Nový proces recyklácie karbidu kremíka

Karbid kremíka je energeticky úsporný materiál, ktorý umožňuje elektrickým vozidlám dosahovať väčší dojazd bez potreby aktívnych chladiacich systémov a prispieva k zníženiu rozmerov aj hmotnosti palubných systémov riadenia batérií.

Výskumníci z Riceovej univerzity vyvinuli inovatívny proces upcyklovania odpadu z práškového karbidu kremíka (SiC) na vysoko kvalitné suroviny, známy ako „flash upcyklovanie“. Je energeticky úsporný a vytvára ekologický vedľajší produkt.

Recyklovaný karbid kremíka

Výroba karbidu kremíka môže byť energeticky náročná a vzniká pri nej značné množstvo odpadu. Výskumníci z Fraunhoferovho inštitútu pre keramické technológie a systémy IKTS v Drážďanoch spolu so svojím priemyselným partnerom, spoločnosťou ESK-SiC GmbH, vyvinuli ekologický proces, ktorý tento odpad recykluje na vysoko kvalitný karbid kremíka – čím sa šetrí energia, znižuje úroveň znečistenia a zároveň sa šetria suroviny.

Rekryštalizovaný práškový SiC je vhodný pre použitie v oblasti obrábacích procesov, povrchovej úpravy, balistickej ochranné keramiky a filtračných materiálov. Okrem toho je tento recyklovaný materiál odolnejší voči nárazom a praskaniu než tradičný SiC, vďaka čomu sa s ním ľahšie pracuje; recyklovateľnosť sa ďalej zvyšuje zachovaním jeho tvrdosti po tepelnom spracovaní – čo je nevyhnutnou podmienkou pre ďalšie spracovanie na užitočné výrobky.

Veľkosť zŕn recyklovaného materiálu SiC sa zvyčajne pohybuje v rozmedzí od 50 do 120 mikrónov v závislosti od jeho použitia, vďaka čomu je vhodný na brúsenie a rezanie, alebo dokonca ako alternatíva k prírodnému piesku pri brúsení, kde jeho nižší objem častíc zabezpečuje rovnocenný brúsny účinok pri vyššej priepustnosti.

Prepracovaný karbid kremíka sa môže používať aj pri výrobe SiC téglikov spojených reakčnou väzbou a nitridovou väzbou vďaka svojej nízkej reaktivite a vysokej tvrdosti, čím je na tento účel vhodnejší ako bežný granulovaný SiC. Okrem toho vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam pri spekaní a formovaní je recyklovaný SiC vynikajúcou náhradou za materiály, ktoré sa v súčasnosti používajú v týchto aplikáciách.

Prepracovaný karbid kremíka sa zvyčajne vyznačuje veľkosťou zŕn v rozmedzí 60 mikrónov a 90-percentnou pórovitosťou, pričom jeho nárazuvzdorná porézna štruktúra je odolnejšia než štruktúra tradičných granulátov SiC. Okrem toho môžu byť jeho výrobné náklady a spotreba energie nižšie v porovnaní s metódami výroby z prírodného piesku; a napokon si zachováva vysokú tvrdosť aj po tepelnom spracovaní – čo sú nevyhnutné vlastnosti pre použitie pri vysokých teplotách.

Postup

Výroba karbidu kremíka si vyžaduje energeticky náročné procesy, pri ktorých vznikajú veľké množstvá práškového odpadu. Výskumníci z Fraunhofer IKTS prišli s riešením, ako tento práškový vedľajší produkt recyklovať na vysoko kvalitný karbid kremíka, čím sa znižuje priemyselné znečistenie a zároveň sa odpad premieňa na cenné surovinové zdroje. Ich nový proces s názvom RECOSiC výrazne znižuje úroveň priemyselného znečistenia a zároveň premieňa priemyselné znečistenie na cenné surovinové zdroje.

SiC sa vyrába zmiešaním kremičitého piesku s jemne mletým koksom v elektrickej peci, kde elektrický prúd prechádza uhlíkovým vodičom a vyvoláva chemickú reakciu, pri ktorej vznikajú plyny – kremík a oxid uhoľnatý –, ktoré sa následne odfiltrujú, čím vznikne čistá zmes kremičitého piesku, ktorú je možné následne drviť a triediť na zrná rôznych veľkostí alebo na prášky.

Výrobky z karbidu kremíka majú široké uplatnenie v rôznych odvetviach. Karbid kremíka sa vyznačuje viacerými atraktívnymi vlastnosťami, ako sú mimoriadne vysoká pevnosť, odolnosť voči korózii a tepelná vodivosť; okrem toho je vynikajúcim elektrickým izolantom, čo prispieva k vývoju pokročilých elektronických zariadení, ako sú polovodičové dosky.

Jedinečná kryštálová štruktúra karbidu kremíka mu dodáva jeho špeciálne vlastnosti. Vytvára sa v hustých štruktúrach s kovalentnými väzbami medzi atómami. Tie sú usporiadané do dvoch primárnych koordinačných tetraédrov, z ktorých každý obsahuje štyri atómy kremíka a štyri atómy uhlíka; tieto tetraédre sú navzájom prepojené a usporiadané do vrstiev, čím vytvárajú polytypy s rôznymi fyzikálnymi vlastnosťami.

Karbid kremíka sa vyskytuje v rôznych tvaroch a veľkostiach. Bežnými príkladmi sú tetraédre, gule, tyčinky a šesťuholníky; z odolných voči opotrebeniu vrstiev napustených tekutým kremíkom možno vyrobiť karbid-nitrid kremíka (SiNx); dá sa dokonca vypestovať vo forme veľkých monokryštálov známych ako Lelyho drahokamy.

Karbid kremíka sa v súčasnosti využíva v mnohých odvetviach, od brúsnych materiálov a brúsnych materiálov s povlakom až po výkonovú elektroniku pre elektrické vozidlá (EV). Jeho použitie znižuje trenie, náklady, zvyšuje účinnosť a predlžuje životnosť batérií – práve tieto vlastnosti robia jeho využitie v týchto aplikáciách atraktívnym. Karbid kremíka sa ukázal ako obzvlášť účinný pri znižovaní nákladov spojených s trením, pričom zároveň znižuje náklady a zlepšuje výkon v porovnaní s alternatívnymi materiálmi.

Materiály

Karbid kremíka, bežne označovaný ako karborund, je tvrdá chemická zlúčenina zložená z kremíka a uhlíka, ktorá sa v prírode vyskytuje ako vzácny minerál moissanit a od roku 1893 sa hromadne vyrába na použitie ako brúsivo. Vďaka svojej dlhej životnosti a minimálnej potrebe výmeny pomáha karbid kremíka podnikom aj spotrebiteľom znižovať množstvo vznikajúceho odpadu, čím prispieva k zníženiu dopadu na životné prostredie a zároveň šetrí náklady na likvidáciu odpadu a výmenu.

Karbid kremíka má mnoho priemyselných využití. Vyznačuje sa vynikajúcou elektrickou a tepelnou vodivosťou, vysokou teplotou topenia, nízkou hustotou, vysokou mechanickou pevnosťou a odolnosťou voči veľmi vysokým teplotám bez vzniku trhlín, vďaka čomu je vhodný na rezanie, brúsenie a leštenie. Karbid kremíka slúži tiež ako kľúčová surovina pri výrobe technickej keramiky a žiaruvzdorných materiálov, v polovodičovej elektronike, pri výrobe vysokovýkonných kotúčov, diskov, drôtových píl a brúsnych výrobkov, ako aj pri aplikáciách kompozitných materiálov v kombinácii s oceľou.

Výroba karbidu kremíka sa opiera o dve hlavné suroviny: kremičitý piesok a ropný koks. V priemyselnom meradle prebieha výroba pomocou Achesonovho procesu, ktorý spočíva v ohreve zmesi v otvorených peciach na teplotu približne 2 300 °C za účelom karbotermickej redukcie, po ktorej nasleduje rozomletie na častice určené na ďalšie spracovanie. Táto metóda však, žiaľ, spôsobuje značné emisie CO₂: na každú tonu SiC vyrobenej touto technikou sa uvoľní približne 2,4 tony CO₂.

V rámci snahy o zníženie ekologického dopadu by recyklácia kalu vznikajúceho počas syntézy mohla byť užitočná pri výrobe vysokokvalitných odpadových produktov z SiC a pri znižovaní odberu surovín z prírodných zdrojov. To by umožnilo výrobu brúsnych odpadových produktov z SiC z kalu a zároveň by došlo k zníženiu nákladov spojených so získavaním prírodných surovín.

Táto štúdia skúma vlastnosti, najmä granulometriu, recyklovaného odpadu z karbidu kremíka s ohľadom na jeho potenciálne zaradenie do nových receptúr cementových zmesí. Naším cieľom bolo zistiť, či je možné nahradiť recyklovaný odpad z karbidu kremíka s minimálnym vplyvom na celkovú granulometriu a vlastnosti zŕn betónu; výsledky našej štúdie naznačujú, že tento materiál sa na tento účel skutočne hodí, keďže má podobné hodnoty ako ostatné minerálne kamenivo.

Konečné výrobky

Karbid kremíka, priemyselný materiál bežne používaný v rôznych oblastiach – od žiaruvzdorných komponentov až po polovodiče –, je veľmi žiadaný, avšak jeho výroba si vyžaduje energeticky náročné procesy, pri ktorých sa uvoľňujú veľké množstvá CO2. Vedci teraz vyvinuli ekologický spôsob recyklácie tohto materiálu, pri ktorom sa vedľajšie produkty a odpadové látky opäť premieňajú na vysoko kvalitný karbid kremíka.

Proces RECOSiC (c) recykluje práškový odpad z karbidu kremíka (SiC) vznikajúci pri výrobe na karbid kremíka, ktorý je možné opätovne použiť v známych výrobkoch a procesoch, čím sa zvyšuje výťažnosť a zároveň znižuje závislosť od dodávateľov surovín.

Na výrobu karbidu kremíka je potrebné kremeňový piesok a ropný koks zahrievať v otvorených Achesonových peciach. Bohužiaľ, pri tomto procese vznikajú veľké množstvá vedľajších produktov, ktoré nie je možné použiť vo vysokokvalitných aplikáciách kvôli nevhodnej veľkosti zŕn a nedostatočnej reznú výkonnosť. Okrem toho pri práci s takými obrovskými otvorenými pecami predstavuje ďalšiu vážnu hrozbu kontaminácia spôsobená prúdom vzduchu.

Na recykláciu karbidu kremíka je najprv potrebné oddeliť a vyčistiť odpadové produkty a kaly. Proces RECOSiC využíva rýchle Jouleovo ohrievanie na rýchle zvýšenie ich teploty pred zmiešaním s tekutým kremíkom s cieľom vyrobiť sekundárny karbid kremíka, ktorý sa následne impregňuje tekutým kremíkom, čím sa zníži pórovitosť a zvýši čistota primárneho SiC.

Po vyčistení prechádza karbid kremíka v peci procesom tepelného odviazania a pyrolýzy, pri ktorom sa v bezkyslíkových podmienkach zahrieva s cieľom odstrániť obsah uhlíka a spáliť zvyšky spojiva – tento krok zároveň zvyšuje čistotu až na 98%!

Recyklovaný karbid kremíka sa dá využiť na mnoho rôznych účelov, od brúsnych výrobkov, ako sú brúsny papier a brúsne kotúče alebo disky, až po kompozitné materiály s oceľou. Medzi ďalšie oblasti použitia recyklovaného SiC patria vysokoteplotné žiaruvzdorné materiály, balistická ochranná keramika pre vojenskú techniku a automobilovú/environmentálnu techniku (filter pevných častíc pre dieselové motory). Prepracovaný SiC vyrobený procesom RECOSiC obsahuje prevažne hexagonálne kryštálové štruktúry (a-SiC), zatiaľ čo beta karbid kremíka (b-SiC).