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ES2628061T3 - Proceso para producción de carbonato de sodio - Google Patents

Proceso para producción de carbonato de sodio Download PDF

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ES2628061T3
ES2628061T3 ES09701181.1T ES09701181T ES2628061T3 ES 2628061 T3 ES2628061 T3 ES 2628061T3 ES 09701181 T ES09701181 T ES 09701181T ES 2628061 T3 ES2628061 T3 ES 2628061T3
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Spain
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solution
sodium bicarbonate
sodium
electrodializer
sodium carbonate
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Jean-Paul Detournay
Francis M. Coustry
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Solvay SA
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Solvay SA
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Abstract

Proceso para producción de carbonato de sodio de acuerdo con el cual: * se introduce una primera solución de producción que comprende carbonato de sodio en los compartimientos menos básicos de un electrodializador que comprende compartimientos adyacentes menos básicos y más básicos alternantes separados unos de otros por membranas catiónicas, estando delimitados los compartimientos más básicos por las caras aniónicas de membranas bipolares en un lado y por las membranas catiónicas en el otro lado; * se introduce una segunda solución de producción que comprende carbonato de sodio en los compartimientos más básicos del electrodializador; * se produce una solución que comprende hidróxido de sodio en los compartimientos más básicos, por combinación del flujo de iones sodio que atraviesa la membrana catiónica y el flujo de iones hidroxilo que atraviesa la cara aniónica de las membranas bipolares; * la solución que comprende hidróxido de sodio se extrae de los compartimientos más básicos del electrodializador y se utiliza para constituir una solución de reacción; * la solución de reacción se hace reaccionar con bicarbonato de sodio para formar una solución producida que comprende carbonato de sodio.

Description

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DESCRIPCION
Proceso para produccion de carbonato de sodio.
Esta invencion se refiere a un proceso para produccion de carbonato de sodio, en particular a partir de una mena mineral que comprende bicarbonato de sodio, tal como trona, nahcolita u otras menas minerales subterraneas, ricas en cantidades valiosas de bicarbonato de sodio, tales como Wegscheiderita o Decemita.
La nahcolita es un mineral constituido principalmente por bicarbonato de sodio. Existen por ejemplo cantidades enormes de nahcolita en la cuenca de Piceance Creek en el Noroeste de Colorado, cuyos depositos se encuentran en forma de lechos y cristales diseminados en la Zona Salina de la formacion Green River.
La mena trona es un mineral que contiene aproximadamente 90-95% de sesquicarbonato de sodio (Na2CO3.NaHCO3.2H2O). Un enorme deposito de trona mineral se encuentra en el Sudoeste de Wyoming, cerca de Green River. Este deposito incluye lechos de trona y halita y trona mixtos (sal de roca o NaCl). De acuerdo con estimaciones conservadoras, los principales lechos de trona contienen alrededor de 75 mil millones de toneladas metricas de mena. Un analisis tfpico de la mena trona extrafda en Green River es como sigue:
TABLA 1
__________Constituyente_____________Porcentaje en Peso
Na2CO3
43,6
NaHCO3
34,5
H2O (cristalina y humedad libre)
15,4
NaCl
0,01
Na2SO4
0,01
Fe2O3
0,14
Insolubles
6,3
El sesquicarbonato de sodio que se encuentra en la mena trona es una sal compleja que es soluble en agua y se disuelve para dar aproximadamente 5 partes en peso de carbonato de sodio (Na2CO3) y 4 partes de bicarbonato de sodio (NaHCO3), como se muestra en el analisis anterior. La mena trona se procesa para eliminar el material insoluble, la materia organica y otras impurezas a fin de recuperar el alcali valioso contenido en la trona.
El alcali mas valioso producido a partir de trona es carbonato de sodio. El carbonato de sodio es uno de los productos comerciales de mayor volumen fabricados en los Estados Unidos. En 1992, el carbonato de sodio basado en trona de Wyoming constitrna aproximadamente el 90% de la produccion total de cenizas de sosa en los Estados Unidos. El carbonato de sodio encuentra utilizacion principal en la industria de fabricacion del vidrio y para la produccion de bicarbonato de sosa, detergentes y productos de papel.
Un metodo comun para produccion de carbonato de sodio a partir de la mena trona se conoce como el "proceso del monohidrato". En dicho proceso, la mena trona triturada se calcina (es decir, se calienta) para convertir la parte de bicarbonato de la trona en carbonato de sodio bruto que se disuelve luego en agua. La solucion acuosa resultante se purifica y se alimenta a un cristalizador en el que se cristalizan cristales monohidratados de carbonato de sodio puro. Los cristales de monohidrato se separan de las aguas madres y se secan luego para dar carbonato de sodio anhidro. Sin embargo, este proceso es muy intensivo en energfa, debido principalmente al paso de calcinacion, que requiere el uso de grandes cantidades de carbon, combustible lfquido, gas o mezclas de los mismos.
Se han realizado intentos para reducir el consumo de energfa para la produccion de carbonato de sodio, mediante el uso de metodos de electrodialisis. El documento US 4238305 describe un metodo para recuperar carbonato de sodio a partir de trona y otras mezclas de carbonato de sodio y bicarbonato de sodio. En el documento US 4238305, se introduce hidroxido de sodio en los compartimientos basicos de un electrodializador y se introducen soluciones de sosa tales como trona o nahcolita en los compartimientos acidos. Se extrae del electrodializador una solucion de hidroxido de sodio enriquecida. La solucion de hidroxido de sodio se hace reaccionar finalmente con dioxido de carbono para produccion de carbonato de sodio. Sin embargo, este proceso ha resultado ser de operacion compleja, debido en parte al alto pH en el compartimiento basico. El documento US 4636289 describe tambien un proceso para la produccion de carbonato de sodio utilizando metodos de electrodialisis. El proceso utiliza un bucle de sulfato.
La invencion tiene por objeto producir carbonato de sodio, en particular a partir de menas minerales que comprenden bicarbonato de sodio de una manera sencilla y economica, evitando el gran consumo de energfa o la complejidad de los procesos conocidos.
En consecuencia, la invencion se refiere a un proceso para produccion de carbonato de sodio de acuerdo con el cual:
se introduce una primera solucion de produccion que comprende carbonato de sodio en los compartimientos menos basicos de un electrodializador que comprende compartimientos adyacentes menos basicos y mas basicos alternantes separados unos de otros por membranas cationicas, estando
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delimitados los compartimientos mas basicos por las caras anionicas de membranas bipolares en un lado y por las membranas cationicas en el otro lado;
se introduce una segunda solucion de produccion que comprende carbonato de sodio en los compartimientos mas basicos del electrodializador;
se produce una solucion que comprende hidroxido de sodio en los compartimientos mas basicos, por combinacion del flujo de iones sodio que atraviesa la membrana cationica y el flujo de iones hidroxilo que atraviesa la cara anionica de las membranas bipolares;
la solucion que comprende hidroxido de sodio se extrae de los compartimientos mas basicos del electrodializador y se utiliza para constituir una solucion de reaccion;
la solucion de reaccion se hace reaccionar con bicarbonato de sodio para formar una solucion producida que comprende carbonato de sodio.
En el proceso de acuerdo con la invencion, el electrodializador contiene al menos dos tipos de compartimientos y dos tipos de membranas, cationicas y bipolares. En algunas realizaciones, el mismo puede contener tipos adicionales de compartimientos y membranas anionicas.
Una membrana bipolar es una membrana de intercambio ionico que comprende una cara cationica - permeable para los cationes e impermeable para los aniones, y otra cara anionica - permeable para los aniones e impermeable para los cationes. Dicha membrana puede producirse por la yuxtaposicion de dos membranas monopolares. Bajo un campo electrico suficiente, y en solucion acuosa, la unica reaccion posible es la disociacion del agua en la interfase entre las dos membranas monopolares en H+ y OH- que atraviesan luego respectivamente la membrana monopolar cationica y anionica y salen de la membrana en los compartimientos adyacentes. Se recomienda que las membranas bipolares se produzcan por el proceso descrito en la solicitud de patente WO 01/79335 en nombre de SOLVAY, en particular como se describe en sus reivindicaciones.
En una realizacion preferida del proceso, el electrodializador comprende solo dos tipos de compartimientos y solo membranas cationicas y bipolares. En esta realizacion, en la que los compartimientos menos basicos y mas basicos del electrodializador estan separados por una alternancia de membranas cationicas y bipolares, cada compartimiento esta delimitado asf en un lado por una membrana cationica y en el otro lado por una membrana bipolar.
En el proceso de acuerdo con la invencion, la solucion de reaccion que comprende hidroxido de sodio reacciona con bicarbonato de sodio para formar una solucion producida que comprende carbonato de sodio. Esta reaccion con bicarbonato de sodio puede realizarse de diferentes maneras y con bicarbonato de sodio que tiene diferentes ongenes y composiciones.
En una primera realizacion de la invencion, la solucion de reaccion se hace reaccionar con bicarbonato de sodio mezclandolo con una solucion ya disponible que contiene bicarbonato de sodio, con el fin de convertir al menos parte del bicarbonato de sodio en carbonato de sodio. Esta realizacion permite aprovechar soluciones diluidas de bicarbonato de sodio, convirtiendolas en soluciones mas concentradas de carbonato de sodio, facilmente valorizadas.
En una segunda realizacion de la invencion, que es particularmente ventajosa, la solucion de reaccion se hace reaccionar con bicarbonato de sodio poniendola en contacto con una mena mineral que comprende bicarbonato de sodio. El carbonato de sodio resultante, gracias a su alta solubilidad, se solubiliza facilmente a partir de la mena, lo que hace posible extraer eficientemente las cantidades valiosas de la mena de sosa del mineral. Se pueden utilizar diferentes menas minerales, y las menas minerales pueden ponerse en contacto con la solucion de reaccion de maneras muy diferentes, por ejemplo, en equipos de superficie utilizando menas minerales excavadas. Sin embargo, es particularmente interesante introducir subterraneamente la solucion de reaccion y ponerla en contacto con depositos subterraneos de menas minerales. La solucion que comprende carbonato de sodio se forma luego subterraneamente y se extrae mediante tecnicas convencionales de minena en solucion. Esta realizacion es adecuada para menas minerales subterraneas de Trona, Nahcolita, Wegscheiderita o Decemita. En una realizacion particularmente preferida, la mena mineral que comprende bicarbonato de sodio es una mena mineral subterranea de trona o nahcolita.
Se recomienda que la solucion de reaccion comprenda como maximo 120 g/kg, preferiblemente como maximo 100 g/kg de hidroxido de sodio y como maximo 40 g/kg, preferiblemente 35 g/kg de carbonato de sodio. No obstante, es preferible que la solucion de reaccion comprenda al menos 40 g/kg, mas preferiblemente 50 g/kg de hidroxido de sodio.
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Usualmente, la solucion de reaccion se producira mezclando la solucion que comprende hidroxido de sodio que se extrae de los compartimientos mas basicos con agua fresca o aguas de recirculacion, con el fin de diluirla.
Alternativamente, la solucion que comprende hidroxido de sodio puede usarse ventajosamente como tal para formar la solucion de reaccion y hacerse reaccionar directamente con el bicarbonato de sodio. Dependiendo de las circunstancias particulares, la salida de los compartimientos mas basicos tendra que reintroducirse en su entrada, con el fin de obtener la concentracion optima de hidroxido de sodio.
El control de la composicion de la solucion de reaccion permite regular la composicion de la solucion producida. Es ventajoso que la solucion producida comprenda ventajosamente al menos 2O0 g/kg, preferiblemente 250 g/kg de carbonato de sodio.
En una realizacion recomendada del proceso de acuerdo con la invencion, se evapora al menos parte de la solucion producida, a fin de producir una suspension que comprende cristales de carbonato de sodio, que se separan y se valorizan. La evaporacion puede realizarse como en el proceso del monohidrato, utilizando preferiblemente recompresion mecanica de vapor. Los cristales de carbonato de sodio monohidratados se procesan luego preferiblemente para dar cenizas de sosa densas.
En el proceso de acuerdo con la invencion, una primera solucion de produccion que comprende carbonato de sodio se introduce en los compartimientos menos basicos del electrodializador. Debido al flujo de iones Na+ a traves de la membrana cationica y un flujo de entrada de iones H+, al menos parte del carbonato de sodio de entrada se transforma en bicarbonato de sodio, formando una solucion de salida que comprende bicarbonato de sodio. Dependiendo de la concentracion en carbonato de sodio de la primera solucion de produccion, puede ocurrir tambien, en realizaciones ventajosas, que el bicarbonato de sodio se convierta en dioxido de carbono a la salida de los compartimientos menos basicos de la celda. De hecho, cuando todo el carbonato de sodio que entra en los compartimientos menos basicos se ha transformado en bicarbonato de sodio como consecuencia de los iones Na+ que atraviesan las membranas cationicas, cualquier flujo adicional de iones Na+ que pase a traves de dichas membranas tiene como consecuencia la descomposicion del bicarbonato de sodio en CO2 y agua. El dioxido de carbono puede hacerse reaccionar luego con soluciones de carbonato de sodio en otros pasos del proceso para produccion de cristales de bicarbonato de sodio. Por ejemplo, el CO2 gaseoso generado puede utilizarse ventajosamente para reaccionar con parte de la solucion de carbonato de sodio producida por el contacto de la solucion de reaccion con las menas minerales, para producir cristales de bicarbonato de sodio. Esta reaccion puede efectuarse en contactores gas-lfquido adecuados para la carbonatacion de soluciones de carbonato de sodio. Dependiendo de las circunstancias, la solucion de carbonato de sodio puede concentrarse primeramente por cualquier medio adecuado, antes de su carbonatacion.
Una segunda solucion de produccion que comprende carbonato de sodio se introduce en los compartimientos mas basicos del electrodializador. Esta solucion puede ser igual que la primera solucion de produccion. Sin embargo, la misma tendra normalmente concentraciones diferentes de carbonato de sodio/bicarbonato de sodio.
Con el fin de producir una solucion que comprende hidroxido de sodio en los compartimientos mas basicos del electrodializador, es necesario limitar el flujo de bicarbonato de sodio que podna introducirse en dichos compartimientos. De hecho, el flujo maximo de iones HCO3- que entran en los compartimientos mas basicos esta limitado por el flujo de iones OH- e iones Na+ introducidos en ellos a traves de las membranas bipolares y cationicas. Los compartimientos mas basicos pueden alimentarse ventajosamente con una solucion diluida de carbonato de sodio, que contiene ventajosamente al menos 10 g/kg, preferiblemente 20 g/kg, mas preferiblemente 30 g/kg, y muy preferiblemente 40 g/kg de carbonato de sodio, pero como maximo 100 g/Kg, preferiblemente como maximo 80 g/kg de carbonato de sodio.
En una realizacion particularmente ventajosa y simple, se utiliza parte de la solucion producida que comprende carbonato de sodio para constituir las soluciones de produccion primera y/o segunda. La solucion producida puede utilizarse como tal. Alternativamente, la misma tendra que diluirse y/o mezclarse generalmente con otras corrientes para constituir las soluciones de produccion.
En una realizacion recomendada del proceso, se extrae una solucion que comprende bicarbonato de sodio de los compartimientos menos basicos del electrodializador, enfriandose posteriormente esta solucion a fin de producir una suspension que comprende cristales de bicarbonato de sodio. La suspension se separa en cristales de bicarbonato de sodio que estan valorizados y unas aguas madres de bicarbonato de sodio. Las aguas madres se desbicarbonatan preferiblemente luego para producir por una parte un gas que comprende CO2 y por otra parte una solucion desbicarbonatada empobrecida en bicarbonato de sodio y enriquecida en carbonato de sodio. La solucion desbicarbonatada puede mezclarse con las soluciones de produccion primera y/o segunda e introducirse en el electrodializador. La misma puede mezclarse tambien con la solucion producida para formar la solucion de reaccion. La desbicarbonatacion puede efectuarse por eliminacion de materias volatiles con vapor o preferentemente con aire.
El proceso de acuerdo con la invencion puede ejecutarse con un solo electrodializador. No obstante, es posible utilizar varios electrodializadores, utilizandose la salida de algunos de ellos como entrada para otros.
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Por ejemplo, en una realizacion recomendada del proceso de acuerdo con la invencion, la solucion que comprende bicarbonato de sodio que se extrae de los compartimientos menos basicos del electrodializador, se introduce en los compartimientos menos basicos de otro electrodializador. En esta realizacion, es preferible enfriar primeramente la solucion que comprende bicarbonato de sodio extrafda de los compartimientos menos basicos del primer electrodializador y separar los cristales de bicarbonato de sodio que aparecen debido al enfriamiento. Las aguas madres se introducen luego en el otro electrodializador. Adicionalmente, en esta realizacion, se recomienda que la concentracion de carbonato de sodio de la solucion que comprende bicarbonato de sodio que se introduce en el otro electrodializador sea suficientemente baja a fin de generar CO2 gaseoso en los compartimientos menos basicos de este otro electrodializador.
La figura adjunta ilustra una realizacion particular de la invencion. Una solucion de produccion 1 que comprende carbonato de sodio se introduce en los compartimientos menos basicos de un electrodializador 2 que comprende compartimientos menos basicos y mas basicos alternantes. Se extrae una solucion 3 que comprende bicarbonato de sodio de los compartimientos menos basicos y se extrae una solucion 4 que comprende hidroxido de sodio de los compartimientos mas basicos del electrodializador. La solucion 3 se enfna en el cristalizador 5, dando como resultado cristales de bicarbonato de sodio 6 y unas aguas madres 7. Las aguas madres 7 se desbicarbonatan por eliminacion de materias volatiles con aire en el contactor 8, dando como resultado CO2 gaseoso 9 y aguas madres desbicarbonatadas 10, que se envfan de nuevo a los compartimientos menos basicos del electrodializador. Se mezcla agua fresca 11 con la solucion 4 que comprende hidroxido de sodio, para formar la solucion de reaccion 12. La solucion de reaccion 12 se inyecta en una mina subterranea de trona 13. Una solucion que comprende carbonato de sodio 14 se extrae de la mina de trona. Se retira de esta solucion 14 una solucion 14' producida y se envfa a un evaporador (no representado), en el que se forman cristales de carbonato de sodio monohidratados. Estos cristales se valorizan posteriormente, por ejemplo, mediante transformacion en cenizas de sosa densas. La parte restante de la solucion 14 se envfa al electrodializador, constituyendo despues de su mezcladura con las aguas madres desbicarbonatadas 10' la solucion de produccion 1.
Detalles y particularidades de la invencion apareceran a partir de la descripcion del ejemplo siguiente.
Ejemplo
El proceso de acuerdo con una realizacion particular de la invencion se conduce de la manera siguiente. Se introduce una cantidad de 0,024 m3/h de una solucion de produccion que comprende 110 g/kg de carbonato de sodio y 32 g/kg de bicarbonato de sodio a una temperatura de 29°C en los compartimientos menos basicos de un electrodializador. El electrodializador comprende membranas bipolares producidas por ASTOM, modelo NEOSEPTA BP-1E y membranas cationicas NAFION® 324, producidas por DuPont. El anodo del electrodializador esta revestido de titanio con una capa de TO/RuO2 (50%/50%). El catodo es de titanio platinado. Se aplica una densidad de corriente de 1 kA/m2 a la celda elemental. Una solucion que comprende 117 g/kg de bicarbonato de sodio y 20 g/kg de carbonato de sodio a una temperatura de 65°C se extrae de los compartimientos menos basicos del electrodializador a un caudal de 0,023 m3/h. Esta solucion se enfna a 30°C en un cristalizador, dando como resultado una produccion de 0,78 kg/h de cristales de bicarbonato de sodio. Las aguas madres se desbicarbonatan, dando como resultado una solucion que comprende 50 g/kg de carbonato de sodio y 43 g/kg de bicarbonato de sodio. Se introduce un caudal de 0,003 m3/h de esta solucion desbicarbonatada en los compartimientos mas basicos del electrodializador, junto con 0,007 m3/h de agua. Una solucion que comprende 27 g/kg de carbonato de sodio y 70 g/kg de hidroxido de sodio se extrae de los compartimientos mas basicos y se introduce a una temperatura de 50°C en una mina de trona que comprende mineral trona que tiene la composicion descrita en la parte introductoria de esta memoria descriptiva, siendo la temperatura de la mena aproximadamente 25°C. Se extrae de la mina una solucion que comprende 280 g/kg de Na2CO3 a un caudal de 0,014 m3/h y una temperatura de aproximadamente 30°C. Se separa una parte de 0,008 m3/h de esta solucion para evaporacion y cristalizacion de carbonato de sodio.
El flujo restante se utiliza para constituir la solucion de produccion, despues de mezclarla con un flujo de 0,02 m3/h de aguas madres desbicarbonatadas.

Claims (12)

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    REIVINDICACIONES
    1. Proceso para produccion de carbonato de sodio de acuerdo con el cual:
    se introduce una primera solucion de produccion que comprende carbonato de sodio en los compartimientos menos basicos de un electrodializador que comprende compartimientos adyacentes menos basicos y mas basicos alternantes separados unos de otros por membranas cationicas, estando delimitados los compartimientos mas basicos por las caras anionicas de membranas bipolares en un lado y por las membranas cationicas en el otro lado;
    se introduce una segunda solucion de produccion que comprende carbonato de sodio en los compartimientos mas basicos del electrodializador;
    se produce una solucion que comprende hidroxido de sodio en los compartimientos mas basicos, por combinacion del flujo de iones sodio que atraviesa la membrana cationica y el flujo de iones hidroxilo que atraviesa la cara anionica de las membranas bipolares;
    la solucion que comprende hidroxido de sodio se extrae de los compartimientos mas basicos del electrodializador y se utiliza para constituir una solucion de reaccion;
    la solucion de reaccion se hace reaccionar con bicarbonato de sodio para formar una solucion producida que comprende carbonato de sodio.
  2. 2. Proceso de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la solucion de reaccion se hace reaccionar con bicarbonato de sodio poniendola en contacto con una mena mineral que comprende bicarbonato de sodio.
  3. 3. Proceso de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que la mena mineral que comprende bicarbonato de sodio es una mena mineral subterranea de trona o nahcolita.
  4. 4. Proceso de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la solucion de reaccion se hace reaccionar con bicarbonato de sodio mezclandola con una solucion que comprende bicarbonato de sodio.
  5. 5. Proceso de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la solucion producida se evapora con el fin de producir una suspension que comprende cristales de carbonato de sodio, que se separan y valorizan.
  6. 6. Proceso de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que parte de la solucion producida se utiliza para constituir las soluciones de produccion primera y/o segunda.
  7. 7. Proceso de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que se extrae una solucion que comprende bicarbonato de sodio de los compartimientos menos basicos del electrodializador, enfriandose posteriormente esta solucion a fin de producir una suspension que comprende cristales de bicarbonato de sodio, y separandose la suspension en cristales de bicarbonato de sodio valorizados y unas aguas madres de bicarbonato de sodio.
  8. 8. Proceso de acuerdo con la reivindicacion 7, en el que las aguas madres de bicarbonato de sodio se desbicarbonatan y se introducen en el compartimiento menos basico del electrodializador
  9. 9. Proceso de acuerdo con la reivindicacion 7, en el que las aguas madres de bicarbonato de sodio se desbicarbonatan y se introducen en los compartimientos mas basicos del electrodializador.
  10. 10. Proceso de acuerdo con la reivindicacion 7, en el que las aguas madres se introducen en los compartimientos menos basicos de otro electrodializador.
  11. 11. Proceso de acuerdo con la reivindicacion 10, en el que la concentracion de carbonato de sodio en las aguas madres es suficientemente baja para generar CO2 gaseoso en los compartimientos menos basicos del otro electrodializador.
  12. 12. Proceso de acuerdo con la reivindicacion 11, en el que el CO2 generado se pone en contacto con al menos parte de la solucion producida que comprende carbonato de sodio, con el fin de producir cristales de bicarbonato de sodio.
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