Il processo continuo per produrre cristalli di bicarbonato di sodio

L’attuale crisi climatica evidenzia la necessità essenziale di cambiare lo stile di vita delle persone nei paesi con economie più sviluppate. Il business as usual non è più accettabile, anche se il cambiamento sociale è difficile. Oltre a questa trasformazione sociale, l’industria deve unire gli sforzi per adattarsi alle nuove necessità e all’uso più restrittivo dell’energia.

Se si vuole raggiungere la neutralità climatica entro il 2050, è necessario ridurre drasticamente anche le emissioni di biossido di carbonio (CO2), una delle principali cause del riscaldamento globale. In questo contesto, l’uso del carbonio di origine fossile diventa incoerente, ma il carbonio è ancora un elemento fondamentale nella produzione di prodotti chimici di base e polimeri.

È quindi necessaria una nuova fonte di carbonio.

Se la CO2 diventasse la fonte di carbonio dell’industria, il ciclo del carbonio si chiuderebbe. Ciò significa che non si verificheranno ulteriori emissioni di CO2. Tenendo presente questo, questo articolo presenta un nuovo processo basato sulla tecnologia a membrana che cattura la CO2 dai gas di scarico per produrre cristalli di bicarbonato di sodio puro (NaHCO3) [2].

Il bicarbonato di sodio è un sale in polvere bianco molto richiesto, come lievito e altri additivi alimentari, utilizzato in saponi, detergenti, prodotti farmaceutici, cosmetici, estintori, additivi per mangimi animali e nella produzione di molti altri prodotti chimici. Si prevede che il suo mercato crescerà a un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 5,5% per raggiungere i 2,053 miliardi di dollari nel 2026 [3]. Lo sviluppo di alternative più ecologiche per produrre NaHCO3 è quindi una strategia intelligente.

Il nuovo processo presentato in questo lavoro consiste di due fasi principali (Figura 1), ovvero la fase di assorbimento di CO2 e la fase di purificazione di NaHCO3.

Nella prima fase del processo, un flusso di gas proveniente dai gas di combustione (ambiente 15 vol%CO2 in aria contenente impurità come NOx e SO2) viene inviato a un contattore a membrana in cui la CO2 entrerà in contatto con una soluzione liquida contenente carbonato di sodio ( Na2CO3) attraverso i pori della membrana. Questo contatto gas-liquido non dispersivo consente un rapido trasferimento di massa con un'operazione semplice in cui le condizioni delle fasi gassosa e liquida possono essere regolate in modo indipendente. Per migliorare il trasferimento di massa all'interno del contattore, vengono utilizzati aminoacidi e/o enzimi [4, 5]. Il flusso di gas viene quindi pulito (la CO2 è stata rimossa) e il flusso liquido è ricco di NaHCO3.

La soluzione di bicarbonato viene ora passata alla seconda fase in modo che si ottengano cristalli di bicarbonato di sodio puro di NaHCO3. Questa fase di cristallizzazione viene eseguita in un cristallizzatore a membrana. Possono essere utilizzate diverse configurazioni di cristallizzazione della membrana, a seconda del tipo di energia disponibile nel sito [6]. Un processo di cristallizzazione su membrana a contatto diretto sarebbe consigliato per quei casi in cui è disponibile calore residuo (temperatura intorno a 40-70°C). In questo caso, la soluzione di bicarbonato potrebbe essere riscaldata in modo che l'acqua evapori all'interno dei pori della membrana grazie alla forza motrice termica. Un chiaro vantaggio della cristallizzazione con membrana a contatto diretto è il basso consumo energetico e la produzione di acqua pura come permeato. Una volta raggiunta la concentrazione di saturazione della soluzione di bicarbonato, la nucleazione dei cristalli avverrà all'interno del contattore della membrana per continuare successivamente in un serbatoio di cristallizzazione per un'ulteriore crescita dei cristalli di bicarbonato di sodio.

Un'altra opzione per eseguire la cristallizzazione di NaHCO3 è tramite cristallizzazione a membrana sotto vuoto, in cui viene applicato un vuoto sul lato permeato per creare un'enorme forza motrice che farà evaporare l'acqua. Qui viene prodotta anche acqua pura e il tasso di evaporazione è notevolmente elevato.

Infine, il terzo tipo di strategia per ottenere la cristallizzazione di NaHCO3 consiste nell'utilizzare la cristallizzazione a membrana osmotica. Se in loco fosse disponibile una soluzione ad alta concentrazione di sali (soluzione osmotica), ad esempio le salamoie di dissalazione, se si pensa ad un eventuale processo che integri la dissalazione dell’acqua e la cattura della CO2, sarebbe possibile recuperare l’energia intrinsecamente esistente nell’impianto salamoia di dissalazione per far evaporare l'acqua grazie alla forza motrice osmotica. La membrana separa le salamoie dalla soluzione cristallizzante e l'acqua viene evaporata fino al raggiungimento della sovrasaturazione.