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碳化硅陶瓷膜:一种有望取代各种无机膜的新型分离膜?
中国粉体网 / 时间:2020-10-13 22:40:09

新材料在线10月9日讯:碳化硅陶瓷膜拥有化学稳定性高、抗热震性好、亲水性强、膜通量大、机械强度高、孔径分布集中、孔结构梯度较好等特点。相较于传统膜材料,碳化硅陶瓷膜在水处理时可高效分离水中悬浮颗粒及油滴而不受给水质量影响,也因为它稳定耐用的特性可以有效减少停工期以及安装成本,被认为是一种有望取代各种无机膜的新型分离膜。

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碳化硅陶瓷膜的应用优势

随着各国政府对废水排放及原油采收率的要求日渐严格,碳化硅陶瓷膜在工业领域应用方面凸显出较大优势。在最近几年,以liqtech为代表的商用碳化硅陶瓷膜开始在高温气固分离、工业废水处理等方面崭露头角。

碳化硅具有优良的热传导性、化学惰性、断裂韧性以及耐酸碱性。其具有较大的膜通量,用于水处理效率非常高。同样,在高温环境、生物医药以及食品等领域都有非常广泛的应用。

碳化硅陶瓷膜在油水分离方面应用具有非常明显的优势,因为相对于高分子膜,虽然通过共混改性可以提高膜的亲水性和抗污染性,但膜的通量还是比较低,且经过冲洗后通量会降低较多。碳化硅陶瓷膜具有膜通量大,可清洗性强,分离效果佳和使用寿命长等优点。

碳化硅陶瓷膜不仅具有一般无机膜的耐高温高压、耐化学腐蚀、化学稳定性高等优点,而且机械强度高、抗热震性能强、孔隙率高、比表面积大等特点,可以用于高温除尘等领域。

碳化硅陶瓷膜的制备方法

不同于发展较为成熟的氧化物陶瓷膜,碳化硅陶瓷膜由于其材质本身的特殊性,在膜制备方面略逊一筹,现有制备技术有颗粒堆积法、碳热还原法、聚合物裂解法及化学气相沉积法等。

颗粒堆积法

颗粒堆积法即固态粒子烧结法,这种方法脱胎于多孔陶瓷制备方法,是常见的陶瓷膜制备方法,在大颗粒中掺杂小颗粒,利用细小颗粒容易烧结的特点,升至一定温度使大颗粒间形成连接,其中理想情况为大颗粒间颈部粘接,留有大量贯通孔道,同时保有较好的力学性能。

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颗粒堆积法工艺流程图

在使用颗粒堆积法制作碳化硅膜时,常使用浸浆法利用毛细孔作用生成膜层,配制稳定悬浮浆料后将浆料与支撑体表面接触,介质流入支撑体,分散在介质中的原料则浓缩堆积在支撑体表面形成粒子层,再经过干燥烧成形成成品。

这种方法工序简便,设备需求低,适用于工业化大量生产,力学性能良好,但孔隙率相对较低。由于其孔隙率与力学性能是反相关关系,可通过调节工艺参数在这两者间进行取舍。

碳热还原反应烧结法

碳热还原反应烧结主要使用适量的硅源和碳作为原料均匀混合,均匀涂覆在支撑体上,再在氩气气氛或真空环境保护下进行碳热还原反应,以二氧化硅作硅源为例,其中反应主要有:

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碳热还原反应烧结制备碳化硅陶瓷膜所用碳源硅源多为有机物,常需使用溶胶凝胶法成膜,而溶胶凝胶法制作碳化硅膜存在成膜条件较为苛刻、易产生缺陷,成品率不高等难点,因此少有具体应用。

碳热还原反应烧结原料多样,反应温度低,若能解决膜层成型阶段条件苛刻以及成品率低的问题就有潜力在碳化硅陶瓷膜的工业化生产领域与颗粒堆积法竞争。

聚合物裂解法

聚合物裂解法使用陶瓷先驱体将其溶解或熔融并涂覆于支撑体之上,再经过高温裂解形成无机陶瓷,在国外是一种较为常见的非氧化物无机陶瓷的制备方法。

以聚碳硅烷为例,在惰性气氛下加热到550℃~800℃时其分子结构中Si-H键与C-H键断开产生大量游离氢并生成氢气,对于含甲基的部分则接受游离氢甲基分界产生CH4,800℃以上剩余氢原子继续转化为游离氢分解,开始形成Si-C键,最终形成β-SiC。

聚合物裂解法制备碳化硅膜具有膜层成型方便,厚度可控,工艺简单,相较于颗粒堆积法来讲加热温度较低(1000℃左右),但原料成本相对来讲略为高昂。

目前大规模生产过滤用碳化硅陶瓷膜多用颗粒堆积法和聚合物裂解法,颗粒堆积法生产出的成品多为微滤膜,应用范围有限,和其他材质膜材料相比没有决定性优势,还有待进一步发展。

聚合物裂解法则相对较为成熟,厚度稳定却难控,孔径小成膜率好,还需继续改进。碳热还原法虽然成膜孔径小,但成膜率不高效果有待提高。

除上述方法之外还有制得膜层可控性强、致密度高、孔径小的化学气相沉积法,但其成本较高,工艺复杂,通量略显不足,且目前化学气相沉积法所制得碳化硅陶瓷膜多用于半导体行业和气相分离,在其它方向的应用还有待进一步开发。


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