Reduzca costes y ayude al medio ambiente con el reciclaje de carburo de silicio

Los gránulos de carburo de silicio (SiC) son materiales fuertes y resistentes, ideales para su uso en aplicaciones abrasivas. Además, su naturaleza inerte los hace adecuados para la electrónica que funciona a temperaturas y frecuencias más altas.

Actualmente, el SiC se produce mediante un proceso Acheson que consiste en hacer reaccionar arena de cuarzo y coque de petróleo en enormes hornos al aire libre.

Coste

Los seres humanos han explotado los recursos naturales de la Tierra para todo tipo de usos, desde el cultivo de alimentos hasta la producción de electricidad. Pero nuestro consumo puede tener repercusiones tanto económicas como medioambientales; algunos materiales escasean mientras que los precios pueden dispararse rápidamente. Para preservar el acceso a estos recursos vitales para las generaciones futuras, el reciclaje debería formar parte de la práctica diaria; muchos fabricantes de la industria del corte de metales ya están tomando medidas para reciclar las herramientas de corte de metal duro usadas con el fin de reducir costes y ayudar al medio ambiente.

La producción de carburo de silicio puede ser un proceso industrial de alto consumo energético que genera grandes volúmenes de residuos y subproductos. Los investigadores del Fraunhofer IKTS han desarrollado un proceso respetuoso con el medio ambiente que recicla este material subproducto y lo convierte de nuevo en carburo de silicio de alta calidad para su reutilización, al tiempo que reduce los niveles de contaminación industrial y ahorra energía.

Este método utiliza la agitación, la antisedimentación y el cribado para extraer polvo micrométrico de SiC de gran pureza sin tratamiento posterior para su reutilización sin aumentar las emisiones de carbono hasta 75% en comparación con los métodos actuales de producción del proceso Acheson.

Hasta hace poco, la mayoría de los residuos resultantes de los procesos Acheson se utilizaban para la producción de cerámicas de silicio de calidad inferior aglutinadas por reacción o nitruro o se dejaban como residuo; sin embargo, la demanda de estos productos era baja, mientras que los costes de eliminación de los lodos residuales pueden ser caros; además, estos residuos contienen contaminantes que causan problemas de corrosión en las industrias de corte de metales.

El equipo de Fraunhofer IKTS ha desarrollado un sistema eficaz para abordar este problema reciclando los residuos pulverulentos en carburo de silicio de alta calidad. Además, este enfoque también puede aplicarse a los residuos de otras actividades relacionadas con la producción, como los lodos abrasivos.

El sistema utiliza un proceso de flotación por espuma para separar el silicio de los subproductos, separando la espuma con un emulsionante antes de calentarla para formar cristales sólidos de carburo de silicio. A continuación, el silicio fundido se somete a procesos de refinado al vacío y con gas para producir silicio de calidad metalúrgica que se introduce directamente en un horno Bridgeman vertical para la formación de cristales.

Impacto medioambiental

El carburo de silicio (SiC) es un material industrial extremadamente duradero, famoso por su extrema dureza y resistencia al calor, lo que lo hace muy útil en cerámicas técnicas y refractarios. Sin embargo, los métodos tradicionales de producción de SiC requieren un importante gasto energético y liberan a la atmósfera considerables emisiones de dióxido de carbono. Estas emisiones suponen un gran peligro, sobre todo para las industrias de alta tecnología que dependen de él para la producción de materias primas. Una tecnología de reciclado recientemente patentada puede ayudar a mitigar su impacto utilizando los residuos de arroz como materia prima en lugar de emitirlos como material de desecho. Esta tecnología emplea el proceso de calentamiento Joule Flash, en el que se hace pasar una corriente a través de un material moderadamente resistente para calentarlo rápidamente y transformarlo en otros materiales. Esto puede reducir la contaminación industrial, así como las limitaciones de suministro de fuentes de materia prima fresca.

El reciclaje de SCW implica una intrincada serie de pasos que debe llevar a cabo un experto o una empresa especializada. Una vez que los lodos reciclados se han combinado con otras materias primas para formar materiales compuestos para su uso en procesos de fabricación, el resultado final no sólo es rentable, sino que ayuda a minimizar el impacto ambiental del silicio en bruto, al tiempo que disminuye las necesidades de espacio en los vertederos y las emisiones de productos químicos tóxicos a la atmósfera.

Los métodos convencionales para separar el carburo de silicio sólido del silicio líquido implican la flotación por espuma y la lixiviación ácida, que requieren un aporte energético excesivo, así como grandes volúmenes de disolventes orgánicos que pueden dañar a los animales, la ecología y provocar accidentes durante el procesamiento; incluso pueden suponer un riesgo para la salud de los trabajadores implicados en la producción. Por lo tanto, es necesario encontrar un medio alternativo para extraer el silicio del carburo de silicio sólido.

Investigadores de la Universidad Rice han ideado un eficaz proceso de upcycling que transforma plástico reforzado con fibra de vidrio (GFRP) en carburo de silicio para aplicaciones aeroespaciales y producción de papel de lija. El calentamiento Joule Flash -en el que una corriente eléctrica pasa rápidamente a través del material para calentarlo rápidamente a temperaturas muy altas- permite esta transformación. Las reacciones químicas resultantes provocan entonces transformaciones en diversas sustancias, lo que ayuda a las industrias aeroespaciales a alcanzar más fácilmente los objetivos de sostenibilidad al tiempo que se reducen las necesidades de materias primas.

Seguridad

La producción de carburo de silicio requiere importantes insumos energéticos y genera una enorme cantidad de material de desecho, pero gracias a la investigación del Instituto Fraunhofer de Tecnologías y Sistemas Cerámicos IKTS de Dresde (Alemania), ahora los residuos pueden transformarse en productos de carburo de silicio de alta calidad con niveles reducidos de contaminación industrial, costes y emisiones de gases de efecto invernadero. Este avance tecnológico ha revolucionado la producción.

La tecnología de calentamiento Flash Joule se basa en hacer pasar una corriente eléctrica a través de materiales moderadamente resistivos a una resistencia moderadamente alta para calentarlos rápidamente a temperaturas muy elevadas, creando carburo de silicio que luego puede transformarse en otras sustancias para su uso en una serie de productos que van desde los semiconductores hasta el papel de lija - ofreciendo soluciones potenciales a la eliminación del plástico reforzado con fibra de vidrio (GFRP), que suele acabar enterrado en vertederos una vez finalizada su vida útil. Esta solución podría aportar una solución potencial al plástico reforzado con fibra de vidrio (GFRP), que suele acabar en los vertederos una vez alcanzada su vida útil - ayudando a resolver un problema de residuos que de otro modo sería costoso con su eliminación final al reciclar en su lugar las partes que lo componen.

Una reciente publicación en Nature Sustainability ha puesto de relieve un nuevo método de reciclado de carburo de silicio que utiliza la generación de energía por calentamiento Joule flash para transformar residuos de PRFV en carburo de silicio de alta calidad a un coste reducido y con una producción de contaminantes significativamente menor que los procesos de incineración o solvólisis.

Este método se basa en el principio de que el silicio y el carburo de silicio pueden separarse utilizando la repulsión eléctrica, el tamaño de las partículas y la densidad para separarlos. Además, este enfoque no requiere equipos caros ni disolventes orgánicos y puede incluso completarse utilizando sustrato líquido sin necesidad de agitar la mezcla; además, ha demostrado ser más eficaz que el uso de métodos tradicionales con una solución acuosa.

Tras aislar el silicio sólido del carburo de silicio, se sumerge en soluciones ácidas como los ácidos clorhídrico, nítrico o sulfúrico o sus combinaciones para producir polvo de silicio purificado. Una vez completada esta etapa, debe eliminarse el exceso de solución ácida para obtener polvo de silicio puro como producto final.

RECOSiC puede reciclar hasta 75% de materias primas primarias utilizadas para fabricar SiC, produciendo SiC verde de gran pureza con varios politípos. Puede utilizarse en una gran variedad de aplicaciones y es mucho más seguro que los procesos industriales actuales, que producen emisiones tóxicas de SOx, NOx y metales pesados. Además, al utilizar material de desecho reciclado y gas natural renovable (biogás), la producción resulta rentable y respetuosa con el medio ambiente.

Reciclabilidad

La viabilidad económica del carburo de silicio depende de su reciclabilidad. La capacidad de reciclaje varía en función de su morfología y estructura, que pueden modificarse mediante tratamiento térmico u otros métodos. Un método rentable para reciclar el silicio consiste en utilizar obleas recicladas desechadas durante la producción como fuente económica de reciclaje de carburo de silicio para múltiples usos, como la fabricación de cerámica y materiales de protección balística, reduciendo el consumo de energía hasta en 80% y disminuyendo significativamente las emisiones de CO2 en este proceso.

Como parte de los esfuerzos por aumentar la reciclabilidad del carburo de silicio, se están creando nuevas tecnologías de fabricación. El objetivo de estos procesos es mejorar la calidad de la producción de silicio y aumentar las tasas de reciclado, por ejemplo, mediante el reprocesamiento de paneles solares de residuos fotovoltaicos que pueden producir silicio metalúrgico de gran pureza o el reciclado de lodos de corte de obleas mediante reacción carbotérmica; ambos métodos pueden reducir significativamente el consumo de energía y las emisiones de CO2 en unas 80-90% y 33%, respectivamente.

El carburo de silicio es un material integral en la industria electrónica y su producción suele consumir grandes cantidades de energía y producir importantes residuos, por lo que es necesario adoptar medidas para reducir ambos costes. Por tanto, debe darse prioridad a la búsqueda de formas de reducir estos costes energéticos y de residuos.

El reciclado de carburo de silicio utiliza un proceso de tratamiento térmico en dos etapas: primero se calienta la materia prima a 2.400 grados centígrados; después se aplica un tratamiento de radiación térmica que forma cristales de carburo de silicio que pueden reciclarse para fabricar productos de alta calidad. A diferencia del método Acheson, este método de reciclaje es más rentable y plantea menos riesgos medioambientales.

Los lodos generados durante la producción de carburo de silicio incluyen una mezcla de silicio, etilenglicol, agua de refrigeración e impurezas que es valiosa para otros usos. Sin embargo, si no se procesan adecuadamente, estos lodos pueden contener partículas de hierro y otras impurezas perjudiciales para la salud humana que deben deshidratarse y filtrarse antes de reutilizarlos para otros fines. También debe impregnarse el polvo de silicio con una solución ácida para lavar y eliminar las impurezas que queden. Se puede utilizar un electroimán para separar magnéticamente las impurezas cubiertas por los polvos de silicio.