Estrutura de Membranas Cerâmicas de SiC

A fórmula molecular do carbeto de silício é SiC, com uma densidade de 3,16-3,2 g/cm³. O carbeto de silício é um composto covalente, e sua estrutura cristalina pertence a um tipo de coordenação tetraédrica, com unidades estruturais geralmente sendo CSi₄ ou SiC₄. Tanto o carbono quanto o silício são elementos não metálicos, e as ligações covalentes fortes formadas durante sua combinação criam o composto SiC. Aproximadamente 78% da energia de ligação em Si-C é iônica, concedendo ao carbeto de silício vantagens como alta dureza, alta resistência e excelente resistência à corrosão ácida e alcalina.

Classificação de Membranas Cerâmicas de SiC

Membranas cerâmicas de SiC podem ser classificadas em membranas simétricas e assimétricas. As membranas simétricas têm uma estrutura simples, baixo desempenho de filtração, alta suscetibilidade à contaminação e uma vida útil curta, o que as torna raramente usadas na prática. Em contraste, as membranas assimétricas geralmente consistem em três camadas: uma camada de suporte, uma camada de transição e uma camada de separação.

Características das membranas cerâmicas de SiC

Alta Porosidade

As membranas cerâmicas de SiC são caracterizadas por numerosos poros de tamanhos variados. Os poros fechados atuam principalmente como isolantes térmicos, barreiras à transmissão de som e partículas, enquanto os poros abertos servem principalmente para filtração.

Alta Resistência à Flexão

Produtos cerâmicos de SiC, preparados usando carbeto de silício, sílica, alumina e várias técnicas de processamento, exibem alta resistência à flexão. Após a secagem e pré-sinterização, as partículas dentro do produto passam por fusão e ligação em altas temperaturas durante o processo de sinterização, aumentando assim a resistência à flexão do produto.

Propriedades físicas e químicas estáveis

Os cerâmicos de SiC são resistentes a altas temperaturas, corrosão ácida e alcalina. Eles possuem uma grande área de superfície específica, suportam altas pressões, não poluem o ambiente, conservam recursos e têm baixos custos.

Alta hidrofilicidade e oleofobicidade

As membranas cerâmicas de SiC podem separar o óleo das emulsões - uma proeza difícil de alcançar com as tecnologias tradicionais. Essa propriedade as torna amplamente aplicáveis no tratamento de águas residuais oleosas e efluentes industriais.

Não poluente

As membranas cerâmicas de SiC são ecológicas e classificadas como materiais verdes, garantindo que não causem poluição secundária.

Saída de Qualidade de Água Consistente

As membranas cerâmicas de SiC mantêm a qualidade estável da produção de água ao longo do tempo. Em comparação com outras tecnologias ou materiais de membrana, elas requerem menos peso e espaço.

Existem muitos métodos para preparar membranas cerâmicas de SiC. Com base em diferentes estruturas de poros e mecanismos de formação, elas podem geralmente ser divididas em quatro categorias: empilhamento de partículas, replicação de modelo, modelo sacrificial e espuma direta. Tipicamente, a preparação de membranas cerâmicas de SiC envolve processos como mistura, moldagem e sinterização. Além dos métodos de preparação, o processo de sinterização influencia grandemente o desempenho do material. Métodos comuns de sinterização para membranas cerâmicas de SiC incluem sinterização por reação, sinterização sem pressão (sinterização em fase sólida e sinterização em fase líquida) e sinterização de recristalização.

O método de empilhamento de partículas é um dos métodos mais simples e diretos para construir estruturas de poros durante a preparação de membranas cerâmicas de SiC. Durante o processo de formação do corpo verde, as partículas de SiC e aditivos são empilhados juntos, deixando lacunas entre as partículas devido a obstáculos espaciais. Após a sinterização, as lacunas menores são eliminadas através da contração de volume e difusão de grãos, enquanto as lacunas residuais maiores formam a estrutura de poros da membrana cerâmica de SiC. Os corpos verdes podem ser formados usando prensagem a seco, moldagem em gel, moldagem em fita e outros métodos.

No método de replicação de modelo, materiais orgânicos são usados como modelos. A lama cerâmica de SiC ou soluções precursoras são impregnadas ou revestidas no modelo usando técnicas específicas. Após a sinterização, são obtidas membranas cerâmicas porosas de SiC com estruturas semelhantes ao modelo. Muitos materiais porosos sintéticos e naturais podem ser usados como modelos para fabricar cerâmicas porosas de SiC. Porque este método replica diretamente a estrutura de poros de outros materiais, permite um controle preciso sobre a estrutura de poros, tamanho de poros e distribuição da membrana cerâmica de SiC.

O método do modelo sacrificial é comumente usado para preparar membranas cerâmicas de SiC. Geralmente envolve uma fase de matriz contínua composta por partículas cerâmicas ou precursores e uma fase de modelo sacrificial uniformemente dispersa dentro da fase contínua. O modelo é eventualmente removido, formando uma estrutura porosa. A estrutura de poros resultante corresponde diretamente à morfologia do modelo sacrificial removido. A preparação de um corpo verde misto de duas fases pode ser alcançada por:

Pressionar pós misturados de duas fases diferentes em um corpo verde.

Preparar uma mistura de lama de duas fases e formar o corpo verde através de várias técnicas (por exemplo, fundição, moldagem em fita).

Impregnando o modelo sacrificial na lama cerâmica ou soluções precursoras para formar o corpo verde.

Dependendo do material formador de poros, o método de template sacrificial pode ser ainda classificado em técnicas como liofilização, formação de poros em emulsão e adição direta de agente formador de poros.

Devido à sua estrutura única, as membranas cerâmicas de SiC apresentam excelente desempenho de filtração, graças a vantagens como resistência a ácidos e álcalis, alta resistência, alta dureza e eco-amigabilidade. Essas características possibilitam sua ampla aplicação em diversos campos.

A produção industrial gera fumos nocivos, emissões da queima de palha e águas residuais contendo íons metálicos tóxicos, todos os quais impactam severamente o meio ambiente e contribuem para a chuva ácida, contaminação do solo e poluição da água. As membranas cerâmicas porosas de SiC têm sido adotadas e promovidas em muitos países para filtração e purificação. Elas podem filtrar águas residuais industriais e esgotos domésticos, alcançando a purificação da água e a proteção ambiental.

Os gases de alta temperatura emitidos pelas fábricas frequentemente carregam partículas finas que poluem o ambiente. Essas partículas, encontradas nos gases de escape de indústrias como petróleo, química e farmacêutica, são frequentemente corrosivas. A resistência à alta temperatura e à acidez-álcali das membranas cerâmicas de SiC as tornam adequadas para remover poeira dos gases de alta temperatura.

Além da filtração, as membranas cerâmicas de SiC também funcionam como materiais absorventes de som. Sua estrutura porosa dispersa a pressão das ondas sonoras no ar, reduzindo o ruído. Vantagens adicionais, como longa vida útil, facilidade de limpeza, reciclabilidade, resistência à corrosão e propriedades leves, conferem a elas um amplo potencial em pesquisas científicas e aplicações.

Algumas substâncias tóxicas e poluentes em águas residuais e gases de escape não podem ser removidas apenas por filtração. Nestes casos, catalisadores podem ser usados para decompor esses poluentes. Os catalisadores requerem um suporte, e membranas cerâmicas porosas de SiC, com propriedades como resistência ácida-alcalina, resistência a altas temperaturas, alta resistência à flexão, tenacidade e eco-amigáveis, são ideais como suportes de catalisadores.

Na produção industrial, metais fundidos frequentemente contêm pequenas partículas que podem afetar a formação, dureza e resistência do metal. Isso é particularmente crítico na produção de peças de metal de precisão e componentes eletrônicos, onde tais impurezas podem impactar significativamente a qualidade do produto. A resistência em altas temperaturas das membranas cerâmicas de SiC as torna adequadas para filtrar metais fundidos.

Cerâmicas porosas podem ser usadas como elementos sensíveis para detectar várias substâncias em gases ou líquidos. O princípio envolve colocar a membrana cerâmica porosa de SiC em um meio, onde as substâncias presentes no meio reagem com ou são adsorvidas pela membrana. Mudanças na corrente elétrica ou potencial dentro da membrana são então usadas para identificar as substâncias no meio.

Cerâmicas porosas podem ser usadas para fabricar mobiliário de forno. O mobiliário de forno tradicional é frequentemente pesado e volumoso, enquanto as cerâmicas porosas são leves, mais convenientes de usar e permitem uma transferência de calor mais rápida. Isso ajuda a reduzir o tempo de queima. Quando usados para queimar ferrites ou outras cerâmicas eletrônicas, esses materiais podem melhorar o desempenho do produto.

Apenas alguns países desenvolveram produtos de membrana cerâmica de SiC de alta qualidade, com exemplos notáveis sendo a LQ da Dinamarca e a SG da França. Apesar de décadas de desenvolvimento no campo da separação de membranas na China, as membranas cerâmicas de SiC continuam subdesenvolvidas, com a primeira empresa doméstica de produção em massa surgindo apenas há alguns anos.

Como o produto mais avançado no setor de membranas cerâmicas, todas as membranas de SiC necessárias para o tratamento de água na China são importadas. Empresas estrangeiras monopolizam os preços e o fornecimento de materiais, resultando em altos custos que restringem a adoção e a expansão do mercado de membranas cerâmicas de SiC.

Principais detentores de patentes incluem Kurita Water Industries, Kubota, Hitachi, NGK Insulators, NEC, Toray, JSR, Praxair Technology, Universidade de Tecnologia de Nanjing, Instituto de Tecnologia e Pesquisa de Membranas e Universidade Tsinghua, todos detentores de patentes altamente citadas. Dadas as diferenças nas áreas de foco e domínios de aplicação, existe potencial tanto para competição quanto para colaboração estratégica, apresentando oportunidades e desafios para o desenvolvimento da indústria.

A tecnologia de separação por membrana é considerada um método de separação energicamente eficiente e inovador, oferecendo soluções eficazes para questões críticas como energia, gestão de recursos e proteção ambiental. Os dados indicam que, no início do século XXI, as vendas globais de membranas e equipamentos relacionados excederam US$ 60 bilhões anualmente, com uma taxa de crescimento de cerca de 30%. Especialistas preveem que a tecnologia de membranas, juntamente com abordagens integradas que combinam membranas com outras tecnologias, poderiam substituir em grande parte as técnicas tradicionais de separação.

Em 2019, o fornecedor dinamarquês de membranas cerâmicas SiC LQ recebeu um pedido de vários milhões de dólares de uma empresa de navegação para um sistema de filtração de água usando membranas cerâmicas SiC, no valor de quase US$ 10 milhões.

Em 2016, as conquistas de pesquisa em membranas cerâmicas de SiC do Instituto de Tecnologia de Wuhan destacaram-se entre os 100 principais avanços científicos e tecnológicos da Província de Hubei. Os resultados atraíram a Ezhou Changda Asset Management Co., Ltd. Em 2017, com oito tecnologias patenteadas de membranas cerâmicas de SiC, a equipe contribuiu com 21,28 milhões de RMB em propriedade intelectual por participação acionária, associando-se à Changda Asset Management para estabelecer a Hubei Dijie Membrane Technology Co., Ltd.

Globalmente, apenas algumas empresas são capazes de produzir em massa membranas cerâmicas de SiC, e o campo ainda está amplamente subdesenvolvido internamente. O surgimento de um ou dois fabricantes de membranas cerâmicas de SiC puro nos últimos anos destaca o potencial deste produto, que tem vastas perspectivas de aplicação e forte demanda de mercado. Domésticamente, a indústria oferece uma oportunidade clara: possuir tecnologia avançada garante acesso a um mercado promissor.