Was sind die neuen keramischen Membranmaterialien?
Die keramischen Membranen weisen in vielen anspruchsvollen Anwendungen aufgrund ihrer hohen Temperatur-, Druck- und Korrosionsbeständigkeit einzigartige Vorteile auf. In den Bereichen Petrochemie, Lebensmittel, Medizin, Umwelt, Energie und Metallurgie ist sie zu einer der sich am schnellsten entwickelnden und vielversprechendsten Sorten geworden.
Herkömmliche keramische Membranmaterialien wie Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid und Titanoxid haben ihre weitere Anwendung in der modernen Industrie aufgrund ihrer hohen Kosten und wenigen Typen eingeschränkt. Daher ist die Entwicklung neuer und kostengünstiger keramischer Membranmaterialien von großer Bedeutung für die Anwendung und Verbreitung der keramischen Membrantechnologie.
Gegenwärtig konzentriert sich die Forschung über neue keramische Membranmaterialien hauptsächlich auf zwei Aspekte. Synthetische keramische Membranmaterialien: hauptsächlich Siliziumkarbid, Mullit, Cordierit, Graphen und keramische Fasern; natürliche keramische Membranmaterialien: hauptsächlich natürlicher Zeolith, Flugasche und Kaolin.
Synthetische keramische Membranmaterialien
* Siliziumkarbid
Siliziumkarbid hat die Vorteile einer hohen Festigkeit, hohen Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und eines niedrigen Preises. Es kann eine gute thermische und chemische Stabilität unter rauen Bedingungen beibehalten und ist daher eine der ersten Wahl bei der Entwicklung von keramischen Membranmaterialien.
Die Herstellungsmethoden für keramische Siliziumkarbidmembranen umfassen hauptsächlich das Strangpressen und das Fließpressen. Im Vergleich zu herkömmlichen keramischen Membranmaterialien hat Siliziumkarbid eine niedrigere Sintertemperatur und eine höhere mechanische Festigkeit und bietet ein breites Anwendungsspektrum in Hochtemperatur- und Hochdrucksystemen.
* Mullit
Mullit ist die einzige stabile binäre kristalline Verbindung im System Al2O3-SiO2, die durch thermische Zersetzung von Aluminiumsilikat oder durch Hochtemperaturreaktion zwischen Siliziumdioxid und Aluminiumoxid hergestellt werden kann. Aufgrund ihrer Säure-Base-Beständigkeit, ihres niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ihres hohen Schmelzpunkts hat sie immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Im Vergleich zu herkömmlichen keramischen Filmmaterialien hat die Mullit-Keramikmembran eine höhere Porosität und eine bessere Alkalibeständigkeit.
* Kordierit
Die theoretische chemische Zusammensetzung von Cordierit ist 2MgO-2Al2O3-5SiO2, das dem hexagonalen Kristallsystem und sechsgliedrigen zyklischen Silikatkristallen angehört. Aufgrund seines niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und seiner hohen Zersetzungstemperatur sowie seiner Vorteile wie niedrige Produktionskosten und große Leistung hat es bei der Entwicklung von keramischen Membranmaterialien immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Im Vergleich zu Aluminiumoxid-Keramikmembranen weisen Cordierit-Keramikmembranen eine bessere Alkali-Korrosionsbeständigkeit, eine niedrigere Sintertemperatur und geringere Herstellungskosten auf.
* Keramische Fasern
Keramikfasern haben nicht nur die Eigenschaften der Hochtemperaturbeständigkeit, der guten chemischen Stabilität und der langen Lebensdauer des keramischen Materials, sondern auch die Vorteile der hohen Porosität und der spezifischen Oberfläche des Fasermaterials.
Bei der Membranherstellung werden die Keramikfasern aufgrund ihrer eigenen Faserformeigenschaften zufällig zwischen den Fasern aufgeschichtet und bilden so eine hohe Porosität, wobei die Gesamtporosität 70 % übersteigen kann. Die Gesamtporosität der Keramikfasermembran war fast doppelt so hoch wie die der Keramikpartikelmembran, wodurch der Membranfluss effektiv erhöht und der Permeabilitätswiderstand verringert wurde.
Einige Forscher verwendeten Titandioxid-Nanofasern als Rohmaterial zur Herstellung von doppelschichtigen TiO2-Membranen auf Aluminiumoxidträgern durch das Tauchschlammverfahren. Durch die Zugabe von Solen in die Faserschicht, um die Haftung zwischen den Fasern zu fördern, wurde die Bildung von Defektlöchern reduziert. Bei einer Sintertemperatur von 480 ℃ und einem Reinwasserfluss von 1000L/m2.h.bar beträgt das Abfangmolekulargewicht 32000, und die Leistung der Membran ist weitaus höher als die der herkömmlichen Keramikmembran.
* Graphen
Graphen, auch bekannt als "einlagiges Graphitblatt", bezeichnet eine dichte Schicht von Kohlenstoffatomen, die in ein wabenförmiges Kristallgitter eingewickelt sind. Die Kohlenstoffatome sind in einer zweidimensionalen Struktur angeordnet, die der Monolage von Graphit ähnlich ist. Graphen ist der einzige zweidimensionale Atomkristall im Freistaat, der derzeit gefunden wurde. Seine theoretische spezifische Oberfläche beträgt bis zu 2600 m2/g, und es hat eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und mechanische Eigenschaften, weshalb es immer mehr Aufmerksamkeit auf sich zieht.
Natürliche keramische Membranmaterialien
* Zeolith
Natürlicher Zeolith hat eine besondere poröse Struktur, eine entwickelte spezifische Oberfläche und reichlich Hydroxyl auf der Oberfläche. Die Verarbeitung von natürlichem Zeolith zu keramischen Trennmembranen kann nicht nur die Produktionskosten von Trennmembranen senken, sondern auch eine neue Möglichkeit für die Herstellung von Keramikmembranen bieten.
* Flugasche
Flugasche ist ein Abfall- und Nebenprodukt des Wärmekraftwerks, das die Umwelt stark belastet. Der Gehalt an Al2O3 und SiO2 in Flugasche beträgt 8,65 %, und nach dem Sintern bei hohen Temperaturen können hervorragende Eigenschaften wie hohe Feuerbeständigkeit, niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, gute chemische Stabilität und thermische Stabilität von Mullit gebildet werden. Daher kann Flugasche keramische Membranen mit hervorragender Leistung herstellen und recyceln.
* Kaolin
Kaolin (Al2O3-2SiO2-2H2O), auch bekannt als hydratisierte Aluminiumsilikat-Porzellanerde, ist eine wichtige nichtmetallische Mineralressource, die aufgrund ihres niedrigen Preises und ihrer überlegenen Leistung immer mehr Aufmerksamkeit im Bereich der Keramik erregt hat.
