新しいセラミック膜素材とは？
セラミック膜は、高温、高圧、耐腐食性など、要求の厳しい多くの用途で独自の利点を発揮する。石油化学、食品、医療、環境、エネルギー、冶金などの分野で、セラミック膜は急速に発展し、最も有望な品種の一つとなっています。
アルミナ、ジルコニア、酸化チタンなどの従来のセラミック膜材料は、高価で種類も少ないため、現代産業でのさらなる応用には限界があった。そのため、新しくて安価なセラミック膜材料を開発することは、セラミック膜技術の応用と普及にとって大きな意義があります。
現在、新しいセラミック膜材料の研究は、主に2つの側面に焦点を当てています。合成セラミック膜材料：主に炭化ケイ素、ムライト、コージェライト、グラフェン、セラミックファイバー、天然セラミック膜材料：主に天然ゼオライト、フライアッシュ、カオリン。
合成セラミック膜材料
* 炭化ケイ素
炭化ケイ素は、高強度、高熱伝導性、耐食性、耐酸化性、低価格などの長所があり、過酷な条件下でも熱安定性と化学的安定性を維持できるため、セラミック膜材料の開発の選択肢の一つとなっている。
炭化ケイ素セラミック膜の製造方法には、主に押出成形とフローダクト成形があります。伝統的なセラミック膜材料と比較して、炭化ケイ素は焼結温度が低く、機械的強度が高く、高温高圧システムで幅広い応用の見通しを持っています。
* ムライト
ムライトは、Al2O3-SiO2系で唯一の安定な二元系結晶化合物で、ケイ酸アルミニウムの熱分解またはシリカとアルミナの高温反応によって調製できる。耐酸塩基性、低熱膨張係数、高融点などの特徴から、ますます注目を集めている。従来のセラミック膜材料に比べ、ムライトセラミック膜は気孔率が高く、耐アルカリ性に優れています。
* コーディエライト
コーディエライトの理論化学組成は2MgO-2Al2O3-5SiO2であり、六方晶系六員環状珪酸塩結晶に属します。熱膨張係数が小さく、分解温度が高く、製造コストが低く、生産量が多いという利点があるため、セラミック膜材料の開発でますます注目されています。コージェライトセラミック膜は、アルミナセラミック膜と比較して、耐アルカリ腐食性に優れ、焼結温度が低く、調製コストが低い。
* セラミック繊維
セラミックファイバーは、セラミック材料が本来持っている高温耐性、良好な化学的安定性、長い耐用年数という特性だけでなく、繊維材料の高い気孔率と比表面積という利点も持っています。
製膜工程では、セラミック繊維はその繊維形状の特性により、繊維同士がランダムに積み重なって高い気孔率を形成し、総気孔率は70％を超えることもあります。セラミック繊維膜の総気孔率はセラミック粒子膜のほぼ2倍であり、膜流束を効果的に増加させ、透過抵抗を減少させた。
酸化チタンナノファイバーを原料として、ディッピングスラリー法によりアルミナ支持体上に二層酸化チタン膜を作製した研究者もいる。繊維層中にゾルを添加して繊維間の接着を促進することで、欠陥ホールの形成が減少した。焼成温度480℃、純水フラックス1000L/m2.h.barの条件下で、阻止分子量は32000であり、膜の性能は従来のセラミック膜をはるかに上回る。
* グラフェン
単層グラファイトシート」とも呼ばれるグラフェンは、ハニカム結晶格子に包まれた炭素原子の緻密な層を指す。炭素原子は、グラファイトの単層構造に似た2次元構造に配列している。グラフェンは、現在発見されている唯一の2次元自由原子結晶である。理論上の比表面積は2600m2/gにも達し、熱伝導性や機械的特性にも優れているため、ますます注目を集めている。
天然セラミック膜材料
* ゼオライト
天然ゼオライトは特殊な多孔質構造を持ち、比表面積が発達し、表面に水酸基が豊富に存在します。天然ゼオライトをセラミック分離膜に加工することで、分離膜の製造コストを削減できるだけでなく、セラミック膜の調製に新たな選択肢を提供することができます。
* フライアッシュ
フライアッシュは、火力発電所の廃棄物や副産物であり、環境に深刻な汚染を引き起こします。フライアッシュ中のAl2O3とSiO2の含有量は8.65%に達し、高温焼結後に高耐火性、低熱膨張係数、良好な化学的安定性、ムライトの熱安定性などの優れた特性を形成することができます。したがって、フライアッシュは優れた性能を持つセラミック膜を調製し、リサイクルを実現することができます。
* カオリン
カオリン（Al2O3-2SiO2-2H2O）は、含水ケイ酸アルミニウム磁器粘土としても知られ、重要な非金属鉱物資源であり、その低価格と優れた性能のため、セラミックスの分野でますます注目を集めています。
