1. Opis filmu ceramicznego z węglika krzemu
Struktura membran ceramicznych SiC
Molekularna formuła karbidu krzemu to SiC, o gęstości 3,16-3,2 g/cm³. Karbid krzemu jest związkiem kowalencyjnym, a jego struktura krystaliczna należy do typu koordynacji tetraedrycznej, a jednostki strukturalne to zazwyczaj CSi₄ lub SiC₄. Zarówno węgiel, jak i krzem są pierwiastkami niemetalicznymi, a silne wiązania kowalencyjne powstałe podczas ich połączenia tworzą związek SiC. Około 78% energii wiązania w Si-C jest jonowe, co daje karbidowi krzemu takie zalety jak wysoką twardość, wysoką wytrzymałość i doskonałą odporność na korozję kwasów i zasad.
Klasyfikacja membran ceramicznych SiC
Membrany ceramiczne SiC można sklasyfikować na symetryczne i asymetryczne. Membrany symetryczne mają prostą strukturę, słabą wydajność filtracji, wysoką podatność na zanieczyszczenia i krótki okres użytkowania, co sprawia, że rzadko są używane w praktyce. W przeciwieństwie do tego, membrany asymetryczne zazwyczaj składają się z trzech warstw: warstwy nośnej, warstwy przejściowej i warstwy separacyjnej.
Charakterystyka membran ceramicznych SiC
Wysoka porowatość
SiC ceramiczne membrany charakteryzują się licznymi porami o zróżnicowanych rozmiarach. Zamknięte pory głównie pełnią rolę izolatorów cieplnych, barier dla transmisji dźwięku i cząstek, podczas gdy otwarte pory służą głównie do filtracji.
Wysoka wytrzymałość na zginanie
Produkty ceramiczne SiC, przygotowane z użyciem węglika krzemu, krzemionki, glinu i różnych technik obróbki, charakteryzują się wysoką wytrzymałością na zginanie. Po wysuszeniu i wstępnym spieczaniu, cząsteczki wewnątrz produktu ulegają topieniu i łączeniu się w wysokich temperaturach podczas procesu spiekania, co zwiększa wytrzymałość na zginanie produktu.
Stabilne właściwości fizyczne i chemiczne
Ceramika SiC jest odporna na wysokie temperatury, korozyjne działanie kwasów i zasad. Posiada dużą powierzchnię właściwą, wytrzymuje wysokie ciśnienia, nie zanieczyszcza środowiska, oszczędza zasoby i ma niskie koszty.
Wysoka hydrofilowość i oleofobowość
SiC ceramiczne membrany mogą separować olej od emulsji - co jest trudne do osiągnięcia przy użyciu tradycyjnych technologii. Ta właściwość sprawia, że są one szeroko stosowane w oczyszczaniu wód zanieczyszczonych olejem i ścieków przemysłowych.
Nie zanieczyszczający
Membrany ceramiczne SiC są przyjazne dla środowiska i klasyfikowane jako materiały ekologiczne, zapewniając, że nie powodują one wtórnego zanieczyszczenia.
Stała jakość wody wyjściowej
SiC ceramiczne membrany utrzymują stabilną jakość produkcji wody w czasie. W porównaniu do innych technologii lub materiałów membranowych, wymagają mniej wagi i miejsca.
Przygotowanie filmu ceramicznego z węglika krzemu.
Istnieje wiele metod przygotowywania membran ceramicznych SiC. Na ogół można je podzielić na cztery kategorie, w zależności od różnych struktur porów i mechanizmów tworzenia: układanie cząstek, replikacja szablonu, szablon ofiarowy i bezpośrednie pianowanie. Typowe procesy przygotowywania membran ceramicznych SiC obejmują takie etapy jak mieszanie, formowanie i spiekanie. Oprócz metod przygotowywania, proces spiekania znacząco wpływa na właściwości materiału. Powszechne metody spiekania membran ceramicznych SiC obejmują spiekanie reakcyjne, spiekanie bezciśnieniowe (spiekanie fazowe stałe i spiekanie fazowe ciekłe) oraz spiekanie rekrystalizacyjne.
Metoda układania cząstek
Metoda układania cząstek jest jednym z najprostszych i najbardziej bezpośrednich podejść do konstruowania struktur porów podczas przygotowywania membran ceramicznych SiC. W procesie formowania ciała zielonego cząstki SiC i dodatki są układane razem, pozostawiając szczeliny między cząstkami ze względu na przeszkody przestrzenne. Po spieczeniu mniejsze szczeliny są eliminowane poprzez skurcz objętościowy i dyfuzję ziarna, podczas gdy większe szczeliny pozostałe tworzą strukturę porów membrany ceramicznej SiC. Ciała zielone można formować za pomocą suchego prasowania, odlewania żelowego, odlewania taśmowego i innych metod.
2. Metoda replikacji szablonu
W metodzie replikacji szablonowej do tworzenia porowatych membran ceramicznych SiC używa się materiałów organicznych jako szablonów. Błotko ceramiczne SiC lub roztwory prekursorów są nasączane lub pokrywane na szablonie za pomocą określonych technik. Po spieczeniu uzyskuje się porowate membrany ceramiczne SiC o strukturze podobnej do szablonu. Do wytwarzania porowatych ceramik SiC można użyć wielu materiałów syntetycznych i naturalnie porowatych jako szablonów. Ponieważ ta metoda bezpośrednio replikuje strukturę porów innych materiałów, umożliwia precyzyjną kontrolę nad strukturą porów, rozmiarem porów i dystrybucją membrany ceramicznej SiC.
3. Metoda szablonu ofiarnego
Metoda szablonu ofiarnego jest powszechnie stosowana do przygotowania membran ceramicznych SiC. Zazwyczaj obejmuje ciągłą fazę matrycy składającą się z cząstek ceramicznych lub prekursorów oraz fazę szablonu ofiarnego równomiernie rozproszoną w fazie ciągłej. Szablon jest ostatecznie usuwany, tworząc strukturę porowatą. Struktura porów wynikowa bezpośrednio odpowiada morfologii usuniętego szablonu ofiarnego. Przygotowanie dwufazowego mieszanego ciała zielonego można osiągnąć poprzez:
Naciskanie mieszanki proszków dwóch różnych faz w zielone ciało.
Przygotowanie mieszanki dwóch faz i formowanie zielonego ciała za pomocą różnych technik (np. odlewania, taśmy odlewania).
Nasycanie szablonu ofiarnego w szlamie ceramicznym lub roztworach prekursorów w celu utworzenia ciała zielonego.
W zależności od materiału tworzącego pory, metoda szablonu ofiarnego może być dalej sklasyfikowana na techniki takie jak suszenie zamrażarkowe, emulsyjne tworzenie porów i bezpośrednie dodawanie środka tworzącego pory.
Zastosowanie krzemokarbideowej ceramiki filmowej.
Ze względu na swoją unikalną strukturę, ceramiczne membrany SiC wykazują doskonałe osiągi filtracyjne, dzięki zaletom takim jak odporność na kwasy i zasady, wysoka wytrzymałość, wysoka twardość i przyjazność dla środowiska. Te cechy umożliwiają ich szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach.
Filtracja ścieków i gazów spalinowych
Produkcja przemysłowa generuje szkodliwe opary, emisje z palenia słomy oraz ścieki zawierające toksyczne jony metali, które poważnie wpływają na środowisko i przyczyniają się do kwaśnych deszczy, zanieczyszczenia gleby i zanieczyszczenia wody. Poryzowane membrany ceramiczne SiC zostały przyjęte i promowane w wielu krajach do filtracji i oczyszczania. Mogą one filtrować ścieki przemysłowe i ścieki komunalne, osiągając oczyszczanie wody i ochronę środowiska.
Usuwanie pyłów gazowych o wysokiej temperaturze
Wysokotemperaturowe gazy emitowane z fabryk często zawierają drobne cząstki, które zanieczyszczają środowisko. Te cząstki, znajdujące się w spalinach z przemysłu takiego jak przemysł naftowy, chemiczny i farmaceutyczny, są często żrące. Wysoka temperatura i odporność na kwasy i zasady membrany ceramiczne SiC sprawiają, że są one odpowiednie do usuwania pyłów z wysokotemperaturowych gazów.
3. Materiał tłumiący dźwięk
Poza filtracją, ceramiczne membrany SiC pełnią również rolę materiałów pochłaniających dźwięk. Ich porowata struktura rozprasza ciśnienie fal dźwiękowych w powietrzu, zmniejszając hałas. Dodatkowe zalety, takie jak długa żywotność, łatwość czyszczenia, możliwość recyklingu, odporność na korozję i lekkość, nadają im szeroki potencjał w badaniach naukowych i zastosowaniach.
Nośniki katalizatorów
Niektóre toksyczne i zanieczyszczające substancje w ściekach i gazach spalinowych nie mogą być usunięte wyłącznie przez filtrację. W takich przypadkach można użyć katalizatorów do rozkładu tych zanieczyszczeń. Katalizatory wymagają nośnika, a porowate membrany ceramiczne SiC, o właściwościach takich jak odporność na kwasy i zasady, odporność na wysoką temperaturę, wysoka wytrzymałość na zginanie, wytrzymałość i przyjazność dla środowiska, są idealne jako nośniki katalizatorów.
Filtracja stopionego metalu
W produkcji przemysłowej stopione metale często zawierają małe cząstki, które mogą wpływać na formowanie, twardość i wytrzymałość metalu. Jest to szczególnie istotne w produkcji precyzyjnych odlewów metalowych i elementów elektronicznych, gdzie takie zanieczyszczenia mogą znacząco wpłynąć na jakość produktu. Wysoka odporność na wysoką temperaturę membran ceramicznych SiC sprawia, że są one odpowiednie do filtrowania stopionych metali.
6. Elementy wrażliwe
Porouszna ceramika może być używana jako elementy wrażliwe do wykrywania różnych substancji w gazach lub cieczach. Zasada polega na umieszczeniu porowatej membrany ceramicznej SiC w środowisku, gdzie substancje obecne w środowisku reagują z membraną lub są przez nią adsorbowane. Zmiany w prądzie elektrycznym lub potencjale wewnątrz membrany są następnie wykorzystywane do zidentyfikowania substancji w środowisku.
Materiały ogniotrwałe
Porouszna ceramika może być używana do produkcji mebli piecowych. Tradycyjne meble piecowe są często ciężkie i niewygodne, podczas gdy porowata ceramika jest lekka, bardziej wygodna w użyciu i umożliwia szybszy transfer ciepła. Pomaga to skrócić czas wypalania. Gdy są używane do wypalania ferrytów lub innych ceramik elektronicznych, te materiały mogą poprawić wydajność produktu.
Status rozwoju filmu ceramicznego z węglika krzemu to 4.
Aktualny stan badań i własności intelektualnej
Tylko kilka krajów na świecie opracowało wysokiej jakości produkty ceramiczne z SiC, a przykłady to duńskie LQ i francuskie SG. Pomimo kilkudziesięcioletniego rozwoju w dziedzinie separacji membranowej w Chinach, ceramiczne membrany SiC pozostają słabo rozwinięte, a pierwsza krajowa firma masowej produkcji pojawiła się dopiero kilka lat temu.
Jako najbardziej zaawansowany produkt w sektorze membran ceramicznych, wszystkie membrany SiC wymagane do oczyszczania wody w Chinach są importowane. Zagraniczne firmy monopolizują ceny materiałów i dostawy, co prowadzi do wysokich kosztów, które ograniczają przyjęcie i ekspansję rynku membran ceramicznych SiC.
Głównymi posiadaczami patentów są Kurita Water Industries, Kubota, Hitachi, NGK Insulators, NEC, Toray, JSR, Praxair Technology, Uniwersytet Technologiczny w Nankinie, Instytut Technologii i Badań nad Membranami oraz Uniwersytet Tsinghua, które posiadają bardzo cytowane patenty. Ze względu na różnice w obszarach skupienia i dziedzinach zastosowań istnieje potencjał zarówno dla konkurencji, jak i strategicznej współpracy, co stwarza zarówno możliwości, jak i wyzwania dla rozwoju przemysłu.
Analiza rynku
Technologia separacji membranowej jest uważana za energooszczędną i innowacyjną metodę separacji, oferującą skuteczne rozwiązania dla krytycznych problemów takich jak energia, zarządzanie zasobami i ochrona środowiska. Dane wskazują, że na początku XXI wieku globalna sprzedaż membran i związanych urządzeń przekroczyła rocznie 60 miliardów dolarów, z roczną stopą wzrostu wynoszącą około 30%. Eksperci przewidują, że technologia membranowa, wraz z zintegrowanymi podejściami łączącymi membrany z innymi technologiami, mogłaby w dużej mierze zastąpić tradycyjne techniki separacji.
W 2019 roku duński dostawca membran ceramicznych SiC LQ otrzymał wielomilionowe zamówienie od firmy żeglugowej na system filtracji wody z użyciem membran ceramicznych SiC o wartości niemal 10 milionów dolarów.
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 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, partnering with Changda Asset Management to establish Hubei Dijie Membrane Technology Co., Ltd.
Globalnie tylko kilka przedsiębiorstw jest w stanie masowo produkować membrany ceramiczne z SiC, a dziedzina ta pozostaje w dużej mierze niedorozwinięta na arenie krajowej. Pojawienie się w ostatnich latach jednego lub dwóch producentów czystych membran ceramicznych z SiC podkreśla potencjał tego produktu, który ma ogromne perspektywy zastosowania i silne zapotrzebowanie rynkowe. W kraju branża ta oferuje klarowną szansę: posiadanie zaawansowanej technologii zapewnia dostęp do obiecującego rynku.