重炭酸ナトリウム結晶を製造する連続プロセス

現在の気候危機は、経済が先進国における人々のライフスタイルを変える本質的な必要性を浮き彫りにしています。 たとえ社会の変革が困難であっても、これまで通りのビジネスはもはや受け入れられません。 この社会変革に加えて、業界は新たな必需品やより制限されたエネルギー使用に適応する取り組みに参加する必要があります。

2050 年までの気候中立性が目標である場合、地球温暖化の主な原因である二酸化炭素 (CO2) の排出も大幅に削減する必要があります [1]。 これに関連して、化石ベースの炭素の使用は支離滅裂になりますが、炭素は依然として基礎化学品やポリマーの製造における基本要素です。

したがって、新しい炭素源が必要となります。

CO2 が業界の炭素源になれば、炭素循環は閉じられてしまいます。 これは、追加の CO2 排出が発生しないことを意味します。 これを念頭に置いて、この記事では、排ガスから CO2 を回収して純粋な重炭酸ナトリウム結晶 (NaHCO3) を生成する膜技術に基づく新しいプロセスを紹介します [2]。

重炭酸ナトリウムは、ベーキングパウダーやその他の食品添加物として、石鹸、洗剤、医薬品、化粧品、消火器、動物飼料添加物、その他多くの化学物質の製造に使用されるなど、大きな需要を持つ白色粉末の塩です。 その市場は 5.5% の年間複合成長率 (CAGR) で成長し、2026 年には 20 億 5,300 万米ドルに達すると予測されています [3]。 したがって、NaHCO3 を生成するためのより環境に優しい代替品の開発は賢明な戦略です。

この研究で提示された新規プロセスは、2 つの主要なステップ (図 1)、すなわち CO2 吸収ステップと NaHCO3 精製ステップで構成されます。

プロセスの最初のステップでは、排ガス (NOx や SO2 などの不純物を含む空気中に 15 vol%CO2 が含まれる環境) からのガス流が膜接触器に送られ、そこで CO2 が炭酸ナトリウムを含む溶液と接触します ( Na2CO3) が膜の細孔を通過します。 この非分散性の気液接触により、気相と液相の状態を独立して調整できる簡単な操作で高速物質移動が可能になります。 コンタクター内の物質移動を促進するために、アミノ酸および/または酵素が使用されます[4、5]。 このようにしてガス流は浄化され (CO2 が除去され)、液体流には NaHCO3 が豊富に含まれます。

重炭酸塩溶液は第二段階に送られ、NaHCO3 の純粋な重炭酸ナトリウム結晶が得られます。 この結晶化ステップは膜晶析装置で実行されます。 現場で利用可能なエネルギーの種類に応じて、膜結晶化のいくつかの構成を使用できます [6]。 残留熱 (温度約 40 ～ 70°C) が利用できる場合には、直接接触膜結晶化プロセスをお勧めします。 この場合、重炭酸塩溶液が加熱され、熱駆動力のおかげで膜細孔内で水が蒸発する可能性があります。 直接接触膜結晶化の明らかな利点は、エネルギー消費が少なく、透過水として純水が生成されることです。 重炭酸塩溶液の飽和濃度が達成されると、膜接触器内で結晶核生成が起こり、その後結晶化リザーバー内で重炭酸ナトリウム結晶がさらに成長し続けます。

NaHCO3 の結晶化を実行するもう 1 つのオプションは、真空膜結晶化によるものです。この方法では、透過側に真空を適用して、水を蒸発させる巨大な駆動力を生み出します。 ここでは純水も生成され、蒸発速度が著しく速い。

最後に、NaHCO3 の結晶化を達成するための 3 番目の戦略は、浸透膜結晶化を使用することです。 高濃度の塩溶液（浸透圧溶液）が現場で利用できる場合、たとえば、脱塩ブラインの場合、水の脱塩と CO2 回収を統合したプロセスの可能性を考えれば、自然エネルギーを回収することが可能になります。浸透圧駆動力のおかげで水を蒸発させる脱塩塩水。 膜はブラインを結晶化溶液から分離し、水は過飽和に達するまで蒸発します。

これら 3 つの膜結晶化プロセスにより、産業上の関心が高い純粋な NaHCO3 結晶が得られます。

記載されたプロセスは、エネルギー的に非常に集中的であり、トロナを使用する場合には地理的に制限される従来のＮａＨＣＯ３製造ルート（すなわち、ソルベイ法およびトロナからのソーダ灰炭酸化）の代替である。 この新規プロセスは、排ガスから Na2CO3 と CO2 から直接 NaHCO3 を生成する連続システムを提供します。 CO2 は炭素源です。

[1] 2030 年気候目標計画、欧州委員会、2020 年。

[2] P. Luis、重炭酸ナトリウム結晶の連続製造プロセスとシステム。 PCT/EP2021/084134; WO 2022/117800。

[3] 重炭酸ナトリウム市場 – 成長、傾向、予測 (2020 – 2027) 種類別、用途別、地域別、主要企業別: Solvay、Church & Dwight、Natural Soda、Novacarb、https://www.industrydataanalytics.com /reports/global-sodium-bicarbon-market.

[4] Molina-Fernández、C.、Luis、P. CO2 回収のための炭酸脱水酵素の固定化とその産業的実施: レビュー、Journal of CO2 Utilization、47、art. いいえ。 101475、2021。

[5] Sang Sefidi, V.、Luis, P.、CO2 回収のための高度なアミノ酸ベースの技術: レビュー、工業および工学化学研究 – Vol. 58、no.44、p. 20181-20194、2019。

[6] Sparenberg, MC.、Hanot B.、Molina-Fernández C.、Luis P. 炭酸塩溶液の濃度に関する真空蒸留と直接接触膜蒸留の間の物質移動実験の比較。 分離精製技術 275、119193、2021.

著者は、欧州連合の Horizo​​n 2020 Research and Innovation Program に基づいて受け取った資金について、欧州研究評議会 (ERC) に感謝します (助成契約 ERC 開始助成金 UE H2020 CO2LIFE 759630)。

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