L'emergenza climatica e le sfide per l'umanità
In un contesto di emergenza climatica, l'umanità si trova di fronte a due grandi sfide: l'approvvigionamento di acqua potabile e l'immagazzinamento di energia rinnovabile. Tradizionalmente, queste sfide sono state affrontate separatamente tramite la desalinizzazione per osmosi inversa per produrre acqua potabile e l'uso di batterie per immagazzinare energia. Tuttavia, la combinazione di entrambe le soluzioni potrebbe rappresentare un significativo passo avanti nella transizione energetica. Una tecnologia emergente che promette di integrare queste soluzioni è la desalinizzazione per flusso redox (RFD), un campo in cui la New York University ha recentemente fatto progressi considerevoli.
Che cosa sono le batterie a flusso redox?
Per comprendere la desalinizzazione per flusso redox, è importante prima conoscere il concetto di batterie redox. Queste batterie immagazzinano energia in soluzioni liquide chiamate elettroliti, che contengono composti chimici in grado di passare dallo stato ossidato a quello ridotto e viceversa. Durante il funzionamento, due tipi di elettroliti vengono pompati da serbatoi separati attraverso una cella elettrochimica centrale. In questa cella, gli elettroliti interagiscono attraverso una membrana a scambio ionico, generando elettricità che può essere utilizzata o immagazzinata. Le batterie redox sono particolarmente utili per l'immagazzinamento di energia rinnovabile grazie alla loro capacità di supportare numerosi cicli di carica e scarica senza degradarsi significativamente.
Schema di un RFD a quattro canali in modalità a passaggio singolo con A/A*, che rappresenta le reazioni elettrochimiche di specie redox disciolte in soluzioni salmastre e canali separati da una membrana a scambio cationico (CEM) e una membrana a scambio anionico (AEM).
La nuova generazione di batterie redox desalinizzanti
La desalinizzazione tramite flusso redox (RFD) è una tecnica innovativa che combina la desalinizzazione dell'acqua e l'immagazzinamento dell'energia in un unico sistema. Invece di utilizzare metodi tradizionali, il RFD fa circolare soluzioni saline e agenti redox attraverso celle elettrochimiche. Le membrane a scambio ionico consentono il trasferimento selettivo degli ioni, estraendo il sale dall'acqua di mare e producendo acqua dolce. Oltre a produrre acqua potabile, il processo RFD consente di immagazzinare energia in eccesso da fonti rinnovabili nelle molecole redox, che poi possono essere liberate quando necessario, fungendo da batteria.
Progresso presso la New York University
I ricercatori della Tandon School of Engineering della New York University hanno fatto un significativo progresso nella desalinizzazione tramite flusso redox (RFD), una tecnica elettrochimica emergente che non solo converte l'acqua salata in acqua potabile, ma immagazzina anche energia rinnovabile in modo conveniente.
In uno studio pubblicato su Cell Reports Physical Science, il team della NYU Tandon, guidato dal Dr. André Taylor, professore di ingegneria chimica e biomolecolare e direttore di DC-MUSE (Decarbonizing Chemical Manufacturing Using Sustainable Electrification), ha aumentato l'efficienza del sistema RFD. Hanno ottimizzato i tassi di flusso dei fluidi, riuscendo ad aumentare la velocità di rimozione del sale di circa il 20% e riducendo contemporaneamente il consumo di energia.
Il sistema RFD sviluppato dalla NYU utilizza una struttura a quattro canali separati da membrane a scambio ionico (IEM). Aumentare la velocità del flusso nei canali dell'elettrolita riduce la resistenza all'interfaccia elettrolita-membrana, migliorando notevolmente la rimozione del sale e l'efficienza energetica. Ad esempio, aumentare la velocità di flusso da 5 a 50 mL/min ha permesso di aumentare la velocità di rimozione del sale di 16,7 volte e ridurre il consumo di energia.
Schema del sistema di desalinizzazione a flusso redox a 4 canali del professor Taylor, interpretato dall'IA Dall-E.
Caratteristiche del sistema RFD
Il sistema di desalinizzazione per flusso redox (RFD) presenta numerosi vantaggi:
Per comprendere la desalinizzazione per flusso redox, è importante prima conoscere il concetto di batterie redox. Queste batterie immagazzinano energia in soluzioni liquide chiamate elettroliti, che contengono composti chimici in grado di passare dallo stato ossidato a quello ridotto e viceversa. Durante il funzionamento, due tipi di elettroliti vengono pompati da serbatoi separati attraverso una cella elettrochimica centrale. In questa cella, gli elettroliti interagiscono attraverso una membrana a scambio ionico, generando elettricità che può essere utilizzata o immagazzinata. Le batterie redox sono particolarmente utili per l'immagazzinamento di energia rinnovabile grazie alla loro capacità di supportare numerosi cicli di carica e scarica senza degradarsi significativamente.
Schema di un RFD a quattro canali in modalità a passaggio singolo con A/A*, che rappresenta le reazioni elettrochimiche di specie redox disciolte in soluzioni salmastre e canali separati da una membrana a scambio cationico (CEM) e una membrana a scambio anionico (AEM).
La nuova generazione di batterie redox desalinizzanti
La desalinizzazione tramite flusso redox (RFD) è una tecnica innovativa che combina la desalinizzazione dell'acqua e l'immagazzinamento dell'energia in un unico sistema. Invece di utilizzare metodi tradizionali, il RFD fa circolare soluzioni saline e agenti redox attraverso celle elettrochimiche. Le membrane a scambio ionico consentono il trasferimento selettivo degli ioni, estraendo il sale dall'acqua di mare e producendo acqua dolce. Oltre a produrre acqua potabile, il processo RFD consente di immagazzinare energia in eccesso da fonti rinnovabili nelle molecole redox, che poi possono essere liberate quando necessario, fungendo da batteria.
Progresso presso la New York University
I ricercatori della Tandon School of Engineering della New York University hanno fatto un significativo progresso nella desalinizzazione tramite flusso redox (RFD), una tecnica elettrochimica emergente che non solo converte l'acqua salata in acqua potabile, ma immagazzina anche energia rinnovabile in modo conveniente.
In uno studio pubblicato su Cell Reports Physical Science, il team della NYU Tandon, guidato dal Dr. André Taylor, professore di ingegneria chimica e biomolecolare e direttore di DC-MUSE (Decarbonizing Chemical Manufacturing Using Sustainable Electrification), ha aumentato l'efficienza del sistema RFD. Hanno ottimizzato i tassi di flusso dei fluidi, riuscendo ad aumentare la velocità di rimozione del sale di circa il 20% e riducendo contemporaneamente il consumo di energia.
Il sistema RFD sviluppato dalla NYU utilizza una struttura a quattro canali separati da membrane a scambio ionico (IEM). Aumentare la velocità del flusso nei canali dell'elettrolita riduce la resistenza all'interfaccia elettrolita-membrana, migliorando notevolmente la rimozione del sale e l'efficienza energetica. Ad esempio, aumentare la velocità di flusso da 5 a 50 mL/min ha permesso di aumentare la velocità di rimozione del sale di 16,7 volte e ridurre il consumo di energia.
Schema del sistema di desalinizzazione a flusso redox a 4 canali del professor Taylor, interpretato dall'IA Dall-E.
Caratteristiche del sistema RFD
Il sistema di desalinizzazione per flusso redox (RFD) presenta numerosi vantaggi:
- Scalabilità e flessibilità: Il sistema offre un approccio scalabile per l'immagazzinamento dell'energia, consentendo l'uso efficiente di fonti rinnovabili intermittenti come l'energia solare ed eolica.
- Riduzione della dipendenza dalle reti convenzionali: Il RFD può ridurre la dipendenza dalle reti elettriche convenzionali e favorire la transizione verso un processo di desalinizzazione a impatto zero sul carbonio.
- Miglioramento dell'efficienza del sistema: L'integrazione delle batterie a flusso redox con le tecnologie di desalinizzazione migliora l'efficienza e l'affidabilità del sistema.
Funzionamento del sistema
Il processo RFD comporta la divisione dell'acqua di mare entrante in due correnti: la corrente salina e la corrente di desalinizzazione. Inoltre, due canali ospitano l'elettrolita e la molecola redox, separati da una membrana a scambio cationico (CEM) o una membrana a scambio anionico (AEM). In un'operazione inversa, dove la salamoia e l'acqua dolce si mescolano, l'energia chimica immagazzinata viene convertita in elettricità rinnovabile.
Applicazioni e potenziale
Il sistema RFD può servire come una "batteria" unica, catturando energia in eccesso da fonti solari ed eoliche per rilasciarla su richiesta. Questa dualità dimostra il suo potenziale non solo nella desalinizzazione, ma anche come un contributo innovativo alle soluzioni di energia rinnovabile.
Collaborazione e riconoscimenti
Il successo di questo progetto è dovuto in gran parte a Stephen Akwei Maclean, primo autore dell'articolo e candidato al dottorato in ingegneria chimica e biomolecolare alla NYU Tandon. Maclean ha progettato l'architettura del sistema utilizzando la tecnologia avanzata di stampa 3D nel NYU Maker Space.
Il team di ricercatori della NYU Tandon include Syed Raza, Hang Wang, Chiamaka Igbomezie, Jamin Liu, Nathan Makowski, Yuanyuan Ma, Yaxin Shen e Jason A. Röhrl. Inoltre, Guo-Ming Weng della Shanghai Jiao Tong University in Cina ha collaborato come membro cruciale del team.
Implicazioni future
Sebbene sia necessaria ulteriore ricerca, i risultati del team NYU Tandon suggeriscono una strada promettente verso un processo RFD più conveniente. Questo progresso è fondamentale nella ricerca globale di acqua potabile, specialmente in un contesto di cambiamento climatico e crescita demografica.
Questo lavoro è allineato con la missione di DC-MUSE, un'iniziativa di collaborazione stabilita alla NYU Tandon per avanzare nella ricerca che riduca l'impatto ambientale dei processi chimici attraverso l'uso di energia rinnovabile.
Pubblicazioni e traguardi
Questo risultato segna la pubblicazione numero 100 del Laboratorio di Materiali e Dispositivi Trasformativi di Taylor, originariamente stabilito a Yale nel 2008 e trasferito alla NYU Tandon nel 2018. Il laboratorio si concentra sullo sviluppo di materiali e dispositivi innovativi per la conversione e l'immagazzinamento di energia, riflettendo l'impegno duraturo di Taylor nella ricerca trasformativa nel campo.
Per maggiori informazioni su questa ricerca e altri progetti innovativi della NYU Tandon, visita NYU Tandon School of Engineering.
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