Är kisel miljömässigt hållbart?

I takt med att miljövänliga livsstilar blir alltmer populära ställs ofta frågor om huruvida kisel är ett miljömässigt hållbart material. Svaret är jakande.

Växter som saknar kisel blir mer sårbara för biologiska skadedjur och miljöstressorer eftersom de blir biologiskt starkare när de kompletteras med detta mikroelement.

Metallurgiska tillämpningar

Grönt kisel används i stor utsträckning inom industrier som hanterar metallegeringar, till exempel stål- och aluminiumindustrin. Eldfasta produkter som använder grönt kisel ökar också prestandan hos högtemperaturugnar och ugnar genom att producera skumkeramik och specialkeramik, vilket förbättrar den totala prestandan hos ugnar och ugnar.

Kisel är också den viktigaste råvaran för att producera polysilikon, en integrerad del av solenergitekniken som har fått global spridning som en alternativ energikälla.

Slipmedlet SiC finns i två kvaliteter, en grön variant som är 97%-99% ren och en oren svart variant (fig. 1.9). Det gröna slipmedlet kan användas för slipning av hårda legeringar och spröda metaller som glas eller karbider samt plast; precisionsslipning av cylinderfoder eller honing av stålverktyg är också möjligt med denna kvalitet av SiC-slipmedel.

Inom metallindustrin används kisel av metallurgisk kvalitet som desoxidationsmedel i LD/BOF/ladugnar och kombineras med råmaterial för att producera aluminiumoxid och ferrokisel. Dessutom förbättrar SiC-baserad kiselkarbidkeramik som tillverkas med denna kiselkvalitet kvaliteten och hållfastheten hos metallprodukter.

Termisk sprutning av kiselbeläggningar för ökad slitstyrka och korrosionsbeständighet är ett annat användningsområde. Dessutom innehåller kompositmaterial ofta kiselhaltiga förstärkningar för att förbättra hållfastheten och den termiska stabiliteten. Tillverkningsindustrin för elektronik och hårdvara samt metallproduktion kommer sannolikt att fortsätta att driva efterfrågan på denna metallurgiska kiselprodukt under de kommande åren.

Termisk sprutning

Termisk sprutning är en teknik där heta material som metaller, keramer, kompositer eller metallegeringar appliceras direkt på ytor för att öka korrosions-, slitage- och erosionsbeständigheten. Termisk sprutning används inom branscher som flyg- och rymdindustrin, kraftgenerering samt olja och gas för att belägga nya eller renoverade delar mot höga temperaturer, korrosion och friktion.

De vanligaste teknikerna för termisk sprutning är HVOF, HAVS, kallsprutning och plasmadeponering. Var och en av dessa processer använder en blandning av gasformiga bränslen (syre, luft eller kväve) och elektrisk energi för att få råmaterialet pulver till ett smält tillstånd och sedan accelerera med höga hastigheter tills platta lameller bildas och staplas på ytor vid påverkan.

Dessa processer kan belägga en mängd olika material, från keramer och metalliska material till polymerer och kompositer, och de kan ge beläggningar med kontaktvinklar på upp till 163 grader. En hel del forskning har lagts ned på att studera hur funktionella beläggningar som dessa kan uppnå smarta egenskaper som antimikrobiell, självrengörande och självsmörjande förmåga. Gutierrez et al. använde termisk sprayning med trådbåge på fiberplattor med medelhög densitet som ofta används i möbler för att applicera antimikrobiellt material av koppar som hade antimikrobiella egenskaper mot Staphylococcus aureus- och Escherichia coli-stammar; på liknande sätt uppnådde Xu et al. också superhydrofoba beläggningar med kontaktvinklar på 163 grader.

Glas

Grönt kisel används i stor utsträckning inom glasindustrin som polermedel för specialglas. Det är särskilt effektivt för att förkorta sintringstiderna och ge fin finish, medan ytbehandling för att förbättra kvaliteten på metall- och glasprodukter är ett annat användningsområde för grönt kisel, tillsammans med termisk sprutning för att ge korrosionsbeständighet i metallbearbetningsapplikationer och solenergisektorer. Grönt kisel spelar också en viktig roll när det gäller att förbättra effektiviteten och livslängden för solceller.

Duran (Duran Group), Pyrex, Glassco, Supertek Jenaer Glas Fiolax Kavalierglass A.s.simax Simax Marinex Brazil Endural är bland de största tillverkarna av behållare och utrustning av borosilikatglas för laboratorier samt dricksglas av detta material. Borosilikatglas har många användningsområden, t.ex. laboratoriebehållare och dricksglas.

Forskarna genomförde omfattande undersökningar av litiumjonanoder tillverkade av kisel som härrör från glas. Forskarna observerade att reducerat gSi med sin förbättrade litiumkapacitet nådde 3579 mAh g-1 vid rumstemperatur. Detta resultat uppnåddes med hjälp av magnesiotermisk reduktion med en sammankopplad morfologi utan sprickor och porer, och konformt amorf kolbeläggning på alla gSi-ytor. Den morfologiskt skyddade gSi har dessutom överlägsna mekaniska egenskaper tack vare sin lilla partikelstorlek och utmärkta kemiska stabilitet, vilket ger stora möjligheter för storskaliga energilagringsapplikationer med detta material. På grund av de låga emissionsnivåerna är det dessutom en idealisk kandidat för glaskeramiska elektroder.

Solenergi

På grund av solpanelernas ökande popularitet finns det ett incitament att minska deras miljöpåverkan genom att återvinna deras kisel i stället för att utvinna från råvarufyndigheter eller bryta direkt ur jorden.

Solcellspaneler omvandlar solljus till elektricitet genom att skapa ett elektriskt fält i kisel och sedan samla in och överföra det genom ledande metallplattor på vardera sidan av panelerna. Tekniken är enastående, men produktionen kräver betydande mängder energi. Industrins ansträngningar för att öka effektiviteten har minskat kiselanvändningen per panel, men ytterligare vinster kan uppnås genom att driva polysilikonproduktionen med förnybara energikällor.

Återvinningsbart kisel är en nyckelkomponent i en stark solcellsindustri, och USA har möjlighet att bli ledande på detta område. Ett viktigt steg bör vara att stärka politiken för att stödja inhemsk produktionskapacitet och därmed minska beroendet av importerat material från Kina.

Idag finns det olika metoder för att återvinna kisel från PV-paneler, mekanisk bearbetning såsom fragmentering och fräsning (B. Sorensen 2017) högspänningspulsbehandling värmekniv termisk bearbetning pyrolys termisk behandling har visat sig vara mest framgångsrik när det gäller att isolera glas från kiselhaltiga material och återvinna över 91% i ett fall (fig 15).