Der kontinuierliche Prozess zur Herstellung von Natriumbicarbonatkristallen

Die aktuelle Klimakrise macht deutlich, wie wichtig es ist, den Lebensstil der Menschen in Ländern mit weiter entwickelten Volkswirtschaften zu ändern. Ein Weitermachen wie bisher ist nicht mehr akzeptabel, auch wenn der gesellschaftliche Wandel schwierig ist. Neben diesem gesellschaftlichen Wandel muss sich die Branche gemeinsam an neue Anforderungen und einen restriktiveren Energieverbrauch anpassen.

Auch der Ausstoß von Kohlendioxid (CO2), einem Hauptverursacher der globalen Erwärmung, muss drastisch reduziert werden, wenn Klimaneutralität bis 2050 das Ziel ist [1]. In diesem Zusammenhang ist die Verwendung von fossilem Kohlenstoff inkohärent geworden, doch Kohlenstoff ist immer noch ein Grundelement bei der Herstellung von Grundchemikalien und Polymeren.

Daher ist eine neue Kohlenstoffquelle erforderlich.

Wenn CO2 zur Kohlenstoffquelle der Industrie wird, wird der Kohlenstoffkreislauf geschlossen. Dies bedeutet, dass keine zusätzlichen CO2-Emissionen entstehen. Vor diesem Hintergrund stellt dieser Artikel ein neuartiges Verfahren vor, das auf Membrantechnologie basiert und CO2 aus Rauchgasen auffängt, um reine Natriumbicarbonatkristalle (NaHCO3) zu erzeugen [2].

Natriumbicarbonat ist ein weißes Salzpulver mit großer Nachfrage, beispielsweise als Backpulver und andere Lebensmittelzusatzstoffe, das in Seifen, Waschmitteln, Pharmazeutika, Kosmetika, Feuerlöschern, Tierfutterzusätzen und bei der Herstellung vieler anderer Chemikalien verwendet wird. Der Markt soll mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 5,5 % wachsen und im Jahr 2026 2,053 Milliarden US-Dollar erreichen [3]. Die Entwicklung umweltfreundlicherer Alternativen zur Herstellung von NaHCO3 ist daher eine kluge Strategie.

Der in dieser Arbeit vorgestellte neuartige Prozess besteht aus zwei Hauptschritten (Abbildung 1), nämlich dem CO2-Absorptionsschritt und dem NaHCO3-Reinigungsschritt.

Im ersten Schritt des Prozesses wird ein Gasstrom aus Rauchgasen (Umgebung 15 Vol.-% CO2 in Luft mit Verunreinigungen wie NOx und SO2) zu einem Membrankontaktor geleitet, in dem das CO2 mit einer flüssigen Lösung, die Natriumcarbonat enthält, in Kontakt kommt ( Na2CO3) durch die Membranporen. Dieser nichtdispersive Gas-Flüssigkeits-Kontakt ermöglicht einen schnellen Stofftransfer bei einfachem Betrieb, bei dem die Bedingungen der Gas- und Flüssigkeitsphase unabhängig voneinander abgestimmt werden können. Um den Stofftransport innerhalb des Kontaktors zu verbessern, werden Aminosäuren und/oder Enzyme eingesetzt [4, 5]. Der Gasstrom ist somit gereinigt (CO2 wurde entfernt) und der Flüssigkeitsstrom ist reich an NaHCO3.

Die Bicarbonatlösung wird nun dem zweiten Schritt zugeführt, sodass reine Natriumbicarbonatkristalle von NaHCO3 erhalten werden. Dieser Kristallisationsschritt wird in einem Membrankristallisator durchgeführt. Abhängig von der Art der am Standort verfügbaren Energie können verschiedene Konfigurationen der Membrankristallisation verwendet werden [6]. In den Fällen, in denen Restwärme (Temperatur um 40–70 °C) verfügbar ist, wäre ein Direktkontakt-Membrankristallisationsverfahren zu empfehlen. In diesem Fall könnte die Bicarbonatlösung erhitzt werden, sodass dank der thermischen Antriebskraft Wasser in den Membranporen verdampft. Ein klarer Vorteil der Direktkontakt-Membrankristallisation ist der geringe Energieverbrauch und die reine Wasserproduktion als Permeat. Sobald die Sättigungskonzentration der Bicarbonatlösung erreicht ist, erfolgt die Kristallkeimbildung innerhalb des Membrankontaktors, die anschließend in einem Kristallisationsreservoir zum weiteren Wachstum von Natriumbicarbonatkristallen fortgesetzt wird.

Eine weitere Möglichkeit, die Kristallisation von NaHCO3 durchzuführen, ist die Vakuummembrankristallisation, bei der auf der Permeatseite ein Vakuum angelegt wird, um eine enorme Antriebskraft zu erzeugen, die das Wasser verdampft. Auch hier entsteht reines Wasser, und die Verdunstungsrate ist bemerkenswert hoch.

Schließlich besteht die dritte Strategie zur Kristallisation von NaHCO3 in der Verwendung einer osmotischen Membrankristallisation. Wenn vor Ort eine hochkonzentrierte Lösung von Salzen (osmotische Lösung) verfügbar ist, beispielsweise Entsalzungssolen, wäre es, wenn man an einen möglichen Prozess denkt, der Wasserentsalzung und CO2-Abscheidung integriert, möglich, die im Inneren vorhandene Energie zurückzugewinnen Entsalzungssole, um das Wasser dank der osmotischen Antriebskraft zu verdampfen. Die Membran trennt die Salzlösung von der kristallisierenden Lösung und das Wasser wird verdampft, bis eine Übersättigung erreicht ist.

Diese drei Membrankristallisationsprozesse werden zu reinen NaHCO3-Kristallen führen, die für die Industrie von großem Interesse sind.

Das beschriebene Verfahren stellt eine Alternative zu den herkömmlichen NaHCO3-Produktionswegen (Solvay-Verfahren und Soda-Karbonisierung aus Trona) dar, die energetisch sehr intensiv und im Falle der Nutzung von Trona räumlich begrenzt sind. Dieses neuartige Verfahren bietet ein kontinuierliches System zur Herstellung von NaHCO3 direkt aus Na2CO3 und CO2 aus Rauchgasen. CO2 ist die Kohlenstoffquelle.

[1] Klimazielplan 2030, Europäische Kommission, 2020.

[2] P. Luis, Kontinuierliches Verfahren und System zur Herstellung von Natriumbicarbonatkristallen. PCT/EP2021/084134; WO 2022/117800.

[3] Natriumbicarbonat-Markt – Wachstum, Trends und Prognose (2020 – 2027) nach Typen, nach Anwendung, nach Regionen und nach Hauptakteuren: Solvay, Church & Dwight, Natural Soda, Novacarb, https://www.industrydataanalytics.com /reports/global-sodium-bicarbonate-market.

[4] Molina-Fernández, C., Luis, P. Immobilisierung von Carboanhydrase zur CO2-Abscheidung und ihre industrielle Umsetzung: Eine Übersicht, Journal of CO2 Utilization, 47, Art.-Nr. NEIN. 101475, 2021.

[5] Sang Sefidi, V., Luis, P., Advanced Amino Acid-Based Technologies for CO2 Capture: A Review, Industrial & Engineering Chemistry Research – Bd. 58, Nr. 44, S. 20181–20194, 2019.

[6] Sparenberg, MC., Hanot B., Molina-Fernández C., Luis P. Experimenteller Stofftransfervergleich zwischen Vakuum- und Direktkontakt-Membrandestillation für die Konzentration von Carbonatlösungen. Separation and Purification Technology 275, 119193, 2021.

Der Autor dankt dem Europäischen Forschungsrat (ERC) für die Finanzierung im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Grant Agreement ERC Starting Grant UE H2020 CO2LIFE 759630).

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