I supporti ceramici porosi in carburo di silicio (SiC) sono ampiamente utilizzati nei sistemi avanzati di filtrazione a membrana grazie alla loro eccellente stabilità termica, all'elevata resistenza meccanica e alla superiore resistenza chimica.
Materiali ceramici a base di SiC sono particolarmente adatte ad ambienti difficili quali la filtrazione ad alta temperatura, il trattamento delle acque reflue e i processi chimici. Tuttavia, le ceramiche convenzionali in SiC richiedono temperature di sinterizzazione estremamente elevate (>2000 °C), il che limita la produzione industriale su larga scala.
Per affrontare questa sfida, la sinterizzazione in fase liquida a bassa temperatura con l'uso di additivi vetrosi si è rivelata una soluzione efficace.
Strategia di sinterizzazione a bassa temperatura per ceramiche in SiC
In questo studio, un frittura di vetro contenente zirconio ricavato da scisto a basso costo è stato introdotto come coadiuvante di sinterizzazione per favorire l'adesione in fase liquida e ridurre significativamente la temperatura di sinterizzazione.
La fritta di vetro viene preparata fondendo materie prime a base di scisto a 1500 °C, ottenendo così un sistema vetroso multiossidico contenente:
- SiO₂, Al₂O₃, CaO (struttura reticolare)
- ZrO₂ (migliora la resistenza alla corrosione)
- Fe₂O₃, MgO, Na₂O, K₂O (aumentano l'attività di sinterizzazione)
Questo approccio consente di densificare le ceramiche a base di SiC a 1100–1250 °C, riducendo notevolmente il consumo energetico.
Materie prime e processo di fabbricazione
Sistema delle materie prime
- Polvere di carburo di silicio (SiC) (purezza 99,5%, D50 ≈ 15,1 μm)
- Fritta di vetro contenente zirconio (additivo per sinterizzazione a bassa temperatura)
- Particelle di grafite (D50 ≈ 19,4 μm, agente porogeno)
- Carboximetilcellulosa (CMC, legante)
Fasi di lavorazione
- Miscelazione di polvere di SiC, fritta di vetro e grafite in proporzioni prestabilite
- Macinazione a sfere con una soluzione di CMC 0,5% (30 minuti)
- Essiccazione e granulazione
- Pressatura monoassiale a 30 MPa
- Sinterizzazione a 1100–1250 °C per 3 ore
Il prodotto finale è un supporto ceramico in SiC poroso dotato di una rete stabile di pori interconnessi.
Caratterizzazione della microstruttura e delle prestazioni
1. Controllo della porosità
La porosità viene controllata efficacemente regolando il contenuto di fritta di vetro e di grafite:
- Porosità: ~30%–40%
- Struttura porosa uniforme e interconnessa
- Distribuzione stabile delle dimensioni dei pori
Durante la sinterizzazione, la grafite si consuma, formando canali aperti continui che migliorano la permeabilità.
2. Resistenza meccanica
In condizioni ottimizzate (frittata di vetro 20%, grafite 15%, sinterizzate a 1180 °C):
- Resistenza alla flessione: 67,1 MPa
- Rapporto equilibrato tra resistenza e porosità
- Integrità strutturale stabile
La fase vetrosa migliora l'adesione delle particelle e aumenta la stabilità strutturale.
3. Analisi della composizione di fase
I risultati della diffrazione dei raggi X indicano che:
- Fase principale: SiC
- È presente una fase vetrosa minore
- Non sono state osservate fasi secondarie distruttive
Ciò conferma che il sinterizzazione in fase liquida è il meccanismo predominante nella densificazione.
4. Microstruttura (osservazione al SEM)
L'analisi microstrutturale rivela che:
- Distribuzione uniforme delle particelle di SiC
- Legame in fase vetrosa tra le particelle
- Canali porosi ben sviluppati e interconnessi
- Dimensione media dei pori: 1,37 μm
Questa struttura è ideale per le applicazioni di filtrazione a membrana.
5. Permeabilità e flusso d'acqua
Il supporto in SiC poroso ottimizzato presenta le seguenti caratteristiche:
- Dimensione media dei pori: 1,37 μm
- Flusso di acqua pura: 8075 L/(m²·h·bar)
Ciò dimostra eccellenti prestazioni in termini di permeabilità per i sistemi di microfiltrazione.
6. Resistenza alla corrosione da acidi e alcali
La stabilità chimica è stata valutata in condizioni estreme:
- Ambiente acido: pH = 0 (H₂SO₄, 80 °C)
- Ambiente alcalino: pH = 14 (NaOH, 80 °C)
- Tempo di immersione: 24 ore
Risultati:
- Mantenimento della resistenza alla flessione dopo trattamento con acido: 47,4 MPa (perdita di 29,41 TP3T)
- Ritenzione della resistenza alla flessione dopo trattamento alcalino: 46,7 MPa (perdita di 30,41 TP3T)
Il campione con la fritta di vetro 20% presenta la migliore stabilità chimica complessiva.
Vantaggi principali dei supporti in ceramica porosa di SiC
- ✔ Sinterizzazione a bassa temperatura (1100–1250 °C)
- ✔ Elevata porosità (~36%)
- ✔ Elevata resistenza alla flessione (67,1 MPa)
- ✔ Flusso d'acqua estremamente elevato (8075 L/m²·h·bar)
- ✔ Eccellente resistenza agli acidi e agli alcali
- ✔ Materie prime a basso costo (fritta di vetro derivata dallo scisto)
Applicazioni industriali
I supporti in ceramica SiC porosa trovano ampio impiego in:
- Membrane per il trattamento delle acque reflue industriali
- Sistemi di filtrazione dei gas ad alta temperatura
- Unità di separazione e purificazione chimica
- Strutture di supporto per catalizzatori
- Membrane di microfiltrazione di precisione
Conclusione
Il presente studio illustra un approccio economicamente vantaggioso per la preparazione di supporti ceramici porosi in SiC utilizzando una fritta di vetro allo zirconio derivata dallo scisto come coadiuvante di sinterizzazione.
Tra i risultati principali figurano:
- Significativa riduzione della temperatura di sinterizzazione
- Maggiore controllabilità della struttura porosa
- Prestazioni meccaniche e di permeabilità migliorate
- Elevata resistenza agli ambienti acidi e alcalini
Questa tecnologia offre una prospettiva promettente per l'applicazione industriale su larga scala di supporti a membrana in ceramica a base di SiC in condizioni operative estreme.
