中國粉體網訊 碳化硅陶瓷膜具有耐高溫、抗熱震、耐腐蝕、高通量、使用壽命長等優勢，是環境污染治理領域中的關鍵材料。如今，如何制備高性能碳化硅陶瓷膜已經成為目前研究的熱點。
來源：迪潔膜官網
碳化硅陶瓷膜一般為非對稱結構，由支撐體、過渡層、分離層組成。其制備過程主要包括坯體成型（支撐體成型、膜層成型）和燒結，二者對于成膜性能有較大的影響，通過改變制膜參數可有效調控碳化硅陶瓷膜性能，如孔隙率、通量、機械強度等。此外，合適的制備過程決定陶瓷膜的完整性，可防止裂紋、大孔等缺陷的形成。
碳化硅陶瓷膜制備——膜層制備方法
1、浸漬提拉法
浸漬提拉法主要包含以下幾個過程: 先將陶瓷顆粒或者聚合物前體分散在水或有機溶劑中形成均質穩定的制膜液，經過涂覆后在多孔支撐體表面形成濕膜。
浸漬提拉法制備碳化硅陶瓷膜
該方法優點在于：操作簡單，能耗成本低，是目前應用最為廣泛的制備方法之一。
2、噴涂法
噴涂法是利用噴槍將分散好的制膜液霧化成小液滴，隨后沉積在支撐體表面形成膜層。噴涂法主要的操作參數有噴槍與支撐體的距離、噴涂壓力和噴涂時間等。
該法優勢在于：易于規模化生產、操作簡單、漿料利用效率高、膜厚易調控。然而目前該方法僅用于微濾膜的制備。對于超濾和納濾等小孔徑膜層，噴涂過程中大量的氣體孔隙可能成為缺陷的主要來源。
3、化學氣相沉積法（CVD）
化學氣相沉積法(CVD) 是以一種或幾種氣相單質或者化合物為原料，并使其在多孔支撐體表面進行化學反應制備陶瓷膜的方法。采用該方法制備的陶瓷膜具有膜層孔徑小、制備溫度相對低的特點。
用于SiC層膜沉積的CVD系統示意圖
該法的不足之處在于：制膜條件苛刻、工藝繁瑣、能耗高、膜通量較低。目前化學氣相沉積法制備的碳化硅膜多用于氣體分離領域，在其它領域的應用還需要進一步拓展；且化學氣相沉積技術一般只能用于片式陶瓷膜，在管式或者多通道陶瓷膜制備過程中難以均勻的沉積。
4、相轉化法
相轉化法是指通過濕法或干法誘導，含有大量聚合物溶液的陶瓷漿料可由液態轉變為固態，濕法和干法指將聚合物溶液暴露在非溶劑凝結浴或氣氛中。在相變過程中，聚合物形貌被保留為陶瓷膜孔道，其形狀通常分為指狀孔和海綿狀孔，具有相對較低的孔道曲折因子，從而利于制備更高通量的陶瓷膜。
表面改性前后碳化硅中空纖維膜的孔徑分布和 SEM 圖像
傳統的陶瓷膜的孔隙率在25.95%~47.64%之間，相轉化法制備的陶瓷膜孔隙率在70%以上。該法最初是用于有機膜的制備，然后研究發現相轉化法也是實現一步制備分級孔結構陶瓷膜的有效途徑，對優化陶瓷膜結構、提高陶瓷膜孔隙率和通量具有廣泛應用前景。
碳化硅陶瓷膜制備——燒結工藝
碳化硅陶瓷膜的燒結溫度與燒結技術密切相關，目前常見的燒結技術主要有：重結晶技術、陶瓷前體轉化技術、原位反應燒結技術以及新燒結技術。
1、重結晶燒結技術
重結晶燒結技術是指在高溫燒結下，碳化硅顆粒依據蒸發-冷凝的氣相遷移機理實現重結。此過程中不涉及過多化學反應，孔徑受原料粉體尺寸影響較大，獲得的碳化硅膜孔結構均勻、曲折因子低。由于碳化硅在高溫、高壓和寬pH值范圍內的條件下穩定性好，在重結晶過程中一般采用添加燒結助劑和雙峰分布的碳化硅粉體來降低燒結溫度。
重結晶燒結技術制備碳化硅膜具有較高的化學穩定性，但其燒結溫度較高（＞1800℃），能源消耗大，且燒結過程中需要惰性氣氛保護，對設備要求極其嚴格。此外，為了去除孔道中可能殘留的碳，待燒結完成后，還需在800℃以下的空氣氣氛下進行表面氧化，使得制備工序變得繁瑣。
2、陶瓷前體轉化技術
陶瓷前體轉化技術是指將含硅有機高分子聚合物(如硅樹脂、聚碳硅烷等)在惰性氣氛和定溫度范圍內(1100-1600℃) 裂解形成碳化硅骨料之間的黏結相，從而制備出具有多孔結構和一定機械強度的碳化硅陶瓷膜。
該技術對燒結溫度要求較低，利于降低能耗。然而其原料為高分子聚合物，燒結過程需要無氧氣氛，存在成本較高、工藝復雜的缺點，不利于工業化生產。為了進一步開發和優化陶瓷前體轉化技術制膜的應用潛能，還需要將研究的重點關注在降低成本及微結構調控方面。
3、原位反應燒結技術
原位反應燒結技術是指在空氣氣氛下向碳化硅骨料顆粒中摻入燒結助劑，使其在遠低于純相碳化硅陶瓷膜的燒結溫度下(1350-1550℃)生成氧化硅，然后與燒結助劑發生原位反應，形成頸部連接。常見的燒結助劑主要為金屬氧化物，如Al2O3、ZrO2、Y2O3等。
該技術能有效降低碳化硅的燒結溫度，但為進一步降低碳化硅膜的制備成本、提升商業化潛力，仍需要從縮減膜制備的工序方面尋找方法。
4、新燒結技術
為了降低成本，研究人員開發了多種新型燒結技術，如共燒結、閃燒、放電等離子燒結以及振蕩壓力燒結等。這些新型燒結技術可以降低陶瓷的燒結溫度和顯著縮短陶瓷材料的燒結時間，被廣泛用于碳化硅陶瓷的燒結。
具體來講，盡管共燒結技術優化了傳統陶瓷膜制備的多工序、長周期的缺點，大大降低了陶瓷膜的燒結能耗和制備周期，但共燒技術應用于陶瓷膜的制備仍有挑戰。閃燒可使碳化硅膜在極短時間內致密；放電等離子燒結可實現超快速致密；振蕩壓力燒結可提高燒結前粉體的堆積密度并為燒結提供更大的燒結動力。
碳化硅陶瓷膜的應用
1、碳化硅陶瓷膜在高溫煙氣凈化中的應用
碳化硅陶瓷膜因其耐高溫、耐腐蝕、抗熱震等優勢在高溫煙氣治理領域獨具優勢。對于PM2.5等顆粒污染物，碳化硅陶瓷膜的除塵機理為孔道篩分、截留、吸附等。此外，碳化硅膜在高溫除塵方面已實現了大規模應用，如煤化工、多晶硅和鋼鐵等行業。江蘇久朗高科技股份有限公司生產的高性能碳化硅陶瓷膜已被工業應用于焦化行業移動床活性焦脫硫。
2、碳化硅陶瓷膜在油水分離中的應用
相比于其他氧化物陶瓷膜，碳化硅陶瓷膜具有更高的親水性，在油水分離中更有優勢。這是由于親水性強的碳化硅膜對油的靜電排斥作用更大，因此具有較高的水通量和較好的抗污染性能。如用碳化硅平板膜生物器處理油田采出水，可成功去除了重金屬(29%-97%)、酚類(高達100%)、苯系物(高達 100%)、多環芳(高達 100%)和總有機碳(96%-98%)。與聚合物平板膜相比，碳化硅陶瓷膜的通量增加了50%以上。
3、碳化硅陶瓷膜在氣體分離中的應用
碳化硅膜在煉油廠氫氣回收、氮氣回收、酸性氣體處理、溫室氣體捕獲、水煤氣反應等氣體分離領域廣泛應用，無需引入相變過程，具有低能耗優勢。SiC 陶瓷膜高效的阻隔作用、優秀的抗熱震性能以及良好的高溫機械強度，在這個領域 SiC 陶瓷膜具有分離效率佳、操作簡便、處理效果穩定、脈沖氣流反吹后通量恢復較好的優點。
碳化硅陶瓷膜被公認為當前全世界最高端膜技術的代表，其在解決飲用水安全、高難工業廢水、城市黑臭水體等重大水環境安全問題上有巨大的優勢和應用前景。相比于其他陶瓷膜產品，碳化硅陶瓷膜發展時間太短，目前，只有少數的幾家能夠實現商業化生產。
為了解更多關于 SiC 陶瓷膜的專業知識及最新研究進展，中國粉體網將于2023年12月20-21日在湖北宜昌舉辦“第六屆新型陶瓷技術與產業高峰論壇”，屆時，武漢工程大學徐慢教授將帶來題為《碳化硅陶瓷膜制備技術及應用》的報告，講述碳化硅陶瓷膜的關鍵制備技術以其應用現狀及前景。
來源：
李冬燕等：碳化硅陶瓷膜的制備及其應用進展
Carbontech：SiC 陶瓷膜一膜分離技術潛力新星
中國粉體網
（中國粉體網編輯整理/空青）
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