Nowy proces recyklingu węglika krzemu

Węglik krzemu jest energooszczędnym materiałem, który może umożliwić pojazdom elektrycznym osiągnięcie większych odległości jazdy bez potrzeby stosowania aktywnych systemów chłodzenia i pomóc zmniejszyć zarówno rozmiar, jak i wagę pokładowych systemów zarządzania akumulatorami.

Naukowcy z Uniwersytetu Rice opracowali innowacyjny proces upcyklingu sproszkowanych odpadów SiC w wysokiej jakości surowce, znany jako flash upcykling. Proces ten jest energooszczędny i tworzy ekologiczny produkt uboczny.

Węglik krzemu z recyklingu

Produkcja węglika krzemu może być energochłonna i generować znaczne ilości odpadów. Naukowcy z Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS Dresden wraz ze swoim partnerem przemysłowym ESK-SiC GmbH stworzyli przyjazny dla środowiska proces, który przetwarza te odpady w wysokiej jakości węglik krzemu - oszczędzając energię, zmniejszając poziom zanieczyszczenia i oszczędzając surowce w tym procesie.

Rekrystalizowany sproszkowany SiC dobrze nadaje się do zastosowań obejmujących procesy obróbki skrawaniem, obróbkę powierzchni, balistyczną ceramikę ochronną i materiały filtracyjne. Co więcej, ten materiał z recyklingu jest bardziej odporny na uderzenia i pęknięcia niż tradycyjny SiC, dzięki czemu jest łatwiejszy w obróbce; dodatkowo zwiększa możliwości recyklingu poprzez utrzymanie twardości po obróbce cieplnej - niezbędny warunek wstępny do dalszego przetwarzania na użyteczne produkty.

Ponownie przetworzony materiał SiC ma zwykle wielkość ziarna od 50 do 120 mikronów w zależności od zastosowania, dzięki czemu nadaje się do szlifowania i cięcia, a nawet jako alternatywa dla naturalnego piasku do szlifowania, gdzie jego mniejsza objętość cząstek zapewnia równoważne działanie szlifierskie przy wyższej przepustowości.

Ponownie przetworzony węglik krzemu może być również wykorzystywany do produkcji tygli SiC z wiązaniami reakcyjnymi i azotkowymi ze względu na jego niską reaktywność i wysoką twardość, dzięki czemu lepiej nadaje się do tego celu niż konwencjonalny granulowany SiC. Co więcej, jego doskonała wydajność spiekania i formowania sprawia, że ponownie przetworzony SiC jest doskonałym zamiennikiem dla obecnego zastosowania w tych aplikacjach.

Ponownie przetworzony węglik krzemu zazwyczaj charakteryzuje się ziarnami o wielkości od 60 mikronów do 90% porowatości, a jego porowata struktura jest bardziej odporna na uderzenia niż w przypadku tradycyjnych granulatów SiC. Co więcej, jego koszty produkcji i zużycie energii mogą być niższe w porównaniu z naturalnymi metodami produkcji piasku; w końcu zachowuje on również wysoką twardość po obróbce cieplnej - istotne właściwości w zastosowaniach wysokotemperaturowych.

Proces

Produkcja węglika krzemu wymaga energochłonnych procesów, które wytwarzają duże ilości sproszkowanych odpadów. Naukowcy z Fraunhofer IKTS opracowali rozwiązanie umożliwiające recykling tego sproszkowanego produktu ubocznego w wysokiej jakości materiał z węglika krzemu, zmniejszając zanieczyszczenie przemysłowe i przekształcając odpady w cenne zasoby surowcowe. Ich nowy proces, nazwany RECOSiC, znacząco obniża poziom zanieczyszczeń przemysłowych, jednocześnie przekształcając je w cenne źródła surowców.

SiC jest wytwarzany poprzez mieszanie piasku krzemionkowego z drobno zmielonym koksem w piecu elektrycznym, gdzie prąd elektryczny przepływa przez przewodnik węglowy, powodując reakcję chemiczną, która tworzy krzem i tlenek węgla, które są następnie filtrowane, aby pozostawić czystą mieszankę piasku krzemionkowego, którą można następnie kruszyć i sortować na różne rozmiary ziaren lub proszków.

Produkty z węglika krzemu mają wiele zastosowań w różnych dziedzinach. Węglik krzemu oferuje wiele atrakcyjnych właściwości, takich jak niezwykle wysoka wytrzymałość, odporność na korozję i przewodność cieplna; ponadto jest doskonałym izolatorem elektrycznym, pomagającym w tworzeniu zaawansowanych urządzeń elektronicznych, takich jak półprzewodnikowe płytki drukowane.

Unikalna struktura krystaliczna węglika krzemu nadaje mu szczególne właściwości. Tworzy on ściśle upakowane struktury z wiązaniami kowalencyjnymi między atomami. Są one zorganizowane w dwa podstawowe czworościany koordynacyjne zawierające po cztery atomy krzemu i węgla, połączone ze sobą i ułożone w stosy w celu utworzenia wielotypów o różnych właściwościach fizycznych.

Węglik krzemu występuje w różnych formach i rozmiarach. Typowymi przykładami są czworościany, kule, pręty i sześciokąty; odporne na zużycie warstwy nasycone ciekłym krzemem mogą wytwarzać węglik krzemu-nitryd (SiNx); można go nawet hodować jako duże pojedyncze kryształy znane jako klejnoty Lely.

Węglik krzemu jest obecnie wykorzystywany w wielu gałęziach przemysłu, od materiałów ściernych i powlekanych materiałów ściernych po elektronikę zasilającą w pojazdach elektrycznych (EV). Jego zastosowanie zmniejsza tarcie, koszty, poprawia wydajność i wydłuża żywotność baterii - atrybuty, które sprawiły, że jego użycie jest atrakcyjne w tych zastosowaniach. Węglik krzemu okazał się szczególnie skuteczny w obniżaniu kosztów tarcia, jednocześnie obniżając koszty i poprawiając wydajność w porównaniu z materiałami alternatywnymi.

Materiały

Węglik krzemu, powszechnie nazywany karborundem, to twardy związek chemiczny wykonany z krzemu i węgla, który występuje naturalnie jako rzadki minerał moissanit i jest produkowany masowo od 1893 roku do użytku jako materiał ścierny. Ze względu na długą żywotność i minimalne potrzeby wymiany, węglik krzemu pomaga firmom i konsumentom zmniejszyć wytwarzanie odpadów, pomagając w ten sposób zmniejszyć wpływ na środowisko, jednocześnie oszczędzając koszty związane z opłatami za utylizację i potrzebami wymiany.

Karbidyna krzemowa ma wiele zastosowań przemysłowych. Oferuje doskonałą przewodność elektryczną i cieplną, wysoką temperaturę topnienia, niską gęstość, dużą wytrzymałość mechaniczną i może wytrzymać bardzo wysokie temperatury bez pękania, dzięki czemu jest przydatna do cięcia, szlifowania i polerowania. Karbidyna krzemowa służy również jako kluczowy surowiec w produkcji ceramiki technicznej i materiałów ogniotrwałych; elektroniki półprzewodnikowej; wysokowydajnych ściernic / tarcz / pił drutowych / produktów ściernych, a także zastosowań materiałów kompozytowych ze stalą.

Produkcja węglika krzemu opiera się na dwóch podstawowych surowcach: piasku kwarcowym i koksie naftowym. Na skalę przemysłową produkcja odbywa się przy użyciu procesu Achesona, który polega na podgrzaniu mieszaniny w piecach na wolnym powietrzu do około 2300 stopni Celsjusza w celu redukcji karbotermicznej przed zmieleniem na cząstki do dalszego przetwarzania. Niestety, metoda ta generuje znaczne emisje CO2: około 2,4 tony jest uwalniane na tonę SiC wyprodukowanego przy użyciu tej techniki.

W ramach wysiłków na rzecz zmniejszenia wpływu na środowisko, recykling szlamu powstałego podczas syntezy byłby przydatny w produkcji wysokiej jakości odpadów SiC i zmniejszeniu zamówień ze źródeł naturalnych. Umożliwiłoby to wytwarzanie ściernych produktów odpadowych SiC ze szlamu przy jednoczesnym obniżeniu kosztów związanych z pozyskiwaniem surowców naturalnych.

W niniejszym artykule zbadano właściwości, w szczególności granulometrię, odpadów węglika krzemu z recyklingu pod kątem potencjalnego włączenia ich do nowych receptur cementowych. Naszym celem było sprawdzenie, czy możemy zastąpić odpady węglika krzemu z recyklingu przy minimalnym wpływie na ogólną granulometrię i charakterystykę ziaren betonu; wyniki naszych badań wskazują, że materiał ten może rzeczywiście służyć temu celowi, mając podobne wartości jak inne kruszywa mineralne.

Produkty końcowe

Węglik krzemu, materiał przemysłowy powszechnie spotykany w zastosowaniach od elementów ogniotrwałych po półprzewodniki, jest bardzo poszukiwany, ale jego produkcja wymaga energochłonnych procesów, które uwalniają duże ilości CO2. Teraz naukowcy opracowali przyjazny dla środowiska sposób recyklingu tego materiału, przekształcając produkty uboczne i odpady z powrotem w wysokiej jakości węglik krzemu.

Proces RECOSiC (c) przetwarza sproszkowane odpady SiC generowane podczas produkcji w węglik krzemu, który może być ponownie wykorzystany w znanych produktach i procesach, zwiększając wydajność przy jednoczesnym zmniejszeniu zależności od dostawców surowców.

Aby wytworzyć węglik krzemu, piasek kwarcowy i koks naftowy muszą być podgrzewane w piecach Acheson na wolnym powietrzu. Niestety generuje to duże ilości produktów ubocznych, które nie mogą być wykorzystywane w wysokiej jakości zastosowaniach ze względu na brak wielkości ziarna i wydajności cięcia. Co więcej, zanieczyszczenie spowodowane przepływem powietrza stanowi kolejne poważne zagrożenie w przypadku tak gigantycznych otwartych pieców.

W celu recyklingu węglika krzemu, produkty odpadowe i osady muszą być najpierw oddzielone i oczyszczone. Proces RECOSiC wykorzystuje błyskawiczne ogrzewanie Joule'a, aby szybko podnieść ich temperaturę przed połączeniem z ciekłym krzemem w celu wytworzenia wtórnego węglika krzemu, który jest następnie infiltrowany ciekłym krzemem w celu zmniejszenia porowatości i zwiększenia czystości pierwotnego SiC.

Po oczyszczeniu węglik krzemu poddawany jest krytycznemu procesowi odszlamiania cieplnego i pirolizy cieplnej w piecu, w którym warunki beztlenowe są wykorzystywane do podgrzewania w celu wydobycia zawartości węgla i wypalenia resztek spoiwa - ten etap również zwiększa czystość do 98%!

Węglik krzemu z recyklingu może być wykorzystywany do wielu różnych zastosowań, od produktów ściernych, takich jak papier ścierny i tarcze szlifierskie, po materiały kompozytowe ze stalą. Inne zastosowania SiC z recyklingu obejmują wysokotemperaturowe materiały ogniotrwałe, balistyczną ceramikę ochronną dla technologii wojskowej i technologii motoryzacyjnej/środowiskowej (filtr cząstek stałych). Ponownie przetworzony SiC wyprodukowany w procesie RECOSiC zawiera głównie heksagonalne struktury krystaliczne (a-SiC), podczas gdy węglik krzemu beta (b-SiC).