Une matière organique pour les technologies CVC écoénergétiques de nouvelle génération

Les déshumidificateurs dotés de membranes en polyimide améliorées (disque blanc) seront écoénergétiques avec une empreinte carbone plus petite. Crédit: Dharmesh Patel / Texas A&M Engineering

Les chercheurs de Texas A&M ont amélioré l’efficacité de la déshumidification d’un polymère qui pourrait aider à développer des systèmes plus écoénergétiques avec une empreinte carbone plus petite.

Les après-midi d’été étouffants, les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) procurent un soulagement indispensable de la chaleur et de l’humidité extrêmes. Ces systèmes, qui sont souvent fournis 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 l’Université Texas A&M ont décrit une matière organique, appelée polyimides, qui utilise moins d’énergie pour sécher l’air. En outre, les chercheurs ont déclaré que les déshumidificateurs à base de polyimide peuvent faire baisser le prix des systèmes CVC, qui coûtent actuellement des milliers de dollars.

«Dans cette étude, nous avons pris un polymère existant et plutôt robuste, puis nous avons amélioré son efficacité de déshumidification», a déclaré Hae-Kwon Jeong, professeur McFerrin au département de génie chimique Artie McFerrin. «Nous pensons que ces membranes à base de polymères aideront à développer la prochaine génération de technologies de CVC et de déshumidification 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 of Membrane Science.

Les déshumidificateurs éliminent l’humidité de l’air 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 desséchants qui peuvent absorber l’humidité dans leurs pores hydrophiles ou hydrophiles. Bien que ces matériaux inorganiques soient verts et aient 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 de zéolite», a déclaré Jeong. «Premièrement, les zéolithes 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 chères, ce qui augmente le coût global. »

Jeong et son équipe se sont tournés vers un matériau organique rentable appelé polyimides, bien connu pour sa rigidité élevée et sa tolérance à la chaleur et aux produits chimiques. Au niveau moléculaire, l’unité de base de ces polymères à haute performance sont des groupes imide répétitifs en forme d’anneau reliés entre eux en de 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. Ensuite, ils mettent ce film dans une solution d’hydroxyde de sodium hautement concentrée, déclenchant un processus chimique appelé hydrolyse. La réaction a provoqué la rupture des groupes moléculaires imide et les a rendus hydrophiles. Vu sous un microscope à haute puissance, les chercheurs ont découvert que les réactions d’hydrolyse conduisaient 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 leur matériau amélioré pour la déshumidification, ils ont constaté 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 pourraient 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 devient hydrophile.

«La force des polyimides vient de leurs forces intermoléculaires entre leurs chaînes», a déclaré Jeong. «Si trop d’imides sont hydrolysés, nous nous retrouvons avec un matériau faible. En revanche, si l’hydrolyse est trop faible, le matériau ne sera pas efficace pour la déshumidification. »

Bien que les membranes en polyimide se soient montrées très prometteuses dans leur utilisation potentielle dans la déshumidification, Jeong a déclaré que leurs performances étaient toujours en retard par rapport aux membranes de 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’elles doivent 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 faisons certainement des progrès dans cette direction.

Référence: «Amélioration des performances de déshumidification de l’air des membranes en polyimide en générant du poly (amic acide) domaines utilisant une hydrolyse partielle »par Sunghwan Park et Hae-Kwon Jeong, 28 décembre 2020, Journal of Membrane Science.
DOI: 10.1016 / j.memsci.2020.119006

Sunghwan Park du département de génie chimique a également contribué à cette étude.

Cette recherche est financée par la National Science Foundation et le Qatar National Research Fund.