Niskie emisje i energooszczędność – recykling węglika krzemu z RECOSiC©

RECOSiC wykorzystuje odpady i produkty uboczne z procesu Achesona i przetwarza je w zamkniętej wysokotechnologicznej piecu w wysokiej czystości węglik krzemu. Produktem tego procesu jest sproszkowany SiC. © Fraunhofer IKTS

Wykres pokazuje zalety RECOSiC w porównaniu do metody Achesona: emisje gazów cieplarnianych i zużycie energii elektrycznej znacznie się zmniejszają, jednocześnie wydajność wysokiej jakości SiC jest znacznie wyższa. © Fraunhofer IKTS

Grafika przedstawia zalety RECOSiC© w porównaniu z procesem Achesona: emisje dwutlenku węgla i zużycie energii są znacznie obniżone, podczas gdy wydajność wysokiej jakości SiC jest znacznie wyższa. © Fraunhofer IKTS

Naukowcy pracują nad tym, aby w przyszłości móc wykorzystywać również uszkodzone lub zużyte komponenty zawierające ceramikę jako surowiec do produkcji wysokiej jakości 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

Materiał przemysłowy krzemików karbid jest poszukiwany w wielu zastosowaniach. Ekstremalnie twardy i odporny na wysokie temperatury materiał jest na przykład wykorzystywany do elementów ogniotrwałych lub półprzewodników. Jednak jego produkcja jest energochłonna i emitująca dużo dwutlenku węgla. Ponadto powstają duże ilości produktów ubocznych i odpadów. Naukowcy z Instytutu Fraunhofer ds. Technologii i Systemów Ceramicznych IKTS opracowali z RECOSiC© szczególnie przyjazną dla środowiska metodę recyklingu, która przekształca te produkty uboczne i odpady z powrotem w wysokiej jakości krzemik karbid. Nowa metoda poprawia wydajność i zmniejsza zależność od dostawców surowców.

Materiał przemysłowy krzemik karbid (wzór chemiczny: SiC) jest ze względu na swoją ogromną twardość – prawie tak twardy jak diament – i odporność na wysokie temperatury poszukiwanym surowcem w przemyśle. SiC jest wykorzystywany w zastosowaniach w przemyśle chemicznym, jako techniczna ceramika, do elementów ogniotrwałych, a także w półprzewodnikach. W produkcji w tzw. metodzie Achesona, piasek kwarcowy i koks naftowy są podgrzewane w cylindrycznym piecu na wolnym powietrzu do około 2500 °C. Dzięki zachodzącej redukcji karbochemicznej powstaje końcowy produkt – krzemik karbid. Metoda ta nie jest skomplikowana, ale generuje bardzo dużo CO₂: tylko przez redukcję karbochemiczną uwalniane jest około 2,4 tony tego szkodliwego dla klimatu gazu na tonę SiC. Do tego dochodzi ogromny zużycie energii – 7,15 MWh/t na wielodniową pracę pieca. W tym procesie powstaje dodatkowo 1,8 tony CO₂ na tonę SiC.

„Metoda Achesona ma prawie 130 lat i należy do klasycznych, brudnych procesów przemysłowych, które już nie pasują do naszych czasów” – wyjaśnia Jörg Adler, kierownik działu ceramiki nieutleniającej w Instytucie Fraunhofer ds. Technologii i Systemów Ceramicznych IKTS we Dreznie. Jego zespół opracował wspólnie z partnerem przemysłowym ESK-SiC GmbH metodę recyklingu odpadów i produktów ubocznych powstających podczas tego procesu. RECOSiC© zmniejsza obciążenie środowiska i przekształca recyklingowane materiały w wysokiej jakości krzemik karbid. ESK-SiC GmbH z siedzibą w Frechen koło Kolonii posiada wieloletnie doświadczenie w obróbce i ulepszaniu surowców.

Wysokotechnologiczny piec przekształca odpady i produkty uboczne w SiC

Na obrzeżach ogromnych pieców Achesona na wolnym powietrzu znaczna część surowców pierwotnych, takich jak piasek kwarcowy i węgiel, nie może się całkowicie przekształcić w krzemik karbid, ponieważ temperatura tutaj nie jest wystarczająco wysoka. Ze względu na rozmiar pieców i ogromne temperatury, ustawienie ich w hali produkcyjnej jest niemal niemożliwe. Do pieca dostają się zanieczyszczenia z powietrza. Niecałkowicie przetworzony SiC oraz produkty uboczne i odpady mogą być dotychczas wykorzystywane jedynie do mniej wartościowych zastosowań lub muszą być usuwane. Tu z pomocą przychodzi opatentowana metoda RECOSiC©. „Podgrzewamy te produkty uboczne w atmosferze ochronnej w wysokotechnologicznym piecu do temperatur nawet do 2400 °C. Z tego powstaje ponownie wysokiej jakości SiC. Pobór energii w RECOSiC© jest o 80 procent niższy niż w procesie Achesona, co znacznie obniża emisję CO₂” – wyjaśnia Adler.

W przeciwieństwie do metody Achesona, w wysokotechnologicznym piecu powstaje bardzo mało odpadów lub produktów ubocznych. Zanieczyszczenia są wytrącane lub odparowywane podczas reakcji chemicznej. Metale, takie jak żelazo, tworzą pod wpływem wysokiej temperatury grudki, które można mechanicznie usunąć. Wydajność sięga niemal 100 procent.

Kolejną dużą zaletą jest fakt, że w RECOSiC© powstaje wysokiej jakości SiC o czystości 99 procent i nawet wyższej. Matthias Hausmann, dyrektor zarządzający ESK-SiC GmbH, wyjaśnia to za pomocą obrazowego porównania: „To mniej więcej tak, jakby mieć metodę, która z makulatury produkuje papier, który jest tak samo dobry lub nawet lepszy od oryginalnego papieru.”

Specyfikacje i czystość SiC są możliwe do kontrolowania

Aby osiągnąć tę wysoką jakość, naukowcy z Fraunhofer IKTS nie ograniczają się jedynie do podawania materiału do pieca. Surowiec jest najpierw analizowany, poddawany wstępnej obróbce i uzupełniany stechiometrycznie. Oznacza to, że składniki są mieszane w dokładnym stosunku, który jest potrzebny, aby w reakcji chemicznej powstało pożądane połączenie o wymaganych właściwościach. W razie potrzeby eksperci dodają również określone dodatki. Na koniec ustawiają parametry procesu w piecu. Należą do nich maksymalna temperatura, czas trwania i regulacja przebiegu temperatury w całym procesie. Dzięki temu mogą kontrolować przebieg procesu i wstępnie określić właściwości końcowego produktu SiC, takie jak wielkość ziaren czy czystość. W tym zakresie korzystają z wieloletniego doświadczenia i wiedzy specjalistów z IKTS.

„Wspólnie z naszym partnerem przemysłowym ESK-SiC możemy jako dostawca technologii dostarczać surowiec SiC o pożądanych specyfikacjach, dostosowanych do potrzeb klienta” – cieszy się Adler. „Jednocześnie możemy we współpracy z przemysłem ceramicznym opracowywać dostosowane do potrzeb surowce i metody, które umożliwią nowe właściwości produktów, aż po cykl zamknięty.”

Innowacyjna metoda nie przetwarza jednak tylko odpadów z procesu Achesona. Możliwe jest również recykling uszkodzonych lub zużytych komponentów ceramicznych, takich jak filtry cząstek diesel czy płytki grzewcze z pieców na odpadki. Zasadniczo każdy materiał zawierający co najmniej 50 procent SiC może zostać przekształcony w wysokiej jakości krzemik karbid.

Zmniejszenie zależności od dostawców surowców

Matthias Hausmann mówi: „Dzięki RECOSiC© możemy znacznie oczyścić i uczynić bardziej ekologicznym bardzo brudny i szkodliwy dla klimatu przemysłowy proces, jednocześnie oszczędzając cenne zasoby. To ważny krok w kierunku zrównoważonego gospodarki o obiegu zamkniętym.”

Lepsze wykorzystanie surowców pierwotnych zmniejsza także zależność od zagranicznych dostawców surowców i coraz bardziej kruche łańcuchy dostaw. Instytut IKTS opracował RECOSiC© na skalę przemysłową w ramach urządzenia laboratoryjnego. Firma ESK-SiC GmbH od drugiego kwartału 2023 roku eksploatuje urządzenie laboratoryjne na skalę przemysłową. Planowany jest dalszy rozwój zdolności produkcyjnych. W tym kontekście w energochłonnej branży surowcowej powstaną atrakcyjne miejsca pracy w dziedzinie technologii zrównoważonych rozwiązań w Niemczech.