Les après-midi d'été étouffants, chauffage, Les systèmes de ventilation et de climatisation (CVC) offrent un soulagement bien nécessaire de la chaleur et de l'humidité extrêmes. Ces systèmes, qui viennent souvent avec des déshumidificateurs, ne sont actuellement pas économes en énergie, consommant environ 76% de l'électricité dans les bâtiments commerciaux et résidentiels.

Dans une nouvelle étude, Des chercheurs de la Texas A&M University ont décrit un matériau organique, appelés polyimides, qui utilise moins d'énergie pour sécher l'air. Par ailleurs, les chercheurs ont déclaré que les déshumidificateurs à base de polyimide peuvent faire baisser le prix des systèmes CVC, qui coûte actuellement des milliers de dollars.

"Dans cette étude, nous avons pris un polymère existant et plutôt robuste et avons ensuite amélioré son efficacité de déshumidification, " a déclaré Hae-Kwon Jeong, Professeur McFerrin au Département de génie chimique Artie McFerrin. « Ces membranes à base de polymère, nous pensons, aidera à développer la prochaine génération de technologies de CVC et de déshumidificateur qui ne sont pas seulement plus efficaces que les systèmes actuels, mais qui ont également une empreinte carbone plus faible. »

Les résultats de l'étude sont décrits dans le Journal de la science des membranes .

Les déshumidificateurs éliminent l'humidité de l'air jusqu'à un niveau de sécheresse confortable, améliorant ainsi la qualité de l'air et éliminant les acariens, entre autres fonctions utiles. Les déshumidificateurs les plus couramment disponibles utilisent des réfrigérants. Ces produits chimiques déshumidifient en refroidissant l'air et en réduisant sa capacité à transporter l'eau. Cependant, malgré leur popularité, les réfrigérants sont une source de gaz à effet de serre, un des principaux responsables du réchauffement climatique.

En tant que matériau alternatif pour la déshumidification, les matériaux naturels connus sous le nom de zéolites ont été largement considérés pour leur action de séchage. Contrairement aux réfrigérants, les zéolites sont des déshydratants qui peuvent absorber l'humidité à l'intérieur de leurs pores hydrophiles ou hydrophiles. Bien que ces matériaux inorganiques soient verts et possèdent d'excellentes propriétés de déshumidification, les déshumidificateurs à base de zéolite posent leurs propres défis.

« La mise à l'échelle est un gros problème avec les membranes en zéolite, " dit Jeong. " D'abord, les zéolites sont coûteuses à synthétiser. Un autre problème vient des propriétés mécaniques des zéolithes. Ils sont faibles et ont besoin de très bonnes structures de support, qui sont assez chers, faire grimper le coût global."

Jeong et son équipe se sont tournés vers un matériau organique économique appelé polyimides, bien connu pour sa grande rigidité et sa tolérance à la chaleur et aux produits chimiques. Au niveau moléculaire, l'unité de base de ces polymères à hautes performances sont répétitives, groupes imides en forme d'anneau reliés entre eux en longues chaînes. Jeong a déclaré que les forces d'attraction entre les imides confèrent au polymère sa résistance caractéristique et donc un avantage par rapport aux zéolites mécaniquement faibles. Mais les propriétés de déshumidification du matériau polyimide devaient être améliorées.

Les chercheurs ont d'abord créé un film en appliquant soigneusement des molécules de polyimide sur des plates-formes d'alumine de quelques nanomètres de large. Prochain, ils mettent ce film dans une solution d'hydroxyde de sodium très concentrée, déclenchant un processus chimique appelé hydrolyse. La réaction a provoqué la rupture des groupes moléculaires imide et leur hydrophilie. Vu sous un microscope à haute puissance, les chercheurs ont découvert que les réactions d'hydrolyse conduisent à la formation de canaux ou d'autoroutes de percolation attractifs pour l'eau dans le matériau polyimide.

Lorsque l'équipe de Jeong a testé son matériau amélioré pour la déshumidification, ils ont découvert que leur membrane en polyimide était très perméable aux molécules d'eau. En d'autres termes, la membrane était capable d'extraire l'excès d'humidité de l'air en les piégeant dans les canaux de percolation. Les chercheurs ont noté que ces membranes pouvaient fonctionner en continu sans nécessiter de régénération puisque les molécules d'eau piégées partent de l'autre côté par une pompe à vide installée dans un déshumidificateur standard.

Jeong a déclaré que son équipe avait soigneusement conçu ses expériences pour l'hydrolyse partielle dans laquelle un nombre contrôlé de groupes imide devenaient hydrophiles.

"La force des polyimides vient de leurs forces intermoléculaires entre leurs chaînes, " dit Jeong. " Si trop d'imides sont hydrolysés, alors nous nous retrouvons avec du matériel faible. D'autre part, si l'hydrolyse est trop faible, le matériau ne sera pas efficace pour la déshumidification."

Bien que les membranes en polyimide se soient révélées très prometteuses dans leur utilisation potentielle dans la déshumidification, Jeong a déclaré que leurs performances étaient toujours à la traîne par rapport aux membranes en zéolite.

"Il s'agit d'une nouvelle approche pour améliorer la propriété d'un polymère pour la déshumidification et beaucoup plus d'optimisations doivent être effectuées afin d'améliorer encore les performances de cette membrane, " a déclaré Jeong. " Mais un autre facteur clé pour les applications d'ingénierie est qu'il doit être bon marché, surtout si vous voulez que la technologie soit raisonnablement abordable pour les propriétaires. Nous n'en sommes pas encore là, mais nous progressons certainement dans cette direction."