Estructura de membranas cerámicas de SiC

La fórmula molecular del carburo de silicio es SiC, con una densidad de 3.16-3.2 g/cm³. El carburo de silicio es un compuesto covalente, y su estructura cristalina pertenece a un tipo de coordinación tetraédrica, con unidades estructurales generalmente siendo CSi₄ o SiC₄. Tanto el carbono como el silicio son elementos no metálicos, y los fuertes enlaces covalentes formados durante su combinación crean el compuesto SiC. Aproximadamente el 78% de la energía de enlace en Si-C es iónica, otorgando al carburo de silicio ventajas como alta dureza, alta resistencia y excelente resistencia a la corrosión ácida y alcalina.

Clasificación de membranas cerámicas de SiC

Las membranas cerámicas de SiC se pueden clasificar en membranas simétricas y asimétricas. Las membranas simétricas tienen una estructura simple, un rendimiento de filtración pobre, una alta susceptibilidad a la contaminación y una vida útil corta, lo que las hace raramente utilizadas en la práctica. En contraste, las membranas asimétricas típicamente consisten en tres capas: una capa de soporte, una capa de transición y una capa de separación.

Características de las membranas cerámicas de SiC.

Alta Porosidad

Las membranas cerámicas de SiC se caracterizan por numerosos poros de tamaños variables. Los poros cerrados actúan principalmente como aislantes térmicos, barreras para la transmisión del sonido y de partículas, mientras que los poros abiertos sirven principalmente para la filtración.

Alta resistencia a la flexión

Los productos cerámicos de SiC, preparados utilizando carburo de silicio, sílice, alúmina y diversas técnicas de procesamiento, exhiben una alta resistencia a la flexión. Después del secado y pre-sinterización, las partículas dentro del producto experimentan fusión y unión a altas temperaturas durante el proceso de sinterización, mejorando así la resistencia a la flexión del producto.

Propiedades físicas y químicas estables

Los cerámicos de SiC son resistentes a altas temperaturas, ácidos y corrosión alcalina. Tienen una gran área superficial específica, resisten altas presiones, no contaminan el medio ambiente, conservan los recursos y tienen bajos costos.

Alta hidrofilicidad y oleofobicidad

Las membranas cerámicas de SiC pueden separar el aceite de las emulsiones, un logro difícil de alcanzar con las tecnologías tradicionales. Esta propiedad las hace ampliamente aplicables en el tratamiento de aguas residuales aceitosas y efluentes industriales.

No Contaminante

Las membranas cerámicas de SiC son respetuosas con el medio ambiente y se clasifican como materiales verdes, asegurando que no causen contaminación secundaria.

Salida de Calidad de Agua Consistente

Las membranas cerámicas de SiC mantienen la calidad estable de producción de agua con el tiempo. En comparación con otras tecnologías o materiales de membrana, requieren menos peso y espacio.

Hay muchos métodos para preparar membranas cerámicas de SiC. Basándose en diferentes estructuras de poros y mecanismos de formación, generalmente se pueden dividir en cuatro categorías: apilamiento de partículas, replicación de plantillas, plantilla sacrificial y espumado directo. Típicamente, la preparación de membranas cerámicas de SiC implica procesos como mezclado, moldeo y sinterización. Además de los métodos de preparación, el proceso de sinterización influye enormemente en el rendimiento del material. Los métodos comunes de sinterización para membranas cerámicas de SiC incluyen sinterización por reacción, sinterización sin presión (sinterización de fase sólida y sinterización de fase líquida) y sinterización de recristalización.

El método de apilamiento de partículas es uno de los enfoques más simples y directos para construir estructuras de poros durante la preparación de membranas cerámicas de SiC. Durante el proceso de formación del cuerpo verde, las partículas de SiC y los aditivos se apilan juntos, dejando espacios entre las partículas debido a la obstrucción espacial. Después de la sinterización, los espacios más pequeños se eliminan mediante la contracción del volumen y la difusión de granos, mientras que los espacios residuales más grandes forman la estructura de poros de la membrana cerámica de SiC. Los cuerpos verdes se pueden formar utilizando prensado en seco, colado en gel, colado en cinta y otros métodos.

En el método de replicación de plantillas, se utilizan materiales orgánicos como plantillas. La lechada cerámica de SiC o las soluciones de precursores se impregnan o recubren sobre la plantilla utilizando técnicas específicas. Después de la sinterización, se obtienen membranas cerámicas de SiC porosas con estructuras similares a la plantilla. Se pueden utilizar muchos materiales porosos sintéticos y naturales como plantillas para fabricar cerámicas de SiC porosas. Debido a que este método replica directamente la estructura porosa de otros materiales, permite un control preciso sobre la estructura porosa, el tamaño de poro y la distribución de la membrana cerámica de SiC.

El método de plantilla de sacrificio se utiliza comúnmente para preparar membranas cerámicas de SiC. Normalmente implica una fase de matriz continua compuesta por partículas cerámicas o precursores y una fase de plantilla de sacrificio uniformemente dispersa dentro de la fase continua. La plantilla se elimina eventualmente, formando una estructura porosa. La estructura de poros resultante corresponde directamente a la morfología de la plantilla de sacrificio eliminada. La preparación de un cuerpo verde mixto de dos fases se puede lograr mediante:

Presionando polvos mixtos de dos fases diferentes en un cuerpo verde.

Preparar una suspensión mixta de dos fases y formar el cuerpo verde a través de diversas técnicas (por ejemplo, colado, colado en cinta).

Impregnando la plantilla sacrificial en barbotina cerámica o soluciones precursoras para formar el cuerpo verde.

Dependiendo del material formador de poros, el método de plantilla de sacrificio se puede clasificar aún más en técnicas como la liofilización, la formación de poros por emulsión y la adición directa de agente formador de poros.

Debido a su estructura única, las membranas cerámicas de SiC exhiben un excelente rendimiento de filtración, gracias a ventajas como la resistencia a los ácidos y álcalis, alta resistencia, alta dureza y respeto al medio ambiente. Estas características permiten su amplia aplicación en diversos campos.

La producción industrial genera humos nocivos, emisiones de la quema de paja y aguas residuales que contienen iones metálicos tóxicos, todos los cuales impactan severamente el medio ambiente y contribuyen a la lluvia ácida, la contaminación del suelo y la contaminación del agua. Las membranas cerámicas porosas de SiC han sido adoptadas y promovidas en muchos países para la filtración y purificación. Pueden filtrar aguas residuales industriales y aguas residuales domésticas, logrando la purificación del agua y la protección del medio ambiente.

Los gases de alta temperatura emitidos por las fábricas a menudo transportan partículas finas que contaminan el medio ambiente. Estas partículas, presentes en los gases de escape de industrias como la petrolera, química y farmacéutica, suelen ser corrosivas. La alta resistencia a altas temperaturas y a ácidos-álcalis de las membranas cerámicas de SiC las hace adecuadas para eliminar el polvo de los gases de alta temperatura.

Además de la filtración, las membranas cerámicas de SiC también funcionan como materiales absorbentes de sonido. Su estructura porosa dispersa la presión de las ondas sonoras en el aire, reduciendo el ruido. Ventajas adicionales como larga vida útil, facilidad de limpieza, reciclabilidad, resistencia a la corrosión y propiedades ligeras les otorgan un amplio potencial en la investigación científica y aplicaciones.

Algunas sustancias tóxicas y contaminantes en aguas residuales y gases de escape no pueden ser eliminadas solo con filtración. En tales casos, se pueden utilizar catalizadores para descomponer estos contaminantes. Los catalizadores requieren un portador, y las membranas cerámicas porosas de SiC, con propiedades como resistencia ácido-álcali, resistencia a altas temperaturas, alta resistencia a la flexión, tenacidad y respeto al medio ambiente, son ideales como portadores de catalizadores.

En la producción industrial, los metales fundidos a menudo contienen pequeñas partículas que pueden afectar la formación, dureza y resistencia del metal. Esto es particularmente crítico en la producción de piezas de metal de precisión y componentes electrónicos, donde tales impurezas pueden impactar significativamente la calidad del producto. La resistencia a altas temperaturas de las membranas cerámicas de SiC las hace adecuadas para filtrar metales fundidos.

Los cerámicos porosos pueden utilizarse como elementos sensibles para detectar diversas sustancias en gases o líquidos. El principio implica colocar la membrana cerámica porosa de SiC en un medio, donde las sustancias presentes en el medio reaccionan con la membrana o son adsorbidas por ella. Los cambios en la corriente eléctrica o el potencial dentro de la membrana se utilizan entonces para identificar las sustancias en el medio.

Los cerámicos porosos se pueden utilizar para fabricar mobiliario de horno. El mobiliario de horno tradicional suele ser pesado y engorroso, mientras que los cerámicos porosos son ligeros, más convenientes de usar y permiten una transferencia de calor más rápida. Esto ayuda a reducir el tiempo de cocción. Cuando se utilizan para la cocción de ferritas u otros cerámicos electrónicos, estos materiales pueden mejorar el rendimiento del producto.

Solo unos pocos países han desarrollado productos de membranas cerámicas de SiC de alta calidad, con ejemplos destacados como LQ de Dinamarca y SG de Francia. A pesar de décadas de desarrollo en el campo de la separación de membranas en China, las membranas cerámicas de SiC siguen estando subdesarrolladas, con la primera empresa nacional de producción en masa surgiendo hace solo unos años.

Como el producto más avanzado en el sector de membranas cerámicas, todas las membranas de SiC necesarias para el tratamiento de agua en China son importadas. Las empresas extranjeras monopolizan los precios de los materiales y el suministro, lo que resulta en altos costos que restringen la adopción y expansión del mercado de las membranas cerámicas de SiC.

Los principales titulares de patentes incluyen Kurita Water Industries, Kubota, Hitachi, NGK Insulators, NEC, Toray, JSR, Praxair Technology, la Universidad de Tecnología de Nanjing, el Instituto de Tecnología y Investigación de Membranas y la Universidad Tsinghua, todos los cuales poseen patentes altamente citadas. Dadas las diferencias en áreas de enfoque y dominios de aplicación, existe potencial tanto para la competencia como para la colaboración estratégica, lo que presenta oportunidades y desafíos para el desarrollo de la industria.

La tecnología de separación por membrana es considerada como un método de separación energéticamente eficiente e innovador, que ofrece soluciones efectivas a problemas críticos como la gestión de energía, recursos y protección ambiental. Los datos indican que a principios del siglo XXI, las ventas globales de membranas y equipos relacionados superaron los $60 mil millones anualmente, con una tasa de crecimiento de aproximadamente el 30%. Los expertos predicen que la tecnología de membranas, junto con enfoques integrados que combinan membranas con otras tecnologías, podrían reemplazar en gran medida las técnicas de separación tradicionales.

En 2019, el proveedor danés de membranas cerámicas SiC LQ recibió un pedido de varios millones de dólares de una empresa naviera para un sistema de filtración de agua que utiliza membranas cerámicas SiC, por un valor cercano a los $10 millones.

En 2016, los logros de investigación en membranas cerámicas de SiC del Instituto de Tecnología de Wuhan destacaron entre los 100 principales avances científicos y tecnológicos de la provincia de Hubei. Los hallazgos atrajeron a Ezhou Changda Asset Management Co., Ltd. En 2017, con ocho tecnologías patentadas de membranas cerámicas de SiC, el equipo aportó 21,28 millones de RMB en propiedad intelectual a cambio de acciones, asociándose con Changda Asset Management para establecer Hubei Dijie Membrane Technology Co., Ltd.

Globalmente, solo unas pocas empresas son capaces de producir en masa membranas cerámicas de SiC, y el campo sigue siendo en gran medida subdesarrollado a nivel nacional. La aparición de uno o dos fabricantes de membranas cerámicas de SiC puro en los últimos años destaca el potencial de este producto, que tiene vastas perspectivas de aplicación y una fuerte demanda en el mercado. A nivel nacional, la industria ofrece una clara oportunidad: poseer tecnología avanzada garantiza el acceso a un mercado prometedor.