Porézní keramické nosiče z karbidu křemíku (SiC) se díky své vynikající tepelné stabilitě, vysoké mechanické pevnosti a mimořádné chemické odolnosti široce používají v moderních membránových filtračních systémech.
Keramické materiály na bázi SiC jsou obzvláště vhodné pro náročné podmínky, jako je filtrace při vysokých teplotách, čištění odpadních vod a chemické zpracování. Konvenční SiC keramika však vyžaduje extrémně vysoké teploty slinování (>2000 °C), což omezuje její průmyslovou výrobu ve velkém měřítku.
Účinným řešením tohoto problému se stalo nízkoteplotní slinování v kapalné fázi s využitím skleněných přísad.
Strategie nízkoteplotního slinování pro keramiku z SiC
V této studii byl skleněná frita obsahující zirkonium získaný z levného břidlicového plynu byl zaveden jako slinovací přísada s cílem podpořit spojování v kapalné fázi a výrazně snížit teplotu slinování.
Skleněná frita se připravuje roztavením břidlicové suroviny při teplotě 1500 °C, čímž vzniká skleněný systém s více oxidy, který obsahuje:
- SiO₂, Al₂O₃, CaO (síťová struktura)
- ZrO₂ (zvyšuje odolnost proti korozi)
- Fe₂O₃, MgO, Na₂O, K₂O (zvyšují slinovací aktivitu)
Tento přístup umožňuje zhutnění SiC keramiky při 1100–1250 °C, čímž se výrazně sníží spotřeba energie.
Suroviny a výrobní proces
Systém surovin
- Prášek z karbidu křemíku (SiC) (čistota 99,5%, D50 ≈ 15,1 μm)
- Skleněná frita obsahující zirkonium (přísada pro nízkoteplotní slinování)
- Částice grafitu (D50 ≈ 19,4 μm, látka vytvářející póry)
- Karboxymethylcelulóza (CMC, pojivo)
Kroky zpracování
- Smíchání prášku SiC, skleněné frity a grafitu v předem stanovených poměrech
- Mletí v kulovém mlýnu s roztokem CMC 0,5% (30 minut)
- Sušení a granulace
- Jednoosé lisování při tlaku 30 MPa
- Sintrování při teplotě 1100–1250 °C po dobu 3 hodin
Konečným produktem je porézní keramický nosič z SiC se stabilní propojenou sítí pórů.
Charakterizace mikrostruktury a vlastností
1. Regulace pórovitosti
Pórovitost lze účinně regulovat úpravou obsahu skleněné frity a grafitu:
- Pórovitost: ~30%–40%
- Jednotná a propojená struktura pórů
- Stabilní rozložení velikosti pórů
Grafit se během slinování spálí a vytvoří souvislé otevřené kanálky, které zvyšují propustnost.
2. Mechanická pevnost
Za optimalizovaných podmínek (skleněná frita 20%, grafit 15%, slinování při teplotě 1180 °C):
- Pevnost v ohybu: 67,1 MPa
- Vyvážený vztah mezi pevností a pórovitostí
- Stabilní konstrukční integrita
Sklená fáze zlepšuje soudržnost částic a zvyšuje strukturální stabilitu.
3. Analýza složení fází
Výsledky rentgenové difrakce ukazují:
- Hlavní fáze: SiC
- Je přítomna nepatrná skelná fáze
- Nebyly pozorovány žádné destruktivní sekundární fáze
To potvrzuje, že mechanismus zhutňování je ovládán slinováním v kapalné fázi.
4. Mikrostruktura (pozorování pomocí SEM)
Analýza mikrostruktury ukazuje:
- Rovnoměrné rozložení částic SiC
- Spojení částic ve skelné fázi
- Dobře vyvinuté, vzájemně propojené pórové kanálky
- Průměrná velikost pórů: 1,37 μm
Tato konstrukce je ideální pro aplikace v oblasti membránové filtrace.
5. Propustnost a průtok vody
Optimalizovaný porézní nosič z SiC vykazuje:
- Průměrná velikost pórů: 1,37 μm
- Průtok čisté vody: 8075 l/(m²·h·bar)
To dokazuje vynikající propustnostní vlastnosti u mikrofiltračních systémů.
6. Odolnost proti kyselé a zásadité korozi
Chemická stabilita byla hodnocena za extrémních podmínek:
- Kyselé prostředí: pH = 0 (H₂SO₄, 80 °C)
- Alkalické prostředí: pH = 14 (NaOH, 80 °C)
- Doba ponoření: 24 hodin
Výsledky:
- Zachování pevnosti v ohybu po ošetření kyselinou: 47,4 MPa (ztráta 29,41 TP3T)
- Zachování pevnosti v ohybu u materiálů ošetřených alkáliemi: 46,7 MPa (ztráta 30,41 TP3T)
Vzorek se skleněnou fritou 20% vykazuje celkově nejlepší chemickou stabilitu.
Hlavní výhody porézních keramických nosičů z SiC
- ✔ Nízkoteplotní slinování (1100–1250 °C)
- ✔ Vysoká pórovitost (~36%)
- ✔ Vysoká pevnost v ohybu (67,1 MPa)
- ✔ Extrémně vysoký průtok vody (8075 L/m²·h·bar)
- ✔ Vynikající odolnost vůči kyselinám a zásadám
- ✔ Levné suroviny (skleněná frita z břidlic)
Průmyslové aplikace
Porézní keramické nosiče z SiC se široce používají v:
- Membrány pro čištění průmyslových odpadních vod
- Systémy pro filtraci plynů při vysokých teplotách
- Zařízení pro chemickou separaci a čištění
- Nosné konstrukce katalyzátorů
- Přesné mikrofiltrační membrány
Závěr
Tato studie představuje nákladově efektivní přístup k přípravě porézních keramických nosičů z SiC s využitím frity ze zirkonového skla získaného z břidlice jako slinovacího pomocného prostředku.
Mezi hlavní výsledky patří:
- Výrazné snížení teploty slinování
- Lepší možnost řízení struktury pórů
- Vylepšené mechanické vlastnosti a propustnost
- Vysoká odolnost vůči kyselým a zásaditým prostředím
Tato technologie představuje slibnou cestu k průmyslovému využití keramických membránových nosičů na bázi SiC ve velkém měřítku v náročných provozních podmínkách.
