Kibocsátáscsökkentett és energiahatékony – Szilícium-karbid újrahasznosítás a RECOSiC© segítségével

A RECOSiC az Acheson-folyamat melléktermékeit hasznosítja, és ezeket zárt high-tech kemencében magas tisztaságú szilícium-karbidná alakítja. A folyamat eredményeként porított SiC keletkezik. © Fraunhofer IKTS / RECOSiC

A grafikon bemutatja a RECOSiC előnyeit az Acheson-módszerhez képest: a üvegházhatású gázkibocsátás és az elektromos energia-felhasználás jelentősen csökken, miközben a kiváló minőségű SiC hozama sokkal magasabb. © Fraunhofer IKTS

A grafikon a RECOSiC© előnyeit mutatja be az Acheson folyamatához képest: a szén-dioxid-kibocsátás és az energiafogyasztás jelentősen csökken, míg a magas minőségű SiC hozama sokkal magasabb. © Fraunhofer IKTS

A kutatók azon dolgoznak, hogy a jövőben hibás vagy használt kerámiát tartalmazó alkatrészeket is felhasználhassanak kiváló minőségű SiC előállításához. © 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

Az ipari anyagként használt szilíciumkarbid sokféle alkalmazásban keresett. Ez a rendkívül kemény és hőálló anyag például tűzálló alkatrészekhez vagy félvezetőkhöz használatos. Azonban az előállítása energiaigényes, és sok széndioxidot bocsát ki. Emellett nagy mennyiségben keletkeznek mellék- és hulladéktermékek. A Fraunhofer Kerámia Technológiák és Rendszerek IKTS intézet kutatói kifejlesztettek egy különösen környezetbarát újrahasznosítási eljárást, a RECOSiC©-t, amely ezeket a mellék- és hulladéktermékeket újra magas színvonalú szilíciumkarbidmá alakítja. Az újszerű eljárás javítja a hozamot, és csökkenti az erőforrás-felhasználást is.

A szilíciumkarbid (kémiai képlet: SiC) ipari anyag a rendkívüli keménysége – majdnem olyan kemény, mint a gyémánt – és hőállósága miatt keresett nyersanyag az iparban. A SiC alkalmazási területei közé tartozik a kémiai ipar, a műszaki kerámia, a tűzálló alkatrészek, de félvezetők gyártása is. Az úgynevezett Acheson-eljárásban kvarchomok és petrolkoks kerül egy henger alakú szabadban működő kemencében kb. 2500 °C-ra hevítésre. A karbothermikus redukció során keletkező végtermék a szilíciumkarbid. Az eljárás nem bonyolult, azonban nagyon sok CO₂-t termel: csak a karbothermikus redukció során kb. 2,4 tonna káros gázt bocsát ki egy tonna SiC gyártásához. Emellett jelentős az energiafogyasztás is, kb. 7,15 MWh/t a kemence napi működtetéséhez. Ez további 1,8 tonna CO₂-t eredményez tonna SiC-értékben.

„Az Acheson-eljárás majdnem 130 éves, és a klasszikus, szennyező ipari folyamatok közé tartozik, amelyek már nem igazán illenek a mai időkhöz” – magyarázza Jörg Adler, a Fraunhofer IKTS nemoxid-kerámia osztályvezetője Drezdában. Csapata most együttműködve az ipari partner ESK-SiC GmbH-val kifejlesztett egy újrahasznosítási eljárást a folyamat során keletkező hulladék- és melléktermékek kezelésére. A RECOSiC© csökkenti a környezeti terhelést, és a reciklált anyagokat magas színvonalú szilíciumkarbidmá alakítja. Az ESK-SiC GmbH, amely Köln közelében, Frechenben működik, hosszú évek óta tapasztalattal rendelkezik nyersanyag-kezelésben és -feldolgozásban.

Csúcstechnológiás kemence alakítja hulladék- és melléktermékeket SiC-vá

A hatalmas Acheson-nyílt kemencék szélén bizonyos mennyiségű kvarchomok és szén nem alakul teljes értékű szilíciumkarbidmá, mert a hőmérséklet itt nem elég magas. A kemencék mérete és a hatalmas hő miatt szinte lehetetlen azok telepítése az üzemcsarnokban. A szabadban működő kemencében légszennyező anyagok is keletkeznek. A nem teljesen átalakult SiC, valamint a mellék- és hulladéktermékek eddig csak alacsonyabb minőségű alkalmazásokhoz voltak felhasználhatók, vagy el kellett őket dobni. Ezen segít a szabadalmaztatott RECOSiC© eljárás. „Ezeket a melléktermékeket védőgázas atmoszférában, csúcstechnológiás kemencében hevítjük akár 2400 °C-ig. Ezáltal újra értékes SiC keletkezik. Az energiafelhasználás RECOSiC©-ben 80 százalékkal alacsonyabb, mint az Acheson-eljárásban, így a CO₂-kibocsátás is jelentősen csökken” – magyarázza Adler.

Az Acheson-eljárással szemben a csúcstechnológiai kemencében nagyon kevés hulladék vagy melléktermék keletkezik. A szennyeződések a kémiai reakció során kiválasztódnak vagy elpárolognak. Az olyan fémek, mint a vas, magas hőmérsékleten csomókat képeznek, amelyeket mechanikusan eltávolíthatnak. A hozam így közel 100 százalékos.

Egy másik nagy előny: a RECOSiC©-ben magas tisztaságú, 99 százalék feletti SiC keletkezik. Matthias Hausmann, az ESK-SiC GmbH ügyvezető igazgatója ezt egy szemléletes példával magyarázza: „Ez nagyjából olyan, mintha egy eljárással újra papírt készítenénk a hulladékpapírból, amely ugyanolyan jó vagy akár jobb is lehet, mint az eredeti papír.”

A SiC specifikációi és tisztasága szabályozható

Annak érdekében, hogy ezt a magas minőséget elérjük, a Fraunhofer IKTS kutatói nemcsak azzal foglalkoznak, hogy a nyersanyagot a kemencébe juttassák. A kiinduló anyagot először elemzik, előkezelik, és stoichiometrikusan kiegészítik. Ez azt jelenti, hogy az alapanyagokat pontos arányban keverik, hogy a kémiai folyamat során a kívánt vegyület, a megfelelő tulajdonságokkal rendelkező anyag keletkezzen. Szükség esetén a szakértők bizonyos adalékokat is hozzáadnak. Végül a folyamatparamétereket a kemencében beállítják. Ide tartozik a csúcs hőmérséklet, az időtartam és a hőmérséklet szabályozása az egész folyamat során. Így irányíthatják a folyamatot, és előre meghatározhatják a végtermék SiC tulajdonságait, például szemcseméretét vagy tisztaságát. A Fraunhofer IKTS csapata ezen kívül hosszú évek tapasztalatát és szakértelmét kamatoztatja kerámia anyagok kezelésében.

„Az ipari partnerünkkel, az ESK-SiC-vel közösen, technológiai szolgáltatóként képesek vagyunk a vevő által kívánt specifikációknak megfelelő nyersanyag SiC-t szállítani” – örül Adler. „Egyidejűleg a kerámiaipar partnereivel testre szabott nyersanyagokat és eljárásokat fejleszthetünk, amelyek új terméktulajdonságokat és a körkörös gazdaság lehetőségét is lehetővé teszik.”

Az innovatív eljárás nemcsak a Acheson-folyamat melléktermékeit dolgozza fel. Valószínűleg újra lehet hasznosítani a meghibásodott vagy elhasználódott kerámia alkatrészeket, például dízelrészecskeszűrőket vagy hőszigetelő téglákat hulladékégetőkből. Alapvetően bármilyen anyag alkalmas a legalább 50 százalék SiC-tartalommal való átalakításra magas színvonalú szilíciumkarbidmá.”

Csökkenti az erőforrás-függőséget

Matthias Hausmann így fogalmaz: „A RECOSiC©-vel egy eddig nagyon szennyező és klímavédelmi szempontból káros ipari folyamatot sokkal tisztábbá és környezetkímélőbbé alakítunk, és közben értékes erőforrásokat takarítunk meg. Ez egy fontos lépés a fenntartható körforgásos gazdaság felé.”

A primer nyersanyagok jobb kihasználása csökkenti a külföldi beszállítóktól való függőséget és a növekvőben lévő ellátási láncok bizonytalanságát is. A Fraunhofer IKTS a RECOSiC©-t technológiai léptékben kifejlesztette és tesztelte. Az ESK-SiC GmbH már a 2023 második negyedéve óta működtet ipari méretű technológiai berendezést. A kapacitások további bővítése tervben van. Ennek eredményeként az energiaigényes nyersanyagiparban vonzó csúcstechnológiai munkahelyek jönnek létre a fenntartható technológiák területén Németországban.