Nízké emise a energeticky úsporné – recyklace karbidu křemíku s RECOSiC©

RECOSiC využívá vedlejší produkty z procesu Acheson a přeměňuje je v uzavřeném high-tech peci na vysoce čistý karbid křemíku. Výsledkem procesu je práškový SiC. © Fraunhofer IKTS

Grafika ukazuje výhody RECOSiC ve srovnání s Achesonovým postupem: emise skleníkových plynů a spotřeba energie výrazně klesají, přičemž výtěžnost vysoce kvalitního SiC je mnohem vyšší. © Fraunhofer IKTS

Grafika znázorňuje výhody RECOSiC© ve srovnání s procesem Acheson: Emise oxidu uhličitého a spotřeba energie jsou výrazně sníženy, zatímco výtěžek vysoce kvalitního SiC je mnohem vyšší. © Fraunhofer IKTS

Výzkumníci pracují na tom, aby mohli v budoucnu využívat i vadné nebo opotřebované keramické komponenty jako základ pro výrobu vysoce kvalitního SiC. © Fraunhofer IKTS / The researchers are also working on using defective or used ceramics-based components as feed stock for producing high-quality SiC in future. © Fraunhofer IKTS

Průmyslový materiál Silicon carbide je žádaný pro mnoho použití. Extrémně tvrdý a odolný vůči teplu je například používán pro žáruvzdorné komponenty nebo polovodiče. Avšak výroba je energeticky náročná a produkuje velké množství oxidu uhličitého. Navíc vznikají velké množství vedlejších a odpadních produktů. Výzkumníci z Fraunhoferova institutu pro keramické technologie a systémy IKTS vyvinuli s RECOSiC© obzvlášť ekologicky šetrný recyklační proces, který tyto vedlejší a odpadní produkty znovu přeměňuje na vysoce kvalitní silicon carbide. Tento inovativní proces zlepšuje výtěžnost a snižuje závislost na dodavatelích surovin.

Průmyslový materiál silicon carbide (chemická značka: SiC) je kvůli své obrovské tvrdosti – téměř tak tvrdý jako diamant – a odolnosti vůči teplu žádanou surovinou v průmyslu. SiC se používá v chemickém průmyslu, jako technická keramika, při žáruvzdorných komponentách, ale také v polovodičích. Při výrobě v tzv. Achesonově procesu se křemičitý písek a petrolejový koks zahřívají v válcovém otevřeném peci na přibližně 2500 °C. Díky probíhající karbothermické redukci vzniká finální produkt – silicon carbide. Tento proces sice není složitý, avšak produkuje velké množství CO₂: pouze karbothermickou redukcí se uvolní asi 2,4 tuny škodlivého plynu na 1 tunu SiC. K tomu přispívá i obrovská spotřeba elektřiny – 7,15 MWh/t pro několikadenní provoz pece. Při tom vzniká dalších 1,8 tuny CO₂ na tunu SiC.

»Achesonův proces je téměř 130 let starý a patří mezi klasické průmyslové procesy, které už vlastně neodpovídají dnešní době«, vysvětluje Jörg Adler, vedoucí oddělení nekovových oxidových keramik v Fraunhoferově institutu pro keramické technologie a systémy IKTS v Drážďanech. Jeho tým nyní společně s průmyslovým partnerem ESK-SiC GmbH vyvinul recyklační proces pro odpadní a vedlejší látky vznikající při tomto procesu. RECOSiC© snižuje dopad na životní prostředí a přeměňuje recyklované materiály na vysoce kvalitní silicon carbide. ESK-SiC GmbH se sídlem v Frechenu u Kolína má dlouholeté zkušenosti s úpravou a zpracováním surovin.

Vysoce technologická pec přeměňuje odpadní a vedlejší produkty na SiC

V okrajových oblastech obrovských otevřených pecí Acheson nelze úplně přeměnit primární suroviny – křemičitý písek a uhlí – na silicon carbide, protože zde teplota není dostatečně vysoká. Kvůli velikosti pecí a obrovskému horku je jejich umístění v továrně téměř nemožné. Do otevřených pecí přicházejí i nečistoty ze vzduchu. Nezpracované SiC a vedlejší či odpadní produkty jsou dosud využitelné pouze pro méně kvalitní aplikace nebo musí být likvidovány. Zde přichází na řadu patentovaný RECOSiC©. »Tato vedlejší produktům zahříváme v ochranné atmosféře v špičkové peci na teploty až do 2400 °C. Z toho vzniká opět vysoce kvalitní SiC. Příjem energie je u RECOSiC© o 80 procent nižší než u Achesonova procesu, a tím se výrazně snižuje i emise CO₂«, vysvětluje Adler.

Na rozdíl od Achesonova procesu vzniká v této vysoce technologické peci velmi málo odpadů nebo vedlejších produktů. Nečistoty jsou při chemické reakci usazovány nebo odpařovány. Kovy jako železo se při vysoké teplotě shlukují do kuliček, které lze mechanicky odstranit. Výtěžnost je tak téměř 100 procent.

Další velkou výhodou je: při RECOSiC© vzniká vysoce kvalitní SiC s čistotou 99 procent a více. Matthias Hausmann, jednatel ESK-SiC GmbH, to vysvětluje názorným přirovnáním: »Je to asi jako když máte proces, který z použitých papírů vyrábí nový papír, který je stejně dobrý nebo možná ještě lepší než originál.«

Specifikace a čistota SiC jsou říditelné

Aby bylo možné dosáhnout této vysoké kvality, nenechávají vědci z Fraunhofer IKTS pouze materiál v peci zpracovat. Výchozí materiál nejprve analyzují, předzpracují a stochasticky doplní. To znamená, že suroviny jsou smíchány v přesném poměru, který je nutný k tomu, aby v chemickém procesu vzniklo požadované spojení s požadovanými vlastnostmi. Pokud je třeba, doplňují také určité přísady. Nakonec jsou nastaveny parametry procesu v peci. Patří sem maximální teplota, doba trvání a řízení teplotního vývoje po celou dobu. Díky tomu mohou řídit průběh procesu a předem určit vlastnosti finálního produktu SiC, například velikost zrn nebo čistotu. Tato dlouholetá zkušenost a odbornost v práci s keramickými materiály je velkou výhodou týmu Fraunhofer IKTS.

»Společně s naším průmyslovým partnerem ESK-SiC jsme schopni jako technologičtí poskytovatelé dodat surovinu SiC s požadovanými specifikacemi pro konkrétní použití zákazníka«, těší se Adler. »Zároveň můžeme s partnery v keramickém průmyslu vyvíjet na míru přizpůsobené suroviny a procesy, které umožní nové vlastnosti produktů až po cirkulární využití.«

Inovativní proces však nezpracovává pouze vedlejší produkty z Achesonova procesu. Také vadné nebo opotřebované keramické komponenty, například filtry pevných částic naftových motorů nebo horkovzdušné cihly z spaloven odpadu, lze pravděpodobně recyklovat. Obecně je vhodný každý materiál s minimálně 50 procenty obsahu SiC pro přeměnu na vysoce kvalitní silicon carbide.

Snížení závislosti na dodavatelích surovin

Matthias Hausmann říká: »S RECOSiC© činíme dosud velmi špinavý a klimaticky škodlivý průmyslový proces výrazně čistším a zároveň šetříme cenné zdroje. To je důležitý krok směrem k udržitelné cirkulární ekonomice.«

Lepší využití primárních surovin také snižuje závislost na zahraničních dodavatelích surovin a na stále křehčích dodavatelských řetězcích. Fraunhofer IKTS vyvinul RECOSiC© s technologií v pilotním měřítku a otestoval ji. ESK-SiC GmbH již od druhého čtvrtletí 2023 provozuje pilotní zařízení v průmyslovém měřítku. Plánuje se další rozšíření kapacit. V této souvislosti vznikají v energeticky náročném průmyslu surovinové odvětví atraktivní high-tech pracovní místa pro udržitelné technologie v Německu.