Homok - Kvarc - Szilícium
A homok a mai modern korunk
szupersztárja [1]. Ezt a kiváltságos helyzetet elsősorban a jelenkori ipar és
az elektronika újdonságai garantálják a homok számára. Homokot építkezésre
használunk, de kvarcszemcse nélkül nem léteznének mikrochipek, számítógép
processzorok, fotocellák vagy TV kijelzők. És nem létezne elektronika ipar vagy
napelem ipar sem [2].
Egy beszámoló szerint az elmúlt
években a homok világszerte az egyik legtöbbet bányászott anyag lett, hiánya
pedig súlyos gazdasági, társadalmi és ökológiai problémákat eredményez [3]. A
2016 végén megjelent tanulmány szerint [4] a világon összesen kitermelt 47-59
milliárd tonna nyersanyag mintegy 68-85 százalékát tette ki a homok, ez az
arány pedig nagyon gyorsan növekszik. A homok nem megújuló erőforrás, és a
tiszta, jó minőségű, ipari felhasználásra alkalmas készletek fogyóban vannak
világszerte.
A homok leggyakoribb alkotó eleme
a kvarc, vagyis a szilícium-dioxid. Az egészen tiszta, szürkésfehér kvarchomok
igen értékes ipari nyersanyag. A homokban azonban lehetnek mindenféle más
anyagok is, például mész, dolomit, földpátok, csillámok, gránitok, magnetit.
A szilícium-dioxid a szilíciumnak
oxigénnel alkotott vegyülete, összetételét a SiO2 vegyi képlet írja
le. A szilícium-dioxid polimorf vegyület, vagyis szilárd állapotban több-féle
módosulatban fordul elő, amelyek kristályrács szerkezetükben, szimmetriájukban
különböznek egymástól: ezek a kvarc, a tridimit és a krisztobalit, melyek közül
a leggyakoribb ásvány a kvarc, ami a földkéreg leggyakoribb ásványa is. A
tiszta kvarc színtelen, kristályos anyag. Régi tapasztalat, hogy a kvarcnak nem
létezik oldószere hasonlóan a szilíciumhoz és gyémánthoz. Ebből következtettek
arra, hogy a kvarc is atomrácsos kristályt alkot, amit a röntgen diffrakciós
vizsgálatok igazoltak is. Nagy keménysége és ellenálló képessége miatt a
felszíni kőzetek lepusztulása során feldúsul a felszíni rétegekben, tiszta
kvarctörmelék (homok), homokkő, kvarcit formájában.
Homokból sokféle van: fehér,
szürke, rózsaszínű, vörös, sőt fekete – attól függően, hogy milyen kőzet
maradványait tartalmazza. A nálunk jellemző sárgás vegyes összetételű. A
trópusi szigetek homokja elpusztult korallok, kagylók mészváza miatt fehér. A fiatal
vulkáni szigetek partvidékén obszidiánt vagy bazaltot őröltek fekete szemcsékké
a tenger hullámai. Bár a homok összetett kőzet és az alapanyagát tekintetve is
nagyon sokféle lehet, az egyik legfontosabb, illetve legnagyobb mennyiségben
előforduló eleme minden esetben a kvarc. Ennek függvényében az alapanyag
szerint a következő típusokat különíthetjük el:
- kvarchomok, melynek jellemzője az, hogy nagyon tiszta benne a kvarcszemek tömege, és mellettük általában ásványi törmelék, főként csillámföldpát és mész adja az alapot;
- dolomithomok, melyben a glaukomit részecskék általában egyenes- vagy jelentős arányban keverednek el a kvarccal;
- magnetit-homok, melyben a kvarccal együtt rendszerint nagy mennyiségben találhatunk magnetit szemeket;
- arkóza-homok, melynek ismérve a gazdag földpáttartalom.
A különböző típusú homokok más és
másra jók. A tiszta, átlátszó kvarchomok például az üveggyártás alapanyaga, de
szilíciumtartalma miatt nagyon fontos az elektronika, mikroelektronika és a
napelemgyártás számára is. Ezek az iparágak is egyre éhesebbek, de nem miattuk
van homokhiány. Azt az építőipar okozza. De a betongyártáshoz sem minden homok
alkalmas. A bőséggel fellelhető sivatagi például pont nem. Túl apró szemű és
sima felületű. Vas-oxidos bevonata ugyancsak hátrányos a betonkészítés
szempontjából, hiszen hajlamossá teszi a korrózióra. Emiatt nem alkalmas
félvezetőgyártásra sem. A Szahara vagy az Arab-félsziget sivatagjainak homokja
a magas vastartalom miatt vöröses árnyalatú. A vas és a túl apró szemcsék miatt
a sivatagi homok nem alkalmas beton készítésére vagy félvezetőgyártásra. Sokan
nem is hinnék, hogy az Egyesült Arab Emirátusok, amelynek területe nagyrészt
sivatag, a világ legnagyobb homokimportőre.
A homok a víz után a világ második
legkeresettebb erőforrása, ennek oka pedig elsősorban az egyre gigantikusabb
építkezésekben keresendő. A városok soha nem látott ütemben terjeszkednek,
ehhez pedig elképzelhetetlenül sok homokra - illetve sóderre - van szükség a
beton alapanyagaként. Emellett kisebb mértékben az üveg- és az elektronikai
ipar használ még homokot. A felhasználás mértékét jól érzékelteti az ENSZ
Környezetvédelmi Programjának (UNEP) 2014 évi jelentése, mely szerint a Földön
egy évben annyi betont állítanak elő, ami elegendő lenne egy 27 méter magas és
ugyanilyen széles fal építéséhez, mely körbe érne az Egyenlítőt. Az ENSZ környezetvédelmi
programjának (UNEP) egyik munkatársa, Pascal Peduzzi arra figyelmeztet: a homok
jobban fogy, mint ahogy azt gondolnánk; becslések szerint a föld éves
felhasználása 50 milliárd tonnát tesz ki! Ha a föld népességét nézzük az
említett mennyiség annyi, mintha az emberiség minden tagja naponta 18 kg
homokot használna el. Ez pedig közel kétszer akkora mennyiség, mint amennyi
üledéket a világ összes folyója egy év alatt "elhord". A homokhiányt
jelzi, hogy Indonéziában már kalózok lopják a kisebb szigeteket [5]. A kutatók
szerint emiatt sürgős lépésekre lenne szükség: ki kellene számolni, mekkora
homokkészlet áll még rendelkezésünkre, és mielőbb lépni kellene azért, hogy a
homok felhasználása hatékonyabb módon történjen meg. A környezetet kutató
szakemberek a homok fogyása kapcsán fenyegető tragédiáról beszélnek, melynek
veszélye nem jutott el az emberek sokaságához, azonban nemzetközi
környezetvédelmi szervezetek felvették programjukba a téma vizsgálatát. A
nyersanyagigény pedig egyre csak növekszik. Jól illusztrálja ezt, hogy 1900 és
2010 között az építkezésekhez és infrastruktúra-fejlesztéshez használt
erőforrások kitermelése huszonháromszorosával nőtt. Ezen belül is a homok és a
sóder vezeti a listát, megelőzve még a fosszilis energiaforrásokat és a
biomasszát is. A legnagyobb homokkitermelő az USA, őt követi Olaszország,
Franciaország és Németország.
Mi lehet a megoldás erre a nem túl fényes helyzetre? A
homokot lehet helyettesíteni például iszappal vagy zúzott kővel, de az aszfalt
és a beton is újrahasznosítható. Leginkább a homok árának emelkedésében lehet
bízni, melynek hatására talán a fejlődő országok is nyitottabb lesznek az
alternatívákra. Amerikában a növekvő igények miatt 50 dollár körül tart a homok
ára tonnánként úgy, hogy 2016 második felében még kb. 15-20 dolláros szinten
tartózkodott. Ugyan más okokból, de a világ több pontján is hasonló folyamat
zajlik le, ami számos országban emeli a nyersanyag árát. Ugyanezért, egy
kilogramm szilícium ma már nem 20 dollárba kerül, mint egy pár esztendővel
ezelőtt, hanem 60 dollárba.
A sivatagi homokot a szél eróziós
hatása hozta létre évezredek alatt, és nagyon finom, különösen apró szemű - és
éppen ezért alkalmatlan arra, hogy betont gyártsanak belőle, egyszerűen nem áll
össze kellően szilárddá a cementtel. Ezért aztán hiába van belőle tengernyi a
sivatagokban, az ipar egyszerűen nem tud mit kezdeni vele. Betonnak az a homok
alkalmas, amit nem a szél, hanem a víz morzsolt fel, ennek az anyaga ugyanaz
(nagyrészt szilícium-dioxid, közismertebb nevén kvarc), csak durvább, vagyis
nagyobbak a homokszemek benne. Az ilyen típusú homokból mind kevesebb van, és
mivel az eredete miatt tipikusan vízparton (vagy egykori vízpartokon) lehet
hozzáférni, a kitermelése környezetszennyező, és elég csúnyán belerúg az
ökoszisztémába. Márpedig a világ betonfelhasználása meredeken nő, főleg mióta
Kína brutális iparosodása és városiasodása beindult. Sokszor idézett statisztika,
hogy Kína manapság három év alatt több betont használ, mint az USA a teljes 20.
században [6].
A természetes homok összetevői a
kvarc és 5-25% egyéb ásványtörmelék, de ritkábban lehet cirkón, ólívin vagy krómérchomok is. A kvarc a hatszöges rendszernek tetraéderes
osztályába tartozó alakban kristályosodik. A kristályok hatszöges bipiramisok
vagy oszloposak. Tiszta kvarcról beszélünk, ha szilícium-dioxid tartalma
meghaladja a 95%-ot. Léteznek olyan lelőhelyek, ahol a kiváló minőségű, nagy
tisztaságú kvarc homok 98,0 – 98,8%-os SiO2 tartalmú.
A
szilícium-dioxid a mikroelektronikában a legfontosabb vegyületek közé tartozik,
mert rendkívül vékony rétegben is kiváló szigetelőképességgel rendelkezik.
Ennek segítségével lehet a mikrométeres mérettartományban működő vezetékeket, integrált
áramköröket és kondenzátorokat készíteni.
A mikroelektronika alapja a
félvezető (tiszta állapotban a fémeknél jóval nagyobb fajlagos ellenállású
anyag, amely megfelelő kontrollált szennyezéssel a kívánt mértékben vezetővé
tehető). A félvezetők óriási előnye, hogy azonos alapanyagból készíthető n és p
típusú félvezető is, sőt, megfelelő technikával ezek egymás mellett is
létrehozhatóak. (n típusú: a töltéshordozók az elektronok, p típusú: a
töltéshordozók az elektron hiány, a lyukak). Az integrált
áramkörök gyártásához a szilícium az ideális alapanyag. A szilícium-alapú
technológiák mindenütt jelen vannak:
- mikroelektronika:
számítástechnika, mobil eszközök, beágyazott mikrovezérlők
- kijelzők: monitorok, televíziók,
panelek
- napelemipar: nagy felületű szilícium
p-n átmenetek, a napsugárzás spektrumának jelentős része abba a tartományba
esik (1100 nm körül), ami szilícium napelemmel hasznosítható
- mikromechanika: MEMS
jelérzékelők, átalakítók, szenzorok
- optikai szálak, 3D integráció,
járulékos technológiák
- újfajta eszközök: SiP (system in
package) - egy tokban több különálló, de egymással összekötött chip és SoC
(sytem on chip) - egy lapon több önálló funkciójú rész
- homok alapú akkumulátorok: a
Li-Ion akkumulátorok jobb alternatívái
- piezoelektromos alkalmazások:
precíz rezgőkörök
A szilícium tiszta formában való megszerzése meglehetősen drága folyamat. Ezen túlmenően, tulajdonságainak köszönhetően bármely módszer csak 90-99%-os tisztaságú terméket eredményez, míg a fémek és a szén formájú szennyeződések ugyanazok maradnak. Így nem elég az anyag beszerzése. Minőségileg tisztítani kell az idegen elemektől.
Általában a szilícium előállítása két fő módon történik:
- Fehér homokból, amely tiszta szilícium-dioxid. Aktív fémekkel (leggyakrabban magnéziummal vagy alumíniummal) kalcinálva egy szabad elem képződik amorf módosulás formájában. A módszer tisztasága magas, a terméket 99, 9%-os hozammal kapjuk.
- Az ipari méretekben szélesebb körben elterjedt módszer a homokolvasztás kokszosodása speciális termikus kemencékben. Ezt a módszert orosz tudós, N. Beketov fejlesztette ki.
A további
feldolgozás során a termékeket tisztítási módszereknek vetik alá. Ebből a
célból savakat vagy halogéneket (klór, fluor) használnak.
A kristályrácsos szilícium jellemzői
közé tartozik a típusok osztályozása:
1. Elektronikus minőség - a legtisztább és legmagasabb minőség. Ez a típus az elektronikában nagyon érzékeny eszközök létrehozására szolgál. Az egyik fő feladat a szilícium-dioxidból eltávolítani az oxigént, amit olvasztókemencékben szén hozzáadásával érnek el nagy hőmérsékleten (2000 °C). A szén megköti az oxigént, és CO2 (szén-dioxid) jön létre, mint melléktermék. Az így kapott szilícium 99%-os tisztaságú, amit további lépésekben kell tisztítani, hogy eltávolítsák a maradék kalciumot, alumíniumot, bórt, vasat vagy éppen a foszfort. Minden egyes folyamat nagy energiaigényű, mivel 300 és 1100 °C közötti hőmérséklet szükséges az egyes kémiai reakciók lefolyásához. A mikrochipgyártáshoz 9 és 11 N (99,99999999999%) közötti tisztaságú szilícium szükséges. A finomított szilícium előállításának nagy része (60% körül) Kínában történik.
2. Napminőség. A név maga is meghatározza a felhasználási kört. Ugyancsak elég magas a tisztaságú szilícium, amelynek használata a kiváló minőségű és tartós napelemek létrehozásához szükséges. A kristályszerkezet alapján létrehozott fotó-elektromos átalakítók kvalitatívabbak és kopásállóbbak, mint ha az amorf módosítású szil1ciumot különböző típusú szubsztrátokra permetezik. Ezért az olvadékot szilárdulást követően ledarálják, majd újra megolvasztják, és így a napelemcellákhoz szükséges nagy tisztaságú, megfelelő kristályszerkezetű tömböket alakítanak ki. A napelemcella-gyártáshoz minimum 6 és 9 N, azaz 99,999999% tisztaságú szilícium szükséges. A piac 85%-a: hagyományos, egyszerű gyártástechnikával készülő kristályos szilícium napelem.
3. Műszaki szilícium. Ez a fajta olyan anyag mintáját tartalmazza, amely a tiszta elem körülbelül 98%-át tartalmazza. Minden más különféle szennyeződésekre vonatkozik: (bór, alumínium, klór, szén, foszfor és más). Szilícium polikristályok előállítására használják.
A
mikrochipgyártás rendkívül összetett és nagy ráfordításokkal járó tevékenység.
Több száz automatizált lépésre van szükség ahhoz, hogy a kvarchomok
nyersanyagból korszerű mikroprocesszor legyen. A chiphez szükséges finom
szilícium előállításához 160-szor annyi energiára van szükség, mint a nyers
szilícium gyártásához. Ez az energiamennyiség a chip készítése során
felhasznált energia kb. felével egyenértékű, és önmagában mintegy kétszerese
annak az energiának, amit a chip működése fog felemészteni teljes élettartama (kb.
20 év) során. Egy átlagos 2-grammos szilícium-chip megszületése
mintegy 1,6 kilogramm kőolajnak megfelelő energia, 72 gramm vegyi anyag és 32
liter víz elhasználásával jár - derül ki egy ENSZ-vizsgálatból. És
mivel nincs utánpótlás, a meglevő készletet csak egyre drágábban és egyre
környezetszennyezőbben tudjuk kitermelni.
A homokból kinyert szilíciumot több lépésben
megtisztítják, hogy elérje a félvezetőgyártáshoz szükséges minőségi szintet. Az
ilyen szilícium olyan nagy tisztaságú, hogy egymilliárd szilícium atomra
egyetlen idegen atom juthat! A szilícium olvadékból
kristályt növesztenek, melynek eredményeként megszülető rúd formájú
monokristályt bugának vagy öntecsnek hívjuk. Egy rúd nagyjából 100 kilogrammot nyom
és 99,9999 százalékos tisztasággal rendelkezik. A rudat ezt követően szilícium korongokra
szeletelik, amelyeket „wafer"-nek, azaz ostyának, vagy szilíciumszeletnek
nevezünk. A szilíciumszeleteket addig polírozzák, míg hibátlan, tükörsima
felületük nem lesz. A leggyakrabban szilíciumkristályból készült lemezeket
használnak chiplapkának. Ezekkel a lemezekkel szemben évről évre egyre
szigorúbb követelményeket támasztanak.
Mindenki tudja, hogy a szilíciumot a
homokból nyerik ki és többek között ez az alapanyaga a különböző chipeknek és a
napcelláknak. A félvezetők fejlesztése és alkalmazása az utolsó 30 év alatt, a
Moore törvény szerint még napjainkban is „tartja” az exponenciális növekedését,
ezzel együtt ilyen termékek hasonló „szaporodása” zajlik, mint az asztali
számítógépek, az egy tenyérben elférő, kisméretű számítógépek, az okostelefonok,
a táblagépek, PC-k bementi és kimeneti perifériái és háttértárolók. Éppen ezért
vészjósló az az információ, miszerint egyre kevesebb van a szilíciumból és ezzel
párhuzamosan az ára is egyre magasabb. Burkhard Sawazki piaci elemző szerint [7] a
hiány oka elsősorban az, hogy a napcellák piaca az elmúlt 12 hónap alatt a
háromszorosára nőtt, azonban az ágazat már csak nagy nehézségek árán tudja
kielégíteni a megnövekedett igényeket. A következő évtized anyaga még
biztosan a szilícium marad.
2 - https://www.samsa.org.uk/silica/economic_importance.php
4 - https://gizmodo.com/earth-is-running-out-of-sand-apparently-1802764060
5 - https://www.independent.co.uk/environment/sand-mining-construction-black-market-gangs-a7097911.html
6 - https://www.mdpi.com/2071-1050/9/7/1118
7 - https://www.channelpartner.de/a/kaum-zu-glauben-silizium-wird-knapp-und-teurer,200315
Megjegyzések
Megjegyzés küldése
Írd meg a véleményed: