Le processus continu de production de cristaux de bicarbonate de sodium
La crise climatique actuelle met en évidence la nécessité essentielle de changer les modes de vie des populations dans les pays aux économies plus développées. Le statu quo n'est plus acceptable, même si le changement sociétal est difficile. Outre cette transformation sociétale, l'industrie doit conjuguer ses efforts pour s'adapter aux nouveaux besoins et à une consommation énergétique plus contraignante.
Les émissions de dioxyde de carbone (CO2), un contributeur majeur au réchauffement climatique, doivent également être réduites drastiquement si la neutralité climatique est l'objectif d'ici 2050 [1]. Dans ce contexte, l'utilisation du carbone d'origine fossile devient incohérente, mais le carbone reste un élément de base dans la production de produits chimiques de base et de polymères.
Une nouvelle source de carbone est donc nécessaire.
Si le CO2 devient la source de carbone de l'industrie, le cycle du carbone sera fermé. Cela signifie qu'aucune émission supplémentaire de CO2 n'aura lieu. Gardant cela à l'esprit, cet article présente un nouveau procédé basé sur la technologie membranaire qui capture le CO2 des gaz de combustion pour produire des cristaux de bicarbonate de sodium pur (NaHCO3) [2].
Le bicarbonate de sodium est un sel blanc en poudre très demandé, tel que la levure chimique et d'autres additifs alimentaires, utilisé dans les savons, les détergents, les produits pharmaceutiques, les cosmétiques, les extincteurs, les additifs alimentaires pour animaux et dans la production de nombreux autres produits chimiques. Son marché devrait croître à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 5,5 % pour atteindre 2,053 milliards de dollars américains en 2026 [3]. Le développement d'alternatives plus vertes pour produire du NaHCO3 est donc une stratégie intelligente.
Le nouveau procédé présenté dans ce travail consiste en deux étapes principales (Figure 1), à savoir l'étape d'absorption de CO2 et l'étape de purification de NaHCO3.
Dans la première étape du procédé, un flux gazeux provenant des gaz de combustion (environ 15 vol%CO2 dans l'air contenant des impuretés telles que NOx et SO2) est envoyé à un contacteur à membrane dans lequel le CO2 entrera en contact avec une solution liquide contenant du carbonate de sodium (Na2CO3) à travers les pores de la membrane. Ce contact gaz-liquide non dispersif permet un transfert de masse rapide avec une opération facile dans laquelle les conditions du gaz et des phases liquides peuvent être réglées indépendamment. Pour favoriser le transfert de masse au sein du contacteur, des acides aminés et/ou des enzymes sont utilisés [4, 5]. Le flux gazeux est ainsi épuré (le CO2 a été éliminé), et le flux liquide est riche en NaHCO3.
La solution de bicarbonate est maintenant passée à la deuxième étape afin d'obtenir des cristaux de bicarbonate de sodium pur de NaHCO3. Cette étape de cristallisation est réalisée dans un cristallisoir à membrane. Plusieurs configurations de cristallisation membranaire peuvent être utilisées, selon le type d'énergie disponible dans le site [6]. Un processus de cristallisation membranaire par contact direct serait conseillé dans les cas où la chaleur résiduelle (température autour de 40-70°C) est disponible. Dans ce cas, la solution de bicarbonate pourrait être chauffée afin que l'eau s'évapore à l'intérieur des pores de la membrane grâce à la force motrice thermique. Un avantage évident de la cristallisation membranaire par contact direct est la faible consommation d'énergie et la production d'eau pure sous forme de perméat. Une fois la concentration de saturation de la solution de bicarbonate atteinte, la nucléation des cristaux se produira dans le contacteur à membrane pour se poursuivre ensuite dans un réservoir de cristallisation pour une croissance supplémentaire des cristaux de bicarbonate de sodium.
Une autre option pour effectuer la cristallisation du NaHCO3 est la cristallisation par membrane sous vide, dans laquelle un vide est appliqué du côté perméat pour créer une énorme force motrice qui évaporera l'eau. Ici, de l'eau pure est également produite et le taux d'évaporation est remarquablement élevé.
Enfin, le troisième type de stratégie pour obtenir la cristallisation de NaHCO3 consiste à utiliser la cristallisation osmotique de la membrane. Si une solution hautement concentrée de sels (solution osmotique) est disponible sur site, par exemple des saumures de dessalement, si l'on pense à un potentiel procédé intégrant dessalement de l'eau et captage du CO2, il serait possible de récupérer l'énergie intrinsèquement présente dans la saumure de dessalement pour évaporer l'eau grâce à la force motrice osmotique. La membrane sépare les saumures de la solution de cristallisation et l'eau est évaporée jusqu'à ce que la sursaturation soit atteinte.
Ces trois procédés de cristallisation membranaire conduiront à des cristaux de NaHCO3 pur à fort intérêt industriel.
Le procédé décrit est une alternative aux voies classiques de production de NaHCO3 (c'est-à-dire le procédé Solvay et la carbonatation de la soude de trona), très intensives énergétiquement et limitées géographiquement dans le cas de l'utilisation de trona. Ce nouveau procédé fournit un système continu pour produire du NaHCO3 directement à partir de Na2CO3 et du CO2 à partir des gaz de combustion. Le CO2 est la source de carbone.
[1] Plan objectif climat 2030, Commission européenne, 2020.
[2] P. Luis, Procédé et système en continu pour la production de cristaux de bicarbonate de sodium. PCT/EP2021/084134 ; WO 2022/117800.
[3] Marché du bicarbonate de sodium – Croissance, tendances et prévisions (2020 – 2027) par types, par application, par régions et par acteurs clés : Solvay, Church & Dwight, Natural Soda, Novacarb, https://www.industrydataanalytics.com/reports/global-sodium-bicarbonate-market.
[4] Molina-Fernández, C., Luis, P. Immobilisation de l'anhydrase carbonique pour la capture du CO2 et sa mise en œuvre industrielle : Une revue, Journal of CO2 Utilization, 47, art. Non. 101475, 2021.
[5] Sang Sefidi, V., Luis, P., Technologies avancées à base d'acides aminés pour la capture du CO2 : Une revue, Recherche en chimie industrielle et technique - Vol. 58, n°44, p. 20181- 20194, 2019.
[6] Sparenberg, MC., Hanot B., Molina-Fernández C., Luis P. Comparaison expérimentale de transfert de masse entre la distillation par membrane sous vide et par contact direct pour la concentration de solutions de carbonate. Technologie de séparation et de purification 275, 119193, 2021.
L'auteur remercie le Conseil européen de la recherche (ERC) pour le financement reçu dans le cadre du programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne (Accord de subvention ERC Starting Grant UE H2020 CO2LIFE 759630).
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