Quali sono i nuovi materiali per membrane ceramiche?

Le membrane ceramiche presentano vantaggi unici in molte applicazioni impegnative per la loro resistenza alle alte temperature, alle alte pressioni e alla corrosione. Nei settori petrolchimico, alimentare, medico, ambientale, energetico e metallurgico, è diventata una delle varietà più promettenti e in rapido sviluppo.

I tradizionali materiali ceramici per membrane, come l'allumina, la zirconia e l'ossido di titanio, hanno limitato la loro ulteriore applicazione nelle industrie moderne a causa del loro costo elevato e delle poche tipologie. Pertanto, lo sviluppo di nuovi materiali per membrane ceramiche a basso costo è di grande importanza per l'applicazione e la diffusione della tecnologia delle membrane ceramiche.

Attualmente, la ricerca sui nuovi materiali per membrane ceramiche si concentra principalmente su due aspetti. Materiali ceramici sintetici per membrane: principalmente carburo di silicio, mullite, cordierite, grafene e fibra ceramica; materiali ceramici naturali per membrane: principalmente zeolite naturale, cenere volante e caolino.

Materiali ceramici sintetici per membrane

* Carburo di silicio

Ilcarburo di silicio presenta i vantaggi dell'alta resistenza, dell'elevata conducibilità termica, della resistenza alla corrosione e all'ossidazione e del basso prezzo; può mantenere una buona stabilità termica e chimica in condizioni difficili e, pertanto, è una delle scelte per sviluppare materiali ceramici per membrane.

I metodi di preparazione delle membrane ceramiche in carburo di silicio comprendono principalmente lo stampaggio per estrusione e lo stampaggio per canalizzazione del flusso. Rispetto ai materiali ceramici tradizionali, il carburo di silicio ha una temperatura di sinterizzazione più bassa e una maggiore resistenza meccanica e ha un'ampia prospettiva di applicazione nei sistemi ad alta temperatura e ad alta pressione.

* Mullite

La mullite è l'unico composto cristallino binario stabile del sistema Al2O3-SiO2, che può essere preparato dalla decomposizione termica del silicato di alluminio o dalla reazione ad alta temperatura tra silice e allumina. Ha attirato sempre più attenzione grazie alla sua resistenza agli acidi e alle basi, al basso coefficiente di espansione termica e all'elevato punto di fusione. Rispetto ai materiali ceramici tradizionali, la membrana ceramica di mullite presenta una maggiore porosità e una maggiore resistenza agli alcali.

* Cordierite

La composizione chimica teorica della cordierite è 2MgO-2Al2O3-5SiO2, che appartiene al sistema cristallino esagonale e al cristallo ciclico a sei membri del silicato. Grazie al suo basso coefficiente di espansione termica e all'elevata temperatura di decomposizione, nonché ai vantaggi del basso costo di produzione e della grande resa, ha attirato sempre più attenzione nello sviluppo di materiali per membrane ceramiche. Rispetto alla membrana ceramica in allumina, la membrana ceramica in cordierite presenta una migliore resistenza alla corrosione degli alcali, una temperatura di sinterizzazione più bassa e un costo di preparazione inferiore.

* Fibra ceramica

La fibra ceramica non solo ha le caratteristiche intrinseche di resistenza alle alte temperature, buona stabilità chimica e lunga durata del materiale ceramico, ma presenta anche i vantaggi dell'elevata porosità e dell'area superficiale specifica del materiale in fibra.

Nel processo di fabbricazione delle membrane, le fibre ceramiche, a causa delle loro caratteristiche di forma, sono ammassate in modo casuale tra le fibre per formare un'elevata porosità, e la porosità totale può superare il 70%. La porosità totale della membrana in fibra ceramica è quasi doppia rispetto a quella della membrana in particelle ceramiche, il che aumenta efficacemente il flusso della membrana e riduce la resistenza alla permeabilità.

Alcuni ricercatori hanno utilizzato nanofibre di biossido di titanio come materie prime per preparare membrane a doppio strato di TiO2 su supporti di allumina con il metodo dell'immersione in fanghi. Aggiungendo solventi nello strato di fibre per promuovere l'adesione tra le fibre, si è ridotta la formazione di fori difettosi. Alla temperatura di sinterizzazione di 480 ℃ con un flusso di acqua pura di 1000L/m2.h.bar, il peso molecolare dell'intercetta è di 32000 e le prestazioni della membrana sono di gran lunga superiori a quelle della membrana ceramica tradizionale.

* Grafene

Il grafene, noto anche come "foglio di grafite monostrato", si riferisce a uno strato denso di atomi di carbonio avvolti in un reticolo cristallino a nido d'ape. Gli atomi di carbonio sono disposti in una struttura bidimensionale, simile al monostrato di grafite. Il grafene è l'unico cristallo atomico bidimensionale allo stato libero attualmente esistente. La sua area superficiale specifica teorica raggiunge i 2600 m2/g. Ha un'eccezionale conduttività termica e proprietà meccaniche, per cui ha attirato sempre più attenzione.

Materiali naturali per membrane ceramiche

* Zeolite naturale

La zeolite naturale ha una speciale struttura porosa, una superficie specifica sviluppata e un'abbondante presenza di idrossile sulla superficie. La trasformazione della zeolite naturale in membrana ceramica di separazione può non solo ridurre il costo di produzione della membrana di separazione, ma anche fornire una nuova scelta per la preparazione della membrana ceramica.

* Ceneri volanti

Le ceneri volanti sono i rifiuti e i sottoprodotti delle centrali termoelettriche, che causano un grave inquinamento dell'ambiente. Il contenuto di Al2O3 e SiO2 nelle ceneri volanti raggiunge l'8,65% e, dopo la sinterizzazione ad alta temperatura, si possono formare eccellenti proprietà come l'elevata resistenza al fuoco, il basso coefficiente di espansione termica, la buona stabilità chimica e termica della mullite. Pertanto, le ceneri volanti possono preparare membrane ceramiche con prestazioni eccellenti e realizzare il riciclaggio.

* Caolino

Il caolino (Al2O3-2SiO2-2H2O), noto anche come argilla porcellanata idrata di silicato di alluminio, è un'importante risorsa minerale non metallica, che ha attirato sempre più attenzione nel campo della ceramica per il suo basso prezzo e le sue prestazioni superiori.