科学家利用聚酰亚胺开发出更节能的暖通空调除湿系统

在一项新的研究中，德州农工大学的研究人员描述了一种名为“聚酰亚胺”（polyimides）的有机材料，这种材料在干燥空气时消耗的能量较少。此外，研究人员还表示，基于聚酰亚胺的除湿机可以降低HVAC系统的价格，目前HVAC系统的价格为数千美元。

Artie McFerrin 化学工程系 Artie McFerrin 部门的 McFerrin 教授、Hae-Kwon Jeong 表示：“在这项研究中，我们采用了一种现有的、相当坚固的聚合物，然后提高了它的除湿效率。我们认为，这些基于聚合物的膜，将有助于开发下一代的暖通空调和除湿机技术，不仅比当前的系统更高效，而且碳足迹更小”。

这项研究结果发表在《Membrane Science》期刊上。除湿机可以将空气中的水分去除到舒适的干燥程度，从而改善空气质量，消除尘螨，以及其他有用的功能。最常见的除湿机使用的是制冷剂。这些化学物质通过冷却空气并降低其携带水分的能力来除湿。然而，尽管制冷剂很受欢迎，但它是温室气体的来源，是全球变暖的主要元凶。

作为除湿的替代材料，被称为沸石的天然材料因其干燥作用而被广泛考虑。与制冷剂不同，沸石是一种干燥剂，可以在其吸水孔或亲水孔中吸收水分。虽然这些无机材料是绿色环保的，并且具有优异的除湿性能，但沸石类除湿剂也带来了自身的挑战。

Jeong 表示：“沸石膜的一大问题是扩大规模。首先，沸石的合成成本很高。另一个问题来自于沸石的机械特性。它们很脆弱，需要非常好的支撑结构，而这些结构相当昂贵，从而推高了整体成本”。

Jeong和他的团队转向了一种名为聚酰亚胺的高性价比有机材料，这种材料以其高刚性和对热和化学品的耐受性而闻名。在分子水平上，这些高性能聚合物的基本单元是以长链连接在一起的重复的环形亚胺基团。Jeong说，酰亚胺之间的吸引力赋予了聚合物特有的强度，从而比机械强度弱的沸石更有优势。

但聚酰亚胺材料的除湿性能需要增强。研究人员首先将聚酰亚胺分子小心翼翼地涂抹在几纳米宽的氧化铝平台上，创造了一层薄膜。接下来，他们将这种薄膜放在高浓度的氢氧化钠溶液中，引发了一个名为水解的化学过程。该反应使酰亚胺分子基团断裂，成为亲水性的。当在高倍显微镜下观察时，研究人员发现，水解反应会导致聚酰亚胺材料内形成引水的渗透通道或高速公路。

当Jeong的团队对他们的增强材料进行除湿测试时，他们发现他们的聚酰亚胺膜对水分子的渗透性非常强。换句话说，该膜能够通过在渗透通道中捕获空气中多余的水分。研究人员指出，这些膜可以连续运行，而不需要再生，因为被困的水分子是通过安装在标准除湿机内的真空泵从另一侧离开的。