Elektromagnetische Separation

Hochtechnologien benötigen zunehmend Metalle, Halbleiter und Seltene Erden in erforderlicher Reinheit. Elektromagnetische Felder eröffnen hier neue Möglichkeiten zur Entwicklung innovativer Separationsverfahren für die Trennung von Materialgemischen zur Bereitstellung dieser wichtigen Ressourcen. Die Gewinnung und die Veredlung von Rohstoffen, sowie das Recycling von Materialien spielen für die Versorgung unserer einheimischen Wirtschaft eine immer bedeutendere Rolle. So wird bereits heute der Bedarf an Nichteisenmetallen zu ca. 50 % aus Altmetall gedeckt. Darüber hinaus besteht durch die Notwendigkeit des Recyclings von Elektronikabfällen der Bedarf an geeigneten Technologien zur Stofftrennung.

Ein prominentes Beispiel für unsere Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet ist das Recycling von Sägeabfällen aus der Siliziumwafer-Produktion für die Photovoltaik. Der Aufschwung der erneuerbaren Energien hat zu einer schnell wachsenden Nachfrage nach Solarzellen für die Photovoltaik geführt. Siliziumwafer werden mit einem enormen Energieverbrauch (~ 100 kWh / kg) hergestellt. Ein Großteil dieser Energie wird für die Herstellung des Silizium-Ausgangsmaterials verwendet. Gewöhnlich wird das Silizium in Form von großen Blöcken gegossen. Bis heute werden die meisten dünnen Wafer durch Drahtsägen in Scheiben geschnitten. Nach dem Sägeschritt landen nur 45% -50% des Silizium-Ausgangsmaterials schließlich in einem Wafer. Die restlichen 50% -55% gehen beim Blockschneiden verloren. Neben den Endstücken verliert man den größten Teil (bis zu 40%) in Form von Sägeschlamm beim Wafersägen. Diese Verluste sind derzeit nicht rückgewinnbar. Nach den heutigen Produktionszahlen entspricht dies etwa 140.000 Tonnen Abfall an Siliziumpulver pro Jahr.

Das HZDR war federführend an dem europäischen Projekt SIKELOR beteiligt, dessen Ziel in der Erarbeitung und Erprobung neuer Technologien für die Rückgewinnung von Sägeabfällen aus der Siliziumproduktion bestand. Diese Forschungsarbeiten wurden gemeinsam mit den Industriepartnern GARBO (Cerano, Italien) und EAAT (Chemnitz, Deutschland) sowie den Universitäten aus Padua (Italien) und Greenwich (Großbritannien) durchgeführt.

Das Projektarbeiten bestanden aus einer Kombination aus numerischer Simulation, physikalischer Modellierung und Demonstrationsexperimenten. Die Forschungsaktivitäten betrachteten alle Prozessschritte wie Pressen und Verdichten des Sägepulvers, Schmelzen, Reinigen und Gießen. Vier strategische Aufgaben wurden dabei in Angriff genommen:

1. Kontrolle der Fluidströmung: Die in der Siliziumschmelze suspendierten Verunreinigungspartikel werden durch die elektromagnetisch getriebene Strömung, den transienten Widerstand, den Auftrieb, die Oberflächenspannung, turbulente Fluktuationen, die Verdampfung und den lokalen elektromagnetischen Druck beeinflusst. Die Kombination von physikalischer und numerischer Modellierung lieferte Einblicke in die zugrunde liegenden Mechanismen. Optimierte Magnetfeldparameter wurden identifiziert.
2. Elektromagnetisches Design und Implementierung: Das Erzielen optimierter Parameter für eine gleichzeitige Realisierung von Induktionserwärmung, elektromagnetischem Rühren und elektromagnetischer Trennung ist eine anspruchsvolle technische Aufgabe. Zwei verschiedene Magnetfeldtypen werden zum Erwärmen und Trennen (alternierendes Magnetfeld, AMF) und elektromagnetisches Rühren (magnetisches Wanderfeld, TMF) benötigt. Diese durch separate Spulensysteme zu schaffen, erscheint aufgrund der räumlichen Beschränkungen und der gegenseitigen elektromagnetischen Interferenz (Übersprechen) unmöglich. Im Projekt wurde eine ausgeklügelte Lösung für einen Wechselrichter realisiert, der einen Strom mit der Überlagerung von zwei Oberschwingungen unterschiedlicher Frequenzen liefert. Die Notwendigkeit der Anpassung der jeweiligen Impedanzen der Lasten erforderte eine intensive Zusammenarbeit zwischen den Partnern, die die Stromversorgung entwickelten, und den Partnern, die mit der Gesamtkonstruktion und der Implementierung des Spulensystems für die Schmelzbehandlung betraut waren.
3. Rückgewinnung des Silizium: Der bestehende Verdichtungsprozess musste verbessert werden. Der Schwerpunkt lag auf der Verringerung des Oberflächen-Volumen-Verhältnisses und der Behandlung der sehr kleinen Pulverpartikel. In einer Pilotanlage wurde im ersten Testproduktionszyklus unter Verwendung einer neuentwickelten Behandlungsmethode kompaktiertes Ausgangsmaterial hergestellt, das für Kristallisationsexperimente benötigt wird. Die neue Produktionslinie demonstrierte die Machbarkeit und Zuverlässigkeit des Prozesses und öffnete damit den Weg für die Nutzung und Vermarktung.
4. Kristallisation von Siliziumbarren: Ein experimenteller Demonstrator wurde für das Gießen der Siliziumbarren hergestellt. Diese Versuchsanlage ist mit maßgeschneiderten Magnetsystemen ausgestattet, um den Transport und die Trennung von Verunreinigungen während der Kristallisation unter dem Einfluss von externen Feldern zu steuern. Sowohl das Erhitzen als auch das Schmelzen wird unter Verwendung der elektromagnetischen Induktionsheizung erreicht. Das TMF erzeugt auch die Leenov-Kolin-Kraft zum Trennen der SiC-Einschlüsse. Das Einfangen von Partikeln wird durch TMF-gesteuertes elektromagnetisches Rühren unterstützt, um die Partikel in Bereiche zu transportieren, in denen die Trennung sehr effizient ist.

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