A emergência climática e os desafios da humanidade
Em um contexto de emergência climática, a humanidade enfrenta dois grandes desafios: a obtenção de água potável e o armazenamento de energia renovável. Tradicionalmente, esses desafios foram abordados separadamente por meio da dessalinização por osmose reversa para produzir água potável e o uso de baterias para armazenar energia. No entanto, a combinação dessas duas soluções pode representar um avanço significativo na transição energética. Uma tecnologia emergente que promete integrar essas soluções é a dessalinização por fluxo redox (RFD), um campo no qual a Universidade de Nova York recentemente fez avanços consideráveis.
O que são as baterias de fluxo redox?
Para entender a dessalinização por fluxo redox, é importante primeiro conhecer o conceito de baterias redox. Essas baterias armazenam energia em soluções líquidas chamadas eletrólitos, que contêm compostos químicos capazes de mudar de estado oxidado para reduzido e vice-versa. Durante o funcionamento, dois tipos de eletrólitos são bombeados de tanques separados através de uma célula eletroquímica central. Nessa célula, os eletrólitos interagem através de uma membrana de troca iônica, gerando eletricidade que pode ser utilizada ou armazenada. As baterias redox são especialmente úteis para o armazenamento de energia renovável devido à sua capacidade de suportar muitos ciclos de carga e descarga sem se degradar significativamente.
Esquema para um RFD de quatro canais em modo de um único passo com uma A/A*, que representa as reações eletroquímicas das espécies redox dissolvidas em soluções de sais condutores e canais separados por uma membrana de troca catiônica (CEM) e uma membrana de troca aniônica (AEM).
A nova geração de baterias redox dessalinizadoras
A dessalinização por fluxo redox (RFD) é uma técnica inovadora que combina a dessalinização de água e o armazenamento de energia em um único sistema. Em vez de usar métodos tradicionais, o RFD faz circular soluções salinas e agentes redox através de células eletroquímicas. As membranas de troca iônica permitem a transferência seletiva de íons, extraindo o sal da água do mar e produzindo água doce. Além de produzir água potável, o processo RFD permite armazenar energia excedente de fontes renováveis nas moléculas redox, que pode ser liberada quando necessário, funcionando como uma bateria.
Avanços na Universidade de Nova York
Pesquisadores da Escola de Engenharia Tandon da Universidade de Nova York alcançaram um avanço significativo na dessalinização por fluxo redox (RFD), uma técnica eletroquímica emergente que não apenas converte água do mar em água potável, mas também armazena energia renovável de forma rentável.
Em um estudo publicado na Cell Reports Physical Science, a equipe da NYU Tandon, liderada pelo Dr. André Taylor, professor de engenharia química e biomolecular e diretor do DC-MUSE (Decarbonizing Chemical Manufacturing Using Sustainable Electrification), aumentou a eficiência do sistema RFD. Eles otimizaram as taxas de fluxo dos fluidos, conseguindo aumentar a taxa de remoção de sal em aproximadamente 20% e reduzindo simultaneamente o consumo de energia.
O sistema RFD desenvolvido pela NYU utiliza uma estrutura de quatro canais separados por membranas de troca iônica (IEM). Aumentar a velocidade de fluxo nos canais de eletrólito reduz a resistência na interface eletrólito-membrana, melhorando significativamente a remoção de sal e a eficiência energética. Por exemplo, aumentar a velocidade de fluxo de 5 para 50 mL/min permitiu aumentar a taxa de remoção de sal em 16,7 vezes e reduzir o consumo de energia.
Esquema do sistema de dessalinização por fluxo redox de 4 canais do professor Taylor, interpretado pela IA Dall-E.
Características do sistema RFD
O sistema de dessalinização por fluxo redox (RFD) apresenta vários benefícios: • Escalabilidade e flexibilidade: O sistema oferece uma abordagem escalável para o armazenamento de energia, permitindo a utilização eficiente de fontes renováveis intermitentes como a energia solar e eólica. • Redução da dependência de redes convencionais: O RFD pode diminuir a dependência das redes elétricas convencionais e promover a transição para um processo de dessalinização neutro em carbono. • Melhoria na eficiência do sistema: A integração de baterias de fluxo redox com tecnologias de dessalinização melhora a eficiência e a confiabilidade do sistema.
Para entender a dessalinização por fluxo redox, é importante primeiro conhecer o conceito de baterias redox. Essas baterias armazenam energia em soluções líquidas chamadas eletrólitos, que contêm compostos químicos capazes de mudar de estado oxidado para reduzido e vice-versa. Durante o funcionamento, dois tipos de eletrólitos são bombeados de tanques separados através de uma célula eletroquímica central. Nessa célula, os eletrólitos interagem através de uma membrana de troca iônica, gerando eletricidade que pode ser utilizada ou armazenada. As baterias redox são especialmente úteis para o armazenamento de energia renovável devido à sua capacidade de suportar muitos ciclos de carga e descarga sem se degradar significativamente.
Esquema para um RFD de quatro canais em modo de um único passo com uma A/A*, que representa as reações eletroquímicas das espécies redox dissolvidas em soluções de sais condutores e canais separados por uma membrana de troca catiônica (CEM) e uma membrana de troca aniônica (AEM).
A nova geração de baterias redox dessalinizadoras
A dessalinização por fluxo redox (RFD) é uma técnica inovadora que combina a dessalinização de água e o armazenamento de energia em um único sistema. Em vez de usar métodos tradicionais, o RFD faz circular soluções salinas e agentes redox através de células eletroquímicas. As membranas de troca iônica permitem a transferência seletiva de íons, extraindo o sal da água do mar e produzindo água doce. Além de produzir água potável, o processo RFD permite armazenar energia excedente de fontes renováveis nas moléculas redox, que pode ser liberada quando necessário, funcionando como uma bateria.
Avanços na Universidade de Nova York
Pesquisadores da Escola de Engenharia Tandon da Universidade de Nova York alcançaram um avanço significativo na dessalinização por fluxo redox (RFD), uma técnica eletroquímica emergente que não apenas converte água do mar em água potável, mas também armazena energia renovável de forma rentável.
Em um estudo publicado na Cell Reports Physical Science, a equipe da NYU Tandon, liderada pelo Dr. André Taylor, professor de engenharia química e biomolecular e diretor do DC-MUSE (Decarbonizing Chemical Manufacturing Using Sustainable Electrification), aumentou a eficiência do sistema RFD. Eles otimizaram as taxas de fluxo dos fluidos, conseguindo aumentar a taxa de remoção de sal em aproximadamente 20% e reduzindo simultaneamente o consumo de energia.
O sistema RFD desenvolvido pela NYU utiliza uma estrutura de quatro canais separados por membranas de troca iônica (IEM). Aumentar a velocidade de fluxo nos canais de eletrólito reduz a resistência na interface eletrólito-membrana, melhorando significativamente a remoção de sal e a eficiência energética. Por exemplo, aumentar a velocidade de fluxo de 5 para 50 mL/min permitiu aumentar a taxa de remoção de sal em 16,7 vezes e reduzir o consumo de energia.
Esquema do sistema de dessalinização por fluxo redox de 4 canais do professor Taylor, interpretado pela IA Dall-E.
Características do sistema RFD
O sistema de dessalinização por fluxo redox (RFD) apresenta vários benefícios: • Escalabilidade e flexibilidade: O sistema oferece uma abordagem escalável para o armazenamento de energia, permitindo a utilização eficiente de fontes renováveis intermitentes como a energia solar e eólica. • Redução da dependência de redes convencionais: O RFD pode diminuir a dependência das redes elétricas convencionais e promover a transição para um processo de dessalinização neutro em carbono. • Melhoria na eficiência do sistema: A integração de baterias de fluxo redox com tecnologias de dessalinização melhora a eficiência e a confiabilidade do sistema.
Funcionamento do sistema
O processo RFD envolve a divisão da água do mar entrante em dois fluxos: o fluxo de salinização e o fluxo de dessalinização. Além disso, dois canais abrigam o eletrólito e a molécula redox, separados por uma membrana de troca catiônica (CEM) ou uma membrana de troca aniônica (AEM). Em uma operação inversa, onde a salmoura e a água doce se misturam, a energia química armazenada é convertida em eletricidade renovável.
Aplicações e potencial
O sistema RFD pode servir como uma "bateria" única, capturando energia excedente de fontes solares e eólicas para liberá-la sob demanda. Essa dualidade demonstra seu potencial não apenas em dessalinização, mas também como uma contribuição inovadora às soluções de energia renovável.
Colaboração e reconhecimentos
O sucesso deste projeto é amplamente atribuído a Stephen Akwei Maclean, primeiro autor do artigo e doutorando em engenharia química e biomolecular na NYU Tandon. Maclean projetou a arquitetura do sistema usando uma tecnologia avançada de impressão 3D no NYU Maker Space.
A equipe de pesquisadores da NYU Tandon inclui Syed Raza, Hang Wang, Chiamaka Igbomezie, Jamin Liu, Nathan Makowski, Yuanyuan Ma, Yaxin Shen e Jason A. Röhrl. Além disso, Guo-Ming Weng da Universidade Jiao Tong de Xangai na China colaborou como membro crucial da equipe.
Implicações futuras
Embora mais pesquisas sejam necessárias, as descobertas da equipe da NYU Tandon sugerem um caminho promissor para um processo RFD mais rentável. Esse avanço é crucial na busca global por água potável, especialmente em um contexto de mudança climática e crescimento populacional.
Este trabalho está alinhado com a missão do DC-MUSE, uma iniciativa de colaboração estabelecida na NYU Tandon para avançar em pesquisas que reduzam o impacto ambiental dos processos químicos por meio do uso de energia renovável.
Publicações e conquistas
Essa realização marca a publicação número 100 do Laboratório de Materiais e Dispositivos Transformadores de Taylor, originalmente estabelecido em Yale em 2008 e transferido para a NYU Tandon em 2018. O laboratório foca no desenvolvimento de materiais e dispositivos inovadores para a conversão e armazenamento de energia, refletindo o compromisso duradouro de Taylor com a pesquisa transformadora na área.
Para mais informações sobre essa pesquisa e outros projetos inovadores da NYU Tandon, visite o site da NYU Tandon School of Engineering.
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