Структура керамических мембран SiC

Молекулярная формула карбида кремния - SiC, с плотностью 3,16-3,2 г/см³. Карбид кремния является ковалентным соединением, и его кристаллическая структура относится к типу тетраэдрической координации, с структурными единицами, обычно являющимися CSi₄ или SiC₄. Карбон и кремний - неметаллические элементы, и сильные ковалентные связи, образованные при их сочетании, создают соединение SiC. Примерно 78% энергии связи в Si-C является ионной, что дает карбиду кремния преимущества, такие как высокая твердость, высокая прочность и отличная устойчивость к коррозии кислотами и щелочами.

Классификация керамических мембран SiC.

Силициевокарбидные керамические мембраны могут быть классифицированы на симметричные и асимметричные мембраны. Симметричные мембраны имеют простую структуру, плохую фильтрационную производительность, высокую восприимчивость к загрязнению и короткий срок службы, что делает их редко используемыми на практике. В отличие от этого, асимметричные мембраны обычно состоят из трех слоев: опорного слоя, переходного слоя и разделительного слоя.

Характеристики керамических мембран SiC

Высокая пористость

Керамические мембраны из SiC характеризуются многочисленными порами различного размера. Закрытые поры в основном действуют как теплоизоляторы, барьеры для звуковой передачи и передачи частиц, в то время как открытые поры главным образом служат для фильтрации.

Высокая изгибная прочность

Керамические изделия из карбида кремния, приготовленные с использованием карбида кремния, кремнезема, алюминия и различных техник обработки, обладают высокой изгибной прочностью. После высыхания и предварительного спекания частицы в изделии плавятся и соединяются при высоких температурах во время процесса спекания, тем самым увеличивая изгибную прочность продукта.

Стабильные физические и химические свойства

Керамические материалы на основе карбида кремния устойчивы к высоким температурам, кислотам и щелочам. Они обладают большой специфической поверхностью, выдерживают высокие давления, не загрязняют окружающую среду, экономят ресурсы и имеют низкие затраты.

Высокая гидрофильность и олеофобность

Керамические мембраны из SiC могут разделять масло от эмульсий — задача, сложная для достижения с использованием традиционных технологий. Это свойство делает их широко применимыми в обработке масляных сточных вод и промышленных сточных вод.

Непагубный

Керамические мембраны из карбида кремния экологически безопасны и относятся к зеленым материалам, обеспечивая отсутствие вторичного загрязнения.

Постоянное качество воды.

Керамические мембраны из SiC сохраняют стабильное качество производства воды со временем. По сравнению с другими технологиями или материалами мембран, они требуют меньше веса и места.

Существует много методов подготовки керамических мембран из карбида кремния. Исходя из различных структур пор и механизмов формирования, их обычно можно разделить на четыре категории: стекание частиц, репликация шаблона, жертвенный шаблон и прямое пенообразование. Обычно подготовка керамических мембран из карбида кремния включает процессы, такие как смешивание, формование и спекание. Помимо методов подготовки, процесс спекания значительно влияет на характеристики материала. Распространенные методы спекания керамических мембран из карбида кремния включают реакционное спекание, бесдавленное спекание (спекание в твердой фазе и спекание в жидкой фазе) и рекристаллизационное спекание.

Метод стеклянных частиц является одним из самых простых и прямых подходов к созданию пористых структур во время приготовления керамических мембран SiC. В процессе формирования зеленого тела частицы SiC и добавки укладываются друг на друга, оставляя промежутки между частицами из-за пространственных препятствий. После спекания более мелкие промежутки устраняются за счет уменьшения объема и диффузии зерен, в то время как более крупные остаточные промежутки формируют пористую структуру керамической мембраны SiC. Зеленые тела могут быть сформированы с использованием сухого прессования, гель-литья, ленточного литья и других методов.

В методе репликации шаблона используются органические материалы в качестве шаблонов. Керамический раствор SiC или предшественники наносятся или покрываются на шаблон с использованием специальных техник. После спекания получают пористые керамические мембраны SiC с структурами, аналогичными шаблону. Для изготовления пористых керамических мембран SiC можно использовать множество синтетических и естественных пористых материалов в качестве шаблонов. Поскольку этот метод напрямую реплицирует поровую структуру других материалов, он обеспечивает точный контроль над структурой пор, размером пор и распределением керамической мембраны SiC.

Метод шаблонного жертвоприношения обычно используется для приготовления керамических мембран из карбида кремния. Обычно он включает непрерывную матричную фазу, состоящую из керамических частиц или предшественников, и фазу жертвенного шаблона, равномерно распределенную внутри непрерывной фазы. Шаблон в конечном итоге удаляется, образуя пористую структуру. Результирующая пористая структура прямо соответствует морфологии удаленного жертвенного шаблона. Подготовку двухфазного смешанного зеленого тела можно достичь путем:

Прессование смеси порошков двух различных фаз в зеленое тело.

Подготовка смешанной суспензии из двух фаз и формирование зеленого тела с помощью различных техник (например, литье, ленточное литье).

Пропитывание жертвенного шаблона в керамическую суспензию или предшествующие растворы для формирования зеленого тела.

В зависимости от материала, образующего поры, метод жертвенного шаблона можно дополнительно классифицировать на такие техники, как замораживание и высушивание, эмульсионное формирование пор и прямое добавление агента, образующего поры.

Благодаря своей уникальной структуре керамические мембраны из карбида кремния обладают отличной фильтрационной производительностью благодаря преимуществам, таким как устойчивость к кислотам и щелочам, высокая прочность, высокая твердость и экологическая дружественность. Эти характеристики обеспечивают их широкое применение в различных областях.

Промышленное производство генерирует вредные дымы, выбросы от сжигания соломы и сточные воды, содержащие токсичные металлические ионы, которые серьезно влияют на окружающую среду и способствуют кислотным дождям, загрязнению почвы и воды. Пористые керамические мембраны SiC были приняты и продвигаются во многих странах для фильтрации и очистки. Они могут фильтровать промышленные сточные воды и бытовые сточные воды, обеспечивая очистку воды и защиту окружающей среды.

Высокотемпературные газы, выбрасываемые из заводов, часто содержат мелкие частицы, загрязняющие окружающую среду. Эти частицы, находящиеся в выбросах от промышленных предприятий, таких как нефтяная, химическая и фармацевтическая, часто являются коррозионными. Высокая температура и кислотно-щелочная стойкость керамических мембран SiC делают их подходящими для удаления пыли из высокотемпературных газов.

Помимо фильтрации, керамические мембраны SiC также служат звукопоглощающим материалом. Их пористая структура разбрасывает давление звуковых волн в воздухе, снижая шум. Дополнительные преимущества, такие как длительный срок службы, легкость очистки, возможность переработки, устойчивость к коррозии и легкие свойства, придают им широкий потенциал в научных и прикладных исследованиях.

Некоторые токсичные и загрязняющие вещества в сточных водах и выхлопных газах не могут быть удалены только фильтрацией. В таких случаях могут использоваться катализаторы для разложения этих загрязнителей. Катализаторы требуют носителя, и пористые керамические мембраны из SiC с такими свойствами, как кислотно-щелочная стойкость, высокая температурная стойкость, высокая изгибная прочность, прочность и экологическая дружественность, идеально подходят в качестве носителей катализаторов.

В промышленном производстве расплавленные металлы часто содержат мелкие частицы, которые могут влиять на формирование, твердость и прочность металла. Это особенно важно при производстве точных металлических отливок и электронных компонентов, где такие примеси могут значительно влиять на качество продукции. Высокая температурная стойкость керамических мембран из карбида кремния делает их подходящими для фильтрации расплавленных металлов.

Пористая керамика может использоваться в качестве чувствительных элементов для обнаружения различных веществ в газах или жидкостях. Принцип заключается в том, что пористая керамическая мембрана из SiC помещается в среду, где вещества, присутствующие в среде, реагируют с мембраной или адсорбируются на нее. Изменения в электрическом токе или потенциале внутри мембраны затем используются для идентификации веществ в среде.

Пористая керамика может использоваться для изготовления печного оборудования. Традиционное печное оборудование часто тяжелое и громоздкое, в то время как пористая керамика легкая, более удобная в использовании и обеспечивает более быструю передачу тепла. Это помогает сократить время обжига. При использовании для обжига ферритов или других электронных керамических материалов эти материалы могут улучшить производительность продукта.

Только несколько стран разработали высококачественные SiC керамические мембранные продукты, примечательными примерами которых являются датская LQ и французская SG. Несмотря на десятилетия развития в области мембранного разделения в Китае, SiC керамические мембраны остаются недоразвитыми, и первая отечественная компания по массовому производству появилась всего несколько лет назад.

Как самый передовой продукт в секторе керамических мембран, все SiC мембраны, необходимые для очистки воды в Китае, импортируются. Иностранные компании монополизируют цены на материалы и поставки, что приводит к высоким затратам, ограничивающим принятие и расширение рынка керамических мембран SiC.

Основными владельцами патентов являются Kurita Water Industries, Kubota, Hitachi, NGK Insulators, NEC, Toray, JSR, Praxair Technology, Нанкинский технологический университет, Институт технологии и исследований мембран и Университет Цинхуа, все они владеют высокоцитируемыми патентами. В связи с различиями в областях фокусировки и областях применения существует потенциал как для конкуренции, так и для стратегического сотрудничества, что представляет как возможности, так и вызовы для развития отрасли.

Мембранные технологии разделения рассматриваются как энергоэффективный и инновационный метод разделения, предлагающий эффективные решения для критических проблем, таких как энергетика, управление ресурсами и охрана окружающей среды. Данные показывают, что в начале 21 века глобальные продажи мембран и связанного оборудования превышали 60 миллиардов долларов ежегодно, с темпом роста около 30%. Эксперты предсказывают, что мембранная технология, вместе с интегрированными подходами, объединяющими мембраны с другими технологиями, может в значительной степени заменить традиционные методы разделения.

В 2019 году датская компания LQ, поставщик SiC керамических мембран, получила многомиллионный заказ от судоходной компании на систему водоочистки с использованием SiC керамических мембран на сумму почти 10 миллионов долларов.

В 2016 году научные достижения в области керамических мембран SiC из Уханьского института технологий выделялись среди топ-100 научно-технических достижений провинции Хубэй. Эти результаты привлекли компанию по управлению активами Ezhou Changda Asset Management Co., Ltd. В 2017 году команда с восемью патентованными технологиями керамических мембран SiC внесла вклад в размере 21,28 миллиона юаней в интеллектуальную собственность за долю в уставном капитале, сотрудничая с Changda Asset Management для создания компании Hubei Dijie Membrane Technology Co., Ltd.

Глобально лишь немногие предприятия способны массово производить SiC керамические мембраны, и отрасль в значительной степени остается недоразвитой на внутреннем рынке. Появление одного или двух производителей чистых SiC керамических мембран в последние годы подчеркивает потенциал этого продукта, который имеет огромные перспективы применения и сильный спрос на рынке. На внутреннем рынке отрасль предлагает явную возможность: наличие передовых технологий обеспечивает доступ к многообещающему рынку.