Mineração e refino: silício puro e o esforço incrível necessário para chegar lá

Se não fosse pela fina camada de água e pela vida baseada no carbono que o cobre, o nosso planeta natal seria talvez mais conhecido como o “Mundo do Silício”. Mais de um quarto da massa da crosta terrestre é silício e, juntamente com o oxigênio, os minerais de silicato formam cerca de 90% da fina camada de rocha que flutua no manto terrestre. O silício é a base do nosso mundo e é literalmente tão comum quanto a sujeira.

Mas só porque temos muito, não significa que tenhamos muito em sua forma pura. E é apenas na sua forma mais pura que o silício se torna o material que trouxe o nosso mundo para a Era da Informação. Porém, o silício elementar é muito raro e, portanto, obter quantidades apreciáveis ​​do metalóide que seja puro o suficiente para ser útil requer algumas operações de mineração e refino que consomem bastante energia e recursos. Essas operações usam uma química bastante interessante e alguns truques interessantes e, quando ampliadas para níveis industriais, apresentam desafios únicos que exigem uma engenharia bastante inteligente para lidar.

A matéria-prima para a maior parte da produção de silício é o mineral quartzito. O quartzito vem de antigos depósitos de areias de quartzo que formaram depósitos sedimentares. Com o tempo e com o calor e a pressão, esses arenitos de quartzo foram transformados na rocha metamórfica quartzita, que contém pelo menos 80% de quartzo em volume.

O quartzito é uma rocha incrivelmente resistente e, onde se projeta acima da superfície, forma cristas que resistem fortemente ao intemperismo. Formações significativas de quartzito estão espalhadas por todo o mundo, mas há relativamente poucos lugares onde faz sentido financeiro extrair a rocha para a produção de silício, uma vez que as formações precisam ser facilmente acessíveis e relativamente próximas de outras matérias-primas e do fornecimento de energia necessários. .

O quartzito bruto é principalmente dióxido de silício (SiO2), e o processo de refino começa com uma reação de redução para eliminar o oxigênio. O quartzito triturado é misturado ao carbono na forma de coque (carvão aquecido na ausência de oxigênio). Lascas de madeira também são adicionadas à cobrança; eles servem tanto como fonte de carbono quanto como agente de volume físico que permite que gases e calor circulem melhor na fornalha.

Os fornos a arco para fundição de silício são instalações enormes com enormes eletrodos de carbono. Os eletrodos são consumidos durante a fundição, então novos eletrodos são parafusados ​​no topo dos eletrodos atuais para garantir que o processo não seja interrompido. O forno a arco requer enormes quantidades de eletricidade para manter a temperatura necessária de 2.000°C, por isso as refinarias de silício geralmente estão localizadas onde a eletricidade é barata e abundante.

As reações de redução dentro da zona fundida são bastante complicadas, mas podem ser resumidas em duas reações principais:

Em ambas as reações, o oxigênio do dióxido de silício combina-se com o carbono para formar o principal produto residual, o monóxido de carbono. Uma reação secundária que ocorre em uma parte da zona de fusão dentro do forno produz carboneto de silício (SiC), que é um subproduto indesejado (pelo menos quando o objetivo é purificar o silício; o próprio carboneto de silício é um abrasivo industrial útil). Ao garantir que o dióxido de silício esteja em excesso no forno, a segunda reação onde o SiC atua como fonte de carbono para a redução do dióxido de silício é favorecida, e o silício com até 99% de pureza pode ser extraído do fundo do forno. forno.

O silício produzido por este processo é denominado silício metalúrgico. Para quase todos os usos industriais, este silício altamente purificado é suficientemente bom. Cerca de 70% do silício metalúrgico vai para a fabricação de ligas metálicas, como ferrossilício e também alumínio-silício, uma liga que se contrai minimamente após o resfriamento e, portanto, é usada para fundir blocos de motores de alumínio e itens semelhantes.

Por mais útil que seja o silício metalúrgico, mesmo com 99% de pureza, ele não chega nem perto da pureza necessária para aplicações semicondutoras e fotovoltaicas. As próximas etapas da purificação levam o silício ao nível de pureza necessário para a fabricação de semicondutores. A purificação começa misturando silício metalúrgico em pó com ácido clorídrico gasoso quente. Essa reação produz silanos, que são compostos com um átomo central de silício rodeado por quatro ligações, neste caso três átomos de cloro e um de hidrogênio. Este triclorossilano é um gás na temperatura interna da câmara de reação, o que facilita seu manuseio e purificação por destilação fracionada.