Struktur von SiC-Keramikmembranen

Die molekulare Formel von Siliziumkarbid ist SiC, mit einer Dichte von 3,16-3,2 g/cm³. Siliziumkarbid ist eine kovalente Verbindung, und seine Kristallstruktur gehört zu einem tetraedrischen Koordinationstyp, wobei die Struktureinheiten im Allgemeinen CSi₄ oder SiC₄ sind. Sowohl Kohlenstoff als auch Silizium sind Nichtmetalle, und die starken kovalenten Bindungen, die während ihrer Kombination entstehen, bilden die Verbindung SiC. Etwa 78% der Bindungsenergie in Si-C ist ionisch, was Siliziumkarbid Vorteile wie hohe Härte, hohe Festigkeit und ausgezeichnete Beständigkeit gegen Säure- und Alkalikorrosion verleiht.

Klassifizierung von SiC-Keramikmembranen

SiC-Keramikmembranen können in symmetrische und asymmetrische Membranen eingeteilt werden. Symmetrische Membranen haben eine einfache Struktur, eine schlechte Filtrationsleistung, sind anfällig für Verunreinigungen und haben eine kurze Lebensdauer, weshalb sie in der Praxis selten verwendet werden. Im Gegensatz dazu bestehen asymmetrische Membranen typischerweise aus drei Schichten: einer Trägerschicht, einer Übergangsschicht und einer Trennschicht.

Eigenschaften von SiC-Keramikmembranen

Hohe Porosität

SiC-Keramikmembranen zeichnen sich durch zahlreiche Poren unterschiedlicher Größen aus. Geschlossene Poren wirken hauptsächlich als Wärmeisolatoren, Schallschutzbarrieren und Partikelbarrieren, während offene Poren hauptsächlich zur Filtration dienen.

Hohe Biegefestigkeit

SiC-Keramikprodukte, die unter Verwendung von Siliziumkarbid, Silica, Tonerde und verschiedenen Verarbeitungstechniken hergestellt werden, weisen eine hohe Biegefestigkeit auf. Nach dem Trocknen und Vorsintern schmelzen und verbinden sich die Partikel innerhalb des Produkts während des Sinterprozesses bei hohen Temperaturen, wodurch die Biegefestigkeit des Produkts verbessert wird.

Stabile physikalische und chemische Eigenschaften

SiC-Keramiken sind beständig gegen hohe Temperaturen, Säure- und Alkalikorrosion. Sie zeichnen sich durch eine große spezifische Oberfläche aus, halten hohen Drücken stand, verschmutzen die Umwelt nicht, schonen Ressourcen und sind kostengünstig.

Hohe Hydrophilie und Oleophobie

SiC-Keramikmembranen können Öl von Emulsionen trennen - eine Leistung, die mit herkömmlichen Technologien schwer zu erreichen ist. Diese Eigenschaft macht sie weit verbreitet in der Behandlung von ölhaltigem Abwasser und industriellen Abwässern anwendbar.

Nicht verschmutzend

SiC-Keramikmembranen sind umweltfreundlich und werden als grüne Materialien eingestuft, um sicherzustellen, dass sie keine sekundäre Verschmutzung verursachen.

Konsistente Wasserqualitätsausgabe

SiC-Keramikmembranen halten die Wasserproduktionsqualität im Laufe der Zeit stabil. Im Vergleich zu anderen Technologien oder Membranmaterialien benötigen sie weniger Gewicht und Platz.

Es gibt viele Methoden zur Herstellung von SiC-Keramikmembranen. Basierend auf unterschiedlichen Porestrukturen und Bildungsmechanismen können sie im Allgemeinen in vier Kategorien unterteilt werden: Partikelstapelung, Vorlagenreplikation, opferbare Vorlage und direktes Schäumen. Typischerweise umfasst die Herstellung von SiC-Keramikmembranen Prozesse wie Mischen, Formen und Sintern. Neben den Herstellungsmethoden beeinflusst der Sinterprozess maßgeblich die Leistung des Materials. Gängige Sintermethoden für SiC-Keramikmembranen umfassen Reaktionssintern, druckloses Sintern (Festphasensintern und Flüssigphasensintern) und Rekristallisationssintern.

Die Partikelstapelungsmethode ist einer der einfachsten und direktesten Ansätze zur Konstruktion von Porestrukturen bei der Herstellung von SiC-Keramikmembranen. Während des Grünkörperbildungsprozesses werden SiC-Partikel und Additive gestapelt, wodurch aufgrund räumlicher Hindernisse Lücken zwischen den Partikeln entstehen. Nach dem Sintern werden kleinere Lücken durch Volumenschwund und Korn-Diffusion beseitigt, während größere verbleibende Lücken die Porenstruktur der SiC-Keramikmembran bilden. Grünkörper können durch Trockenpressen, Gießgelieren, Bandgießen und andere Methoden gebildet werden.

Im Template-Replikationsverfahren werden organische Materialien als Vorlagen verwendet. SiC-Keramikschlämme oder Vorläufersolutions werden unter Verwendung spezifischer Techniken auf die Vorlage imprägniert oder beschichtet. Nach dem Sintern werden poröse SiC-Keramikmembranen mit Strukturen, die denen der Vorlage ähnlich sind, erhalten. Viele synthetische und natürliche poröse Materialien können als Vorlagen für die Herstellung poröser SiC-Keramiken verwendet werden. Da dieses Verfahren die Porenstruktur anderer Materialien direkt repliziert, ermöglicht es eine präzise Kontrolle über die Porenstruktur, die Porengröße und die Verteilung der SiC-Keramikmembran.

Die opfernde Schablonenmethode wird häufig zur Herstellung von SiC-Keramikmembranen verwendet. Sie umfasst in der Regel eine kontinuierliche Matrixphase, die aus Keramikpartikeln oder Vorläufern besteht, und eine opfernde Schablonenphase, die gleichmäßig innerhalb der kontinuierlichen Phase verteilt ist. Die Schablone wird schließlich entfernt, wodurch eine poröse Struktur entsteht. Die resultierende Porenstruktur entspricht direkt der Morphologie der entfernten opfernden Schablone. Die Herstellung eines zweiphasigen gemischten Grünkörpers kann erreicht werden durch:

Das Pressen von gemischten Pulvern aus zwei verschiedenen Phasen zu einem Grünkörper.

Die Herstellung einer gemischten Schlämme aus zwei Phasen und die Bildung des Grünkörpers durch verschiedene Techniken (z.B. Gießen, Tape Casting).

Das Eindringen der Opfervorlage in Keramikschlämme oder Vorläufersolutions, um den Grünkörper zu bilden.

Je nach Porenbildungsmaterial kann die Opfer-Templat-Methode weiter in Techniken wie Gefriertrocknung, Emulsionsporenbildung und direkte Zugabe von Porenbildungsmitteln unterteilt werden.

Aufgrund ihrer einzigartigen Struktur weisen SiC-Keramikmembranen eine ausgezeichnete Filtrationsleistung auf, dank Vorteilen wie Säure- und Alkalibeständigkeit, hoher Festigkeit, hoher Härte und Umweltfreundlichkeit. Diese Merkmale ermöglichen ihren weit verbreiteten Einsatz in verschiedenen Bereichen.

Industrielle Produktion erzeugt schädliche Dämpfe, Emissionen aus Strohverbrennung und Abwasser mit giftigen Metallionen, die alle die Umwelt stark beeinträchtigen und zu saurem Regen, Bodenkontamination und Wasserverschmutzung beitragen. SiC-Porzelanmembranen wurden in vielen Ländern zur Filtration und Reinigung angenommen und gefördert. Sie können Industrieabwasser und häusliche Abwässer filtern und so die Wasserreinigung und den Umweltschutz erreichen.

Hochtemperaturgase, die von Fabriken emittiert werden, tragen oft feine Partikel, die die Umwelt verschmutzen. Diese Partikel, die in Abgasen aus Industriezweigen wie Erdöl, Chemie und Pharmazie gefunden werden, sind oft korrosiv. Die hohe Temperatur- und Säure-Alkali-Beständigkeit von SiC-Keramikmembranen macht sie geeignet zur Entfernung von Staub aus Hochtemperaturgasen.

Jenseits der Filtration dienen SiC-Keramikmembranen auch als schallabsorbierende Materialien. Ihre poröse Struktur verteilt den Druck von Schallwellen in der Luft und reduziert Lärm. Weitere Vorteile wie lange Lebensdauer, einfache Reinigung, Recyclingfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Leichtgewicht machen sie für wissenschaftliche Forschung und Anwendungen von großem Potenzial.

Einige giftige und verschmutzende Substanzen in Abwasser und Abgasen können nicht allein durch Filtration entfernt werden. In solchen Fällen können Katalysatoren verwendet werden, um diese Schadstoffe abzubauen. Katalysatoren benötigen einen Träger, und poröse SiC-Keramikmembranen, mit Eigenschaften wie Säure-Alkalibeständigkeit, hoher Temperaturbeständigkeit, hoher Biegefestigkeit, Zähigkeit und Umweltfreundlichkeit, sind ideal als Katalysatorträger.

In der industriellen Produktion enthalten geschmolzene Metalle oft kleine Partikel, die die Formung, Härte und Festigkeit des Metalls beeinflussen können. Dies ist besonders kritisch bei der Herstellung von Präzisionsmetallgussteilen und elektronischen Bauteilen, wo solche Verunreinigungen die Produktqualität erheblich beeinträchtigen können. Die hohe Temperaturbeständigkeit von SiC-Keramikmembranen macht sie geeignet für die Filtration von geschmolzenen Metallen.

Poröse Keramik kann als empfindliche Elemente zur Detektion verschiedener Substanzen in Gasen oder Flüssigkeiten verwendet werden. Das Prinzip besteht darin, die poröse SiC-Keramikmembran in einem Medium zu platzieren, in dem sich die in dem Medium vorhandenen Substanzen mit der Membran verbinden oder von ihr adsorbiert werden. Änderungen im elektrischen Strom oder Potential innerhalb der Membran werden dann verwendet, um die Substanzen im Medium zu identifizieren.

Poröse Keramik kann zur Herstellung von Brennöfen verwendet werden. Traditionelle Brennofenmöbel sind oft schwer und unhandlich, während poröse Keramik leichter, bequemer zu verwenden ist und einen schnelleren Wärmeübergang ermöglicht. Dies hilft, die Brennzeit zu verkürzen. Bei der Verwendung zum Brennen von Ferriten oder anderen elektronischen Keramiken können diese Materialien die Produktleistung verbessern.

Nur wenige Länder haben hochwertige SiC-Keramikmembranprodukte entwickelt, darunter Dänemarks LQ und Frankreichs SG. Trotz jahrzehntelanger Entwicklung im Bereich der Membrantrennung in China sind SiC-Keramikmembranen unterentwickelt, wobei das erste inländische Massenproduktionsunternehmen erst vor wenigen Jahren entstanden ist.

Als das fortschrittlichste Produkt im Bereich der keramischen Membranen werden alle für die Wasseraufbereitung in China benötigten SiC-Membranen importiert. Ausländische Unternehmen monopolisieren die Materialpreise und die Versorgung, was zu hohen Kosten führt, die die Annahme und Marktausweitung von SiC-Keramikmembranen einschränken.

Die wichtigsten Patentinhaber sind Kurita Water Industries, Kubota, Hitachi, NGK Insulators, NEC, Toray, JSR, Praxair Technology, die Nanjing Tech University, das Membrane Technology and Research Institute und die Tsinghua University, die alle hoch zitierte Patente halten. Aufgrund der Unterschiede in den Schwerpunktbereichen und Anwendungsbereichen besteht Potenzial für Wettbewerb und strategische Zusammenarbeit, was sowohl Chancen als auch Herausforderungen für die Branchenentwicklung darstellt.

Membrantrenntechnologie wird als energieeffiziente und innovative Trennmethode angesehen, die effektive Lösungen für kritische Probleme wie Energie, Ressourcenmanagement und Umweltschutz bietet. Daten zeigen, dass im frühen 21. Jahrhundert der weltweite Umsatz mit Membranen und zugehöriger Ausrüstung jährlich über 60 Milliarden US-Dollar lag, mit einer Wachstumsrate von etwa 30%. Experten prognostizieren, dass die Membrantechnologie zusammen mit integrierten Ansätzen, die Membranen mit anderen Technologien kombinieren, weitgehend herkömmliche Trenntechniken ersetzen könnte.

Im Jahr 2019 erhielt der dänische SiC-Keramikmembranlieferant LQ eine multimillionenschwere Bestellung von einem Schifffahrtsunternehmen für ein Wasserfiltrationssystem unter Verwendung von SiC-Keramikmembranen im Wert von fast 10 Millionen US-Dollar.

In 2016, the research achievements in SiC ceramic membranes from Wuhan Institute of Technology were recognized as one of the top 100 scientific and technological breakthroughs in Hubei Province. This attracted the attention of Ezhou Changda Asset Management Co., Ltd. In 2017, the team, with eight patented SiC ceramic membrane technologies, contributed RMB 21.28 million in intellectual property for equity. They partnered with Changda Asset Management to establish Hubei Dijie Membrane Technology Co., Ltd.

Global sind nur wenige Unternehmen in der Lage, SiC-Keramikmembranen in Massenproduktion herzustellen, und das Feld ist im Inland weitgehend unterentwickelt. Das Aufkommen von ein oder zwei reinen SiC-Keramikmembranherstellern in den letzten Jahren verdeutlicht das Potenzial dieses Produkts, das über umfangreiche Anwendungsaussichten und starke Marktnachfrage verfügt. Auf nationaler Ebene bietet die Branche eine klare Chance: Der Besitz fortschrittlicher Technologien gewährleistet den Zugang zu einem vielversprechenden Markt.