Structure des membranes céramiques SiC

La formule moléculaire du carbure de silicium est SiC, avec une densité de 3,16-3,2 g/cm³. Le carbure de silicium est un composé covalent, et sa structure cristalline appartient à un type de coordination tétraédrique, avec des unités structurales généralement CSi₄ ou SiC₄. Le carbone et le silicium sont tous deux des éléments non métalliques, et les liaisons covalentes fortes formées lors de leur combinaison créent le composé SiC. Environ 78% de l'énergie de liaison dans Si-C est ionique, conférant au carbure de silicium des avantages tels qu'une grande dureté, une grande résistance et une excellente résistance à la corrosion acide et alcaline.

Classification des membranes céramiques SiC

Les membranes céramiques SiC peuvent être classées en membranes symétriques et asymétriques. Les membranes symétriques ont une structure simple, des performances de filtration médiocres, une forte susceptibilité à la contamination et une durée de vie courte, ce qui les rend rarement utilisées en pratique. En revanche, les membranes asymétriques se composent généralement de trois couches : une couche de support, une couche de transition et une couche de séparation.

Caractéristiques des membranes céramiques SiC

Haute Porosité

Les membranes en céramique SiC se caractérisent par de nombreux pores de tailles variables. Les pores fermés agissent principalement comme isolants thermiques, barrières à la transmission du son et des particules, tandis que les pores ouverts servent principalement à la filtration.

Haute résistance à la flexion

Les produits céramiques SiC, préparés à l'aide de carbure de silicium, de silice, d'alumine et de diverses techniques de traitement, présentent une résistance à la flexion élevée. Après le séchage et la pré-cuisson, les particules à l'intérieur du produit subissent une fusion et une liaison à haute température pendant le processus de frittage, améliorant ainsi la résistance à la flexion du produit.

Propriétés physiques et chimiques stables

Les céramiques SiC sont résistantes aux hautes températures, à la corrosion acide et alcaline. Elles présentent une grande surface spécifique, supportent des pressions élevées, ne polluent pas l'environnement, préservent les ressources et ont des coûts réduits.

Haute hydrophilicité et oléophobie

Les membranes céramiques SiC peuvent séparer l'huile des émulsions, un exploit difficile à réaliser avec les technologies traditionnelles. Cette propriété les rend largement applicables dans le traitement des eaux usées huileuses et des effluents industriels.

Non-Polluant

Les membranes en céramique SiC sont écologiques et classées comme des matériaux verts, garantissant qu'elles ne causent pas de pollution secondaire.

Production cohérente de qualité de l'eau

Les membranes céramiques SiC maintiennent une qualité de production d'eau stable dans le temps. Par rapport à d'autres technologies ou matériaux de membrane, elles nécessitent moins de poids et d'espace.

Il existe de nombreuses méthodes pour préparer des membranes céramiques en SiC. En fonction des différentes structures de pores et des mécanismes de formation, elles peuvent généralement être divisées en quatre catégories : empilement de particules, réplication de modèle, modèle sacrificiel et moussage direct. Typiquement, la préparation de membranes céramiques en SiC implique des processus tels que le mélange, le moulage et le frittage. Outre les méthodes de préparation, le processus de frittage influence grandement les performances du matériau. Les méthodes de frittage courantes pour les membranes céramiques en SiC comprennent le frittage par réaction, le frittage sans pression (frittage en phase solide et frittage en phase liquide) et le frittage par recristallisation.

La méthode d'empilement de particules est l'une des approches les plus simples et les plus directes pour construire des structures de pores lors de la préparation de membranes céramiques SiC. Au cours du processus de formation du corps vert, les particules de SiC et les additifs sont empilés ensemble, laissant des espaces entre les particules en raison de l'entrave spatiale. Après le frittage, les espaces plus petits sont éliminés par rétrécissement du volume et diffusion des grains, tandis que les espaces résiduels plus grands forment la structure poreuse de la membrane céramique SiC. Les corps verts peuvent être formés en utilisant le pressage à sec, le moulage par gel, le moulage par ruban, et d'autres méthodes.

Dans la méthode de réplication de modèle, des matériaux organiques sont utilisés comme modèles. Une boue de céramique SiC ou des solutions de précurseur sont imprégnées ou revêtues sur le modèle à l'aide de techniques spécifiques. Après frittage, des membranes céramiques poreuses en SiC avec des structures similaires au modèle sont obtenues. De nombreux matériaux poreux synthétiques et naturels peuvent être utilisés comme modèles pour la fabrication de céramiques poreuses en SiC. Parce que cette méthode reproduit directement la structure poreuse d'autres matériaux, elle permet un contrôle précis de la structure des pores, de la taille des pores et de la distribution de la membrane céramique SiC.

La méthode du modèle sacrificiel est couramment utilisée pour préparer des membranes céramiques SiC. Elle implique généralement une phase matricielle continue composée de particules céramiques ou de précurseurs et une phase de modèle sacrificiel uniformément dispersée dans la phase continue. Le modèle est finalement enlevé, formant une structure poreuse. La structure poreuse résultante correspond directement à la morphologie du modèle sacrificiel enlevé. La préparation d'un corps vert mixte à deux phases peut être réalisée en :

Presser des poudres mixtes de deux phases différentes dans un corps vert.

Préparer une boue mixte de deux phases et former le corps vert à travers diverses techniques (par exemple, coulée, coulée sur bande).

Imprégner le gabarit sacrificiel dans la barbotine céramique ou les solutions précurseurs pour former le corps vert.

En fonction du matériau formant les pores, la méthode du modèle sacrificiel peut être classée plus avant en techniques telles que la lyophilisation, la formation de pores par émulsion et l'ajout direct d'agent formant les pores.

En raison de sa structure unique, les membranes céramiques SiC présentent d'excellentes performances de filtration, grâce à des avantages tels que la résistance aux acides et aux alcalis, une grande résistance, une grande dureté et une écologie. Ces caractéristiques permettent leur application généralisée dans divers domaines.

La production industrielle génère des fumées nocives, des émissions de la combustion de paille et des eaux usées contenant des ions métalliques toxiques, qui ont tous un impact grave sur l'environnement et contribuent à l'acidification des pluies, à la contamination des sols et à la pollution de l'eau. Les membranes céramiques poreuses en SiC ont été adoptées et promues dans de nombreux pays pour la filtration et la purification. Elles peuvent filtrer les eaux usées industrielles et les eaux usées domestiques, réalisant ainsi la purification de l'eau et la protection de l'environnement.

Les gaz à haute température émis par les usines transportent souvent des particules fines qui polluent l'environnement. Ces particules, présentes dans les gaz d'échappement des industries telles que le pétrole, la chimie et la pharmacie, sont souvent corrosives. La résistance à haute température et aux acides-alkalis des membranes céramiques SiC les rend adaptées à l'élimination des poussières des gaz à haute température.

Au-delà de la filtration, les membranes en céramique SiC servent également de matériaux absorbant le son. Leur structure poreuse disperse la pression des ondes sonores dans l'air, réduisant le bruit. Des avantages supplémentaires tels qu'une longue durée de vie, une facilité de nettoyage, une recyclabilité, une résistance à la corrosion et des propriétés légères leur confèrent un large potentiel dans la recherche scientifique et les applications.

Certaines substances toxiques et polluantes présentes dans les eaux usées et les gaz d'échappement ne peuvent pas être éliminées par simple filtration. Dans de tels cas, des catalyseurs peuvent être utilisés pour décomposer ces polluants. Les catalyseurs nécessitent un support, et les membranes céramiques poreuses en SiC, dotées de propriétés telles que la résistance aux acides et aux alcalis, la résistance aux hautes températures, une haute résistance à la flexion, la robustesse et l'éco-responsabilité, sont idéales comme supports de catalyseurs.

Dans la production industrielle, les métaux en fusion contiennent souvent de petites particules qui peuvent affecter la formation, la dureté et la résistance du métal. Cela est particulièrement critique dans la production de pièces moulées métalliques de précision et de composants électroniques, où de telles impuretés peuvent avoir un impact significatif sur la qualité du produit. La résistance à haute température des membranes céramiques SiC les rend adaptées pour filtrer les métaux en fusion.

Les céramiques poreuses peuvent être utilisées comme éléments sensibles pour détecter diverses substances dans les gaz ou les liquides. Le principe implique de placer la membrane céramique poreuse en SiC dans un milieu, où les substances présentes dans le milieu réagissent avec la membrane ou y sont adsorbées. Les changements de courant électrique ou de potentiel au sein de la membrane sont ensuite utilisés pour identifier les substances dans le milieu.

Les céramiques poreuses peuvent être utilisées pour fabriquer du mobilier de four. Le mobilier de four traditionnel est souvent lourd et encombrant, tandis que les céramiques poreuses sont légères, plus pratiques à utiliser et permettent un transfert de chaleur plus rapide. Cela aide à réduire le temps de cuisson. Lorsqu'elles sont utilisées pour la cuisson de ferrites ou d'autres céramiques électroniques, ces matériaux peuvent améliorer les performances du produit.

Seuls quelques pays ont développé des produits de membrane céramique SiC de haute qualité, avec des exemples notables tels que le LQ du Danemark et le SG de la France. Malgré des décennies de développement dans le domaine de la séparation par membrane en Chine, les membranes céramiques SiC restent sous-développées, la première entreprise de production de masse nationale n'ayant émergé que depuis quelques années.

En tant que produit le plus avancé dans le secteur des membranes céramiques, toutes les membranes SiC nécessaires pour le traitement de l'eau en Chine sont importées. Les entreprises étrangères monopolisent les prix des matériaux et l'approvisionnement, ce qui entraîne des coûts élevés qui limitent l'adoption et l'expansion du marché des membranes céramiques SiC.

Les principaux titulaires de brevets comprennent Kurita Water Industries, Kubota, Hitachi, NGK Insulators, NEC, Toray, JSR, Praxair Technology, l'Université de technologie de Nanjing, l'Institut de technologie et de recherche sur les membranes et l'Université Tsinghua, qui détiennent tous des brevets très cités. Compte tenu des différences dans les domaines d'intérêt et les domaines d'application, il existe un potentiel de concurrence et de collaboration stratégique, offrant à la fois des opportunités et des défis pour le développement de l'industrie.

La technologie de séparation par membrane est considérée comme une méthode de séparation économe en énergie et innovante, offrant des solutions efficaces aux problèmes critiques tels que l'énergie, la gestion des ressources et la protection de l'environnement. Les données indiquent qu'au début du 21e siècle, les ventes mondiales de membranes et d'équipements connexes dépassaient 60 milliards de dollars annuellement, avec un taux de croissance d'environ 30%. Les experts prédisent que la technologie des membranes, associée à des approches intégrées combinant des membranes avec d'autres technologies, pourrait largement remplacer les techniques de séparation traditionnelles.

En 2019, le fournisseur danois de membranes céramiques SiC LQ a reçu une commande de plusieurs millions de dollars d'une compagnie maritime pour un système de filtration d'eau utilisant des membranes céramiques SiC, d'une valeur de près de 10 millions de dollars.

En 2016, les réalisations de recherche sur les membranes céramiques SiC de l'Institut de technologie de Wuhan se sont démarquées parmi les 100 principales percées scientifiques et technologiques de la province du Hubei. Les découvertes ont attiré l'attention de la société de gestion d'actifs Ezhou Changda. En 2017, avec huit technologies de membranes céramiques SiC brevetées, l'équipe a apporté 21,28 millions de yuans en propriété intellectuelle en échange de capitaux propres, s'associant avec Changda Asset Management pour établir la société Hubei Dijie Membrane Technology Co., Ltd.

Au niveau mondial, seules quelques entreprises sont capables de produire en masse des membranes céramiques en SiC, et le domaine reste largement sous-développé au niveau national. L'émergence d'un ou deux fabricants de membranes céramiques en SiC pur ces dernières années met en lumière le potentiel de ce produit, qui présente de vastes perspectives d'application et une forte demande sur le marché. Au niveau national, l'industrie offre une opportunité claire : posséder une technologie avancée garantit l'accès à un marché prometteur.