碳化硅陶瓷膜的應(yīng)用優(yōu)勢

隨著各國政府對廢水排放及原油采收率的要求日漸嚴(yán)格，碳化硅陶瓷膜在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用方面凸顯出較大優(yōu)勢。在最近幾年，以liqtech為代表的商用碳化硅陶瓷膜開始在高溫氣固分離、工業(yè)廢水處理等方面嶄露頭角。

碳化硅具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性、化學(xué)惰性、斷裂韌性以及耐酸堿性。其具有較大的膜通量，用于水處理效率非常高。同樣，在高溫環(huán)境、生物醫(yī)藥以及食品等領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用。

碳化硅陶瓷膜在油水分離方面應(yīng)用具有非常明顯的優(yōu)勢，因為相對于高分子膜，雖然通過共混改性可以提高膜的親水性和抗污染性，但膜的通量還是比較低，且經(jīng)過沖洗后通量會降低較多。碳化硅陶瓷膜具有膜通量大，可清洗性強，分離效果佳和使用壽命長等優(yōu)點。

碳化硅陶瓷膜不僅具有一般無機膜的耐高溫高壓、耐化學(xué)腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點，而且機械強度高、抗熱震性能強、孔隙率高、比表面積大等特點，可以用于高溫除塵等領(lǐng)域。

碳化硅陶瓷膜的制備方法

不同于發(fā)展較為成熟的氧化物陶瓷膜，碳化硅陶瓷膜由于其材質(zhì)本身的特殊性，在膜制備方面略遜一籌，現(xiàn)有制備技術(shù)有顆粒堆積法、碳熱還原法、聚合物裂解法及化學(xué)氣相沉積法等。

顆粒堆積法

顆粒堆積法即固態(tài)粒子燒結(jié)法，這種方法脫胎于多孔陶瓷制備方法，是常見的陶瓷膜制備方法，在大顆粒中摻雜小顆粒，利用細(xì)小顆粒容易燒結(jié)的特點，升至一定溫度使大顆粒間形成連接，其中理想情況為大顆粒間頸部粘接，留有大量貫通孔道，同時保有較好的力學(xué)性能。

顆粒堆積法工藝流程圖

在使用顆粒堆積法制作碳化硅膜時，常使用浸漿法利用毛細(xì)孔作用生成膜層，配制穩(wěn)定懸浮漿料后將漿料與支撐體表面接觸，介質(zhì)流入支撐體，分散在介質(zhì)中的原料則濃縮堆積在支撐體表面形成粒子層，再經(jīng)過干燥燒成形成成品。

這種方法工序簡便，設(shè)備需求低，適用于工業(yè)化大量生產(chǎn)，力學(xué)性能良好，但孔隙率相對較低。由于其孔隙率與力學(xué)性能是反相關(guān)關(guān)系，可通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)在這兩者間進(jìn)行取舍。

碳熱還原反應(yīng)燒結(jié)法

碳熱還原反應(yīng)燒結(jié)主要使用適量的硅源和碳作為原料均勻混合，均勻涂覆在支撐體上，再在氬氣氣氛或真空環(huán)境保護(hù)下進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)，以二氧化硅作硅源為例，其中反應(yīng)主要有：

碳熱還原反應(yīng)燒結(jié)制備碳化硅陶瓷膜所用碳源硅源多為有機物，常需使用溶膠凝膠法成膜，而溶膠凝膠法制作碳化硅膜存在成膜條件較為苛刻、易產(chǎn)生缺陷，成品率不高等難點，因此少有具體應(yīng)用。

碳熱還原反應(yīng)燒結(jié)原料多樣，反應(yīng)溫度低，若能解決膜層成型階段條件苛刻以及成品率低的問題就有潛力在碳化硅陶瓷膜的工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域與顆粒堆積法競爭。

聚合物裂解法

聚合物裂解法使用陶瓷先驅(qū)體將其溶解或熔融并涂覆于支撐體之上，再經(jīng)過高溫裂解形成無機陶瓷，在國外是一種較為常見的非氧化物無機陶瓷的制備方法。

以聚碳硅烷為例，在惰性氣氛下加熱到550℃~800℃時其分子結(jié)構(gòu)中Si-H鍵與C-H鍵斷開產(chǎn)生大量游離氫并生成氫氣，對于含甲基的部分則接受游離氫甲基分界產(chǎn)生CH4，800℃以上剩余氫原子繼續(xù)轉(zhuǎn)化為游離氫分解，開始形成Si-C鍵，最終形成β-SiC。

聚合物裂解法制備碳化硅膜具有膜層成型方便，厚度可控，工藝簡單，相較于顆粒堆積法來講加熱溫度較低（1000℃左右），但原料成本相對來講略為高昂。

目前大規(guī)模生產(chǎn)過濾用碳化硅陶瓷膜多用顆粒堆積法和聚合物裂解法，顆粒堆積法生產(chǎn)出的成品多為微濾膜，應(yīng)用范圍有限，和其他材質(zhì)膜材料相比沒有決定性優(yōu)勢，還有待進(jìn)一步發(fā)展。

聚合物裂解法則相對較為成熟，厚度穩(wěn)定卻難控，孔徑小成膜率好，還需繼續(xù)改進(jìn)。碳熱還原法雖然成膜孔徑小，但成膜率不高效果有待提高。

除上述方法之外還有制得膜層可控性強、致密度高、孔徑小的化學(xué)氣相沉積法，但其成本較高，工藝復(fù)雜，通量略顯不足，且目前化學(xué)氣相沉積法所制得碳化硅陶瓷膜多用于半導(dǎo)體行業(yè)和氣相分離，在其它方向的應(yīng)用還有待進(jìn)一步開發(fā)。