L’elettrodialisi inversa (RED, che sta per Reverse Electrodialysis) rappresenta una tecnologia innovativa. Essa si basa sull’utilizzo di membrane a scambio ionico, ossia membrane anioniche e cationiche, disposte tra due elettrodi per estrarre energia elettrica dai gradienti di salinità.
Funzionamento dell’elettrodialisi inversa
Indice Articolo
Il principio alla base dell’elettrodialisi inversa deriva dalla differenza di salinità tra due soluzioni. Questo contrasto, filtrato attraverso una membrana a scambio ionico, genera un gradiente di potenziale elettrico. Questo potenziale spinge gli ioni: gli anioni transitano attraverso le membrane a scambio cationico (CEM), mentre i cationi attraversano quelle a scambio anionico (AEM), dalla zona di alta concentrazione a quella di bassa concentrazione.
In seguito a questa migrazione ionica, gli elettrodi trasformano il flusso di ioni in corrente elettrica, grazie a reazioni di ossidoriduzione o alla scissione dell’acqua. In tal modo, l’elettrodialisi inversa diventa un metodo promettente per catturare l’energia derivante dai gradienti di salinità, anche noti come energia blu.
Struttura del sistema di elettrodialisi inversa
Un sistema di elettrodialisi inversa è composto da membrane a scambio ionico alternative, che facilitano il contatto tra soluzioni ad alta e bassa salinità. Le membrane, caricate rispettivamente per attrarre anioni e cationi, permettono agli ioni di muoversi in direzioni opposte. Tale movimento genera poli elettrici, simili a quelli presenti in una batteria, e nel processo produce energia elettrica.
In particolare, ogni metro cubo di acqua dolce può generare circa 1.4 MJ di energia se combinato con una quantità pari di acqua di mare. Se, invece, si utilizza un eccesso di acqua di mare, la produzione energetica può superare i 2 MJ. La potenza elettrica può essere regolata controllando il flusso d’acqua e massimizzando l’uso delle risorse idriche disponibili.
Caratteristiche delle membrane
Le membrane utilizzate in questo processo, come quelle a scambio anionico (AEM), possiedono gruppi funzionali positivi attaccati a una matrice polimerica. Questi gruppi consentono il passaggio selettivo degli anioni, rendendo necessaria una conduttività elettrica ottimale, stabilità termica e bassa resistenza. Tuttavia, ottenere una perfetta selettività in queste membrane è sfidante, poiché il rigonfiamento dovuto a un eccessivo contenuto d’acqua può comprometterne la stabilità.
La selettività delle membrane è cruciale, specialmente in acque che non contengono solo sodio e cloruro, riducendo le performance energetiche. Anche l’assenza di ioni multivalenti può influenzare negativamente i risultati. Pertanto, la ricerca continua a focalizzarsi sul miglioramento delle membrane, affrontando problemi come l’incrostazione e aumentando la loro efficienza energetica.
Elettrodi e loro importanza
Recenti studi hanno esplorato sistemi di elettrodi più sostenibili e convenienti. Gli elettrodi a maglie di titanio, rivestiti con ossidi metallici misti o materiali carboniosi, sono attualmente tra i più utilizzati. Per garantire un funzionamento stabile nelle applicazioni su larga scala, gli esperti si stanno orientando verso elettrodi asimmetrici, in cui un’area del catodo è più piccola rispetto all’anodo. Ciò ha dimostrato di ridurre le perdite di energia e stabilizzare le reazioni degli elettrodi.
In alternativa, gli elettrodi a flusso a base di carbonio offrono vantaggi economici e ambientali. Questi sistemi usano l’adsorbimento elettrostatico per sostenere il trasporto di ioni. Tuttavia, la saturazione può richiedere una ritrasmissione della polarità, portando a cicli di carica e scarica intermittenti. Anche qui, il miglioramento della conduttività è un obiettivo chiave per l’efficienza del sistema.
Il RED stack
Il cuore di un impianto di elettrodialisi inversa è il RED stack, costituito da elettrodi, membrane, piastre terminali e distanziatori. Le soluzioni saline, sia ad alta che a bassa concentrazione, scorrono alternativamente attraverso il sistema, permettendo agli ioni di trasmettere energia elettrica. La cura nella scelta degli elettrodi è fondamentale per garantire un’efficienza energetica ottimale, poiché influisce sulla polarizzazione della concentrazione e sulla perdita di tensione.
L’evoluzione della struttura e dei materiali degli elettrodi può migliorare sostanzialmente la loro capacità generativa e la lunga durata del sistema. Questo progresso è essenziale per la realizzazione di applicazioni pratiche su scala industriale, dove materiali specifici vengono impiegati per garantire stabilità e sostenibilità.
Modalità di flusso
Per ottimizzare ulteriormente le prestazioni dell’elettrodialisi inversa, sono disponibili diverse modalità di flusso. I sistemi a più stadi mostrano benefici rispetto a soluzioni a stadio singolo. Queste configurazioni permettono di applicare correnti diverse a ciascun elettrodo, aumentando la potenza in uscita e migliorando l’efficienza globale. Pertanto, i sistemi a più stadi possono sfruttare al meglio risorse idriche ad alta salinità, massimizzando l’energia prodotta.
Una potenza elettrica netta ottimale, stimata in 4.98 kW, è raggiungibile con soluzioni tra 5 M e 0.05 M in configurazioni a 12 stadi, mentre 2.04 kW possono essere prodotti con sette stadi per concentrazioni di 2 M e 0.05 M. Questo approccio può contribuire significativamente alla crescita dell’efficienza energetica nel settore della produzione di energia rinnovabile.
