Op zwoele zomermiddagen, verwarming, ventilatie- en airconditioningsystemen (HVAC) bieden de broodnodige verlichting van de harde hitte en vochtigheid. Deze systemen, die vaak worden geleverd met luchtontvochtigers, zijn momenteel niet energiezuinig, slurpen ongeveer 76% van de elektriciteit in commerciële en residentiële gebouwen.

In een nieuwe studie, Onderzoekers van de Texas A&M University hebben een organisch materiaal beschreven, genaamd polyimiden, die minder energie verbruikt om lucht te drogen. Verder, de onderzoekers zeiden dat op polyimide gebaseerde luchtontvochtigers de prijs van HVAC-systemen kunnen verlagen, die momenteel duizenden dollars kosten.

"In dit onderzoek, we namen een bestaand en vrij robuust polymeer en verbeterden vervolgens de ontvochtigingsefficiëntie, " zei Hae-Kwon Jeong, McFerrin Professor in de Artie McFerrin Department of Chemical Engineering. "Deze op polymeren gebaseerde membranen, we denken, zal helpen bij de ontwikkeling van de volgende generatie HVAC- en ontvochtigingstechnologieën die niet alleen efficiënter zijn dan de huidige systemen, maar ook een kleinere ecologische voetafdruk hebben."

De resultaten van het onderzoek staan ​​beschreven in de Journal of Membrane Science .

Luchtontvochtigers verwijderen vocht uit de lucht tot een comfortabel niveau van droogheid, waardoor de luchtkwaliteit wordt verbeterd en huisstofmijt wordt geëlimineerd, naast andere handige functies. De meest gangbare luchtontvochtigers gebruiken koelmiddelen. Deze chemicaliën ontvochtigen door de lucht te koelen en het vermogen om water te transporteren te verminderen. Echter, ondanks hun populariteit, koelmiddelen zijn een bron van broeikasgassen, een grote boosdoener voor de opwarming van de aarde.

Als alternatief materiaal voor ontvochtiging, natuurlijk voorkomende materialen die bekend staan ​​als zeolieten zijn algemeen beschouwd vanwege hun drogende werking. In tegenstelling tot koelmiddelen, zeolieten zijn droogmiddelen die vocht kunnen absorberen in hun wateraantrekkelijke of hydrofiele poriën. Hoewel deze anorganische materialen groen zijn en uitstekende ontvochtigingseigenschappen hebben, Op zeoliet gebaseerde luchtontvochtigers vormen hun eigen uitdagingen.

"Opschalen is een groot probleem bij zeolietmembranen, ' zei Jeong. 'Eerst, zeolieten zijn duur om te synthetiseren. Een ander probleem komt van de mechanische eigenschappen van zeolieten. Ze zijn zwak en hebben echt goede ondersteunende structuren nodig, die vrij duur zijn, de totale kosten opdrijven."

Jeong en zijn team wendden zich tot een kosteneffectief organisch materiaal, polyimiden genaamd, dat bekend staat om hun hoge stijfheid en tolerantie voor hitte en chemicaliën. Op moleculair niveau, de basiseenheid van deze hoogwaardige polymeren herhalen, ringvormige imidegroepen die in lange ketens met elkaar verbonden zijn. Jeong zei dat de aantrekkingskracht tussen de imiden het polymeer zijn karakteristieke sterkte geeft en dus een voordeel ten opzichte van mechanisch zwakke zeolieten. Maar de ontvochtigingseigenschappen van het polyimidemateriaal moesten worden verbeterd.

De onderzoekers maakten eerst een film door voorzichtig polyimidemoleculen aan te brengen op enkele nanometer brede aluminiumoxideplatforms. Volgende, ze stopten deze film in een sterk geconcentreerde natriumhydroxideoplossing, een chemisch proces in gang zetten dat hydrolyse wordt genoemd. De reactie zorgde ervoor dat de imide-moleculaire groepen braken en hydrofiel werden. Wanneer bekeken onder een krachtige microscoop, de onderzoekers ontdekten dat de hydrolysereacties leiden tot de vorming van wateraantrekkelijke percolatiekanalen of snelwegen in het polyimidemateriaal.

Toen het team van Jeong hun verbeterde materiaal testte op ontvochtiging, ze ontdekten dat hun polyimidemembraan zeer permeabel was voor watermoleculen. Met andere woorden, het membraan was in staat om overtollig vocht uit de lucht te halen door het op te vangen in de percolatiekanalen. De onderzoekers merkten op dat deze membranen continu kunnen worden gebruikt zonder dat regeneratie nodig is, omdat de ingesloten watermoleculen van de andere kant vertrekken door een vacuümpomp die is geïnstalleerd in een standaard ontvochtiger.

Jeong zei dat zijn team hun experimenten zorgvuldig heeft ontworpen voor gedeeltelijke hydrolyse, waarbij een gecontroleerd aantal imidegroepen hydrofiel wordt.

"De sterkte van polyimiden komt van hun intermoleculaire krachten tussen hun ketens, " zei Jeong. "Als er te veel imiden worden gehydrolyseerd, dan blijven we achter met zwak materiaal. Anderzijds, als de hydrolyse te laag is, het materiaal zal niet effectief zijn bij ontvochtiging."

Hoewel polyimidemembranen veelbelovend zijn gebleken voor hun potentiële gebruik bij ontvochtiging, Jeong zei dat hun prestaties nog steeds achterblijven bij zeolietmembranen.

"Dit is een nieuwe benadering om de eigenschap van een polymeer voor ontvochtiging te verbeteren en er zijn nog veel meer optimalisaties nodig om de prestaties van dit membraan verder te verbeteren. "Zei Jeong. "Maar een andere belangrijke factor voor technische toepassingen is dat het goedkoop moet zijn, vooral als u wilt dat de technologie redelijk betaalbaar is voor huiseigenaren. We zijn er nog niet, maar zetten zeker stappen in die richting."