工业废料活化焦粉灰助力碳化硅支撑体制备：机械强度与高温过滤耐久性的协同提升

为解决传统碳化硅(SiC)陶瓷膜机械强度低、制备成本高的问题，研究人员创新性地利用工业废料活化焦粉灰(ACFA)作为双功能烧结助剂和造孔剂，在1400°C下制备出弯曲强度达28.6 MPa的SiC支撑体，较传统材料提升25%。该研究通过系统分析ACFA的烧结动力学与相演变机制，揭示了矿物相在增强机械完整性与过滤性能中的关键作用，为工业高温气体过滤提供了低成本、高性能的可持续解决方案。

　　

在工业废气处理和能源生产领域，高温气体过滤技术正面临严峻挑战。随着环保法规日益严格，工业过程如废盐焚烧、多晶硅生产和烟气脱硫等，亟需能在极端条件下（超过200°C、压力达20 MPa）稳定运行的过滤材料。碳化硅(SiC)陶瓷膜因其优异的热稳定性和化学耐腐蚀性成为理想候选，但传统SiC支撑体存在两大瓶颈：一是需要2000°C以上的超高能耗烧结，导致成本居高不下；二是商业SiC原料占总成本的50%，严重制约规模化应用。

针对这一难题，来自南京工业大学的研究团队在《Advanced Membranes》发表了一项突破性研究。他们巧妙利用脱硫脱硝工艺产生的工业废料——活化焦粉灰(ACFA)作为双功能添加剂，通过低温烧结技术成功制备出兼具高机械强度和优异过滤性能的SiC支撑体。这项研究不仅实现了废物资源化利用，更开辟了一条低成本制备高性能陶瓷膜的新路径。

研究团队采用了几项关键技术：通过干压成型结合梯度烧结工艺制备SiC支撑体；利用热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)确定最佳烧结程序；采用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析相组成；通过扫描电镜(SEM)观察微观形貌；并系统测试了材料的弯曲强度、孔隙率、气体渗透性和耐腐蚀性能。

相组成分析与制备机制
研究发现ACFA含57.87 wt.%碳和多种金属氧化物，其中碳组分在600°C分解形成贯通孔道，而Fe₂O₃、CaO等氧化物则与SiC表面原位生成的SiO₂反应，形成莫来石(3Al₂O₃·2SiO₂)和硅酸钙(CaSiO₃)等增强相。这种"造孔-增强"协同效应使12 wt.% ACFA添加量的样品在1400°C烧结时达到最佳性能平衡。

组分优化与性能提升
当ACFA含量从9 wt.%增至21 wt.%时，孔隙率从32.48%升至39.96%，但弯曲强度从30.89 MPa降至22.49 MPa。通过权衡机械强度与气体渗透性（1159.79 m³·m^-2·h^-1·kPa^-1），最终确定12 wt.%为最优添加量。值得注意的是，ACFA衍生的Ca₃ZrSi₂O₉相（热膨胀系数5.0×10^-6/K）与SiC匹配良好，显著提升了材料的热震稳定性。

耐久性验证
经过20次25-800°C热循环后，ACFA改性SiC支撑体在空气冷却和水淬条件下分别保持20 MPa和17 MPa的残余强度。在35小时的酸碱腐蚀测试中，材料在20 vol% H₂SO₄中强度仅下降30%，但在1 wt.% NaOH中因生成Na₂Si₂O₅导致强度降至11 MPa。900°C高温盐腐蚀测试表明，NaCl仅物理吸附不引发化学反应，而Na₂SO₄会通过熔融-渗透-反应机制导致表面致密化。

成本效益分析
用ACFA替代传统造孔剂使SiC支撑体生产成本降低22.7%，单根1.5米长支撑体成本降至14.88美元。这种将工业废料"变废为宝"的策略，既解决了ACFA处置难题，又实现了陶瓷膜的低成本制造，形成了完整的资源循环链条。

这项研究的意义不仅在于开发出性能优异的SiC支撑体，更开创了工业固废高值化利用的新模式。通过精准调控ACFA的造孔与增强双重功能，研究人员成功打破了传统陶瓷膜成本与性能难以兼得的困局。特别是材料在极端环境下的稳定表现，为其在垃圾焚烧、化工等苛刻条件下的气体净化应用铺平了道路。该成果为工业界提供了一种经济可行的解决方案，对推动绿色制造和循环经济发展具有重要示范价值。