[发明专利]将气态二氧化碳转化成水性碱金属和/或碱土金属碳酸氢盐溶液

说明书

技术领域

本发明涉及将气态二氧化碳转化成用于生产固体碱金属碳酸氢盐、固体碱金属碳酸盐和/或固体碱土金属碳酸盐的碱金属碳酸氢盐和/或碱土金属碳酸氢盐溶液的水性溶液。在优选的实施方案中，本发明需要使用固体可再生的无机阳离子交换剂材料（具体地，结晶的硅铝酸盐或者无定形的硅铝酸盐）将气态温室二氧化碳的进料流转化成碱金属碳酸氢盐溶液和/或碱土金属碳酸氢盐溶液。

背景技术

大部分的固体碱金属碳酸氢盐和碳酸盐是通过普通的蒸发方法或结晶方法由它们的水性溶液而得到的。在日常生活中，这些碳酸氢盐和碳酸盐具有许多的应用。将提及的是，最常用的两种是碳酸钠和碳酸氢钠。

碳酸氢钠（NaHCO₃）是世界上最广泛使用的化学商品之一。它作为膨松剂用于烹饪中；作为治疗慢性形式的代谢性酸中毒的抗酸剂用于医药中，以及用于心肺复苏术中；用于皮肤脱叶剂、牙膏、清洁剂、化学灭火器和杀真菌剂中；用于废水的生物防治；以及作为印染剂用于纺织工业中。

由碳酸氢钠水性溶液合成而得的另一种碱金属物质是碳酸钠（Na₂CO₃）或苏打灰，除其它用途外，大量的碳酸钠用于制造玻璃、硅酸钠、肥皂和洗涤剂，以及用于烟道气脱硫。碳酸锂和碳酸钾用于熔融碳酸盐燃料电池。碱土金属碳酸盐广泛用于合成作为用于制备碳纳米管的催化剂载体的陶瓷，用于造纸工业，以及用于通过干喷射来清洁固体表面。所有这些碱金属碳酸氢盐和碱金属碳酸盐或碱土碳酸盐都是通过将它们的水性溶液用作原料而制备的。具体地，所有这些碳酸氢钠和碳酸钠化学品是通过将碱金属碳酸氢盐或碱土金属碳酸氢盐的水性溶液用作原料而制备的。

碳酸氢钠的主要天然存在源是苏打石（NaHCO₃），但是它经常与天然碱矿物——二水合二碳酸三钠氢或倍半碳酸钠（Na₂CO₃.NaHCO₃.2H₂O）一同存在。得到碳酸氢钠溶液的一种途径是，在去除天然碱中存在的杂质的几个步骤之后，使溶解的天然碱矿物碳酸化。然而，碳酸氢钠高质量的储量不均匀地分布于世界各地并且是正在大量枯竭的矿物资源。它们主要分布于犹他州、加利福尼亚州、科罗拉多州和怀俄明州，这使得该资源难以在许多发达国家和发展中国家中得到。同样地，如在“Ullmann¨s Encyclopedia of Industrial chemistry,Vol A5,fifth edition.Wolfgang Gerhartz(exe Ed),pp173-174.New York,1986（《乌尔曼工业化学百科全书》，第A5卷，第五版，Wolfgang Gerhartz（执行主编），第173-174页，纽约，1986）”中所描述的，碳酸氢钾溶液是通过将二氧化碳鼓入碳酸钾的溶液中而得到的。

碳酸氢钠溶液可以通过使用二氧化碳的索尔维法（Solvay process）而得到。索尔维法也称为氨碱法，这是一种用于生产合成的碳酸氢钠溶液的主要常规方法，碳酸氢钠溶液是用于制备精制的碳酸钠Na₂CO₃（苏打灰）、精制的碳酸氢钠NaHCO₃，以及偶尔用于制备精制的倍半碳酸钠Na₂CO₃.NaHCO₃.2H₂O的来源。在索尔维法中，将二氧化碳（CO₂）溶解于含有氨（NH₃）和氯化钠（NaCl）的水中以析出碳酸氢钠（NaHCO₃），然后通过过滤将其分离。

常规地，这在两个主要步骤中进行：首先将氨气引入到氯化钠盐水中，并且只有到那时，将二氧化碳气体引入到另一个设备中，以制备碳酸氢钠饱和溶液，从该碳酸氢钠饱和溶液中析出碳酸氢盐。虽然所涉及的化学反应可能看似简单，但实际上它们是复杂的。在氨化盐水期间释放出相当大量的热量，并且氨饱和的必要程度需要强烈的冷却。使氨化的盐水碳酸化也伴随着释放出相当大量的热量，从而为了提高产率必须冷却该设备，并且必须控制该冷却以形成良好的晶体。因此，在能源使用上，该方法是复杂且密集的。