ما هي السيراميك على شكل خلية نحل؟

في السنوات الأخيرة، ازداد الطلب على المواد الصديقة للبيئة والفعّالة في مختلف الصناعات. ومن بين هذه المواد المبتكرة التي لفتت انتباه الباحثين والمهندسين، السيراميك ذو البنية الخلوية. يتميز هذا السيراميك ببنية فريدة تشبه خلية النحل، مما يوفر مزايا عديدة وتعددًا في استخداماته. تتناول هذه المقالة دراسة معمقة للسيراميك ذي البنية الخلوية، وتناقش أنواعه وخصائصه وتركيبه الكيميائي وعملية تحضيره، بالإضافة إلى تطبيقاته المتعددة في صناعات مثل السيارات والكيماويات والطاقة الكهربائية وغيرها. من خلال فهم إمكانيات السيراميك ذي البنية الخلوية، يمكننا الاستفادة بشكل أفضل من مزاياه، وتمهيد الطريق لمستقبل أكثر استدامة وكفاءة في مختلف القطاعات.

1、ما هي السيراميك على شكل خلية نحل؟

السيراميك ذو البنية الشبيهة بقرص العسل منتج سيراميكي مبتكر يتميز ببنية تشبه شكل قرص العسل. استُخدم في البداية لتنقية عوادم السيارات الصغيرة، ويُستخدم الآن على نطاق واسع في صناعات متنوعة كالصناعات الكيميائية، والطاقة الكهربائية، والمعادن، والبترول، والإلكترونيات، والآلات، مع تطبيقات متزايدة التوسع وآفاق واعدة. يُمكن تصنيع السيراميك ذو البنية الشبيهة بقرص العسل من مواد متنوعة، تشمل بشكل رئيسي الكوردييريت، والموليت، وتيتانات الألومينا، والكربون المنشط، وكربيد السيليكون، والألومينا المنشطة، والزركونيا، ونيتريد السيليكون، بالإضافة إلى مواد مركبة.

2、أنواع السيراميك ذي الشكل الخلوي

يمكن تقسيم السيراميك ذو الشكل الخلوي إلى أربع فئات رئيسية بناءً على استخداماته: أجسام تخزين الحرارة، ومواد التعبئة والتغليف، وحوامل المحفزات، ومواد الترشيح.

تتمتع خزانات تخزين الحرارة الخزفية ذات الشكل الخلوي بسعة حرارية تزيد عن 1000 كيلوجول/كيلوجرام، مع أعلى درجة حرارة تشغيل لا تقل عن 1700 درجة مئوية. ويمكنها توفير أكثر من 40% من الوقود في الأفران مثل أفران التسخين، وأفران الخبز، وأفران التجانس، وأفران التكسير، وزيادة الإنتاج بأكثر من 15%، وخفض درجة حرارة الدخان المنبعث إلى أقل من 150 درجة مئوية.

تتميز مواد التعبئة الخزفية ذات الشكل الخلوي بمساحة سطحية نوعية أكبر وقوة أفضل من مواد التعبئة الأخرى ذات الأشكال المختلفة، مما يؤدي إلى توزيع أكثر تجانسًا للغاز والسائل، وتقليل مقاومة الطبقة، وتحسين الأداء، وإطالة عمر الخدمة. وتُستخدم هذه المواد بنجاح كبير في صناعات البتروكيماويات والأدوية والمواد الكيميائية الدقيقة.

تتميز السيراميكات ذات البنية الخلوية بمزايا خاصة عند استخدامها كمحفزات. فباستخدام مواد السيراميك ذات البنية الخلوية كحوامل، واعتماد مواد طلاء فريدة، يتم تحضيرها باستخدام معادن ثمينة، ومعادن أرضية نادرة، ومعادن انتقالية، مما ينتج عنه نشاط تحفيزي عالٍ، وثبات حراري ممتاز، وعمر خدمة طويل، وقوة عالية.

3、خصائص السيراميك ذي الشكل الخلوي

بفضل قوتها العالية، ومقاومتها للحرارة العالية، ومقاومتها للتآكل، ومقاومتها للاهتراء، تُعدّ سيراميكات قرص العسل مناسبة لمختلف مجالات حماية البيئة. ومن خصائصها:

مساحة سطحية عالية

مسامية عالية وقطر مسام منتظم

انخفاض الضغط

معامل تمدد حراري منخفض

مقاومة عالية للصدمات الحرارية والاهتزازات

مقاومة عالية للتآكل الكيميائي (مضاد للأحماض ≥99.8%)

قوة ضغط عالية

4、التركيب الكيميائي للسيراميك ذي الشكل الخلوي

تُصنع خلايا النحل الخزفية عادةً من الكاولين والتلك ومسحوق الألومنيوم والطين. أما اليوم، فبإضافة الزيوليت ومواد حرارية أخرى، يمكن الحصول على خصائص أخرى لهذه المواد.

المواد الهيكلية (MOC):

الكوردييريت

التركيب الكيميائي للكوردييريت:

الألومينا: 35.2±1.5%

السيليكا: 50.9±1.5%

المغنيسيا: 13.9±1.5%

5、عملية تحضير السيراميك على شكل خلية نحل

يمكن تصنيع السيراميك ذي الشكل الخلوي من مجموعة متنوعة من المواد. تشمل المواد الأساسية الكوردييريت، والموليت، وتيتانات الألومنيوم، والكربون المنشط، وكربيد السيليكون، والألومينا المنشطة، والزركونيا، ونيتريد السيليكون، والركائز المركبة من الكوردييريت-الموليت والكوردييريت-تيتانات الألومنيوم.

بعد تشكيل مسحوق أو حبيبات الكربون المنشط إلى بنية خزفية على شكل خلية نحل، تتحسن قدرة تنقية ومعالجة مياه الصرف الصحي بشكل ملحوظ، لا سيما في صناعة الأدوية لإزالة الشوائب، والتجفيف، وإزالة اللون من المضادات الحيوية، والهرمونات، والفيتامينات، وحقن الأحماض النووية، والعديد من الحقن والأدوية الأخرى. ولأن الخزف ذو بنية خلية النحل يُصنع عن طريق البثق، يجب إضافة مواد مضافة متنوعة إلى المواد الخام الأساسية لتعزيز مرونة وسيولة الطين. تشمل هذه المواد المضافة بشكل أساسي مواد رابطة، وملدنات، ومشتتات للتكتل، ومواد تشحيم، وعوامل ترطيب. بالإضافة إلى ذلك، توجد أيضًا عوامل احتفاظ بالماء، وعوامل مخلبية، وعوامل مضادة للكهرباء الساكنة، ومواد واقية غروانية، ومواد فعالة سطحية. حاليًا، يُستخدم النشا، وكربوكسي ميثيل السليلوز، وكحول البولي فينيل على نطاق واسع كمواد رابطة، وزيت التونغ وحمض الستياريك كمواد تشحيم، والجلسرين كملدن.

6、تطبيقات السيراميك ذي الشكل الخلوي

حوامل المحفزات

تُستخدم سيراميكات قرص العسل كحوامل للمحفزات بشكل أساسي في تنقية عوادم السيارات، وإزالة أكاسيد النيتروجين من غازات مداخن الغلايات، وإزالة روائح العوادم الصناعية، والتخلص من الغازات السامة والضارة. وتتكون حوامل المحفزات المصنوعة من سيراميك قرص العسل المستخدم في تنقية عوادم السيارات بشكل رئيسي من سيراميك الكوردييريت المغطى بطبقة من أكسيد الألومنيوم γ-Al₂O₃.

أثاث أفران مقاومة للحرارة

تتميز أثاثات أفران السيراميك المبثوقة ذات البنية الخلوية بأنها أخف وزنًا بنسبة 60-75% من أثاثات الأفران التقليدية، مما يسمح بنقل الحرارة بسرعة وحرق سريع. كما أن استخدام السيراميك ذي البنية الخلوية كدعامات لحرق الفريت أو أنواع السيراميك الإلكتروني الأخرى يُسهم في تحسين أداء المنتجات.

مرشحات التدفق الجداري

يمكن استخدام السيراميك ذو الجدران الرقيقة والمسامي على شكل قرص العسل لترشيح وتنقية جزيئات الكربون في غازات عادم محركات الديزل (عند حوالي 500 درجة مئوية).

7、في الختام، تُعدّ خزفيات قرص العسل موادًا متعددة الاستخدامات ومبتكرة، تتميز ببنية فريدة تشبه قرص العسل، مما يوفر مزايا عديدة. تُستخدم هذه الخزفيات في طيف واسع من الصناعات، بما في ذلك صناعات السيارات، والكيماويات، والطاقة الكهربائية، والمعادن، والبترول، والإلكترونيات، والآلات. خصائصها الممتازة، كالقوة العالية، ومقاومة درجات الحرارة المرتفعة، ومقاومة التآكل، ومقاومة الاحتكاك، تجعلها مناسبة لتطبيقات متنوعة، تشمل أجسام تخزين الحرارة، ومواد التعبئة والتغليف، وحوامل المحفزات، ومواد الترشيح. مع التطورات المستمرة في علم المواد، والطلب المتزايد على مواد صديقة للبيئة وفعّالة، من المرجح أن تلعب خزفيات قرص العسل دورًا متزايد الأهمية في مختلف الصناعات، مما يبشر بمستقبل واعد لتطويرها وتطبيقاتها.