Estrazione e raffinazione: silicio puro e l'incredibile sforzo necessario per arrivarci

Se non fosse per la sottile guaina d’acqua e la vita basata sul carbonio che lo ricopre, il nostro pianeta natale sarebbe forse meglio conosciuto come il “mondo del silicio”. Più di un quarto della massa della crosta terrestre è costituita da silicio e, insieme all'ossigeno, i minerali silicati formano circa il 90% del sottile guscio di roccia che galleggia sul mantello terrestre. Il silicio è il fondamento del nostro mondo ed è letteralmente comune quanto lo sporco.

Ma solo perché ne abbiamo molto non significa che ne abbiamo molto nella sua forma pura. Ed è solo nella sua forma più pura che il silicio diventa ciò che ha portato il nostro mondo nell'era dell'informazione. Il silicio elementare, tuttavia, è molto raro, quindi ottenere quantità apprezzabili di metalloide sufficientemente puro da essere utile richiede operazioni di estrazione e raffinazione ad alta intensità di energia e risorse. Queste operazioni utilizzano una chimica piuttosto interessante e alcuni trucchi accurati e, se portate a livelli industriali, pongono sfide uniche che richiedono un'ingegneria piuttosto intelligente da affrontare.

La materia prima per la maggior parte della produzione di silicio è la quarzite minerale. La quarzite proviene da antichi depositi di sabbie quarzose che formavano depositi sedimentari. Nel corso del tempo e con il calore e la pressione, queste arenarie di quarzo sono state trasformate nella quarzite di roccia metamorfica, che è composta per almeno l'80% di quarzo in volume.

La quarzite è una roccia incredibilmente dura e, dove sporge sopra la superficie, forma creste che resistono fortemente agli agenti atmosferici. Formazioni significative di quarzite sono sparse in tutto il mondo, ma ci sono relativamente pochi luoghi in cui ha senso dal punto di vista finanziario estrarre la roccia per la produzione di silicio, poiché le formazioni devono essere facilmente accessibili e relativamente vicine alle altre materie prime e all'approvvigionamento energetico necessario. .

La quarzite grezza è composta principalmente da biossido di silicio (SiO2) e il processo di raffinazione inizia con una reazione di riduzione per eliminare l'ossigeno. La quarzite frantumata viene miscelata con carbonio sotto forma di coke (carbone riscaldato in assenza di ossigeno). Alla carica viene aggiunto anche il cippato; servono sia come fonte di carbonio che come agente di carica fisico che consente ai gas e al calore di circolare meglio nel forno.

I forni ad arco per la fusione del silicio sono impianti massicci con enormi elettrodi di carbonio. Gli elettrodi si consumano durante la fusione, quindi nuovi elettrodi vengono avvitati sulla parte superiore degli elettrodi attuali per garantire che il processo non venga interrotto. Il forno ad arco richiede enormi quantità di elettricità per mantenere la temperatura necessaria di 2.000°C, quindi le raffinerie di silicio sono spesso situate dove l’elettricità è economica e abbondante.

Le reazioni di riduzione all'interno della zona di fusione sono in realtà piuttosto complicate, ma possono essere riassunte in due reazioni principali:

In entrambe le reazioni, l'ossigeno nel biossido di silicio si combina con il carbonio per formare il principale prodotto di scarto, il monossido di carbonio. Una reazione collaterale che si verifica in una parte della zona di fusione all'interno del forno produce carburo di silicio (SiC), che è un sottoprodotto indesiderato (almeno quando l'obiettivo è purificare il silicio; il carburo di silicio stesso è un utile abrasivo industriale). Assicurandosi che il biossido di silicio sia molto in eccesso nel forno, viene favorita la seconda reazione in cui il SiC funge da fonte di carbonio per la riduzione del biossido di silicio e si può estrarre dal fondo del forno silicio con purezza fino al 99%. forno.

Il silicio prodotto da questo processo è denominato silicio metallurgico. Per quasi tutti gli usi industriali, questo silicio altamente purificato è sufficiente. Circa il 70% del silicio metallurgico è destinato alla fabbricazione di leghe metalliche come il ferrosilicio e l'alluminio-silicio, una lega che si contrae minimamente durante il raffreddamento e viene quindi utilizzata per colare blocchi motore in alluminio e manufatti simili.

Per quanto utile sia il silicio metallurgico, anche al 99% puro non è nemmeno vicino alla purezza necessaria per le applicazioni fotovoltaiche e dei semiconduttori. Le fasi successive della purificazione portano il silicio al livello di purezza necessario per la produzione di semiconduttori. La purificazione inizia mescolando il silicio metallurgico in polvere con acido cloridrico caldo e gassoso. Questa reazione produce silani, che sono composti con un atomo centrale di silicio circondato da quattro attaccamenti, in questo caso tre atomi di cloro e uno di idrogeno. Questo triclorosilano è un gas alla temperatura all'interno della camera di reazione, che lo rende più facile da maneggiare e purificare mediante distillazione frazionata.