Negli afosi pomeriggi estivi, il riscaldamento, i sistemi di ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC) forniscono il tanto necessario sollievo dal caldo e dall'umidità. Questi sistemi, che spesso sono dotati di deumidificatori, non sono attualmente efficienti dal punto di vista energetico, consumando circa il 76% dell'energia elettrica negli edifici commerciali e residenziali.

In un nuovo studio, I ricercatori della Texas A&M University hanno descritto un materiale organico, chiamate poliimmidi, che utilizza meno energia per asciugare l'aria. Per di più, i ricercatori hanno affermato che i deumidificatori a base di poliimmide possono abbassare il prezzo dei sistemi HVAC, che attualmente costa migliaia di dollari.

"In questo studio, abbiamo preso un polimero esistente e piuttosto robusto e quindi migliorato la sua efficienza di deumidificazione, " disse Hae-Kwon Jeong, McFerrin Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica Artie McFerrin. "Queste membrane a base di polimeri, pensiamo, contribuirà a sviluppare la prossima generazione di tecnologie HVAC e deumidificatori che non solo sono più efficienti dei sistemi attuali, ma hanno anche un'impronta di carbonio inferiore".

I risultati dello studio sono descritti nel Journal of Membrane Science .

I deumidificatori rimuovono l'umidità dall'aria portandola a un livello confortevole di secchezza, migliorando così la qualità dell'aria ed eliminando gli acari della polvere, tra le altre utili funzioni. I deumidificatori più comunemente disponibili utilizzano refrigeranti. Queste sostanze chimiche deumidificano raffreddando l'aria e riducendo la sua capacità di trasportare acqua. Però, nonostante la loro popolarità, i refrigeranti sono una fonte di gas serra, uno dei principali responsabili del riscaldamento globale.

Come materiale alternativo per la deumidificazione, materiali naturali noti come zeoliti sono stati ampiamente considerati per la loro azione di essiccazione. A differenza dei refrigeranti, le zeoliti sono essiccanti in grado di assorbire l'umidità all'interno dei loro pori che attirano l'acqua o sono idrofili. Sebbene questi materiali inorganici siano verdi e abbiano eccellenti proprietà di deumidificazione, i deumidificatori a base di zeolite pongono sfide a sé stanti.

"Il ridimensionamento è un grosso problema con le membrane di zeolite, " Jeong ha detto. "In primo luogo, le zeoliti sono costose da sintetizzare. Un altro problema deriva dalle proprietà meccaniche delle zeoliti. Sono deboli e hanno bisogno di strutture di supporto davvero buone, che sono piuttosto costosi, facendo lievitare i costi complessivi".

Jeong e il suo team si sono rivolti a un materiale organico conveniente chiamato poliimmidi, noto per la sua elevata rigidità e tolleranza al calore e ai prodotti chimici. A livello molecolare, si ripetono l'unità base di questi polimeri ad alte prestazioni, gruppi immidici a forma di anello collegati tra loro in lunghe catene. Jeong ha affermato che le forze attrattive tra le immidi conferiscono al polimero la sua resistenza caratteristica e quindi un vantaggio rispetto alle zeoliti meccanicamente deboli. Ma le proprietà di deumidificazione del materiale in poliimmide necessitavano di miglioramenti.

I ricercatori hanno prima creato un film applicando con cura molecole di poliimmide su piattaforme di allumina larghe pochi nanometri. Prossimo, hanno messo questo film in una soluzione di idrossido di sodio altamente concentrata, innescando un processo chimico chiamato idrolisi. La reazione ha causato la rottura dei gruppi molecolari immidici e l'idrofilia. Se visto al microscopio ad alta potenza, i ricercatori hanno scoperto che le reazioni di idrolisi portano alla formazione di canali di percolazione o autostrade attraenti per l'acqua all'interno del materiale poliimmidico.

Quando il team di Jeong ha testato il loro materiale potenziato per la deumidificazione, hanno scoperto che la loro membrana di poliimmide era molto permeabile alle molecole d'acqua. In altre parole, la membrana era in grado di estrarre l'umidità in eccesso dall'aria intrappolandola nei canali di percolazione. I ricercatori hanno notato che queste membrane potrebbero essere azionate continuamente senza la necessità di rigenerazione poiché le molecole d'acqua intrappolate escono dall'altro lato da una pompa a vuoto installata all'interno di un deumidificatore standard.

Jeong ha detto che il suo team ha accuratamente progettato i loro esperimenti per l'idrolisi parziale in cui un numero controllato di gruppi imide diventa idrofilo.

"La forza delle poliimmidi deriva dalle loro forze intermolecolari tra le loro catene, " Jeong ha detto. "Se troppe immidi vengono idrolizzate, allora ci rimane materiale debole. D'altra parte, se l'idrolisi è troppo bassa, il materiale non sarà efficace nella deumidificazione."

Sebbene le membrane in poliimmide abbiano mostrato grandi promesse nel loro potenziale utilizzo nella deumidificazione, Jeong ha affermato che le loro prestazioni sono ancora in ritardo rispetto alle membrane di zeolite.

"Si tratta di un nuovo approccio per migliorare le proprietà di un polimero per la deumidificazione e sono necessarie molte più ottimizzazioni per migliorare ulteriormente le prestazioni di questa membrana, " ha detto Jeong. "Ma un altro fattore chiave per le applicazioni ingegneristiche è che deve essere economico, soprattutto se vuoi che la tecnologia sia ragionevolmente conveniente per i proprietari di case. Non ci siamo ancora, ma stiamo sicuramente facendo passi da gigante in quella direzione".