碳化硅陶瓷膜：一種有望取代各種無機膜的新型分離膜？

        新材料在線10月9日訊：碳化硅陶瓷膜擁有化學穩定性高、抗熱震性好、親水性強、膜通量大、機械強度高、孔徑分布集中、孔結構梯度較好等特點。相較于傳統膜材料，碳化硅陶瓷膜在水處理時可高效分離水中懸浮顆粒及油滴而不受給水質量影響，也因為它穩定耐用的特性可以有效減少停工期以及安裝成本，被認為是一種有望取代各種無機膜的新型分離膜。

        碳化硅陶瓷膜的應用優勢

            隨著各國政府對廢水排放及原油采收率的要求日漸嚴格，碳化硅陶瓷膜在工業領域應用方面凸顯出較大優勢。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、工業廢水處理等方面嶄露頭角。

            碳化硅具有優良的熱傳導性、化學惰性、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，在高溫環境、生物醫藥以及食品等領域都有非常廣泛的應用。

            碳化硅陶瓷膜在油水分離方面應用具有非常明顯的優勢，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、耐化學腐蝕、化學穩定性高等優點，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域。

            碳化硅陶瓷膜的制備方法

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

        顆粒堆積法

            顆粒堆積法即固態粒子燒結法，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，利用細小顆粒容易燒結的特點，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性能。

            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孔作用生成膜層，配制穩定懸浮漿料后將漿料與支撐體表面接觸，介質流入支撐體，分散在介質中的原料則濃縮堆積在支撐體表面形成粒子層，再經過干燥燒成形成成品。

            這種方法工序簡便，設備需求低，適用于工業化大量生產，力學性能良好，但孔隙率相對較低。由于其孔隙率與力學性能是反相關關系，可通過調節工藝參數在這兩者間進行取舍。

        碳熱還原反應燒結法

            碳熱還原反應燒結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境保護下進行碳熱還原反應，以二氧化硅作硅源為例，其中反應主要有：

            碳熱還原反應燒結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、易產生缺陷，成品率不高等難點，因此少有具體應用。

            碳熱還原反應燒結原料多樣，反應溫度低，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化生產領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體將其溶解或熔融并涂覆于支撐體之上，再經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℃時其分子結構中Si-H鍵與C-H鍵斷開產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生CH4，800℃以上剩余氫原子繼續轉化為游離氫分解，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。

            目前大規模生產過濾用碳化硅陶瓷膜多用顆粒堆積法和聚合物裂解法，顆粒堆積法生產出的成品多為微濾膜，應用范圍有限，和其他材質膜材料相比沒有決定性優勢，還有待進一步發展。

            聚合物裂解法則相對較為成熟，厚度穩定卻難控，孔徑小成膜率好，還需繼續改進。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、孔徑小的化學氣相沉積法，但其成本較高，工藝復雜，通量略顯不足，且目前化學氣相沉積法所制得碳化硅陶瓷膜多用于半導體行業和氣相分離，在其它方向的應用還有待進一步開發。