ما هي مواد الأغشية الخزفية الجديدة؟

يُظهر غشاء السيراميك مزايا فريدة في العديد من التطبيقات الصعبة لدرجات الحرارة العالية والضغط العالي ومقاومة التآكل. وفي مجالات البتروكيماويات والأغذية والأدوية والبيئة والطاقة والمعادن، أصبحت واحدة من أسرع الأنواع الواعدة وأكثرها تطورًا.

ونظراً لارتفاع تكلفتها وقلة أنواعها، فإن مواد الأغشية الخزفية التقليدية مثل الألومينا والزركونيا وأكسيد التيتانيوم قد حدّت من تطبيقها في الصناعات الحديثة. لذلك، فإن تطوير مواد غشائية خزفية جديدة ورخيصة الثمن له أهمية كبيرة لتطبيق وتعميم تكنولوجيا الأغشية الخزفية.

في الوقت الحاضر، يركز البحث في مواد الأغشية الخزفية الجديدة بشكل أساسي على جانبين. مواد الأغشية الخزفية الاصطناعية: بشكل رئيسي كربيد السيليكون والموليت والكورديريت والجرافين والألياف الخزفية؛ مواد الأغشية الخزفية الطبيعية: بشكل رئيسي الزيوليت الطبيعي والرماد المتطاير والكاولين.

مواد الأغشية الخزفية الاصطناعية

* كربيد السيليكون

يتميز كربيد السيليكون بمزايا القوة العالية، والتوصيل الحراري العالي، ومقاومة التآكل، ومقاومة الأكسدة، والسعر المنخفض، ويمكنه الحفاظ على الاستقرار الحراري الجيد والاستقرار الكيميائي في ظل الظروف القاسية، لذلك فهو أحد الخيارات لتطوير مواد الأغشية الخزفية.

تشتمل طرق تحضير غشاء سيراميك كربيد السيليكون بشكل أساسي على قولبة البثق وصب قناة التدفق. بالمقارنة مع المواد الغشائية الخزفية التقليدية، فإن كربيد السيليكون لديه درجة حرارة تلبيد أقل وقوة ميكانيكية أعلى ولديه إمكانية تطبيق واسعة في أنظمة درجات الحرارة العالية والضغط العالي.

* الموليت

الموليت هو المركب البلوري الثنائي الوحيد المستقر في نظام Al2O3-SiO2، والذي يمكن تحضيره عن طريق التحلل الحراري لسيليكات الألومنيوم أو التفاعل بدرجة حرارة عالية بين السيليكا والألومينا. وقد اجتذبت المزيد والمزيد من الاهتمام بسبب مقاومتها للأحماض والقاعدة، ومعامل التمدد الحراري المنخفض، ونقطة الانصهار العالية. بالمقارنة مع مواد الأغشية الخزفية التقليدية، يتميز غشاء سيراميك الموليت بمسامية أعلى ومقاومة أقوى للقلويات.

* الكورديريت

التركيب الكيميائي النظري للكوردييرايت هو 2MgO-2Al2O3-5SiO2، والذي ينتمي إلى النظام البلوري السداسي وبلورة سيليكات حلقية سداسية الأعضاء. نظرًا لمعامل التمدد الحراري المنخفض ودرجة حرارة التحلل العالية، فضلاً عن مزاياها المتمثلة في انخفاض تكلفة الإنتاج والإنتاج الكبير، فقد جذبت المزيد والمزيد من الاهتمام في تطوير مواد الأغشية الخزفية. بالمقارنة مع غشاء سيراميك الألومينا، يتميز غشاء سيراميك الكورديريت بمقاومة أفضل للتآكل القلوي، ودرجة حرارة تلبيد أقل، وتكلفة تحضير أقل.

* الألياف الخزفية

لا تتمتع الألياف الخزفية بخصائص متأصلة في مقاومة درجات الحرارة العالية والاستقرار الكيميائي الجيد وعمر الخدمة الطويل للمواد الخزفية فحسب، بل تتميز أيضًا بمزايا المسامية العالية ومساحة السطح المحددة لمواد الألياف.

في عملية صنع الغشاء، تتراكم الألياف الخزفية، نظرًا لخصائص شكلها الليفي، بشكل عشوائي بين الألياف لتشكل مسامية عالية، ويمكن أن تتجاوز المسامية الكلية 70٪. كانت المسامية الإجمالية لغشاء الألياف الخزفية ضعف مسامية غشاء جسيمات السيراميك تقريبًا، مما زاد بشكل فعال من تدفق الغشاء وقلل من مقاومة النفاذية.

واستخدم بعض الباحثين ألياف ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية كمواد خام لتحضير أغشية TiO2 مزدوجة الطبقة على دعامات الألومينا بطريقة غمس الطين. بإضافة المواد المذابة في طبقة الألياف لتعزيز الالتصاق بين الألياف، تم تقليل تكوين ثقوب العيوب. تحت درجة حرارة تلبيد 480 ℃ مع تدفق الماء النقي 1000 لتر/م2.h.bar، يكون الوزن الجزيئي المعترض 32000، ويكون أداء الغشاء أكثر بكثير من الغشاء الخزفي التقليدي.

* الجرافين

يشير الجرافين، المعروف أيضًا باسم "صفيحة الجرافيت أحادية الطبقة"، إلى طبقة كثيفة من ذرات الكربون ملفوفة في شبكة بلورية على شكل قرص العسل. يتم ترتيب ذرات الكربون في بنية ثنائية الأبعاد، وهي تشبه الطبقة الأحادية من الجرافيت. الجرافين هو البلورة الذرية ثنائية الأبعاد الوحيدة ثنائية الأبعاد الموجودة في الوقت الحاضر. وتصل مساحة سطحه المحددة نظريًا إلى 2600 م2/غرام، ويتمتع بموصلية حرارية وخصائص ميكانيكية رائعة، لذا فقد جذب المزيد والمزيد من الاهتمام.

مواد الأغشية الخزفية الطبيعية

* الزيوليت

يحتوي الزيوليت الطبيعي على بنية مسامية خاصة، وسطح محدد متطور، وهيدروكسيل وفير على السطح. لا يمكن أن تؤدي معالجة الزيوليت الطبيعي في أغشية الفصل الخزفية إلى تقليل تكلفة إنتاج أغشية الفصل فحسب، بل توفر أيضًا خيارًا جديدًا لتحضير الأغشية الخزفية.

* الرماد المتطاير

الرماد المتطاير هو نفايات ومنتج ثانوي لمحطة الطاقة الحرارية، والذي يسبب تلوثًا خطيرًا للبيئة. ويصل محتوى Al2O3 و SiO2 في الرماد المتطاير إلى 8.65%، ويمكن تشكيل خصائص ممتازة مثل مقاومة الحريق العالية، ومعامل التمدد الحراري المنخفض، والاستقرار الكيميائي الجيد، والاستقرار الحراري للموليت بعد التلبيد بدرجة حرارة عالية. لذلك، يمكن للرماد المتطاير تحضير أغشية خزفية ذات أداء ممتاز وتحقيق إعادة التدوير.

* الكاولين

يعد الكاولين (Al2O3-2SiO2-2H2O)، المعروف أيضًا باسم طين سيليكات الألومنيوم المطفأ المائي، موردًا معدنيًا غير معدني مهم، والذي جذب المزيد والمزيد من الاهتمام في مجال السيراميك بسبب انخفاض سعره وأدائه المتفوق.