Quels sont les nouveaux matériaux céramiques pour membranes ?

Les membranes céramiques présentent des avantages uniques dans de nombreuses applications exigeantes en raison de leur résistance aux hautes températures, aux hautes pressions et à la corrosion. Dans les domaines de la pétrochimie, de l'alimentation, de la médecine, de l'environnement, de l'énergie et de la métallurgie, elle est devenue l'une des variétés les plus prometteuses et à l'évolution la plus rapide.

Les membranes céramiques traditionnelles telles que l'alumine, la zircone et l'oxyde de titane ont limité leur application dans les industries modernes en raison de leur coût élevé et du nombre limité de types de membranes. C'est pourquoi le développement de nouveaux matériaux céramiques bon marché est d'une grande importance pour l'application et la popularisation de la technologie des membranes céramiques.

À l'heure actuelle, la recherche sur les nouveaux matériaux membranaires céramiques se concentre principalement sur deux aspects. Les matériaux céramiques synthétiques : principalement le carbure de silicium, la mullite, la cordiérite, le graphène et la fibre céramique ; les matériaux céramiques naturels : principalement la zéolithe naturelle, les cendres volantes et le kaolin.

Membranes céramiques synthétiques

* Carbure de silicium

Lecarbure de silicium présente les avantages d'une grande résistance, d'une conductivité thermique élevée, d'une résistance à la corrosion, d'une résistance à l'oxydation et d'un prix peu élevé. Il peut conserver une bonne stabilité thermique et chimique dans des conditions difficiles, ce qui en fait l'un des matériaux de choix pour le développement de membranes céramiques.

Les méthodes de préparation des membranes céramiques en carbure de silicium comprennent principalement le moulage par extrusion et le moulage par écoulement. Par rapport aux membranes céramiques traditionnelles, le carbure de silicium a une température de frittage plus basse et une résistance mécanique plus élevée, ce qui ouvre de vastes perspectives d'application dans les systèmes à haute température et à haute pression.

* Mullite

La mullite est le seul composé cristallin binaire stable du système Al2O3-SiO2, qui peut être préparé par décomposition thermique du silicate d'aluminium ou par réaction à haute température entre la silice et l'alumine. Il a attiré de plus en plus d'attention en raison de sa résistance aux acides et aux bases, de son faible coefficient de dilatation thermique et de son point de fusion élevé. Par rapport aux films céramiques traditionnels, la membrane céramique en mullite présente une plus grande porosité et une meilleure résistance aux alcalis.

* Cordiérite

La composition chimique théorique de la cordiérite est 2MgO-2Al2O3-5SiO2, qui appartient au système cristallin hexagonal et au cristal de silicate cyclique à six chaînons. En raison de son faible coefficient de dilatation thermique et de sa température de décomposition élevée, ainsi que de son faible coût de production et de son rendement élevé, la cordiérite a attiré de plus en plus d'attention dans le développement de matériaux pour membranes céramiques. Comparée à la membrane en céramique d'alumine, la membrane en céramique de cordiérite présente une meilleure résistance à la corrosion alcaline, une température de frittage plus basse et un coût de préparation plus faible.

* Fibre céramique

La fibre céramique possède non seulement les caractéristiques inhérentes de résistance aux températures élevées, de bonne stabilité chimique et de longue durée de vie du matériau céramique, mais aussi les avantages d'une porosité élevée et d'une surface spécifique du matériau fibreux.

Lors de la fabrication de la membrane, les fibres céramiques, en raison de leurs propres caractéristiques de forme, sont empilées au hasard parmi les fibres pour former une porosité élevée, et la porosité totale peut dépasser 70 %. La porosité totale de la membrane en fibres céramiques était presque deux fois supérieure à celle de la membrane en particules céramiques, ce qui a permis d'augmenter efficacement le flux de la membrane et de réduire la résistance à la perméabilité.

Certains chercheurs ont utilisé des nanofibres de dioxyde de titane comme matières premières pour préparer des membranes à double couche de TiO2 sur des supports d'alumine par la méthode de la boue de trempage. L'ajout de sols dans la couche de fibres pour promouvoir l'adhésion entre les fibres a permis de réduire la formation de trous de défectuosité. Sous la température de frittage de 480 ℃ avec un flux d'eau pure de 1000L/m2.h.bar, le poids moléculaire d'interception est de 32000, et la performance de la membrane est bien supérieure à celle de la membrane céramique traditionnelle.

* Graphène

Le graphène, également connu sous le nom de "feuille de graphite monocouche", est une couche dense d'atomes de carbone enveloppés dans un réseau cristallin en nid d'abeille. Les atomes de carbone sont disposés dans une structure bidimensionnelle, similaire à la monocouche de graphite. Le graphène est le seul cristal atomique bidimensionnel à l'état libre existant à l'heure actuelle. Sa surface spécifique théorique peut atteindre 2600 m2/g, et il possède une conductivité thermique et des propriétés mécaniques exceptionnelles, ce qui lui vaut une attention croissante.

Matériaux céramiques naturels pour membranes

* Zéolithe

La zéolite naturelle a une structure poreuse spéciale, une surface spécifique développée et un hydroxyle abondant à la surface. La transformation de la zéolite naturelle en membrane céramique de séparation peut non seulement réduire le coût de production de la membrane de séparation, mais aussi offrir un nouveau choix pour la préparation de la membrane céramique.

* Cendres volantes

Les cendres volantes sont des déchets et des sous-produits des centrales thermiques qui polluent gravement l'environnement. La teneur en Al2O3 et SiO2 des cendres volantes atteint 8,65%, et d'excellentes propriétés telles qu'une résistance élevée au feu, un faible coefficient de dilatation thermique, une bonne stabilité chimique et une stabilité thermique de la mullite peuvent être formées après un frittage à haute température. Par conséquent, les cendres volantes peuvent préparer des membranes céramiques avec d'excellentes performances et permettre le recyclage.

* Kaolin

Le kaolin (Al2O3-2SiO2-2H2O), également connu sous le nom d'argile porcelainée au silicate d'aluminium hydraté, est une ressource minérale non métallique importante, qui a attiré de plus en plus d'attention dans le domaine des céramiques en raison de son faible prix et de ses performances supérieures.