Исследователи Texas A&M повысили эффективность осушения полимера, что может помочь в разработке более энергоэффективных систем с меньшим углеродным следом. В знойные летние дни системы отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC) обеспечивают столь необходимое облегчение от резкой жары и влажности. Эти системы, которые часто поставляются с осушителями, в настоящее время не являются энергоэффективными, потребляя около 76% электроэнергии в коммерческих и жилых зданиях.

В новом исследовании ученые Техасского университета A&M описали органический материал под названием полиимиды, который потребляет меньше энергии для осушения воздуха. Кроме того, исследователи заявили, что осушители на основе полиимида могут снизить стоимость систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, которые в настоящее время стоят тысячи долларов.

«В этом исследовании мы взяли существующий и довольно прочный полимер, а затем улучшили его эффективность осушения», — сказал Хэ-Квон Джеонг, профессор Макферрина из отдела химического машиностроения Арти Макферрина. «Мы думаем, что эти полимерные мембраны помогут разработать следующее поколение технологий HVAC и осушителей, которые не только более эффективны, чем существующие системы, но и имеют меньший углеродный след».

Осушители удаляют влагу из воздуха до комфортного уровня сухости, тем самым улучшая качество воздуха и устраняя пылевые клещи, среди других полезных функций. Наиболее распространенные осушители воздуха используют хладагенты. Эти химические вещества осушают, охлаждая воздух и снижая его способность переносить воду. Однако, несмотря на свою популярность, хладагенты являются источником парниковых газов, главной причиной глобального потепления.

В качестве альтернативного материала для осушения широко используются природные материалы, известные как цеолиты, из-за их высушивающего действия. В отличие от хладагентов, цеолиты являются влагопоглотителями, способными поглощать влагу в своих водоотталкивающих или гидрофильных порах. Хотя эти неорганические материалы являются экологически чистыми и обладают отличными осушающими свойствами, осушители на основе цеолита сами по себе создают проблемы.

«Масштабирование — большая проблема с цеолитными мембранами», — сказал Джеонг. «Во-первых, цеолиты дороги в синтезе. Другая проблема связана с механическими свойствами цеолитов. Они слабы и нуждаются в действительно хороших опорных конструкциях, которые довольно дороги, что увеличивает общую стоимость».

Джеонг и его команда обратились к экономичному органическому материалу под названием полиимиды, который хорошо известен своей высокой жесткостью и устойчивостью к воздействию тепла и химикатов. На молекулярном уровне основной единицей этих высокоэффективных полимеров являются повторяющиеся кольцеобразные имидные группы, соединенные вместе в длинные цепи. Джеонг сказал, что силы притяжения между имидами придают полимеру характерную прочность и следовательно преимущество перед механически слабыми цеолитами. Но осушающие свойства полиимидного материала нуждались в улучшении.

Сначала исследователи создали пленку, аккуратно нанеся молекулы полиимида на глиноземные платформы шириной в несколько нанометров. Затем они помещают эту пленку в высококонцентрированный раствор гидроксида натрия, вызывая химический процесс, называемый гидролизом. В результате реакции имидные молекулярные группы разрушаются и становятся гидрофильными. При просмотре под мощным микроскопом исследователи обнаружили, что реакции гидролиза приводят к образованию привлекательных для воды перколяционных каналов или магистралей внутри полиимидного материала.

Когда команда Джеонга проверила свой улучшенный материал на предмет осушения, они обнаружили, что их полиимидная мембрана очень проницаема для молекул воды. Другими словами, мембрана была способна извлекать из воздуха лишнюю влагу, задерживая ее в перколяционных каналах. Исследователи отметили, что эти мембраны могут работать непрерывно без необходимости регенерации, поскольку захваченные молекулы воды уходят с другой стороны с помощью вакуумного насоса, который установлен в стандартном осушителе.

Джеонг сказал, что его команда тщательно разработала свои эксперименты для частичного гидролиза, при котором контролируемое количество имидных групп становится гидрофильным. «Сила полиимидов зависит от их межмолекулярных сил между цепями», — сказал Джеонг. «Если гидролизуется слишком много имидов, остается слабый материал. С другой стороны, если гидролиз будет слишком низким, материал не будет эффективно осушать».

Хотя полиимидные мембраны показали большие перспективы в их потенциальном использовании для осушения, Джеонг сказал, что их характеристики все еще отстают от цеолитных мембран. «Это новый подход к улучшению свойств полимера для осушения, и необходимо сделать гораздо больше оптимизаций, чтобы еще больше улучшить характеристики этой мембраны. Но еще одним ключевым фактором для инженерных приложений является то, что она должна быть дешевой, особенно если вы хотите, чтобы технология была разумно доступной для домовладельцев. Мы еще не достигли этого, но, безусловно, делаем успехи в этом направлении».