Basso in emissioni ed efficiente dal punto di vista energetico – Riciclo del carburo di silicio con RECOSiC©

RECOSiC utilizza scarti e sottoprodotti del processo Acheson e li trasforma in carburo di silicio ad alta purezza in un forno high-tech chiuso. Il prodotto del processo è SiC in polvere. © Fraunhofer IKTS

La grafica mostra i vantaggi di RECOSiC rispetto al metodo Acheson: le emissioni di gas serra e il consumo di energia diminuiscono significativamente, allo stesso tempo la resa di SiC di altissima qualità è molto superiore. © Fraunhofer IKTS

Il grafico mostra i vantaggi di RECOSiC© rispetto al processo di Acheson: le emissioni di anidride carbonica e il consumo energetico sono notevolmente ridotti, mentre la resa di SiC di alta qualità è molto più elevata. © Fraunhofer IKTS

I ricercatori stanno lavorando anche per poter utilizzare in futuro componenti a base di ceramica difettosi o usurati come materia prima per la produzione di SiC di alta qualità. © 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

Il materiale industriale Silicio carburo è molto richiesto per molte applicazioni. Il materiale estremamente duro e resistente al calore viene ad esempio utilizzato per componenti refrattari o per semiconduttori. Tuttavia, la produzione è energivora e emette molta anidride carbonica. Inoltre, si generano grandi quantità di sottoprodotti e scarti. Ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per le Tecnologie e i Sistemi Ceramici IKTS hanno sviluppato con RECOSiC© un procedimento di riciclo particolarmente ecologico, che trasforma questi sottoprodotti e scarti nuovamente in silicio carburo di alta qualità. La nuova procedura migliora il rendimento e riduce anche la dipendenza dai fornitori di materie prime.

Il materiale industriale Silicio carburo (formula chimica: SiC) è molto richiesto nell’industria per la sua enorme durezza – quasi quanto il diamante – e la sua resistenza al calore. SiC viene impiegato in applicazioni nell’industria chimica, come ceramica tecnica, in componenti refrattari, ma anche nei semiconduttori. Durante la produzione nel cosiddetto procedimento di Acheson, sabbia di quarzo e coke di petrolio vengono riscaldati in un forno all’aperto a forma cilindrica a circa 2500 °C. Attraverso la riduzione carbothermica inizia a formarsi il silicio carburo come prodotto finale. Il procedimento non è complicato, ma produce molta CO2: da solo, per ogni tonnellata di SiC vengono rilasciate circa 2,4 tonnellate di gas dannoso per il clima. A ciò si aggiunge il enorme consumo di energia di 7,15 MWh/t per il funzionamento di diversi giorni del forno. In questo modo si producono ulteriori 1,8 tonnellate di CO2 per ogni tonnellata di SiC.

«Il procedimento di Acheson ha quasi 130 anni ed è uno dei processi industriali classici e inquinanti, che ormai non si adattano più ai nostri tempi», spiega Jörg Adler, responsabile del reparto di Ceramiche Non-ossidiche presso l’Istituto Fraunhofer per le Tecnologie e i Sistemi Ceramici IKTS a Dresda. Il suo team ha ora sviluppato, insieme al partner industriale ESK-SiC GmbH, un procedimento di riciclo per gli scarti e i sottoprodotti generati durante il processo. RECOSiC© riduce l’impatto ambientale e trasforma i materiali riciclati in silicio carburo di alta qualità. La ESK-SiC GmbH, con sede a Frechen vicino a Colonia, vanta una lunga esperienza nel trattamento e nella raffinazione delle materie prime.

Forno high-tech trasforma scarti e sottoprodotti in SiC

Nei margini dei giganteschi forni di Acheson all’aperto, una parte significativa delle materie prime, sabbia di quarzo e carbone, non può reagire completamente formando silicio carburo, perché la temperatura qui non è abbastanza alta. A causa delle dimensioni enormi del forno e del calore intenso, non è possibile installarlo all’interno di un capannone industriale. Nel forno all’aperto si aggiungono impurità provenienti dall’aria. Il SiC incompleto, insieme agli scarti e sottoprodotti, può essere utilizzato solo per applicazioni di qualità inferiore o deve essere smaltito. Qui interviene RECOSiC©, il procedimento brevettato. «Riscaldiamo questi sottoprodotti in un forno high-tech sotto atmosfera di gas protettivi a temperature fino a 2400 °C. Da questo si ottiene di nuovo SiC di alta qualità. L’assorbimento di energia di RECOSiC© è inferiore dell’80% rispetto al processo di Acheson, e di conseguenza anche le emissioni di CO2 si riducono significativamente», spiega Adler.

Contrariamente al procedimento di Acheson, nel forno high-tech si producono pochissimi scarti o sottoprodotti. Le impurità vengono separate o vaporizzate durante la reazione chimica. I metalli come il ferro si aggregano sotto alte temperature in grumi che possono essere rimossi meccanicamente. La resa è quindi quasi del 100%.

Un altro grande vantaggio: con RECOSiC© si ottiene SiC di alta qualità con un grado di purezza del 99% o superiore. Matthias Hausmann, amministratore delegato di ESK-SiC GmbH, spiega questo con un paragone esplicativo: «È come se si avesse un procedimento che trasforma carta di scarto in carta, che è uguale o forse anche migliore dell’originale.»

Spezifiche e purezza di SiC controllabili

Per ottenere questa elevata qualità, i ricercatori dell’IKTS non si limitano a introdurre il materiale nel forno. Prima, il materiale di partenza viene analizzato, pre-trattato e integrato con elementi in modo stechiometrico. Ciò significa che i materiali di partenza vengono mescolati nella proporzione esatta necessaria affinché nel processo chimico si formi il composto desiderato con le proprietà richieste. Se necessario, gli esperti aggiungono anche determinati additivi. Infine, vengono impostati i parametri del processo nel forno. Questi includono la temperatura massima, la durata e il controllo dell’andamento della temperatura durante tutto il processo. In questo modo, possono controllare il processo e determinare in anticipo le caratteristiche del prodotto finale SiC, come la dimensione delle particelle o il grado di purezza. Qui il team dell’IKTS beneficia anche della sua lunga esperienza e competenza nella lavorazione di materiali ceramici.

«In collaborazione con il nostro partner industriale ESK-SiC, siamo in grado di fornire il materiale di partenza SiC con le specifiche desiderate per l’applicazione del cliente», afferma Adler. «Allo stesso tempo, possiamo sviluppare con partner dell’industria ceramica materie prime e processi su misura, che consentano nuove proprietà del prodotto e la circolarità.»

Il procedimento innovativo non tratta solo gli scarti del processo di Acheson. È possibile riciclare anche componenti ceramici difettosi o usurati, come filtri antiparticolato diesel o mattonelle resistenti al calore provenienti da inceneritori di rifiuti. Fondamentalmente, ogni materiale contenente almeno il 50% di SiC può essere trasformato in silicio carburo di alta qualità.

Riduzione della dipendenza dai fornitori di materie prime

Matthias Hausmann afferma: «Con RECOSiC© rendiamo molto più pulito e meno inquinante un processo industriale finora molto sporco e dannoso per il clima, risparmiando anche risorse preziose. È un passo importante verso un’economia circolare sostenibile.»

Una migliore utilizzazione delle materie prime primarie riduce anche la dipendenza da fornitori stranieri e le catene di approvvigionamento sempre più fragili. L’IKTS ha sviluppato e testato RECOSiC© con un impianto su scala da laboratorio. La ESK-SiC GmbH gestisce già da metà 2023 un impianto di laboratorio su scala industriale. È previsto un ulteriore ampliamento delle capacità. In questo modo, si creeranno in Germania posti di lavoro high-tech attrattivi per tecnologie sostenibili nel settore delle materie prime energivore.