Pozyskiwanie krzemu poprzez aluminotermiczną redukcję kwarcu w żużlu
Krzem stanowi jeden z kluczowych materiałów wykorzystywanych w urządzeniach, których używamy na co dzień. Jest stosowany na szeroką skalę w elektronice i ogniwach słonecznych oraz jest głównym składnikiem ceramiki, cegieł i cementu portlandzkiego. Dużym problemem pozostaje ryzyko przerwania ciągłości dostaw – krzem został uznany za jeden z 34 surowców krytycznych. Co więcej, produkcja krzemu z użyciem nowoczesnych metod jest wysoce energochłonna i wysokoemisyjna, przyczyniając się do wydalania olbrzymich ilości CO2 do atmosfery. Biorąc pod uwagę fakt, że w 2022 roku na świecie wyprodukowano łącznie 9 milionów ton krzemu, opracowanie bardziej zrównoważonych i neutralnych pod względem emisji dwutlenku węgla metod produkcji wpłynie w znaczący sposób na ekologię. Dlatego zespół pionierskiego projektu SisAl Pilot finansowanego ze środków Unii Europejskiej opracował innowacyjny proces, którego od dawna potrzebuje zarówno przemysł wydobywczy, jak i nasze środowisko naturalne. Nowy proces pozwoli na zastąpienie wysokoemisyjnych rozwiązań znacznie bardziej ekologicznymi odpowiednikami opartymi na wtórnych źródłach glinu i kwarcu (dwutlenku krzemu), które umożliwią wytwarzanie krzemu na dużą skalę.
Aluminotermiczna redukcja kwarcu w żużlu
Od początku XX wieku krzem jest wytwarzany głównie z kwarcu – najpowszechniej występującego minerału w skorupie ziemskiej. Jego pozyskiwanie wymaga przeprowadzenia reakcji z udziałem bogatych w atomy węgla materiałów w bardzo wysokiej temperaturze w piecu oporowo-łukowym. Każda tona wyprodukowanego krzemu wymaga zużycia ponad 10 megawatogodzin energii elektrycznej i powoduje wyemitowanie około 5 ton CO2. Zespół projektu SisAl Pilot zaprezentował pierwszy (i jak dotąd jedyny) alternatywny procesu produkcji krzemu pozwalający na osiągnięcie skali powyżej 100 kilogramów. Zdaniem koordynatorki projektu Gabrielli Tranell z Norweskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii, proces SisAl opracowany w ramach projektu „zastępuje bogate w atomy węgla czynniki redukujące wtórnymi źródłami glinu, takimi jak złom czy odpady produkcyjne. Wytwarzanie krzemu z kwarcu w procesie redukcji aluminotermicznej nie przyczynia się bezpośrednio do powstawania emisji dwutlenku węgla. Nie jest to jednak koniec korzyści – proces odzysku glinu charakteryzuje się wysoką sprawnością, a metoda SisAl opracowana w ramach projektu pozwala na wykorzystanie wielu źródeł kwarcu, między innymi żużlu (połączenia tlenków metali i dwutlenku krzemu) i drobnych odpadów kwarcowych, zwłaszcza opiłków i pozostałości”. Oprócz elastycznego wykorzystania zasobów i redukcji emisji, reakcja glinu i kwarcu zawartego w żużlu jest reakcją egzotermiczną – prowadzi do wydzielania energii.
Gospodarka o obiegu zamkniętym oraz symbioza przemysłowa
Zastąpienie karbotermicznego pieca łukowo-oporowego rozwiązaniem opracowanym w ramach projektu SisAl Pilot w celu aluminotermicznej redukcji kwarcu w żużlu prowadzi do zmniejszenia zużycia energii i materiałów, a także szkodliwych emisji. Krzem jest najczęściej stosowanym pierwiastkiem stopowym, cenionym ze względu na poprawę właściwości aluminium. Opracowany w ramach projektu SisAl Pilot proces pozwala na domknięcie obiegu w sektorach produkcji aluminium i krzemu. W związku z tym stanowi doskonały przykład symbiozy przemysłowej opartej na zasadach gospodarki o obiegu zamkniętym. „Metalurgia to bardzo stary sektor przemysłu, a historia produkcji metali i ich stopów przy pomocy redukcji karbotermicznej sięga epoki brązu. Z tego powodu potrzebujemy nowych procesów oraz dostosowania stanu wiedzy na miarę nowych czasów. Znajdujemy się obecnie u progu największej transformacji w historii branży, której najważniejszym elementem jest dekarbonizacja. Jednym z czynników, które pozwolą nam zrealizować ten cel, jest symbioza przemysłowa. Co więcej, opracowany w ramach projektu proces SisAl pokazuje nam, że nie jest to tylko mrzonka”, dodaje Tranell.
Oczy całego świata zwrócone na pilotażowy projekt
„Zwykle jest tak, że zanim partnerzy przemysłowi uwierzą, że dany projekt ma potencjał komercyjny i może zostać wykorzystany poza laboratorium, potrzebują zobaczyć dowody jego działania. Zespołowi projektu SisAl Pilot udało się zaprezentować reakcję aluminotermicznej redukcji kwarcu na dużą skalę przy użyciu zróżnicowanych reaktorów i mieszanek surowców, zdobywając zainteresowanie podmiotów z całego świata. Pilotażowe realizacje przełożyły się na szereg prezentacji, rozmów biznesowych oraz wyliczeń, w tym szczegółowych analiz wpływu na środowisko”, wyjaśnia Tranell. Wszystko wskazuje na to, że rewolucyjna alternatywa dla procesu redukcji karbotermicznej jest na dobrej drodze do komercjalizacji i przyczyni się zarówno do przyszłego zrównoważonego rozwoju, jak i pomoże nam w walce ze skutkami zmiany klimatu.
Słowa kluczowe
SisAl Pilot, krzem, kwarc, glin, redukcja aluminotermiczna, żużel, piec łukowo-oporowy, symbioza przemysłowa, gospodarka o obiegu zamkniętym, surowce krytyczne
