SiCセラミック膜の構造

ケイ化炭素の分子式はSiCで、密度は3.16-3.2 g/cm³です。ケイ化炭素は共有結合性化合物であり、その結晶構造は四面体配位型に属し、構造単位は一般的にCSi₄またはSiC₄です。炭素とケイ素はいずれも非金属元素であり、その結合時に形成される強い共有結合によってSiC化合物が生じます。Si-Cの結合エネルギーの約78%はイオン性であり、ケイ化炭素は高い硬度、高い強度、優れた耐酸性および耐アルカリ性などの利点を持っています。

SiCセラミック膜の分類

SiCセラミック膜は対称膜と非対称膜に分類されます。対称膜は簡単な構造を持ち、ろ過性能が低く、汚染に対する感受性が高く、寿命が短いため、実際にはほとんど使用されません。一方、非対称膜は通常、サポート層、遷移層、および分離層の3層から構成されています。

SiCセラミック膜の特性

高い浸透性

SiCセラミック膜は、さまざまなサイズの多数の孔を特徴としています。閉じた孔は主に熱の絶縁体、音の伝達の障壁、および粒子の伝達として機能し、一方、開いた孔は主にろ過のために役立ちます。

高い曲げ強度

SiCセラミック製品は、シリコンカーバイド、シリカ、アルミナを使用して準備され、さまざまな加工技術を用いて高い曲げ強度を示します。乾燥およびプレシンタリング後、製品内の粒子は焼結プロセス中の高温で溶融および結合し、製品の曲げ強度を向上させます。

安定した物理的および化学的特性

SiCセラミックスは高温、酸、アルカリ腐食に耐性があります。大きな比表面積を持ち、高圧に耐え、環境を汚染せず、資源を保存し、コストが低い特徴があります。

高い親水性と撥油性

SiCセラミック膜は、従来の技術では実現が難しい油と乳化物の分離を可能にします。この特性により、これらは油性廃水や産業排水の処理に広く適用されています。

非汚染

SiCセラミック膜は環境にやさしく、グリーン素材として分類されており、二次汚染を引き起こさないことを保証しています。

一貫した水質出力

SiCセラミック膜は、時間の経過とともに安定した水生産品質を維持します。他の技術や膜材料と比較して、より少ない重量とスペースが必要です。

SiCセラミック膜を準備するための多くの方法があります。異なる孔構造と形成メカニズムに基づいて、一般的には、粒子積層、テンプレート複製、犠牲テンプレート、直接発泡の4つのカテゴリに分けることができます。通常、SiCセラミック膜の準備には、混合、成形、焼結などのプロセスが含まれます。準備方法に加えて、焼結プロセスは材料の性能に大きな影響を与えます。SiCセラミック膜の一般的な焼結方法には、反応焼結、無圧焼結（固相焼結と液相焼結）、再結晶焼結があります。

粒子積層法は、SiCセラミック膜の調製中に気孔構造を構築するための最も簡単で直接的なアプローチの1つです。グリーンボディ形成プロセス中、SiC粒子と添加剤は積み重ねられ、空間的な妨げにより粒子間に隙間が残ります。焼結後、体積収縮と粒子拡散によってより小さな隙間が除去され、残留するより大きな隙間がSiCセラミック膜の気孔構造を形成します。グリーンボディは、乾式プレス、ゲルキャスティング、テープキャスティングなどの方法を使用して形成することができます。

テンプレート複製法では、有機材料がテンプレートとして使用されます。SiCセラミックススラリーまたは前駆体溶液が、特定の技術を用いてテンプレートに浸透させられるかコーティングされます。焼結後、テンプレートと似た構造を持つ多孔質SiCセラミック膜が得られます。多くの合成および天然の多孔質材料が、多孔質SiCセラミックを製造するためのテンプレートとして使用できます。この方法は他の材料の孔構造を直接複製するため、SiCセラミック膜の孔構造、孔径、および分布を精密に制御することができます。

犠牲テンプレート法は、SiCセラミック膜を準備するために一般的に使用されます。通常、セラミック粒子または前駆体からなる連続マトリックス相と、連続相内に均一に分散された犠牲テンプレート相が含まれます。テンプレートは最終的に除去され、多孔質構造が形成されます。得られる孔構造は、除去された犠牲テンプレートの形態に直接対応しています。二相混合グリーンボディの調製は、次のように行うことができます。

2つの異なる相の混合粉末を緑の体に押し込む。

2つの相の混合スラリーを準備し、キャスティング、テープキャスティングなどのさまざまな技術を用いてグリーンボディを形成します。

犠牲テンプレートをセラミックスラリーまたは前駆体溶液に浸透させて緑色体を形成します。

孔形成材料に応じて、犠牲テンプレート法は凍結乾燥、乳化孔形成、および直接孔形成剤添加などの技術にさらに分類されることがあります。

独自の構造により、SiCセラミック膜は酸およびアルカリに対する耐性、高強度、高硬度、環境にやさしいといった利点を活かし、優れたろ過性能を発揮します。これらの特徴により、SiCセラミック膜は様々な分野で広く活用されています。

産業生産は有害な排気ガス、藁の燃焼からの排出物、有害金属イオンを含む廃水を生成し、これらは環境に深刻な影響を与え、酸性雨、土壌汚染、水質汚染に寄与します。SiC多孔質セラミック膜は、多くの国で浄化と濾過のために採用され、推進されています。これらは産業廃水や家庭排水をろ過し、水の浄化と環境保護を実現できます。

工場から排出される高温ガスには、環境を汚染する微粒子が多く含まれています。これらの微粒子は、石油、化学、製薬などの産業の排気ガス中に見られ、しばしば腐食性があります。SiCセラミック膜の高温および酸アルカリ耐性は、高温ガスから塵を除去するのに適しています。

過濾を超えて、SiCセラミック膜は音を吸収する材料としても機能します。その多孔質構造は空気中の音波の圧力を分散させ、騒音を軽減します。長寿命、掃除の容易さ、再利用可能性、耐蝕性、軽量性などの追加の利点により、科学研究や応用分野で幅広い可能性を持っています。

一部の有毒で汚染物質は、ろ過だけでは取り除くことができません。そのような場合には、触媒を使用してこれらの汚染物質を分解することができます。触媒には担体が必要であり、酸アルカリ耐性、耐高温性、高曲げ強度、靭性、環境に優しいなどの特性を持つ多孔質SiCセラミック膜は、触媒担体として理想的です。

産業生産において、溶融金属にはしばしば金属の形成、硬度、強度に影響を与える可能性のある微粒子が含まれています。これは特に精密金属鋳造や電子部品の製造において重要であり、このような不純物が製品品質に大きな影響を与えることがあります。SiCセラミック膜の高温耐性は、溶融金属をろ過するのに適しています。

多孔性セラミックスは、気体や液体中のさまざまな物質を検出するための感応要素として使用することができます。原理は、多孔性SiCセラミック膜を媒体に配置し、媒体中に存在する物質が膜と反応したり吸着されたりすることを含みます。その後、膜内の電流や電位の変化を使用して、媒体中の物質を識別します。

多孔質セラミックスは窯具を製造するために使用することができます。従来の窯具はしばしば重くて扱いにくいですが、多孔質セラミックスは軽量で使いやすく、熱伝導が速いため、焼成時間を短縮するのに役立ちます。これは焼結体や他の電子セラミックスの焼成に使用されると、製品の性能を向上させることができます。

わずかな国々が高品質のSiCセラミック膜製品を開発しており、その代表的な例としては、デンマークのLQやフランスのSGが挙げられます。中国では膜分離分野の開発が数十年続いていますが、SiCセラミック膜は未発展のままであり、国内初の量産企業が数年前に登場しました。

セラミック膜部門で最も先進的な製品として、中国の水処理に必要なすべてのSiC膜は輸入されています。外国企業が材料価格と供給を独占し、SiCセラミック膜の採用と市場拡大を制限する高コストが発生しています。

主要な特許保有者には、栗田ウォーター工業、クボタ、日立、NGKインサレータ、NEC、トーレイ、JSR、プラクセア・テクノロジー、南京工科大学、膜技術研究所、清華大学などが含まれ、すべてが高い引用数の特許を保有しています。焦点領域や応用分野の違いがあるため、競争と戦略的協力の両方の可能性があり、産業の発展にとって機会と課題を提供しています。

膜分離技術は、エネルギー効率の高い革新的な分離方法として位置付けられており、エネルギーや資源管理、環境保護などの重要な課題に対する効果的な解決策を提供しています。データによると、21世紀初頭には、膜および関連機器の世界的な売上高が年間600億ドルを超え、成長率は約30％でした。専門家は、膜技術と他の技術との統合的なアプローチを組み合わせたものが、従来の分離技術の大部分を置き換える可能性があると予測しています。

2019年、デンマークのSiCセラミック膜サプライヤーであるLQは、SiCセラミック膜を使用した水ろ過システムのための数百万ドルの受注を、約1,000万ドルである船会社から受け取りました。

2016年，武汉理工大学的SiC陶瓷膜研究成果脱颖而出，成为湖北省科技百项重大突破之一。这些发现吸引了鄂州长达资产管理有限公司。2017年，该团队凭借八项拥有专利的SiC陶瓷膜技术，为股权贡献了人民币2128万元的知识产权，与长达资产管理合作成立了湖北迪杰膜技术有限公司。

グローバルには、わずかな企業しかSiCセラミック膜の大量生産が可能であり、国内ではこの分野はほとんど開発されていません。近年、純粋なSiCセラミック膜メーカーが1〜2社登場したことは、この製品の可能性を示しており、広範な応用展望と強い市場需要を持っています。国内では、この産業には明確な機会があります：先進技術を持つことが有望な市場へのアクセスを保証します。