中國(guó)粉體網(wǎng)訊 碳化硅陶瓷膜具有耐高溫、抗熱震、耐腐蝕、高通量、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，是環(huán)境污染治理領(lǐng)域中的關(guān)鍵材料。如今，如何制備高性能碳化硅陶瓷膜已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)。
來(lái)源：迪潔膜官網(wǎng)
碳化硅陶瓷膜一般為非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，由支撐體、過(guò)渡層、分離層組成。其制備過(guò)程主要包括坯體成型（支撐體成型、膜層成型）和燒結(jié)，二者對(duì)于成膜性能有較大的影響，通過(guò)改變制膜參數(shù)可有效調(diào)控碳化硅陶瓷膜性能，如孔隙率、通量、機(jī)械強(qiáng)度等。此外，合適的制備過(guò)程決定陶瓷膜的完整性，可防止裂紋、大孔等缺陷的形成。
碳化硅陶瓷膜制備——膜層制備方法
1、浸漬提拉法
浸漬提拉法主要包含以下幾個(gè)過(guò)程: 先將陶瓷顆�；蛘呔酆衔锴绑w分散在水或有機(jī)溶劑中形成均質(zhì)穩(wěn)定的制膜液，經(jīng)過(guò)涂覆后在多孔支撐體表面形成濕膜。
浸漬提拉法制備碳化硅陶瓷膜
該方法優(yōu)點(diǎn)在于：操作簡(jiǎn)單，能耗成本低，是目前應(yīng)用最為廣泛的制備方法之一。
2、噴涂法
噴涂法是利用噴槍將分散好的制膜液霧化成小液滴，隨后沉積在支撐體表面形成膜層。噴涂法主要的操作參數(shù)有噴槍與支撐體的距離、噴涂壓力和噴涂時(shí)間等。
該法優(yōu)勢(shì)在于：易于規(guī)模化生產(chǎn)、操作簡(jiǎn)單、漿料利用效率高、膜厚易調(diào)控。然而目前該方法僅用于微濾膜的制備。對(duì)于超濾和納濾等小孔徑膜層，噴涂過(guò)程中大量的氣體孔隙可能成為缺陷的主要來(lái)源。
3、化學(xué)氣相沉積法（CVD）
化學(xué)氣相沉積法(CVD) 是以一種或幾種氣相單質(zhì)或者化合物為原料，并使其在多孔支撐體表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)制備陶瓷膜的方法。采用該方法制備的陶瓷膜具有膜層孔徑小、制備溫度相對(duì)低的特點(diǎn)。
用于SiC層膜沉積的CVD系統(tǒng)示意圖
該法的不足之處在于：制膜條件苛刻、工藝繁瑣、能耗高、膜通量較低。目前化學(xué)氣相沉積法制備的碳化硅膜多用于氣體分離領(lǐng)域，在其它領(lǐng)域的應(yīng)用還需要進(jìn)一步拓展；且化學(xué)氣相沉積技術(shù)一般只能用于片式陶瓷膜，在管式或者多通道陶瓷膜制備過(guò)程中難以均勻的沉積。
4、相轉(zhuǎn)化法
相轉(zhuǎn)化法是指通過(guò)濕法或干法誘導(dǎo)，含有大量聚合物溶液的陶瓷漿料可由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，濕法和干法指將聚合物溶液暴露在非溶劑凝結(jié)浴或氣氛中。在相變過(guò)程中，聚合物形貌被保留為陶瓷膜孔道，其形狀通常分為指狀孔和海綿狀孔，具有相對(duì)較低的孔道曲折因子，從而利于制備更高通量的陶瓷膜。
表面改性前后碳化硅中空纖維膜的孔徑分布和 SEM 圖像
傳統(tǒng)的陶瓷膜的孔隙率在25.95%~47.64%之間，相轉(zhuǎn)化法制備的陶瓷膜孔隙率在70%以上。該法最初是用于有機(jī)膜的制備，然后研究發(fā)現(xiàn)相轉(zhuǎn)化法也是實(shí)現(xiàn)一步制備分級(jí)孔結(jié)構(gòu)陶瓷膜的有效途徑，對(duì)優(yōu)化陶瓷膜結(jié)構(gòu)、提高陶瓷膜孔隙率和通量具有廣泛應(yīng)用前景。
碳化硅陶瓷膜制備——燒結(jié)工藝
碳化硅陶瓷膜的燒結(jié)溫度與燒結(jié)技術(shù)密切相關(guān)，目前常見(jiàn)的燒結(jié)技術(shù)主要有：重結(jié)晶技術(shù)、陶瓷前體轉(zhuǎn)化技術(shù)、原位反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)以及新燒結(jié)技術(shù)。
1、重結(jié)晶燒結(jié)技術(shù)
重結(jié)晶燒結(jié)技術(shù)是指在高溫?zé)Y(jié)下，碳化硅顆粒依據(jù)蒸發(fā)-冷凝的氣相遷移機(jī)理實(shí)現(xiàn)重結(jié)。此過(guò)程中不涉及過(guò)多化學(xué)反應(yīng)，孔徑受原料粉體尺寸影響較大，獲得的碳化硅膜孔結(jié)構(gòu)均勻、曲折因子低。由于碳化硅在高溫、高壓和寬pH值范圍內(nèi)的條件下穩(wěn)定性好，在重結(jié)晶過(guò)程中一般采用添加燒結(jié)助劑和雙峰分布的碳化硅粉體來(lái)降低燒結(jié)溫度。
重結(jié)晶燒結(jié)技術(shù)制備碳化硅膜具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，但其燒結(jié)溫度較高（＞1800℃），能源消耗大，且燒結(jié)過(guò)程中需要惰性氣氛保護(hù)，對(duì)設(shè)備要求極其嚴(yán)格。此外，為了去除孔道中可能殘留的碳，待燒結(jié)完成后，還需在800℃以下的空氣氣氛下進(jìn)行表面氧化，使得制備工序變得繁瑣。
2、陶瓷前體轉(zhuǎn)化技術(shù)
陶瓷前體轉(zhuǎn)化技術(shù)是指將含硅有機(jī)高分子聚合物(如硅樹(shù)脂、聚碳硅烷等)在惰性氣氛和定溫度范圍內(nèi)(1100-1600℃) 裂解形成碳化硅骨料之間的黏結(jié)相，從而制備出具有多孔結(jié)構(gòu)和一定機(jī)械強(qiáng)度的碳化硅陶瓷膜。
該技術(shù)對(duì)燒結(jié)溫度要求較低，利于降低能耗。然而其原料為高分子聚合物，燒結(jié)過(guò)程需要無(wú)氧氣氛，存在成本較高、工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。為了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和優(yōu)化陶瓷前體轉(zhuǎn)化技術(shù)制膜的應(yīng)用潛能，還需要將研究的重點(diǎn)關(guān)注在降低成本及微結(jié)構(gòu)調(diào)控方面。
3、原位反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)
原位反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)是指在空氣氣氛下向碳化硅骨料顆粒中摻入燒結(jié)助劑，使其在遠(yuǎn)低于純相碳化硅陶瓷膜的燒結(jié)溫度下(1350-1550℃)生成氧化硅，然后與燒結(jié)助劑發(fā)生原位反應(yīng)，形成頸部連接。常見(jiàn)的燒結(jié)助劑主要為金屬氧化物，如Al2O3、ZrO2、Y2O3等。
該技術(shù)能有效降低碳化硅的燒結(jié)溫度，但為進(jìn)一步降低碳化硅膜的制備成本、提升商業(yè)化潛力，仍需要從縮減膜制備的工序方面尋找方法。
4、新燒結(jié)技術(shù)
為了降低成本，研究人員開(kāi)發(fā)了多種新型燒結(jié)技術(shù)，如共燒結(jié)、閃燒、放電等離子燒結(jié)以及振蕩壓力燒結(jié)等。這些新型燒結(jié)技術(shù)可以降低陶瓷的燒結(jié)溫度和顯著縮短陶瓷材料的燒結(jié)時(shí)間，被廣泛用于碳化硅陶瓷的燒結(jié)。
具體來(lái)講，盡管共燒結(jié)技術(shù)優(yōu)化了傳統(tǒng)陶瓷膜制備的多工序、長(zhǎng)周期的缺點(diǎn)，大大降低了陶瓷膜的燒結(jié)能耗和制備周期，但共燒技術(shù)應(yīng)用于陶瓷膜的制備仍有挑戰(zhàn)。閃燒可使碳化硅膜在極短時(shí)間內(nèi)致密；放電等離子燒結(jié)可實(shí)現(xiàn)超快速致密；振蕩壓力燒結(jié)可提高燒結(jié)前粉體的堆積密度并為燒結(jié)提供更大的燒結(jié)動(dòng)力。
碳化硅陶瓷膜的應(yīng)用
1、碳化硅陶瓷膜在高溫?zé)煔鈨艋械膽?yīng)用
碳化硅陶瓷膜因其耐高溫、耐腐蝕、抗熱震等優(yōu)勢(shì)在高溫?zé)煔庵卫眍I(lǐng)域獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。對(duì)于PM2.5等顆粒污染物，碳化硅陶瓷膜的除塵機(jī)理為孔道篩分、截留、吸附等。此外，碳化硅膜在高溫除塵方面已實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用，如煤化工、多晶硅和鋼鐵等行業(yè)。江蘇久朗高科技股份有限公司生產(chǎn)的高性能碳化硅陶瓷膜已被工業(yè)應(yīng)用于焦化行業(yè)移動(dòng)床活性焦脫硫。
2、碳化硅陶瓷膜在油水分離中的應(yīng)用
相比于其他氧化物陶瓷膜，碳化硅陶瓷膜具有更高的親水性，在油水分離中更有優(yōu)勢(shì)。這是由于親水性強(qiáng)的碳化硅膜對(duì)油的靜電排斥作用更大，因此具有較高的水通量和較好的抗污染性能。如用碳化硅平板膜生物器處理油田采出水，可成功去除了重金屬(29%-97%)、酚類(lèi)(高達(dá)100%)、苯系物(高達(dá) 100%)、多環(huán)芳(高達(dá) 100%)和總有機(jī)碳(96%-98%)。與聚合物平板膜相比，碳化硅陶瓷膜的通量增加了50%以上。
3、碳化硅陶瓷膜在氣體分離中的應(yīng)用
碳化硅膜在煉油廠(chǎng)氫氣回收、氮?dú)饣厥�、酸性氣體處理、溫室氣體捕獲、水煤氣反應(yīng)等氣體分離領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，無(wú)需引入相變過(guò)程，具有低能耗優(yōu)勢(shì)。SiC 陶瓷膜高效的阻隔作用、優(yōu)秀的抗熱震性能以及良好的高溫機(jī)械強(qiáng)度，在這個(gè)領(lǐng)域 SiC 陶瓷膜具有分離效率佳、操作簡(jiǎn)便、處理效果穩(wěn)定、脈沖氣流反吹后通量恢復(fù)較好的優(yōu)點(diǎn)。
碳化硅陶瓷膜被公認(rèn)為當(dāng)前全世界最高端膜技術(shù)的代表，其在解決飲用水安全、高難工業(yè)廢水、城市黑臭水體等重大水環(huán)境安全問(wèn)題上有巨大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。相比于其他陶瓷膜產(chǎn)品，碳化硅陶瓷膜發(fā)展時(shí)間太短，目前，只有少數(shù)的幾家能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。
為了解更多關(guān)于 SiC 陶瓷膜的專(zhuān)業(yè)知識(shí)及最新研究進(jìn)展，中國(guó)粉體網(wǎng)將于2023年12月20-21日在湖北宜昌舉辦“第六屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”，屆時(shí)，武漢工程大學(xué)徐慢教授將帶來(lái)題為《碳化硅陶瓷膜制備技術(shù)及應(yīng)用》的報(bào)告，講述碳化硅陶瓷膜的關(guān)鍵制備技術(shù)以其應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。
來(lái)源：
李冬燕等：碳化硅陶瓷膜的制備及其應(yīng)用進(jìn)展
Carbontech：SiC 陶瓷膜一膜分離技術(shù)潛力新星
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（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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