Silikon: Sifat, Produksi, dan Pasar
Latar Belakang
Silikon menempati peringkat sebagai elemen kedua yang melimpah di kerak Bumi, dikalahkan hanya oleh oksigen. Ia muncul secara alami di batu, pasir, tanah liat, dan tanah, biasanya terikat sebagai dioksida silikon atau sebagai silikat yang juga mengandung oksigen dan logam lain. Senyawa ini ada di air, atmosfer, tumbuhan, dan bahkan beberapa hewan.
Pada tabel periodik, silikon adalah elemen ke-14 dan anggota Grup IVA, bersama dengan karbon, germanium, timbal, dan seng. Silikon murni adalah padat kristal abu-abu gelap, memiliki struktur jaringan mirip berlian. Data fisik kunci: titik leleh 2.570 °F (1.410 °C), titik didih 4.271 °F (2.355 °C), densitas 2,33 g/cm³.
Pemanasan silikon mengarah pada pembentukan halida dengan fluorin, klorin, bromin, atau iodin, dan silisida dengan beberapa logam. Pemanasan dalam roda listrik dengan karbon menghasilkan karbida silikon, keramik tahan gosok. Asam hidroflorida adalah satu-satunya asam yang dapat mengasah silikon. Pada suhu tinggi, silikon bereaksi dengan uap air atau oksigen untuk membentuk lapisan dioksida silikon yang melindungi.
Ketika difinikan ke murni tinggi dan dicemari dengan boron, fosfor, atau arsenik, silikon menjadi semikonductor. Pemurnian biasanya melibatkan reduksi klorida silikon tetra atau triklorosilan menjadi silikon unsur, diikuti oleh pertumbuhan kristal melalui metode Czochralski. Silikon dengan murni lebih rendah berfungsi sebagai agen pengurang dan elemen pengalengan dalam metalurgi, meningkatkan kemampuan cetak, kekuatan, dan kekerasan logam alang seperti aluminium, kuningan, dan perunggu. Oksida silikon dan silikat adalah bahan baku kunci untuk beton, bata, kaca, keramik, dan sabun, sementara logam silikon adalah dasar untuk polimer silikon yang digunakan dalam minyak sintetis, kalafat, sealant, dan agen anti-busa.
Sejarah
Silikon pertama kali diisolir dan diidentifikasi sebagai elemen yang berbeda pada 1824 oleh kimawan Swedia Jöns Jacob Berzelius, setelah ekstraksi tidak murni pada 1811. Silikon kristal diproduksi oleh elektrolisis pada 1854.
Reaksi silika dengan karbon di dalam roda listrik busa listrik menghasilkan logam silikon.
Roda listrik busa—yang awalnya ditemukan oleh Paul Louis Toussaint Heroult pada 1899 untuk pembuatan baja—adalah standar untuk produksi silikon saat ini. Roda AS pertama beroperasi di Syracuse, New York, pada 1905, dan desain modern memiliki elektroda canggih dan sistem manajemen panas.
Bahan Baku
Logam silikon diproduksi dengan mengurangi silika (SiO₂) dengan sumber karbon seperti kokos, batu bara, atau kayu keras. Karakteristik umpan baku meliputi:
- Batu kerikil kelas metalurgi: 99,5 % silika, ukuran partikel 3 × 1 atau 6 × 1 in (8 × 3 cm atau 15 × 3 cm).
- Batu bara abu rendah: 1–3 % abu, ~60 % karbon, ukuran partikel cocok dengan kerikil.
- Kayu keras: ½ × ⅛ in (1 × 3 cm).
Proses Manufaktur
Proses Reduksi
- Timbang dan muat bahan baku ke dalam roda melalui hood asap atau konveyor. Sebuah batch tipikal berisi 1.000 lb (453 kg) kerikil dan kayu, dan 550 lb (250 kg) batu bara.
- Nyalakan busa listrik di antara elektroda; suhu mencapai 4.000 °F (2.350 °C), melelehkan beban dan mendorong reaksi SiO₂ + C → Si + CO.
- Mengisi roda terus-menerus sementara silikon leleh terbentuk. Proses berlangsung 6–8 jam.
- Setelah meleleh, masukkan udara atau oksigen yang dikontrol untuk mengurangi impurity kalsium dan aluminium. Grade logam silikon akhir bervariasi dari 98,5 % hingga 99,99 % murni.
Pendinginan dan Penggiling
- Pisahkan escor (bahan oksidasi) ke dalam pot dan biarkan dingin.
- Cetak silikon leleh dalam cetakan besi besar (≈8 ft × 8 in). Setelah dingin, logam dituang ke dalam truk, ditimbang, dan ditempatkan di penyimpanan.
- Sebelum pengiriman, silikon diukur sesuai spesifikasi pelanggan, sering menggunakan gerhang rahang atau kerucut.
Pemasukan Kantong
Logam silikon biasanya dikirim dalam kantong 3.000 lb (1.361 kg) atau kotak kayu. Silikon bubuk dikemas dalam ember 50-lb (23 kg), drum 500-lb (227 kg), atau kantong 3.000-lb (1.361 kg).
Kontrol Kualitas
SPC dan pemantauan yang dikontrol komputer mempertahankan konsistensi produk. Variabel yang dapat dikontrol utama adalah rasio bahan baku dan suhu roda. Analisis laboratorium memverifikasi komposisi kimia, dan audit pemasok rutin melacak kualitas dari ekstraksi hingga pengiriman.
Sisa Produksi & Limbah
Silika fume, sisa produksi dari reaksi reduksi, dijual ke sektor refraktori dan semen untuk meningkatkan kekuatan. Ia juga digunakan sebagai penahan isolasi panas dan dalam karet, polimer, dan adukan. Escor yang telah dingin dihancurkan menjadi bahan peluncur pasir atau dijual kepada produsen lain. Roda listrik busa mengeluarkan partikel, jadi fasilitas harus mematuhi peraturan EPA.
Prospek Masa Depan
Sementara analis Barat memproyeksikan pertumbuhan sekitar 7 % per tahun dalam permintaan silikon kelas kimia melalui 2003, penurunan ekonomi terakhir di Asia dan Jepang telah memoderasi trajetur tersebut. Jika pasokan tetap di atas permintaan, harga mungkin terus menurun. Sebaliknya, sektor otomotif menunjukkan momentum positif, dengan lebih banyak produsen yang mengadopsi alian aluminium-silikon untuk komponen kendaraan. Metode produksi baru—seperti silikon amorfa bulk melalui supercooling dan sintesis hidrotemis silikon pori bubuk—sedang diselidiki untuk aplikasi optik canggih.
