Ist Silizium ökologisch nachhaltig?

Da umweltbewusste Lebensweisen immer beliebter werden, wird häufig die Frage gestellt, ob Silikon ein ökologisch nachhaltiger Werkstoff ist. Die Antwort lautet: Ja.

Pflanzen, denen Silizium fehlt, sind anfälliger für biologische Schädlinge und Umweltstressoren, da sie durch die Zufuhr dieses Spurenelements biologisch widerstandsfähiger werden.

Metallurgische Anwendungen

Grünes Silizium findet breite Anwendung in Branchen, die mit Metalllegierungen arbeiten, wie beispielsweise in der Stahl- und Aluminiumindustrie. Feuerfeste Materialien, die grünes Silizium enthalten, steigern zudem die Leistung von Hochtemperaturöfen und Brennöfen durch die Herstellung von Schaumkeramik und Spezialkeramik und verbessern so die Gesamtleistung der Öfen und Brennöfen.

Silizium ist zudem der wichtigste Rohstoff für die Herstellung von Polysilizium, einem wesentlichen Bestandteil der Solarenergietechnologie, die sich weltweit als alternative Energiequelle durchgesetzt hat.

Das Schleifmittel SiC ist in zwei Qualitäten erhältlich: als grüne Variante mit einer Reinheit von 97%–99% und als verunreinigte schwarze Variante (Abb. 1.9). Das grüne Schleifmittel kann zum Schleifen von Hartlegierungen und spröden Metallen wie Glas oder Karbiden sowie von Kunststoffen verwendet werden; auch das Präzisionsschleifen von Zylinderlaufbuchsen oder das Honen von Stahlwerkzeugen ist mit dieser SiC-Schleifmittelqualität möglich.

In der Metallindustrie wird metallurgisches Silizium als Desoxidationsmittel in LD-/BOF-/Pfannenöfen eingesetzt und in Verbindung mit Rohstoffen zur Herstellung von Aluminiumoxid und Ferrosilizium verwendet. Darüber hinaus verbessern Siliziumkarbidkeramiken auf SiC-Basis, die aus dieser Siliziumsorte hergestellt werden, die Qualität und Festigkeit von Metallprodukten.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist das thermische Spritzen von Oberflächen mit einer Beschichtung aus Silizium in metallurgischer Qualität zur Erhöhung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit. Darüber hinaus enthalten Verbundwerkstoffe häufig siliziumhaltige Verstärkungsfasern, um die Festigkeit und thermische Stabilität zu verbessern. Die Elektronikindustrie sowie die Metallproduktion werden die Nachfrage nach diesem Siliziumprodukt in metallurgischer Qualität in den kommenden Jahren voraussichtlich weiter ankurbeln.

Thermisches Spritzen

Das thermische Spritzen ist ein Verfahren, bei dem heiße Materialien wie Metalle, Keramiken, Verbundwerkstoffe oder Metalllegierungen direkt auf Oberflächen aufgebracht werden, um deren Beständigkeit gegen Korrosion, Verschleiß und Erosion zu verbessern. Das thermische Spritzen wird in verschiedenen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Energieerzeugung sowie der Öl- und Gasindustrie eingesetzt, um neue oder wiederaufbereitete Teile mit einer Beschichtung zu versehen, die sie gegen hohe Temperaturen, Korrosion und Reibung widerstandsfähig macht.

Zu den typischerweise eingesetzten thermischen Spritzverfahren zählen HVOF, HAVS, Kaltspritzen und Plasmaabscheidung. Bei jedem dieser Verfahren wird eine Mischung aus gasförmigen Brennstoffen (Sauerstoff, Luft oder Stickstoff) und elektrischer Energie genutzt, um das Ausgangsmaterialpulver in einen geschmolzenen Zustand zu versetzen und es anschließend auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen, bis sich abgeflachte Lamellen bilden, die sich beim Aufprall auf Oberflächen ablagern.

Mit diesen Verfahren lassen sich vielfältige Materialien aufbringen, von Keramiken und Metallen bis hin zu Polymeren und Verbundwerkstoffen, wobei die dabei entstehenden Schichten Kontaktwinkel von bis zu 163 Grad aufweisen. Es wurde intensiv erforscht, wie solche funktionalen Beschichtungen intelligente Eigenschaften wie antimikrobielle, selbstreinigende und selbstschmierende Fähigkeiten erzielen können. Gutierrez et al. verwendeten das Drahtlichtbogenspritzen auf mitteldichten Faserplatten, wie sie häufig in Möbeln zu finden sind, um ein antimikrobielles Kupfermaterial aufzutragen, das gegen Staphylococcus aureus- und Escherichia coli-Stämme wirksam war; in ähnlicher Weise erzielten auch Xu et al. superhydrophobe Beschichtungen mit Kontaktwinkeln von 163 Grad.

Glas

Grünes Silizium findet in der Glasindustrie breite Anwendung als Poliermittel für Spezialgläser. Es ist besonders wirksam bei der Verkürzung von Sinterzeiten und der Erzielung feiner Oberflächen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für grünes Silizium ist die Oberflächenbehandlung zur Verbesserung der Qualität von Metall- und Glasprodukten, ebenso wie das thermische Spritzen zur Erzielung von Korrosionsbeständigkeit in der Metallverarbeitung und im Solarbereich. Grünes Silizium spielt zudem eine wesentliche Rolle bei der Verbesserung der Effizienz und Lebensdauer von Photovoltaikzellen.

Duran (Duran Group), Pyrex, Glassco, Supertek, Jenaer Glas, Fiolax, Kavalierglass A.s., Simax, Simax Marinex, Brazil und Endural gehören zu den wichtigsten Herstellern von Behältern und Geräten aus Borosilikatglas für Laboratorien sowie von Trinkgläsern aus diesem Material. Borosilikatglas findet vielfältige Anwendung, beispielsweise in Laborbehältern sowie in Trinkgläsern.

Die Forscher führten umfangreiche Untersuchungen an Lithium-Ionen-Anoden aus glasbasiertem Silizium durch. Sie stellten fest, dass reduziertes gSi mit seiner verbesserten Lithiierungskapazität bei Raumtemperatur 3579 mAh g⁻¹ erreichte. Dieses Ergebnis wurde durch magnesiothermische Reduktion mit einer zusammenhängenden Morphologie ohne Risse und Poren sowie einer konformen amorphen Kohlenstoffbeschichtung auf allen gSi-Oberflächen erzielt. Darüber hinaus weist morphologisch geschütztes gSi dank seiner geringen Partikelgröße und seiner hervorragenden chemischen Stabilität überlegene mechanische Eigenschaften auf, was vielversprechende Aussichten für großtechnische Energiespeicheranwendungen mit diesem Material bietet. Darüber hinaus ist es aufgrund seiner geringen Emissionen ein idealer Kandidat für Glaskeramik-Elektroden.

Solarenergie

Angesichts der zunehmenden Beliebtheit von Solarmodulen besteht ein Anreiz, deren Umweltbelastung zu verringern, indem das darin enthaltene Silizium recycelt wird, anstatt es aus Rohstoffvorkommen zu gewinnen oder direkt aus der Erde abzubauen.

Solar-PV-Module wandeln Sonnenlicht in Strom um, indem sie in Silizium ein elektrisches Feld erzeugen, das dann über leitfähige Metallplatten auf beiden Seiten der Module gesammelt und weitergeleitet wird. Obwohl es sich um eine bemerkenswerte Technologie handelt, erfordert ihre Herstellung erhebliche Mengen an Energie. Zwar haben die Bemühungen der Industrie zur Steigerung der Effizienz den Siliziumverbrauch pro Modul gesenkt, doch könnten weitere Einsparungen erzielt werden, indem die Polysiliziumproduktion mit erneuerbaren Energiequellen betrieben wird.

Recycelbares Silizium ist ein wichtiger Bestandteil einer starken Solar-PV-Industrie, und die Vereinigten Staaten haben die Chance, in diesem Bereich eine Vorreiterrolle zu übernehmen. Ein wichtiger Schritt sollte darin bestehen, die politischen Maßnahmen zur Förderung der heimischen Produktionskapazitäten zu verstärken und so die Abhängigkeit von Materialimporten aus China zu verringern.

Heute stehen verschiedene Verfahren zur Rückgewinnung von Silizium aus PV-Modulen zur Verfügung, darunter mechanische Verfahren wie Zerkleinern und Mahlen (B. Sorensen 2017), Hochspannungsimpulsbehandlung, Heißmesser, thermische Verarbeitung sowie Pyrolyse. Die thermische Behandlung hat sich als besonders erfolgreich bei der Trennung von Glas und siliziumhaltigen Materialien erwiesen, wobei in einem Fall über 91% zurückgewonnen werden konnte (Abb. 15).