El proceso continuo para producir cristales de bicarbonato de sodio

La actual crisis climática pone de relieve la necesidad fundamental de cambiar el estilo de vida de las personas en los países con economías más desarrolladas. Los negocios como de costumbre ya no son aceptables, incluso si el cambio social es difícil. Además de esta transformación social, la industria debe unir esfuerzos para adaptarse a las nuevas necesidades y al uso de energía más restrictivo.

Las emisiones de dióxido de carbono (CO2), uno de los principales contribuyentes al calentamiento global, también deben reducirse drásticamente si la neutralidad climática es el objetivo para 2050 [1]. En este contexto, el uso de carbono de origen fósil se vuelve incoherente, pero el carbono sigue siendo un elemento básico en la producción de polímeros y productos químicos básicos.

Por lo tanto, se requiere una nueva fuente de carbono.

Si el CO2 se convierte en la fuente de carbono de la industria, el ciclo del carbono se cerrará. Esto significa que no se producirán emisiones adicionales de CO2. Teniendo esto en cuenta, este artículo presenta un proceso novedoso basado en tecnología de membranas que captura el CO2 de los gases de combustión para producir cristales de bicarbonato de sodio puro (NaHCO3) [2].

El bicarbonato de sodio es una sal blanca en polvo con una gran demanda, como polvo de hornear y otros aditivos alimentarios, que se utiliza en jabones, detergentes, productos farmacéuticos, cosméticos, extintores de incendios, aditivos para piensos y en la producción de muchos otros productos químicos. Se prevé que su mercado crezca a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 5,5 % para alcanzar los 2053 millones de USD en 2026 [3]. El desarrollo de alternativas más ecológicas para producir NaHCO3 es, por tanto, una estrategia inteligente.

El nuevo proceso presentado en este trabajo consta de dos pasos principales (Figura 1), es decir, el paso de absorción de CO2 y el paso de purificación de NaHCO3.

En el primer paso del proceso, una corriente de gas procedente de los gases de combustión (alrededor de 15 % vol. de CO2 en aire que contiene impurezas como NOx y SO2) se envía a un contactor de membrana en el que el CO2 entrará en contacto con una solución líquida que contiene carbonato de sodio ( Na2CO3) a través de los poros de la membrana. Este contacto gas-líquido no dispersivo permite una rápida transferencia de masa con una operación sencilla en la que las condiciones de las fases gas y líquida se pueden ajustar de forma independiente. Para mejorar la transferencia de masa dentro del contactor, se utilizan aminoácidos y/o enzimas [4, 5]. La corriente de gas se limpia así (se ha eliminado el CO2) y la corriente líquida es rica en NaHCO3.

La solución de bicarbonato se pasa ahora al segundo paso para que se obtengan cristales de bicarbonato de sodio puro de NaHCO3. Este paso de cristalización se realiza en un cristalizador de membrana. Se pueden usar varias configuraciones de cristalización de membrana, dependiendo del tipo de energía disponible en el sitio [6]. Se recomienda un proceso de cristalización de membrana de contacto directo para aquellos casos en los que se dispone de calor residual (temperatura alrededor de 40-70 °C). En este caso, la solución de bicarbonato podría calentarse para que el agua se evapore dentro de los poros de la membrana gracias a la fuerza motriz térmica. Una clara ventaja de la cristalización por membrana de contacto directo es el bajo consumo de energía y la producción de agua pura como permeado. Una vez que se alcanza la concentración de saturación de la solución de bicarbonato, la nucleación de cristales ocurrirá dentro del contactor de membrana para continuar luego en un depósito de cristalización para un mayor crecimiento de cristales de bicarbonato de sodio.

Otra opción para realizar la cristalización de NaHCO3 es a través de la cristalización con membrana de vacío, en la que se aplica vacío en el lado del permeado para crear una gran fuerza motriz que evaporará el agua. Aquí también se produce agua pura y la tasa de evaporación es notablemente alta.

Finalmente, el tercer tipo de estrategia para lograr la cristalización de NaHCO3 es mediante cristalización de membrana osmótica. Si se dispone in situ de una solución altamente concentrada de sales (solución osmótica), por ejemplo, salmueras de desalinización, si se piensa en un proceso potencial que integre la desalinización del agua y la captura de CO2, sería posible recuperar la energía intrínsecamente existente en el salmuera de desalinización para evaporar el agua gracias a la fuerza motriz osmótica. La membrana separa las salmueras de la solución de cristalización y el agua se evapora hasta que se alcanza la sobresaturación.

Estos tres procesos de cristalización de membrana darán lugar a cristales puros de NaHCO3 de gran interés industrial.

El proceso descrito es una alternativa a las rutas convencionales de producción de NaHCO3 (es decir, el proceso Solvay y la carbonatación de ceniza de sosa a partir de trona), muy intensivas energéticamente y limitadas geográficamente en el caso de utilizar trona. Este novedoso proceso proporciona un sistema continuo para producir NaHCO3 directamente a partir de Na2CO3 y CO2 a partir de gases de combustión. El CO2 es la fuente de carbono.

[1] Plan de Objetivos Climáticos 2030, Comisión Europea, 2020.

[2] P. Luis, Proceso y sistema continuo para la producción de cristales de bicarbonato de sodio. PCT/EP2021/084134; WO 2022/117800.

[3] Mercado de bicarbonato de sodio: crecimiento, tendencias y pronóstico (2020-2027) por tipos, por aplicación, por regiones y por jugadores clave: Solvay, Church & Dwight, Natural Soda, Novacarb, https://www.industrydataanalytics.com /reports/global-sodium-bicarbonate-market.

[4] Molina-Fernández, C., Luis, P. Inmovilización de la anhidrasa carbónica para la captura de CO2 y su implementación industrial: Una revisión, Journal of CO2 Utilization, 47, art. No. 101475, 2021.

[5] Sang Sefidi, V., Luis, P., Tecnologías avanzadas basadas en aminoácidos para la captura de CO2: una revisión, Investigación en química industrial y de ingeniería, vol. 58, nº 44, pág. 20181- 20194, 2019.

[6] Sparenberg, MC., Hanot B., Molina-Fernández C., Luis P. Comparación experimental de transferencia de masa entre destilación por membrana al vacío y contacto directo para la concentración de soluciones de carbonato. Tecnología de separación y purificación 275, 119193, 2021.

El autor agradece al Consejo Europeo de Investigación (ERC) por la financiación recibida en el marco del Programa de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (Acuerdo de subvención ERC Starting Grant UE H2020 CO2LIFE 759630).

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