Et organisk materiale til næste generation af HVAC-teknologier

På lune sommereftermiddage, opvarmning, ventilations- og klimaanlæg (HVAC) giver tiltrængt lindring af den hårde varme og fugtighed. Disse systemer, som ofte kommer med affugtere, er i øjeblikket ikke energieffektive, sluger omkring 76 % af elektriciteten i erhvervs- og boligbyggerier.

I en ny undersøgelse, Texas A&M University forskere har beskrevet et organisk materiale, kaldet polyimider, der bruger mindre energi på at tørre luft. Desuden, forskerne sagde, at polyimid-baserede affugtere kan sænke prisen på HVAC-systemer, som i øjeblikket koster tusindvis af dollars.

"I dette studie, vi tog en eksisterende og ret robust polymer og forbedrede derefter dens affugtningseffektivitet, " sagde Hae-Kwon Jeong, McFerrin Professor i Artie McFerrin Department of Chemical Engineering. "Disse polymer-baserede membraner, vi tænker, vil hjælpe med at udvikle den næste generation af HVAC- og affugterteknologier, der ikke bare er mere effektive end nuværende systemer, men også har et mindre CO2-fodaftryk."

Resultaterne af undersøgelsen er beskrevet i Journal of Membrane Science .

Affugtere fjerner fugt fra luften til et behageligt tørhedsniveau, derved forbedrer luftkvaliteten og eliminerer støvmider, blandt andre nyttige funktioner. De mest almindeligt tilgængelige affugtere bruger kølemidler. Disse kemikalier affugter ved at afkøle luften og reducere dens evne til at transportere vand. Imidlertid, trods deres popularitet, kølemidler er en kilde til drivhusgasser, en stor synder for den globale opvarmning.

Som et alternativt materiale til affugtning, naturligt forekommende materialer kendt som zeolitter er blevet overvejet bredt for deres udtørrende virkning. I modsætning til kølemidler, zeolitter er tørremidler, der kan absorbere fugt i deres vand-attraktive eller hydrofile porer. Selvom disse uorganiske materialer er grønne og har fremragende affugtningsegenskaber, zeolit-baserede affugtere udgør deres egne udfordringer.

"Opskalering er et stort problem med zeolitmembraner, " sagde Jeong. "Først, zeolitter er dyre at syntetisere. Et andet problem kommer fra de mekaniske egenskaber af zeolitter. De er svage og har brug for rigtig gode støttestrukturer, som er ret dyre, øger de samlede omkostninger."

Jeong og hans team vendte sig mod et omkostningseffektivt organisk materiale kaldet polyimider, der er kendt for deres høje stivhed og tolerance over for varme og kemikalier. På molekylært niveau, den grundlæggende enhed af disse højtydende polymerer gentager sig, ringformede imidgrupper forbundet i lange kæder. Jeong sagde, at de tiltrækkende kræfter mellem imiderne giver polymeren dens karakteristiske styrke og dermed en fordel i forhold til mekanisk svage zeolitter. Men polyimidmaterialets affugtningsegenskaber trængte til forbedring.

Forskerne skabte først en film ved omhyggeligt at påføre polyimidmolekyler på et par nanometer brede aluminiumoxidplatforme. Næste, de lægger denne film i en højkoncentreret natriumhydroxidopløsning, udløser en kemisk proces kaldet hydrolyse. Reaktionen fik imidmolekylerne til at bryde og blive hydrofile. Når det ses under et kraftigt mikroskop, forskerne afslørede, at hydrolysereaktionerne fører til dannelsen af ​​vandattraktive perkolationskanaler eller motorveje i polyimidmaterialet.

Da Jeongs team testede deres forbedrede materiale til affugtning, de fandt ud af, at deres polyimidmembran var meget permeabel for vandmolekyler. Med andre ord, membranen var i stand til at trække overskydende fugt ud af luften ved at fange dem i perkolationskanalerne. Forskerne bemærkede, at disse membraner kunne betjenes kontinuerligt uden behov for regenerering, da de fangede vandmolekyler forlader den anden side af en vakuumpumpe, der er installeret i en standard affugter.

Jeong sagde, at hans team omhyggeligt designede deres eksperimenter til delvis hydrolyse, hvor et kontrolleret antal imidgrupper bliver hydrofile.

"Styrken af ​​polyimider kommer fra deres intermolekylære kræfter mellem deres kæder, " sagde Jeong. "Hvis for mange imider hydrolyseres, så står vi tilbage med svagt materiale. På den anden side, hvis hydrolysen er for lav, materialet vil ikke være effektivt ved affugtning."

Selvom polyimidmembraner har vist sig meget lovende i deres potentielle anvendelse til affugtning, Jeong sagde, at deres præstationer stadig halter bagefter zeolitmembraner.

"Dette er en ny tilgang til at forbedre egenskaben af ​​en polymer til affugtning, og der skal udføres meget flere optimeringer for yderligere at forbedre ydeevnen af ​​denne membran, " sagde Jeong. "Men en anden nøglefaktor for tekniske applikationer er, at det skal være billigt, især hvis du ønsker, at teknologien skal være rimelig overkommelig for boligejere. Vi er der ikke endnu, men vi tager helt sikkert skridt i den retning."