(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメント質形成プロセスからの工程水の再循環方法であって、
前記工程水からカルシウム、ナトリウムおよびカリウムのイオンを除去して、減少した金属イオン含量を有する工程水を提供するステップ；
前記工程水にカルシウムを添加して、減少したカリウムおよびナトリウムイオン含量を有するカルシウム富化工程水を製造するステップ；および
減少した金属イオン含量を有する前記カルシウム富化工程水の少なくとも一部を、前記セメント質形成プロセスに再導入するステップ
を含む方法。
【請求項２】
前記カルシウム、ナトリウムおよびカリウムのイオンが、イオン交換プロセスによって、前記工程水から除去される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記工程水から、クロムイオンを除去するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている２００９年６月２６日出願の米国仮出願第61/220,934号の、米国特許法第１１９条（ｅ）の下における優先権の利益を主張する。
【０００２】
発明の背景
発明の分野
本開示は、一般に繊維セメント（fiber cement）製造に関し、より具体的には、繊維セメント製造プロセス（process）における水使用を低減するシステムおよび方法に関する。
【０００３】
関連技術の説明
市販の繊維補強セメント質成形物品（cementitious shaped articles）、例えば繊維セメント建築用パネル（building panels）および外装サイディング（exterior sidings）などは、通常、大規模なセメント質形成プロセス（cementitious forming processes）を使用して製造される。これらの大規模操業、例えば工業的規模のＨａｔｓｃｈｅｋプロセスなどは、通例、工程助剤として数１００万ガロンの水の使用を必要とする。繊維セメント製造において、大量の工程水（process water）を再循環および再使用するいくつかの取組みが行われてきているが、これらの取組みは、多くは、使用済みの水（spent water）から微粒子（particulates）を除去する濾過システムの設置、または排出のための水のｐＨ調節に限定されている。セメント質形成プロセスの間セメントはアルカリを浸出し続けるので、再循環される工程水は、通例、アルカリ含量が高い。したがって、工程水が再使用される場合、その水中のアルカリ金属イオンが蓄積され、製品性状に不利な影響を及ぼす恐れがある。
【０００４】
工業的および家庭用の両方の用途において、水からイオンを除去する水処理のためイオン交換システムが使用されている。例えば、家庭の水精製システムにおいて、また海水の淡水化および半導体加工におけるメッキ溶液からの金属の除去などの工業的用途において、イオン交換装置（ion exchangers）が使用されている。しかし、従来のイオン交換システムは、繊維セメント製造で要求される複雑な化学的構成（make-up）を有する、極めて大量の工程水の閉ループ（closed-loop）循環を取り扱い、処理し、また保全するように装備されていない。その上、従来のイオン交換システムは、処理した水が最終製品の機能的性状向上をもたらすような形で、セメント質形成プロセスからの極めて複雑な使用済み水を処理するようには設計されていない。上述のことを考慮すると、そこには大規模繊維セメント製造プロセスにおける水使用を低減する、改良されたシステムおよび方法を求める必要性が残っている。
【０００５】
発明の概要
以下において種々の実施形態を作り上げ使用することが詳細に考察されているが、本明細書において記述されるように、広く様々な状況で具現化できる多くの独創的な概念が提供されていることが理解されるべきである。本明細書において考察される実施形態は、本発明を作り上げ使用する単なる例示的な方法であり、本発明の範囲を限定するものではない。
【０００６】
本発明の好ましい実施形態は、Ｈａｔｓｃｈｅｋプロセス、フローオン（flow-on）、成型（moulding）、マザパイプ（mazza pipe）などを利用する大規模セメント質成形物品製造方法における使用済み工程水を処理する閉ループシステムおよび方法を提供する。この新規な製造システムから製造されるセメント質物品（cementitious articles）は、ボード、シートまたはパネルなどの予備形成形状（pre-formed shape）のものとすることができる。これらの物品は、例えば、タイル下地材、サイディング、パネル、トリム（trim）、鼻隠し板（fascia）、ルーフィング、クラウンモールディング、デッキング（decking）およびフェンスとして有用な建築用製品（building product）として使用することができる。水および薬品を節約するほかに、本発明の好ましい実施形態は、特に凍結融解条件に曝された後での、強化された強度および耐久性を含む、しかしこれらに限定されない、思いがけなく強化された機能的性状を有する繊維セメント物品を提供する。
【０００７】
一態様において、本発明の好ましい実施形態は、セメント質形成プロセスからの工程水の再循環方法を提供する。この方法は、工程水からカルシウム、ナトリウムまたはカリウムのイオンを除去して、減少した金属イオン含量を有する工程水を提供するステップを含む。この方法はさらに、工程水にカルシウムを添加して、減少した金属イオン含量を有する、カルシウムが富化された工程水を製造するステップと、減少した金属イオン含量を有するカルシウムが富化された工程水の少なくとも一部をセメント質形成プロセスに再導入するステップとを含む。一実施形態において、イオン交換プロセスによって、カルシウム、ナトリウムおよび／またはカリウムのイオンが、工程水から除去される。このイオン交換プロセスは、弱酸官能基を有する第１のイオン交換樹脂、および強酸官能基を有する第２のイオン交換樹脂を含むことが好ましい。一実施態様において、この弱酸官能基は−ＣＯ２Ｈであり、また強酸官能基は−ＳＯ３Ｈである。
【０００８】
他の態様において、本発明の好ましい実施形態は、セメント質成形物品製造プロセスを提供する。このプロセスは、セメント質成形物品を形成するように構成された形成ユニット（forming unit）と、複数のイオン交換装置を利用する閉ループ水処理システムとを含む。この形成プロセスは、カルシウム、ナトリウムおよびカリウムのイオンを含有する使用済み工程水を放出する。これらのイオン交換装置は、使用済み工程水中に存在する少なくとも１種のイオンを除去するように構成されている。一実施形態において、この閉ループ水処理システム中のイオン交換装置の少なくとも１つは、工程水からカルシウムイオンを除去するように構成されている。他の実施形態において、これらのイオン交換装置は、これらのイオン交換装置が１価イオンを除去する前に多価イオンを先ず除去するよう構成されるように、順次配列される。いくつかの実施形態において、工程水からＳＯ４２−およびＣｌ−などのアニオンを除去するのに、カチオン樹脂が使用される。いくつかの他の実施形態において、このプロセスは、他のイオン交換装置によってカルシウムイオンが除去された後に、カルシウムを工程水に再びまた添加するよう構成された、少なくとも１つのイオン交換装置を備える。
【０００９】
さらに他の態様において、本発明の好ましい実施形態は、セメント質建築用物品（cementitious building article）の製造システムを提供する。このシステムは、形成プロセスと、部分閉ループの水再循環システムを組み込んだアルカリ除去プロセスとを含む。このアルカリ除去プロセスは、並列で作動する少なくとも２組のイオン交換装置を含むことが好ましい。形成プロセスは、その形成プロセスを出て行く水の少なくとも一部分が、アルカリ除去プロセスを通って再循環され、それがアルカリ含量が減少した工程水をもたらすように、アルカリ除去プロセスと協働している（in cooperation with）ことが好ましい。一実施形態において、アルカリ除去プロセスは、１時間当り約８，０００〜１５０，０００ガロンの流量で、形成プロセスから放出される水を受け入れるよう構成される。
【００１０】
さらに他の態様において、本発明の好ましい実施形態は、ここに記述した方法およびシステムにより、再循環されている水の存在下で実行されるセメント質形成プロセスによって調製したセメント質成形物品を提供する。一実施形態において、このセメント質成形物品は、減少したアルカリ含量および富化されたカルシウムイオン含量を有する再循環した工程水を使用して、Ｈａｔｓｃｈｅｋプロセスによって形成した繊維セメント建築用パネルまたはサイディングである。こうして形成したセメント質成形物品は、減少したアルカリ含量および／または富化されたカルシウムイオン含量を有する再循環した工程水を使用しない比較用製造プロセスによって形成した同等の物品よりも、特に凍結融解条件に曝された後で、より高いＭＯＲおよび引張り強度を有する。
【００１１】
図面は、必ずしも規模に合わず、またある特徴が規模において誇張して示され、または明瞭さおよび簡潔さに関し幾分一般化した、もしくは図式的な形態で示されている可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】閉ループ工程水再循環および処理システムを組み込んでいる、好ましい一実施形態の繊維セメント製造プロセスの一般的概略図を提供する。
【図２】好ましい一実施形態による１組のイオン交換装置２００を概略的に例示する。
【図３】他の実施形態のセメント質成形物品製造システムの概略図である。
【図４】さらに他の実施形態のセメント質成形物品製造システムの概略図である。
【図５】さらに他の実施形態のセメント質成形物品製造システムの概略図である。
【図６】さらに他の実施形態のセメント質成形物品製造システムの概略図である。
【図７】さらに他の実施形態のセメント質成形物品製造システムの概略図である。
【図８】さらに他の実施形態のセメント質成形物品製造システムの概略図である。
【図９】イオン添加ステップが含まれる多段アルカリ除去システムの一実施形態を概略的に例示する。
【図１０】イオン添加ステップが含まれる１組のイオン交換装置の一実施形態を概略的に例示する。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
好ましい実施形態の詳細な説明
図１は、水および薬品使用を低減させ、かつまた形成された製品の機能性をも強化する、新規な閉ループ使用済み水再循環および処理プロセスを組み込んでいる、好ましい一実施形態の繊維セメント製造システム１００を概略的に例示する。図１に示したように、システム１００は一般に、繊維セメント成形物品を形成するよう構成した形成ユニット１０２と、使用済み工程水の少なくとも一部を処理し、処理した工程水を形成ユニット１０２に再びまた再循環するよう構成した閉ループ水処理システム１０４とを含む。形成ユニット１０２には、当技術分野で知られているＨａｔｓｃｈｅｋ、Ｍａｇｎａｎｉプロセス、フローオン、または任意の他の水系繊維セメント形成プロセスが含まれ得る。いくつかの実施形態において、形成ユニット１０２は、１つまたは複数のスラリーバット、走行フェルト、形成シリンダーおよびコンベアを備えている。
【００１４】
さらに図１に示したように、閉ループ水処理システム１０４は、濾過装置１０６と、多段アルカリ除去システム１０８とを備える。一実施形態において、濾過装置１０６は、アルカリ処理前の工程水からの微細な粒状物質、繊維、骨材（aggregates）などの残渣を除去するように設計され、こうして閉塞を防止し、アルカリ処理ステップの使用時間を長くしている。一実施態様において、濾過装置１０６は、複数の濾過ユニットを直列で備え、これらは、種々のサイズの残渣と工程水とをふるい分ける能力を有することができる。これらの濾過ユニットは、いくつかの実施形態において、直列に順次配列され、そのためより大きな粒状物質が、より微細な粒状物質の前に除去される。この順序は、これらのユニットにわたって粒子負荷が分配されるのを助ける。濾過ユニットは、ストレーナー、ふるい、ディスクフィルター、バグフィルター、砂濾過機、カートリッジフィルターまたは同種のものとすることができる。
【００１５】
濾過後に使用済み工程水を受け入れる、多段アルカリ除去システム１０８は、特に、水から有害なイオンを除去する一方、製品の機能性を強化することができる有用なイオンを保持するように設計されている。セメント質形成プロセスは、通常高度にアルカリ性の環境で実施されるので、使用済み工程水は、通常高アルカリ含量を有し、大量の１価および多価イオンを含有する。具体的には、本発明者は、使用済み工程水におけるＮａ＋およびＫ＋などのある種の１価イオンの存在が、この水が再使用される場合、製品に有害な影響を有する恐れがあることを見出している。同様に、本発明者は、水中のＣａ２＋などのある種の多価イオンの存在が、製品の機能性および性能に驚くべきプラスの効果を有することができる点を見出している。したがって、多段アルカリ除去システム１０８は、Ｎａ＋およびＫ＋などのある種の１価イオンを選択的に除去し、それにより処理した工程水が、低減したアルカリ含量を有し、最小レベルのＮａ＋およびＫ＋を含有するが、高レベルのＣａ２＋を含有するように設計されることが好ましい。いくつかの実施形態において、多段アルカリ除去システム１０８はまた、クロム（Ｃｒ）を選択的に除去するようにも設計される。
【００１６】
図１に示したように、多段アルカリ除去システム１０８には、一般にイオン除去ステップ１１０および１１２が含まれる。いくつかの実施形態において、多段アルカリ除去システム１０８は、このイオン除去ステップを通って、Ｃａ＋２、Ｃｒ（ＶＩ）などの多価イオンが、Ｋ＋およびＮａ＋などの１価イオンの前に除去されるように順番に構成される一連のイオン交換装置ユニットを備えることが好ましい。これらのイオンの除去の後に、次いで、工程水が形成プロセスで再使用される前に、Ｃａ＋２などのある種の多価イオンが再びまた工程水に添加される。１価イオンの除去を促進するため、先ず多価イオンが除去される。さもないと、多価イオンが樹脂ベッドを飽和させ、１価イオンの効果的な除去を妨げる可能性があるであろう。
【００１７】
アルカリ除去システムは、一般に、塩を形成する、使用済み工程水中のアルカリイオンとイオン交換装置ユニット内の酸性イオンとの間の、化学量論的および化学的可逆反応によって作動される。イオン交換装置ユニットは、直列もしくは並列に置かれた１種または複数の合成樹脂を備え、この合成樹脂に、樹脂の活性部位上に酸性イオンが結合されている。合成樹脂には、アルカリカチオンを除去するカチオン交換樹脂が含まれ、また１種もしくは複数のアニオンを除去するアニオン交換樹脂も含まれ得る。適切な合成樹脂の例には、ポリスチレンゲル、ジビニルベンゼンで架橋したポリスチレン、または、カルボン酸もしくは硫酸官能基を有する長鎖ポリマービーズが含まれるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、イオン交換装置の各セットには、弱酸官能基を有する少なくとも１つの交換装置、および強酸官能基を有する少なくとも１つの交換装置が含まれ得る。
【００１８】
図２は、好ましい一実施形態による１組のイオン交換装置１１４を概略的に例示する。図２に示したように、その１組のイオン交換装置１１４は、４つのイオン交換段階もしくはユニットを有し、そのそれぞれが特定のイオンを除去するように設計されている。第１のイオン交換装置１１６は、工程水からＣａ＋２などのアルカリ土類イオンを除去するように選択された弱酸樹脂ベッドを有する。この弱酸樹脂は、１種もしくは複数の弱酸官能基例えばカルボン酸官能基、アセチル官能基、リン酸官能基、ホウ酸官能基などを有する部位を有することが好ましい。第２および第３のイオン交換装置１１８、１２０はそれぞれ、Ｋ＋およびＮａ＋などのアルカリイオンを除去するように選択された強酸樹脂ベッドを有する。強酸は、スルホン酸基、過塩素酸基、臭化水素基、塩化水素基、硝酸基などの官能基を有することができる。第４のユニット１２２は、Ｋ＋およびＮａ＋を除去する強酸樹脂とすることができ、またはＳＯ４２−およびＣｌ−を除去する強塩基樹脂とすることができる。さらに図２に示したように、硫酸１２４を使用して、樹脂が飽和される場合、それぞれの樹脂ベッドをバックフラッシュもしくは再生する。一実施形態において、第１のイオン交換装置１１６において除去されたカルシウムイオンは、硫酸カルシウムに変換される。次いで、硫酸カルシウムは、工程水に再びまたカルシウムイオンを再導入するために移送される。本発明者は、工程水へのカルシウムの添加が驚くべきことに、以下においてより詳細に記述される形で最終製品の機能性および性能を向上させることを見出している。
【００１９】
図３は、他の代表的実施形態のセメント質成形物品製造システムの概略図である。配合物１２６は、ボックス１２８で典型的な水系複合形成プロセス（water based composite forming process）に入り、所望により多くの形状のうちの任意の形状に成形した、１種または複数の形成複合物品（formed composite articles）１３６をもたらす。水形成プロセス１２８で使用された水は、アルカリ工程水１３０として出て行き、ボックス１３２でアルカリ除去プロセス中に供給される。このアルカリ除去プロセスは、水からアルカリ含有物を除去するように設計されたイオン交換プロセスまたは任意の他のプロセスとすることができる。ボックス１３２で処理した後、水は、減少したアルカリの量を有する水１３４としてアルカリ除去プロセスを出て行き、ボックス１２８で水系複合形成プロセスに再投入するのに使用できる。ボックス１２８から出て行く工程水１３０は、１か所もしくは複数の出口ポートでそのようにすることができる。同様に、ボックス１３２は、水１３４を放出するための１か所もしくは複数の出口ポートを有することができる。その上、ボックス１２８に入る水１３４は、１か所もしくは複数の入口ポートを経由して入ることができる。複数の入口および出口ポートにより、システムの効率を最大限とするように、所望される場合流水をプロセス内で再生することができるであろう。さらに、１か所もしくは複数の出口ポートで水を試験して、アルカリ含量が所望のレベルであることを保証することができる。一般に、ボックス１３２の１か所もしくは複数の出口ポートから出る水は、ボックス１２８に戻るであろう。しかし、いくらかの水は、システムの他の部分で再使用される可能性がある。図３に示した設計の下で、水は、完全な閉ループシステムまたは部分的に閉ループのシステム内で再循環できる。１つもしくは複数の水系形成プロセス１２８が作動している場合、それぞれが、同一のアルカリ除去プロセスボックス１３２に向かって分岐している、１か所もしくは複数の出口ポートを有することができる。一形態において、形成プロセス１２８からの工程水は、多段アルカリ除去プロセスを通過する。このアルカリ除去プロセスが、閉ループシステム内におけるナトリウムまたはカリウムなどのアルカリイオンの蓄積を防止する。
【００２０】
いくつかの実施形態において、多段アルカリ除去システムは、一つのセットが整備、洗浄、試験などを要する場合に並列もしくは直列で作動する設計の、２組以上のアルカリ除去セットから構成される。図４に一例が示され、図４ではボックス１３８および１４０は共にアルカリ除去セットであり、そのそれぞれが、それぞれ１３８ａおよび１４０ａに遮断弁を有する。いずれか一方もしくは両方の遮断弁が開いて、いずれか一方もしくは両方のアルカリ除去プロセスにアルカリ水が流れることを可能にすることができる。さらに、除去セット１３８および除去セット１４０には、１４２で示される１か所もしくは複数のフローポートが含まれ、それにより、一方の除去セットからいくらかもしくは全部の水を他方の除去セットに流し、さらにいっそうのイオン除去を可能にすることができる。例えば、除去セット１３８からのいくらかもしくは全部の水は、１４２を経由して、除去セット１４０に向けて出て行くことができ、アルカリ処理の後、出口ポート１４０ｂを経由してボックス１２８に向かって除去セット１４０を出て行き、次いでボックス１２８に戻るであろう。一部の水だけが１４２を経由して分流したとしても、残部は、出口ポート１４０ｂを経由して出て行くであろう。一般に、出口ポート１４０ｂからの水は、ボックス１２８に戻るであろう。しかし、いくらかの水は、システムの他の部分で再使用される可能性がある。同様に、除去セット１３８に入る水のいくらかもしくは全部が、１４２を経由して除去セット１４０に向かって出て行き、また出口ポート１４０ｂを経由してボックス１２８に向かって除去セット１４０を出て行き、次いでボックス１２８に戻るであろう。
【００２１】
他の例は図５に示され、図５は、並列で作動する２つの多段交換装置１４４ａおよび１４４ｂを示す。工程水１４６は、交換装置１４４ｂがオフラインの場合、一般に１４６と１４８の間に設けられた遮断弁により、多段交換装置１４４ａに入ることができる。同様に、工程水１４６は、交換装置１４４ａがオフラインの場合、一般に１４６と１５０の間に設けられた遮断弁により、多段交換装置１４４ｂに入ることができる。交換装置１４４ａには、少なくとも２つの交換装置、すなわち少なくとも１つの弱酸交換装置１５０および少なくとも１つの強酸交換装置１５２が含まれる。同様に、交換装置１４４ｂには、少なくとも２つの交換装置、すなわち少なくとも１つの弱酸交換装置１４８および少なくとも１つの強酸交換装置１５４が含まれる。１つもしくは複数の交換装置を通って水が流れた後、１つもしくは複数の交換装置を出て行くアウトプット水１５６は、より少ないアルカリイオンを有し、再びまた複合物品連続製造用の形成プロセスに再循環することができるであろう。場合によって、いくらかもしくは全ての水が、アルカリ除去プロセスをバイパスすることができる。これは、図６中に概略的に示される。例えば、水１５８の一部は、ポート１６０を通って交換装置１６２中へ迂回し、１６４で交換装置を出ることができる。水１５８は、清浄な、もしくは未処理水とすることができ、また水１６６として、アルカリの少ない水と再合流させることができる。
【００２２】
活性な交換装置を通るアルカリ水は、樹脂ベッドの活性部位上での塩の生成をもたらす。時間が経過し、塩の量が蓄積されると、活性部位の数が減少し、樹脂ベッドの効率が悪影響を受ける。樹脂ベッドは、樹脂の酸性化によって、再生または再活性化される。一般に、これは、交換装置をオフラインとし、その交換装置に酸を導入することを含む。再活性化は、一般に図７に示しているように行われ、図７では酸１７０が、流れラインに導入され、交換装置１７２を通って進み、このときこれは工程水のラインから遮断される。使用された樹脂を酸により活性化すると、樹脂ベッドからの塩の排出、および樹脂の活性部位上の酸性官能基の置換をもたらす。酸性化の後に交換装置１７２から出て行く排出流体１７４は、さらなる処理を必要とせずに、システムの他の部分で再使用できるか、代わりのシステムで再使用できるか、または、弱い塩として排出されるかいずれにもすることができる塩溶液である。弱酸もしくは強酸樹脂ベッドの再生に適した酸には、硝酸、塩酸、フルオロアンチモン酸、カルボラン、トリフル酸が、例として含まれる。弱酸樹脂ベッドの再生のための他の酸には、酢酸、クエン酸、ホウ酸、リン酸またはフッ化水素酸が含まれるが、これらに限定されない。酸濃度は、約０．０５Ｍ〜約０．５Ｍの範囲とすることができる。一般的な再生時間の範囲は、通例、１時間〜１０時間である。
【００２３】
典型的に使用され、またここに記述したように、２つ以上のアルカリ除去プロセスは、並列で設置され、したがって、再活性化を要する場合少なくとも１つを作動状態とし、他方をオフラインとする。これにより、複合物品の全体的製造システムは、中断されずに連続的な形で作動させ、こうして起動および停止時間による無駄ならびに効率を低減することが可能である。操業において、強酸もしくは弱酸樹脂ベッドのいずれを有する交換装置も、同一の酸を使用して再生することができる。
【００２４】
ここに記述したシステムから形成される物品は、アルカリ除去ステップのない水再循環プロセスから製造された代替的物品と比較して、改良された特性を有することが、思いがけず見出されている。例えば、ここに記述した物品は、一般に、アルカリ除去プロセスのないシステムから製造された同一の物品と比較して約１０％〜３０％の、飽和における破断係数（modulus of rupture）（ＭＯＲ）の向上を示す。さらに、ここに記述した製造プロセスにより調製した物品は、約８ＭＰａを超える、もしくは約８．５ＭＰａを超える、もしくは約９ＭＰａを超える、もしくは約９．５ＭＰａを超える、または約１０ＭＰａを超えるＭＯＲを示すであろう。ここに記述した製造システムにより調製した物品は、アルカリ除去プロセスのないシステムから製造された同一の物品と比較して約１０％、もしくは約２０％、もしくは約３０％からの引張り強度の向上をも示すであろう。
【００２５】
ある好ましい実施形態において記述される物品は、一般に、セメント質であり、水硬性結合剤、少なくとも１種のシリカ源、および１種または複数の補強用繊維源を含む。配合物はさらに、１種または複数の添加剤例えば、１種もしくは複数の密度調整剤、撥水性もしくは疎水性添加剤および／または殺生物剤などをさらに含むことができる。物品表面は、サンダー仕上げ、ブラシ仕上げ、サンドブラスト仕上げ、スタンピング、エンボス仕上げ、機械加工などの方法を使用して、さらに仕上げることができる。物品は、常温硬化（air cured）でき、オートクレーブ中で、または事実上任意の知られているもしくは使用可能な硬化方法もしくはシステムを使用して、硬化することができる。物品は、１種または複数のコーティング処理により処理できる。物品はまた、他の形状およびサイズに切断することもできる。
【００２６】
ここに記述した製造システムにより調製した物品は、アルカリ除去プロセスのないシステムから製造された同一の物品と比較して特に凍結−融解性能下における水分損傷による影響が少ない。したがって、ここに記述したように提供されるこのような物品は、水を再循環するがアルカリ除去プロセスが含まれない従来の水系製造方法から製造された物品よりも良好に、それらの厚さおよび形状を保持する。ここに記述した通り調製した物品は、ここに記述したアルカリ除去が含まれない同様なシステムから製造した物品よりも、約１０サイクル長く、約１５サイクル長く、または約２０サイクル長く持続するであろう。ＭＯＲ、ＭＯＥなどの性能パラメータ、また水分移動、水分含量ならびに凍結−融解性能は、それぞれＡＳＴＭ  Ｃ１１８５、ＡＳＴＭ  Ｃ１１８６およびＡＳＴＭ  Ｄ１０３７によって特徴付けられる。
【００２７】
記述した物品は、任意の水系製造システムを使用して製造され、したがってパネルもしくはシートとして形成でき、またさらに外装または内装用途で使用するための形状とすることができる。パネルもしくはシートとして、ここに記述した物品は、一般に、外表面である少なくとも２つの普通は平面的な面（face）によって画定される。本明細書において記述した物品はまた、最小の面（face）未満のもしくはより小さい端部未満の表面積を有する外表面として一般に画定される、１つもしくは複数の周辺端部（perimeter edges）をも有する。ここに記述した物品についての、さらなる形態には、フェンス、タイル下地材、サイディング、トリム、鼻隠しボード、ルーフィングタイル、デッキングなどが例として含まれるが、これらに限定されない。ここに記述したシステムは、製造される物品のタイプを限定しないものであり、また、資源節約を試みているがここに記述したアルカリ除去プロセスが含まれない同等のシステムによって提供される物品よりも、思いがけず資源節約となり、加えて、より機械的に良好な建築用物品を提供する。ここに記述したシステムは、アルカリ含量が低いセメント質物品を提供するものである。物品はさらに、所望の形状およびサイズに成形し、またそのサイズに作りまたは切断することができる。
【００２８】
物品表面は、実質的に平坦で、平滑なテクスチャーおよび／または粗めのテクスチャーを有することができる。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の表面のテクスチャーは、均一またはランダムな特定のマーキングおよび／またはネームなどの美術的デザインを含んでよい。いくつかの実施形態において、表面は、木目または石の外観などの知られているテクスチャーを模倣できる。加えてもしくは別法として、物品の１つまたは複数の表面は、外側に出っ張るもしくは内側に屈曲する１つまたは複数の部分を有することができる。出っ張りもしくは屈曲部分は、機能的部分を含むことができ、または、設計上の特徴として役立つことができ、あるいはこれらの組合せでもよい。このような表面の例は、キーライン（key line）、ビードおよび溝である。
【００２９】
ここに記述した物品の厚さは、２つの表面の間の最短距離として測定し、約５０ｍｍ未満とすることができる。いくつかの実施形態において、この厚さは、約３５ｍｍ未満または約２５ｍｍ未満とすることができる。いくつかの実施形態において、この厚さは、約６ｍｍ未満である。パネルまたはサイディングなどの、このような薄手の建築用製品により、少ない量の原材料で同一の面積を被覆することが可能となる。いくつかの実施形態において、種々の出っ張り、屈曲および／または中空および／または溝の領域を考慮すると、厚さはその物品にわたって変動することができる。いくつかの実施形態または用途は、より厚い物品をもたらす。厚さは、約３５ｍｍを超え、または約４０ｍｍを超え、または約４５ｍｍを超えるものとすることができる。このような厚手の建築用製品は、所望される場合、より強い、またより建築学的にアピールする製品を提供することができる。
【００３０】
ここに記述した物品が、長いシートまたはパネルの形状を取るとき、パネルの長さは、全ての外表面の同一表面上の２点間の最長距離である。しばしば、このような物品は、約３．５メートル（ｍ）を超える長さがある。いくつかの実施形態において、この長さは約５ｍを超え、または約６ｍを超えることができる。建築用製品、特にトリム、デッキングまたは鼻隠し板が長い程、より速い設置を可能にすることができ、また連続する部品間の継ぎ目がより少なくなり、これが設置を助けるであろうことが見出されている。
【００３１】
いくつかの実施形態において、記述した物品は、狭いシートまたはパネルの形状を取る。このパネルの幅は、端部間の距離として測定し、いくつかの実施形態において、約３６０ｍｍ未満である。この幅は、約１６０ｍｍ未満または約１００ｍｍ未満とすることもできる。
【００３２】
使用済み工程水を処理および再循環するため、商業的繊維セメント製造プロセスにイオン交換システムを組み込むことにおける挑戦の１つは、複雑な化学成分を有する大量の工程水を取り扱うことができるシステムを設計することである。図８は、水を別々の工程流に分割し、それぞれの流れの流量を制御することによって、使用済み工程水を処理するイオン交換システムを成功裡に組み込んでいる、好ましい実施形態の繊維セメント製造プロセスの流れ図である。
【００３３】
図８に示したように、形成ユニット１０２から出て行く工程水は、再循環流１７６と、廃棄物流（waste stream）１７８とに分割される。再循環流１７６の水は、多段アルカリ除去システム１０４に向かう。再循環流１７６は最初、濾過プロセス１０６に向かう。濾過プロセス１０６は、並列のアルカリ除去ステップ１０８の前の単一のプロセスであり、または並列のアルカリ除去セットのそれぞれにおける濾過プロセスであり、またはこれらを組み合わせたものである。
【００３４】
濾過プロセス１０６を終えると、再循環流の第１の部分１７６ａは、再びまた形成ユニット１０２に再循環され、一方第２の部分１７６ｂは、アルカリ除去処理のためアルカリ除去プロセス１０８を通って再循環されてから、再びまた形成ユニット１０２に入る。複数の並列のアルカリ除去セットの配列であるため、セットの全てが何時でも作動しているとは限らず、したがって少なくとも１組がスタンバイモードのままとなる。イオン交換ユニットは、工程水からアルカリイオンを集め、したがって時間が経つと段々と飽和されて行き、オフラインとして、洗浄もしくは再生する必要がある。そのとき、スタンバイのセットがオンラインに引き戻され、工程水が、そのセットを通して処理に再び向けられる。
【００３５】
処理した再循環流１７６ｂは、全工程水流量の５〜１００％の流量を有することができる。形成プロセスを出て行く工程水の廃棄物流１７８は、工程水流量の０〜９５％の範囲とすることができる。再循環流の第１の部分１７６ａは、全工程水流量の約２％〜７０％の範囲にあり、アルカリ除去処理を通過させずに、再びまたプロセスに直接再循環してよい。一実施形態において、形成プロセスから水が、１時間当り約８，０００〜１５０，０００ガロンの流量で、より好ましくは１時間当り約５０，０００ガロンで出て行く。他の実施形態において、再循環流は１時間当り約４８００〜１００，０００ガロンの流量で、より好ましくは１時間当り約３０，０００ガロンでアルカリ除去セットに入る。さらに他の実施形態において、アルカリ除去プロセスで処理されずに再びまた形成プロセスに再循環される再循環流の部分は、１時間当り約１６００〜１５０，０００ガロンの流量、より好ましくは１時間当り約１０，０００ガロンでの流量を有する。
【００３６】
並列のイオン交換セットの一つが、洗浄のためオフラインである場合、それぞれのイオン交換ユニット内の樹脂ベッドは、樹脂ベッド上の酸官能基部位を回復させるため、酸溶液によるバックフラッシュによって再生できる。いくつかの実施形態において、酸溶液は、カルボン酸基、アセチル基、リン酸基、スルホン酸基、過塩素酸基、臭化水素基、塩化水素基、硝酸基またはこれらの組合せの少なくとも１種の官能基を有するように選択される。１価イオンを除去するように設計されているイオン交換ユニットは、ここで強酸樹脂ベッドを有するものと呼ばれる。強酸樹脂ベッドのための酸溶液のモル濃度は、０．３〜０．５Ｍとすることができる。多価イオンを除去するように設計されているイオン交換ユニットは、ここで弱酸樹脂ベッドを有するものと呼ばれる。この弱酸樹脂ベッドは、モル濃度０．０５〜０．５Ｍを有する酸溶液によって再生される。樹脂ベッド上の酸官能基は、連続的なバックフラッシュ１〜１０時間以内に回復されることが見出されている。
【００３７】
図９は、他の実施態様の、イオン添加ステップ１９４を好ましいく含む多段アルカリ除去システム１８２を例示する。いくつかの実施形態において、イオン除去ステップによりＫ＋およびＮａ＋などの１価イオンの前に、Ｃａ＋２などの多価イオンが除去されるように順番に構成された一連のイオン交換装置ユニット１１０を使用して、最初にイオンが除去される。次いで、これらのイオンの除去の後に、工程水を形成プロセスにおいて再使用する前に、Ｃａ＋２などのある種の多価イオンが、イオン添加ステップ１９４で、再びまた工程水に添加される。１価イオンの除去を促進するため、先ず多価イオンが除去される。さもないと、多価イオンが樹脂ベッドを飽和させ、１価イオンの効果的な除去を妨げる可能性があるであろう。
【００３８】
アルカリ除去システムは、一般に、使用済み工程水中のアルカリイオンと、イオン交換装置ユニット内の酸性イオンとの間の化学量論的および化学的可逆反応によって作動され、これにより塩が形成される。イオン交換装置ユニットは、直列もしくは並列で設置した１種または複数の合成樹脂を備え、この樹脂の活性部位に酸性イオンが結合される。合成樹脂には、アルカリカチオンを除去するカチオン交換樹脂が含まれ、また１種もしくは複数のアニオンを除去するアニオン交換樹脂を含むこともできる。適切な合成樹脂の例には、ポリスチレンゲル、ジビニルベンゼンにより架橋したポリスチレン、または、カルボン酸もしくは硫酸官能基を有する長鎖ポリマービーズが含まれるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、イオン交換装置の各セットには、弱酸官能基を有する少なくとも１つの交換装置、および強酸官能基を有する少なくとも１つの交換装置が含まれ得る。
【００３９】
図１０に示したように、１組のイオン交換装置１１４は、４つのイオン交換段階もしくはユニットを有し、それぞれが特定のアルカリイオンを除去するように設計されていることができる。第１のイオン交換装置１１６は、工程水からＣａ＋２などのアルカリ土類イオンを除去するように選択された弱酸樹脂ベッドを有する。この弱酸樹脂は、１種もしくは複数の弱酸官能基、例えばカルボン酸官能基、アセチル官能基、リン酸官能基、ホウ酸官能基などを有する部位を有することが好ましい。第２、第３および第４のイオン交換装置１１８、１２０、１２２は、それぞれＫ＋およびＮａ＋などのアルカリイオンを除去するように選択された強酸樹脂ベッドを有する。強酸は、スルホン酸基、過塩素酸基、臭化水素基、塩化水素基、硝酸基などの官能基を有することができる。さらに図２に示したように、樹脂が塩により飽和される場合、硫酸１２４を使用して、それぞれの樹脂ベッドをバックフラッシュもしくは再生する。一実施形態において、第１のイオン交換装置１１６において除去されたカルシウムイオンは、硫酸カルシウムに変換される。次いで、硫酸カルシウムは、再びまた工程水にカルシウムイオンを再導入するため、第４のイオン交換装置１２２に移送される。本発明者は、工程水へのカルシウムの添加が驚くべきことに、最終製品の機能性を向上させることを見出している。
【００４０】
下記は、図８において記述したシステムを使用して製造した製品の一例である。形成プロセスにおいて、原料は、Ｈａｔｃｈｅｃｋマシンにおけるものなどの混練バット内で混練した。４４４０ポンド／時の普通ポルトランドセメント、１２０００ポンド／時のセルロース繊維、６３０００ポンド／時の粉砕シリカ、１５０ポンド／時のアニオン性ポリ−アクリルアミドおよび６０，０００ガロン／時の真水を組み合わせることによりスラリーを作製した。このスラリーを、Ｈａｔｓｃｈｅｋマシン内の４つのスラリーバットの底部に導入した。走行フェルトにより、固体物質およびいくらかの水が堆積したスラリー薄層を形成シリンダー上に集めた。ある全体材料厚さが達成されるまで、形成シリンダー上に多重層を蓄積した。この例では、その厚さは約１２７ｍｍであった；しかし、先に記述したように、厚さは、前記形成プロセスおよびマシンにより容易に変動されうる。この層状材料を、定期的に切断して、所望の長さの物品を作り出した。次いで層状材料を、引取りコンベアに移し、その時点で層状材料は形成プロセスを離れた。
【００４１】
Ｈａｔｓｃｈｅｋマシン内のスラリーバットからの水は、約５０，０００ガロン／時の流量を有していた。オーバーフロー工程水とも呼ばれるこの水は、約１３００ｐｐｍの定常状態アルカリレベルを有していた。この流量は調節でき、約８，０００ガロン〜１５０，０００ガロンの範囲とすることができる。オーバーフロー工程水を、少なくとも３つの流れに分割した。約３０，０００ガロン／時の流量を有する第１の流れは、アルカリ除去プロセスに向けられた。この流量は調節でき、４，８００ガロン〜１００，０００ガロンの範囲とすることができる。約１０，０００ガロン／時の流量を有する第２の流れは、アルカリ除去プロセスからのアウトプットと組み合わせて、再びまた形成プロセスに再投入した。この流量は調節でき、１，６００ガロン〜１５０，０００ガロンの範囲とすることができる。約１０，０００ガロン／時の流量を有する第３の流れは、このプロセスから排出された。この流量は調節でき、１，６００ガロン〜１５０，０００の範囲とすることができる。もちろん記述した流量は、調節可能であり、所望されるように変更できる。流量の調節は、当業者によって理解されるであろうし、かつ実行できるであろう。
【００４２】
アルカリ除去プロセスにおいて、５ｍｍを超える固体粒子は、固−液分離装置を使用して、第１の流れから除去した。この例で使用した固液分離装置は、一連のカートリッジフィルターであった。しかし、必要以上の実験なしで、別の分離装置を実施できる。次いで、この流れは、１組のアルカリ樹脂ベッド６基に向けられた。６つの樹脂ベッドは、直列の３つのベッドからなるセットを並列に２組含んでいる。水流を処理するには１組で十分であり、しばしば一度に１組だけで作動できる。作動８時間毎に、使用していた樹脂ベッドのセットを再生に掛け、したがってオフラインとし、一方、工程水の流れは、第２の並列なセットに向け直された。直列とした樹脂ベッド３基の各セットでは、第１のベッドが、その活性部位に弱酸官能基を有する樹脂を含み、それにはカルボン酸官能基が含まれ、第２および第３のベッドが、その活性部位に強酸官能基を含み、それにはスルホン酸官能基が含まれていた。作動の際、工程水の流れ中のアルカリイオンが、それぞれの樹脂ベッドの酸官能基と反応して、活性部位上に塩を形成し、樹脂ベッドのセットから出て行く工程水は、実質的にアルカリイオンのない状態であった。工程水が処理されると、処理された水流は上述の第２の流れと一緒になり、形成プロセス中のスラリーバットの底部に再循環した。
【００４３】
樹脂ベッドを再生させるため、弱酸樹脂ベッドは、約２５００ガロン／時の流量における濃度約０．７％の硫酸の流れに約２時間曝した。強酸樹脂ベッドはそれぞれ、約２３０ガロン／時の流量における濃度約７％の硫酸の流れに約２時間曝した。濃度および流れる酸の範囲は、所望に応じて、第１の樹脂ベッドにおける約０．５％から、第２の樹脂ベッドにおける４０％まで変動できる。例として、弱酸ベッド中の濃度約０．５％に続いて強酸ベッド中約８％、または弱酸ベッド中約５％に続いて強酸ベッド中約１１％、または弱酸ベッド中約４％に続いて強酸ベッド中約１２％が含まれる。酸強度（例えば、濃度）を増加させると、典型的には再生はより短い期間となるであろう。流量および酸濃度の調節は、当業者によって理解されるであろう、かつ実行され得るであろう。再生の間、酸官能基が、樹脂ベッドに付いた塩を置換する。再生後の排出溶液は、比較的弱い塩溶液であり、その一例として、上述の例における硫酸カルシウムが含まれ、硫酸カルシウムは別個に、１つまたはいくつかの目的向けに再使用することができる。
【００４４】
形成プロセスからの形成された層状材料は、さらにローラーによって、約１１０Ｐｓｉの圧力で材料を加圧して、装飾パターンによりエンボス処理した。この材料を、１８０℃を超える飽和温度で約１２時間オートクレーブ処理した。次いで、この材料は、先に開示したＡＳＴＭ方法により試験し、１０．２ＭＰａのＭＯＲを有していた。
【００４５】
比較用システムにおいて、上述の形成プロセスを、アルカリ除去プロセスがない状態で作動させた。ここで、オーバーフロー工程水からの第１および第２の水流を組み合わせ、再びまたスラリーバットの底部に直接再循環した。時間が経つと、工程水中のアルカリ濃度が上昇し続けることが見出された。作動６時間後、アルカリレベルは３６００ｐｐｍに達していた。この時点で製造した製品を、ＡＳＴＭ方法により上述のように試験し、７．６ＭＰａのＭＯＲを有することが見出され、アルカリ除去プロセスが形成プロセスと協働しているときに形成した製品試料のＭＯＲよりも著しく低かった。
【００４６】
表は、ここに記述したシステム、またはここに記述したアルカリ除去プロセスが含まれない代替的システムのいずれかで調製した物品の製品性能における、いくつかの定量的差異を概説している。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
いくつかの好ましい実施形態の上記の記述は、本発明の基本的な新規な特徴を示し、記述しかつ指摘しているが、例示した本発明の細部の形態、ならびにその使用における種々の省略、置換えおよび変更が、本発明の精神から逸脱せずに、当業者により行われ得ることは理解されるであろう。したがって、本発明の範囲は、上述の考察に限定されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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