下一代HVAC技术的有机材料

在炎热的夏日午后，暖气，通风和空调(HVAC)系统为恶劣的高温和潮湿提供了急需的救济。这些系统通常带有除湿器，目前效率不高，在商业和住宅建筑中消耗了约76%的电力。在一项新研究中，德克萨斯农工大学的研究人员描述了一种称为聚酰亚胺的有机材料，该材料使用较少的能量来干燥空气。此外，研究人员说，基于聚酰亚胺的除湿机可以降低HVAC系统的价格，HVAC系统目前的成本为数千美元。

“在这项研究中，我们采用了现有的相当坚固的聚合物，然后提高了其除湿效率，” Artie McFerrin化工系McFerrin教授Hae-Kwon Jeong说。“我们认为，这些基于聚合物的膜将帮助开发下一代HVAC和除湿技术，这些技术不仅比现有系统更高效，而且碳足迹更小。”

该研究的结果在《膜科学杂志》上有描述。

除湿机除其他有用功能外，还可以从空气中除去水分，达到舒适的干燥度，从而改善空气质量并消除尘螨。最常用的除湿机使用制冷剂。这些化学物质通过冷却空气并降低其携带水的能力来除湿。然而，尽管制冷剂很受欢迎，但它还是温室气体的一种来源，而温室气体是造成全球变暖的罪魁祸首。

作为除湿的替代材料，人们普遍认为天然存在的称为沸石的材料具有干燥作用。与制冷剂不同，沸石是干燥剂，可以在其吸水孔或亲水孔中吸收水分。尽管这些无机材料是绿色的并且具有优异的除湿性能，但是基于沸石的除湿器本身也带来了挑战。

郑说：“扩大规模是沸石膜的一个大问题。” “首先，沸石的合成昂贵。另一个问题来自于沸石的机械性能。它们的强度很弱，需要非常好的支撑结构，而支撑结构又很昂贵，从而提高了整体成本。”

Jeong和他的团队转向了一种具有成本效益的有机材料，称为聚酰亚胺，该材料以其高刚性和耐热性和耐化学性而闻名。在分子水平上，这些高性能聚合物的基本单元是重复的环状酰亚胺基团，它们以长链连接在一起。Jeong说，酰亚胺之间的吸引力使聚合物具有独特的强度，因此比机械上较弱的沸石更具优势。但是聚酰亚胺材料的除湿性能需要增强。

研究人员首先通过将聚酰亚胺分子小心地应用在几纳米宽的氧化铝平台上来制作薄膜。接下来，他们将该膜放入高浓度的氢氧化钠溶液中，触发了称为水解的化学过程。该反应导致酰亚胺分子基团断裂并变为亲水性。在高功率显微镜下观察时，研究人员发现，水解反应会导致在聚酰亚胺材料中形成引水吸引的渗滤通道或高速公路。

Jeong的团队对增强材料进行除湿测试时，发现其聚酰亚胺膜对水分子具有很好的渗透性。换句话说，该膜通过将它们捕获在渗透通道中而能够从空气中提取多余的水分。研究人员指出，这些膜可以连续运行而无需再生，因为捕获的水分子通过安装在标准除湿机内的真空泵从另一侧离开。

Jeong说，他的团队精心设计了部分水解实验，其中有一定数量的酰亚胺基团变成亲水性的。

郑说：“聚酰亚胺的强度来自于链之间的分子间作用力。” “如果酰亚胺水解的太多，那么我们剩下的就是弱物质。另一方面，如果水解太低，该物质将不能有效地除湿。”

尽管聚酰亚胺膜在除湿方面的潜在用途已显示出广阔的前景，但Jeong表示，其性能仍落后于沸石膜。

Jeong说：“这是一种改善聚合物除湿性能的新方法，需要做更多的优化才能进一步提高该膜的性能。” “但是，工程应用的另一个关键因素是它必须便宜，特别是如果您希望该技术对房主来说价格合理。我们还没有，但肯定正在朝这个方向迈进。”