Un nuovo processo per il riciclo del carburo di silicio

Il carburo di silicio è un materiale ad alta efficienza energetica che può consentire ai veicoli elettrici di percorrere distanze maggiori senza la necessità di sistemi di raffreddamento attivi e contribuire a ridurre le dimensioni e il peso dei sistemi di gestione delle batterie di bordo.

I ricercatori della Rice University hanno sviluppato un processo innovativo per l'upcycling dei rifiuti di SiC polverizzati in materie prime di alta qualità, noto come flash upcycling. È efficiente dal punto di vista energetico e crea un sottoprodotto verde.

Carburo di silicio riciclato

La produzione di carburo di silicio può essere ad alta intensità energetica e produce notevoli scarti. I ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per le tecnologie e i sistemi ceramici IKTS di Dresda, insieme al partner industriale ESK-SiC GmbH, hanno creato un processo ecologico che ricicla questi scarti in carburo di silicio di alta qualità, risparmiando energia, riducendo i livelli di inquinamento e conservando le materie prime nel processo.

Il SiC ricristallizzato in polvere è adatto ad applicazioni che prevedono processi di lavorazione, trattamento delle superfici, ceramiche di protezione balistica e materiali filtranti. Inoltre, questo materiale riciclato è più resistente agli urti e alle fessure rispetto al SiC tradizionale, il che lo rende più facile da lavorare; migliora ulteriormente la riciclabilità grazie al mantenimento della sua durezza dopo il trattamento termico, un prerequisito essenziale per la successiva trasformazione in prodotti utili.

Il materiale SiC rilavorato ha in genere una granulometria compresa tra 50 e 120 micron, a seconda dell'applicazione, che lo rende adatto ad applicazioni di rettifica e taglio, o anche all'uso come alternativa alla sabbia naturale per la levigatura, dove il suo minor volume di particelle fornisce un'azione di rettifica equivalente con una maggiore produttività.

Il carburo di silicio rilavorato può essere utilizzato anche nella produzione di crogioli di SiC legati alla reazione e al nitruro grazie alla sua bassa reattività e alle sue proprietà di elevata durezza, che lo rendono più adatto del SiC granulare convenzionale a questo scopo. Inoltre, le sue eccellenti prestazioni di sinterizzazione e stampaggio rendono il SiC rilavorato un eccellente sostituto per l'uso corrente in queste applicazioni.

Il carburo di silicio rilavorato vanta in genere granulometrie comprese tra il 60 micron e il 90% di porosità, con una struttura porosa più resistente agli urti rispetto a quella presente nei granuli di SiC tradizionali. Inoltre, i costi di produzione e l'utilizzo di energia possono essere inferiori rispetto ai metodi di produzione della sabbia naturale; infine, mantiene un'elevata durezza anche dopo il trattamento termico, proprietà essenziale per le applicazioni ad alta temperatura.

Il processo

La produzione di carburo di silicio richiede processi ad alta intensità energetica che producono grandi volumi di rifiuti in polvere. I ricercatori del Fraunhofer IKTS hanno trovato una soluzione per riciclare questo sottoprodotto polveroso in materiale di carburo di silicio di alta qualità, riducendo l'inquinamento industriale e trasformando i rifiuti in preziose risorse di materie prime. Il loro nuovo processo, chiamato RECOSiC, riduce significativamente i livelli di inquinamento industriale, trasformando al contempo i rifiuti in preziose fonti di materie prime.

Il SiC viene prodotto mescolando sabbia di silice con coke finemente macinato in un forno elettrico, dove una corrente elettrica passa attraverso un conduttore di carbonio per provocare una reazione chimica che forma gas di silicio e monossido di carbonio che vengono successivamente filtrati per lasciare una miscela di sabbia di silice pura che può essere poi frantumata e classificata in grani di varie dimensioni o polveri.

I prodotti in carburo di silicio trovano numerose applicazioni in vari settori. Il carburo di silicio offre diverse caratteristiche interessanti, come la forza estremamente elevata, la resistenza alla corrosione e la conducibilità termica; inoltre è un eccellente isolante elettrico, che favorisce la creazione di dispositivi elettronici avanzati come i circuiti a stato solido.

La struttura cristallina unica del carburo di silicio gli conferisce proprietà speciali. Si forma in strutture a strati ravvicinati con legami covalenti tra i suoi atomi. Sono organizzati in due tetraedri di coordinazione primaria contenenti quattro atomi di silicio e quattro di carbonio ciascuno, collegati tra loro e impilati per formare politipi con diverse proprietà fisiche.

Il carburo di silicio si presenta in varie forme e dimensioni. Esempi comuni sono i tetraedri, le sfere, le barre e gli esagoni; strati resistenti all'usura infusi con silicio liquido possono produrre carburo di silicio-nitruro (SiNx); può anche essere coltivato come grandi cristalli singoli noti come gemme di Lely.

Il carburo di silicio è attualmente utilizzato in numerosi settori, dagli abrasivi e dagli abrasivi rivestiti all'elettronica di potenza per i veicoli elettrici (EV). Il suo utilizzo riduce l'attrito, i costi, migliora l'efficienza e prolunga la durata della batteria, caratteristiche che ne hanno reso interessante l'impiego in queste applicazioni. Il carburo di silicio si è dimostrato particolarmente efficace nel ridurre i costi dell'attrito, riducendo al contempo i costi e migliorando le prestazioni rispetto a materiali alternativi.

I materiali

Il carburo di silicio, comunemente chiamato carborundum, è un composto chimico duro fatto di silicio e carbonio che si trova in natura sotto forma di moissanite, un minerale raro, e viene prodotto in serie dal 1893 per essere utilizzato come abrasivo. Grazie alla sua lunga durata e alle minime esigenze di sostituzione, il carburo di silicio aiuta le aziende e i consumatori a ridurre la produzione di rifiuti, contribuendo così a ridurre l'impatto ambientale e a risparmiare sui costi di smaltimento e sulle esigenze di sostituzione.

La carbidina di silicio ha molti usi industriali. Offre un'eccellente conducibilità elettrica e termica, un elevato punto di fusione, una bassa densità, una forte resistenza meccanica e può sopportare temperature molto elevate senza incrinarsi, rendendosi così utile per le operazioni di taglio, rettifica e lucidatura. La carbidina di silicio è anche una materia prima fondamentale per la produzione di ceramiche tecniche e refrattari, per l'elettronica dei semiconduttori, per le ruote/dischi/seghe a filo/prodotti abrasivi ad alte prestazioni e per le applicazioni di materiali compositi con l'acciaio.

La produzione di carburo di silicio si basa su due materie prime primarie, la sabbia di quarzo e il coke di petrolio. Su scala industriale, la produzione avviene con il processo Acheson, che prevede il riscaldamento della miscela in forni all'aperto a circa 2.300 gradi centigradi per la riduzione carbotermica, prima della macinazione in particelle per la successiva lavorazione. Purtroppo, però, questo metodo genera notevoli emissioni di CO2: per ogni tonnellata di SiC prodotta con questa tecnica ne vengono rilasciate circa 2,4 tonnellate.

Nell'ambito di uno sforzo per ridurre l'impatto ecologico, il riciclaggio dei fanghi prodotti durante la sintesi sarebbe utile per produrre prodotti di scarto SiC di alta qualità e ridurre l'approvvigionamento da fonti naturali. Ciò consentirebbe di produrre prodotti di scarto SiC a base di fanghi abrasivi, riducendo al contempo i costi associati all'acquisizione di materie prime naturali.

Il presente lavoro analizza le proprietà, in particolare la granulometria, dei rifiuti di carburo di silicio riciclati per una potenziale inclusione in nuove ricette cementizie. Il nostro obiettivo era quello di verificare se fosse possibile sostituire i rifiuti di carburo di silicio riciclato con effetti minimi sulla granulometria complessiva e sulle caratteristiche granulometriche del calcestruzzo; i risultati del nostro studio indicano che questo materiale può effettivamente servire a questo scopo, avendo valori simili a quelli di altri aggregati minerali.

I prodotti finali

Il carburo di silicio, un materiale industriale comunemente utilizzato in applicazioni che vanno dai componenti refrattari ai semiconduttori, è molto ricercato ma la sua produzione richiede processi ad alta intensità energetica che rilasciano grandi quantità di CO2. Ora i ricercatori hanno sviluppato un metodo ecologico per riciclare questo materiale, trasformando i sottoprodotti e i prodotti di scarto in carburo di silicio di alta qualità.

Il processo RECOSiC (c) ricicla gli scarti di SiC in polvere generati nella produzione in carburo di silicio che può essere riutilizzato in prodotti e processi noti, aumentando i rendimenti e riducendo la dipendenza dai fornitori di materie prime.

Per creare il carburo di silicio, la sabbia di quarzo e il coke di petrolio devono essere riscaldati in forni Acheson all'aperto. Purtroppo, questo genera grandi quantità di sottoprodotti che non possono essere utilizzati in applicazioni di alta qualità a causa della mancanza di granulometria e di prestazioni di taglio. Inoltre, la contaminazione dovuta al flusso d'aria rappresenta un'altra grave minaccia quando si ha a che fare con forni aperti così giganteschi.

Per riciclare il carburo di silicio, i prodotti di scarto e i fanghi devono essere prima separati e purificati. Il processo RECOSiC impiega il riscaldamento flash Joule per aumentare rapidamente la loro temperatura prima di combinarli con il silicio liquido per produrre carburo di silicio secondario, che viene poi infiltrato con silicio liquido per ridurre la porosità e aumentare la purezza del SiC primario.

Una volta purificato, il carburo di silicio viene sottoposto a un processo critico di deceraggio e trattamento termico di pirolisi in un forno, dove viene riscaldato in condizioni di assenza di ossigeno per estrarre il suo contenuto di carbonio e bruciare i resti di legante - questa fase aumenta anche la purezza fino a 98%!

Il carburo di silicio riciclato può essere utilizzato per molti usi diversi, dai prodotti abrasivi come carta vetrata e mole o dischi ai materiali compositi con l'acciaio. Altre applicazioni del SiC riciclato includono i refrattari per alte temperature, le ceramiche di protezione balistica per la tecnologia militare e la tecnologia automobilistica/ambientale (filtro antiparticolato diesel). Il SiC ritrattato prodotto attraverso il processo RECOSiC contiene strutture cristalline prevalentemente esagonali (a-SiC), mentre il carburo di silicio beta (b-SiC).