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

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

Mas só porque temos muito disso não significa que temos muito em sua forma pura. E é apenas em sua forma mais pura que o silício se torna o material que trouxe nosso mundo para a Era da Informação. O silício elementar é muito raro, portanto, obter quantidades apreciáveis ​​do metalóide que é puro o suficiente para ser útil requer algumas operações de mineração e refino com uso intensivo de energia e recursos. Essas operações usam uma química bastante interessante e alguns truques legais 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 quartzito, que é 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 às intempéries. Formações significativas de quartzito estão espalhadas por todo o mundo, mas há relativamente poucos lugares onde faz sentido financeiramente extrair a rocha para a produção de silício, uma vez que as formações precisam ser facilmente acessíveis e relativamente próximas das outras matérias-primas e do suprimento de energia necessário. .

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 que foi aquecido na ausência de oxigênio). Woodchips também são adicionados à carga; eles servem tanto como uma fonte de carbono quanto como um agente de volume físico que permite que os gases e o calor circulem melhor no forno.

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

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

Em ambas as reações, o oxigênio no dióxido de silício se combina com o carbono para formar o principal resíduo, o monóxido de carbono. Uma reação lateral 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 em que 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 retirado do fundo do forno.

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

Por mais útil que seja o silício metalúrgico, mesmo com 99% de pureza, ele não chega nem perto da pureza necessária para aplicações de semicondutores e fotovoltaicos. 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 quente e gasoso. Essa reação produz silanos, que são compostos com um átomo central de silício rodeado por quatro anexos, neste caso três átomos de cloro e um de hidrogênio. Esse triclorosilano é um gás na temperatura interna da câmara de reação, o que facilita o manuseio e a purificação por destilação fracionada.