På kvava sommareftermiddagar, uppvärmning, ventilations- och luftkonditioneringssystem (HVAC) ger välbehövlig lindring från den hårda värmen och fuktigheten. Dessa system, som ofta kommer med avfuktare, är för närvarande inte energieffektiva, slukar runt 76 % av elen i kommersiella byggnader och bostadshus.

I en ny studie, Forskare från Texas A&M University har beskrivit ett organiskt material, kallas polyimider, som använder mindre energi för att torka luft. Vidare, forskarna sa att polyimidbaserade avfuktare kan sänka priset på HVAC-system, som för närvarande kostar tusentals dollar.

"I den här studien, vi tog en befintlig och ganska robust polymer och förbättrade sedan dess avfuktningseffektivitet, " sa Hae-Kwon Jeong, McFerrin Professor vid Artie McFerrin Institutionen för kemiteknik. "Dessa polymerbaserade membran, Vi tror, kommer att bidra till att utveckla nästa generations HVAC- och avfuktningstekniker som inte bara är effektivare än nuvarande system utan också har ett mindre koldioxidavtryck."

Resultaten av studien beskrivs i Journal of Membrane Science .

Avfuktare tar bort fukt från luften till en behaglig torrhetsnivå, därigenom förbättrar luftkvaliteten och eliminerar dammkvalster, bland andra användbara funktioner. De vanligaste tillgängliga avfuktarna använder köldmedier. Dessa kemikalier avfuktar genom att kyla luften och minska dess förmåga att transportera vatten. Dock, trots deras popularitet, köldmedier är en källa till växthusgaser, en stor boven i den globala uppvärmningen.

Som ett alternativt material för avfuktning, naturligt förekommande material kända som zeoliter har i stor utsträckning ansetts för sin torkverkan. Till skillnad från köldmedier, zeoliter är torkmedel som kan absorbera fukt i sina vattenattraktiva eller hydrofila porer. Även om dessa oorganiska material är gröna och har utmärkta avfuktningsegenskaper, zeolitbaserade avfuktare utgör sina egna utmaningar.

"Uppskalning är ett stort problem med zeolitmembran, " sa Jeong. "Först, zeoliter är dyra att syntetisera. En annan fråga kommer från de mekaniska egenskaperna hos zeoliter. De är svaga och behöver riktigt bra stödstrukturer, som är ganska dyra, driver upp den totala kostnaden."

Jeong och hans team vände sig till ett kostnadseffektivt organiskt material som kallas polyimider som är välkända för sin höga styvhet och tolerans för värme och kemikalier. På molekylär nivå, grundenheten för dessa högpresterande polymerer upprepas, ringformade imidgrupper sammankopplade i långa kedjor. Jeong sa att de attraktiva krafterna mellan imiderna ger polymeren dess karakteristiska styrka och därmed en fördel jämfört med mekaniskt svaga zeoliter. Men avfuktningsegenskaperna hos polyimidmaterialet behövde förbättras.

Forskarna skapade först en film genom att noggrant applicera polyimidmolekyler på några nanometer breda aluminiumoxidplattformar. Nästa, de lägger den här filmen i en högkoncentrerad natriumhydroxidlösning, utlöser en kemisk process som kallas hydrolys. Reaktionen gjorde att imidmolekylgrupperna gick sönder och blev hydrofila. När man tittar under ett kraftfullt mikroskop, forskarna upptäckte att hydrolysreaktionerna leder till bildandet av vattenattraktiva perkolationskanaler eller motorvägar i polyimidmaterialet.

När Jeongs team testade sitt förbättrade material för avfuktning, de fann att deras polyimidmembran var mycket permeabelt för vattenmolekyler. Med andra ord, membranet kunde extrahera överskottsfukt ur luften genom att fånga in dem i perkolationskanalerna. Forskarna noterade att dessa membran kunde drivas kontinuerligt utan behov av regenerering eftersom de fångade vattenmolekylerna lämnar från andra sidan av en vakuumpump som är installerad i en standardavfuktare.

Jeong sa att hans team noggrant utformade sina experiment till partiell hydrolys där ett kontrollerat antal imidgrupper blir hydrofila.

"Styrkan hos polyimider kommer från deras intermolekylära krafter mellan deras kedjor, " sa Jeong. "Om för många imider hydrolyseras, då står vi kvar med svagt material. Å andra sidan, om hydrolysen är för låg, materialet kommer inte att vara effektivt vid avfuktning."

Även om polyimidmembran har visat sig vara mycket lovande när det gäller deras potentiella användning vid avfuktning, Jeong sa att deras prestanda fortfarande släpar efter zeolitmembran.

"Detta är ett nytt tillvägagångssätt för att förbättra egenskaperna hos en polymer för avfuktning och mycket fler optimeringar måste göras för att ytterligare förbättra prestandan hos detta membran, "Jeong sa. "Men en annan nyckelfaktor för tekniska applikationer är att det måste vara billigt, speciellt om du vill att tekniken ska vara rimligt prisvärd för husägare. Vi är inte där än men tar verkligen kliv i den riktningen."