70%of the Earth’s surface crust and 65%of the oceanic crust.

[0042] The Examples below further elaborates the formulation of the concrete composition of the present invention, and illustrates the CO2 sequestration potentials of olivine and basalt.

[0043] EXAMPLES

[0044] Material Investigation

[0045] To start with, the performance of biochar materials of CO2 sequestration is carried out and compared. The results are tabulated in Table 1 below, based on which a plot is constructed as shown in FIG. 4.

[0046] Table 1: Effect of various biochar materials on the sequestration performance of concrete blocks

[0047] As observed in Table 1 and FIG. 4, the CO2 sequestration performances of biochars MIC 101 and MIC 102 are slightly higher than biochar H. However, as the MIC 102 biochar produces a final product with a significantly darker shade compared to the other two biochar types, by balancing aesthetic considerations and performance, MIC 101 is chosen for all investigations below.

[0048] Further, in view of the overarching target of optimizing weathering (or mineral carbonation) , based on careful selection, olivine shell, basalt, zeolite and olivine are chosen. The specifications of these materials are tabulated in Table 2 below.

[0049] Table 2: List of potential weathering enhancers

[0050] Olivine shell is a particulate material that has undergone degumming, crushing, screening, and other treatments. It contains numerous micropores on its surface and demonstrates relatively strong adsorption capabilities as a filter medium, exhibiting properties similar to those of activated carbon.

[0051] Basalt, on the other hand, is a highly porous material capable of capturing CO2 from the air and sequestering it within its pores. Although CO2 is generally considered too stable to chemically react with rock, it can strongly adhere to rock surfaces through physical adsorption. Over time, the CO2 dissolves in water to form carbonic acid, which can subsequently react with concrete to form stable carbonate minerals.

[0052] Tests are conducted on concrete compositions replacing a portion of traditional cementitious ingredients with alternatives with increased CO2 sequestration ability while maintaining mechanical properties sufficient for use as building blocks. The general formulation is tabulated in Table 3 below.

[0053] Table 3: Formulation for investigation of concrete blocks with different weathering enhancers *RCA = recycled concrete aggregate; OPC = Ordinary Portland cement, GGBS = ground granulated blast furnace slag

[0054] The effects of these weathering enhancers on the CO2 sequestration performance of concrete blocks are tabulated in Table 4 below and plotted into the graph as shown in FIG. 5.

[0055] Table 4: Effects of weathering enhancers on the CO2 sequestration performance of concrete blocks

[0056] After 28 days of sequestration in the atmosphere, the carbon dioxide uptake for zeolite and olivine shell are approximately 4.5%, while both basalt and olivine shell achieved uptake levels above 5%. Based on these results, olivine shell and basalt are selected as additive materials for the subsequent investigations. In summary, based on the observed results, olivine shell and basalt possess the greatest potential in terms of carbon dioxide sequestration performance.

[0057] Formulation optimization

[0058] With basalt and olivine shell determined to be the most promising weathering enhancers, multiple samples are further fabricated with different contents of these two weathering enhancers respectively, with the general formulation as shown in Table 5.

[0059] Table 5: Formulation for investigation of concrete blocks with different amounts of weathering enhancers

[0060] The effects of the variation in amounts of weather enhancers are tabulated in Table 6 below and shown in FIGs. 6 and 7 respectively.

[0061] Table 6: Effects of amounts of weathering enhancers on the CO2 sequestration performance of concrete blocks

[0062] Better CO2 sequestration levels at 7 and 14 days are observed when the proportions of olivine and basalt are increased to 8%. However, by 28 days, the uptake has nearly plateaued, indicating that saturation is almost reached. Increasing the percentages beyond this point do not result in a significant improvement in CO2sequestration. It is therefore concluded that a mixture containing 2%basalt or olivine provides the optimal dosage for effective CO2 sequestration.

[0063] It should also be noted that even upon the incorporation of olivine shell, basalt or other weathering enhancers in the dry mixture, the concrete composition is still applicable to conventional concrete casting methods, namely wet casting method and semi-dry casting method.

[0064] Post-treatment conditions

[0065] As post-treatment conditions are critical parameters affecting the performance of CO2 sequestration, further investigations on the effect of various post-treatment conditions on concrete blocks is carried out. The formulation for the investigation is tabulated in Table 7.

[0066] Table 7: Formulation for investigation of different post-treatment conditions

[0067] The results of the post-treatment conditions investigation are tabulated in Table 8 below and plotted in FIG. 8.

[0068] Table 8: Effects of post-treatment conditions on the CO2 sequestration performance of concrete blocks

[0069] The results show that increasing the temperature during air-curing leads to reduced carbon dioxide adsorption, whereas raising the temperature during water-curing enhances adsorption but causes it to reach saturation more quickly. Additionally, concrete that has been cast and subsequently treated in a pH 8 alkaline solution demonstrated improved carbon dioxide sequestration.

[0070] Several embodiments of the present disclosure and features of details are briefly described above. The embodiments described in the present disclosure may be easily used as a basis for designing or modifying other processes and structures for realizing the same or similar objectives and / or obtaining the same or similar advantages introduced in the embodiments of the present disclosure. Such equivalent construction does not depart from the spirit and scope of the present disclosure, and various variations, replacements, and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the present disclosure.

[0071] As used herein, terms "approximately" , "basically" , "substantially" , and "about" are used for describing and explaining a small variation. When being used in combination with an event or circumstance, the term may refer to a case in which the event or circumstance occurs precisely, and a case in which the event or circumstance occurs approximately. As used herein with respect to a given value or range, the term "about" generally means in the range of ±10%, ±5%, ±1%, or ±0.5%of the given value or range. The range may be indicated herein as from one endpoint to another endpoint or between two endpoints. Unless otherwise specified, all the ranges disclosed in the present disclosure include endpoints. The term "substantially coplanar" may refer to two surfaces within a few micrometers (μm) positioned along the same plane, for example, within 10 μm, within 5 μm, within 1 μm, or within 0.5 μm located along the same plane. When reference is made to "substantially" the same numerical value or characteristic, the term may refer to a value within ±10%, ±5%, ±1%, or ±0.5%of the average of the values.

Claims

1.A composition for reduced carbon dioxide emission concrete, comprising:a weathering enhancer comprising basalt, olivine stone, olivine shell, zeolite, or any combination thereof, in a dosage of 2%or more of the composition;a first amount of low-carbon raw material comprising ground granulated blast-furnace slag, wollastonite, fly ash, biochar, or any combination thereof, in a dosage in the range of 1%to 4%of the composition;a second amount of recycled concrete aggregate; anda third amount of Ordinary Portland cement;wherein the concrete is processed by post-treatment methods selected from the group consisting of air-curing, water-curing, pH 8 alkaline solution treatment, or any combination thereof.2.The composition of claim 1, wherein the weathering enhancer comprises basalt or olivine shell in a dosage of 2%or more of the composition.3.The composition of claim 1, wherein the concrete is processed by water-curing at 40℃ or in a pH 8 alkaline solution.4.The composition of claim 1, wherein the second amount is at least 75%of the composition.5.The composition of claim 1, wherein the third amount is no more than 20%of the composition.6.A reduced carbon dioxide emission concrete block comprising the composition of claim 1, wherein the concrete block has an atmospheric carbon dioxide uptake rate of at least 150 kg / m3.7.A wet casting method of preparing a reduced carbon dioxide emission concrete block, comprising:mixing a concrete composition to obtain a first concrete mixture, the composition comprising:a weathering enhancer comprising basalt, olivine stone, olivine shell, zeolite, or any combination thereof, in a dosage of 2%or more of the composition;a first amount of low-carbon raw material comprising ground granulated blast-furnace slag, wollastonite, fly ash, biochar, or any combination thereof, in a dosage in the range of 1%to 4%of the composition;a second amount of recycled concrete aggregate; anda third amount of Ordinary Portland cement;adding water and admixture to the first concrete mixture and mix to obtain a second slurry mixture;casting the second slurry mixture into a mould and compacting the second slurry mixture for 24 hours or more;demoulding to obtain a pre-curing concrete block;subject the pre-curing concrete block to post-treatment methods selected from the group consisting of air-curing, water-curing, pH 8 alkaline solution treatment, or any combination thereof, to obtain the reduced carbon dioxide emission concrete block;wherein the reduced carbon dioxide emission concrete block has an atmospheric carbon dioxide uptake rate of at least 150 kg / m3.8.The method of claim 7, wherein the weathering enhancer comprises basalt or olivine shell in a dosage of 2%or more of the composition.9.The method of claim 7, wherein the second amount is at least 75%of the composition.10.The method of claim 7, wherein the third amount is no more than 20%of the composition.11.The method of claim 7, wherein the pre-curing concrete block is processed by water-curing at 40℃ or in a pH 8 alkaline solution.12.A semi-dry casting method of preparing a reduced carbon dioxide emission concrete block, comprising:mixing a concrete composition to obtain a first concrete mixture, the composition comprising:a weathering enhancer comprising basalt, olivine stone, olivine shell, zeolite, or any combination thereof, in a dosage of 2%or more of the composition;a first amount of low-carbon raw material comprising ground granulated blast-furnace slag, wollastonite, fly ash, biochar, or any combination thereof, in a dosage in the range of 1%to 4%of the composition;a second amount of recycled concrete aggregate; anda third amount of Ordinary Portland cement;adding water and admixture to the first concrete mixture and mix to obtain a second slurry mixture;pouring the second slurry mixture into a steel mould in first two layers of equal depth;applying manual compaction to the first two layers of the second slurry mixture;pouring a third layer of the second slurry mixture into the steel mould with equal depth of each of the first two layers;compacting by a compression machine and demoulding to obtain the pre-curing concrete paving block; andsubject the pre-curing concrete block to post-treatment methods selected from the group consisting of air-curing, water-curing, pH 8 alkaline solution treatment, or any combination thereof, to obtain the reduced carbon dioxide emission concrete block;wherein the reduced carbon dioxide emission concrete block has an atmospheric carbon dioxide uptake rate of at least 150 kg / m3.13.The method of claim 12, wherein the weathering enhancer comprises basalt or olivine shell in a dosage of 2%or more of the composition.14.The method of claim 12, wherein the second amount is at least 75%of the composition.15.The method of claim 12, wherein the third amount is no more than 20%of the composition.16.The method of claim 12, wherein the pre-curing concrete block is processed by water-curing at 40℃ or in a pH 8 alkaline solution.

Images