¿Cuáles son los nuevos materiales de las membranas cerámicas?
La membrana cerámica presenta ventajas únicas en muchas aplicaciones exigentes por su alta temperatura, alta presión y resistencia a la corrosión. En los campos de la petroquímica, la alimentación, la medicina, el medio ambiente, la energía y la metalurgia, se ha convertido en una de las variedades de más rápido desarrollo y más prometedoras.
Los materiales cerámicos tradicionales para membranas, como la alúmina, la circonia y el óxido de titanio, han limitado su aplicación en las industrias modernas debido a su elevado coste y a sus escasos tipos. Por lo tanto, el desarrollo de materiales cerámicos nuevos y baratos es de gran importancia para la aplicación y popularización de la tecnología de membranas cerámicas.
En la actualidad, la investigación sobre nuevos materiales cerámicos de membrana se centra principalmente en dos aspectos. Materiales cerámicos sintéticos de membrana: principalmente carburo de silicio, mullita, cordierita, grafeno y fibra cerámica; Materiales cerámicos naturales de membrana: principalmente zeolita natural, cenizas volantes y caolín.
Materiales de las membranas cerámicas sintéticas
* Carburo de silicio
El carburo de silicio tiene las ventajas de alta resistencia, alta conductividad térmica, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación, y bajo precio, puede mantener una buena estabilidad térmica y estabilidad química en condiciones duras y, por lo que es una de las opciones para desarrollar materiales de membrana de cerámica.
Los métodos de preparación de la membrana cerámica de carburo de silicio incluyen principalmente el moldeo por extrusión y el moldeo por conductos de flujo. En comparación con los materiales cerámicos de membrana tradicionales, el carburo de silicio tiene una temperatura de sinterización más baja y una resistencia mecánica más alta, y tiene una amplia perspectiva de aplicación en sistemas de alta temperatura y alta presión.
* Mullita
La mullita es el único compuesto cristalino binario estable del sistema Al2O3-SiO2, que puede prepararse por descomposición térmica de silicato de aluminio o reacción a alta temperatura entre sílice y alúmina. Ha atraído cada vez más atención por su resistencia ácido-base, su bajo coeficiente de expansión térmica y su elevado punto de fusión. En comparación con los materiales de película cerámica tradicionales, la membrana cerámica de mullita tiene mayor porosidad y mayor resistencia a los álcalis.
* Cordierita
La composición química teórica de la cordierita es 2MgO-2Al2O3-5SiO2, que pertenece al sistema cristalino hexagonal y al cristal de silicato cíclico de seis miembros. Debido a su bajo coeficiente de expansión térmica y alta temperatura de descomposición, así como a sus ventajas de bajo coste de producción y gran rendimiento, ha atraído cada vez más atención en el desarrollo de materiales cerámicos de membrana. En comparación con la membrana cerámica de alúmina, la membrana cerámica de cordierita tiene mejor resistencia a la corrosión alcalina, menor temperatura de sinterización y menor coste de preparación.
* Fibra cerámica
La fibra cerámica no sólo tiene las características inherentes de resistencia a altas temperaturas, buena estabilidad química y larga vida útil del material cerámico, sino que también tiene las ventajas de la alta porosidad y la superficie específica del material de fibra.
En el proceso de fabricación de membranas, las fibras cerámicas, debido a sus propias características de forma de fibra, se apilan aleatoriamente entre las fibras para formar una alta porosidad, y la porosidad total puede superar el 70%. La porosidad total de la membrana de fibras cerámicas era casi el doble que la de la membrana de partículas cerámicas, lo que aumentaba eficazmente el flujo de la membrana y reducía la resistencia a la permeabilidad.
Algunos investigadores utilizaron nanofibras de dióxido de titanio como materia prima para preparar membranas de doble capa de TiO2 sobre soportes de alúmina mediante el método de lechada por inmersión. Añadiendo soles en la capa de fibras para promover la adhesión entre las fibras, se redujo la formación de agujeros defectuosos. Bajo la temperatura de sinterización de 480 ℃ con el flujo de agua pura es 1000L/m2.h.bar, interceptar peso molecular es 32000, y el rendimiento de la membrana es mucho más que la membrana cerámica tradicional.
* Grafeno
El grafeno, también conocido como "lámina de grafito monocapa", se refiere a una densa capa de átomos de carbono envueltos en la red cristalina en forma de panal. Los átomos de carbono están dispuestos en una estructura bidimensional, similar a la monocapa de grafito. El grafeno es el único cristal atómico bidimensional en estado libre que existe en la actualidad. Su superficie específica teórica es de hasta 2.600 m2/g, y posee una conductividad térmica y unas propiedades mecánicas extraordinarias, por lo que ha atraído cada vez más atención.
Materiales cerámicos naturales para membranas
* Zeolita
La zeolita natural tiene una estructura porosa especial, una superficie específica desarrollada y abundante hidroxilo en la superficie. La transformación de la zeolita natural en membrana cerámica de separación no sólo puede reducir el coste de producción de la membrana de separación, sino que también proporciona una nueva opción para la preparación de la membrana cerámica.
* Cenizas volantes
Las cenizas volantes son los residuos y subproductos de las centrales térmicas, que causan una grave contaminación al medio ambiente. El contenido de Al2O3 y SiO2 en las cenizas volantes alcanza el 8,65%, y tras la sinterización a alta temperatura se pueden formar excelentes propiedades, como alta resistencia al fuego, bajo coeficiente de expansión térmica, buena estabilidad química y estabilidad térmica de la mullita. Por lo tanto, las cenizas volantes pueden preparar membranas cerámicas con excelentes prestaciones y realizar el reciclado.
* Caolín
El caolín (Al2O3-2SiO2-2H2O), también conocido como arcilla de porcelana de silicato de aluminio hidratado, es un importante recurso mineral no metálico, que ha atraído cada vez más atención en el campo de la cerámica debido a su bajo precio y rendimiento superior.
