Silikon

Latar Belakang

Kedua setelah oksigen, silikon adalah unsur paling melimpah di kerak bumi. Hal ini ditemukan di batu, pasir, tanah liat dan tanah, dikombinasikan dengan baik oksigen sebagai silikon dioksida, atau dengan oksigen dan unsur-unsur lain sebagai silikat. Senyawa silikon juga ditemukan di air, di atmosfer, di banyak tanaman, dan bahkan pada hewan tertentu.

Silikon adalah unsur keempat belas dari tabel periodik dan merupakan unsur Golongan IVA, bersama dengan karbon germanium, timah dan timbal. Silikon murni adalah padatan abu-abu gelap dengan struktur kristal yang sama seperti berlian. Sifat kimia dan fisiknya mirip dengan bahan ini. Silikon memiliki titik leleh 2570 ° F (1410 ° C), titik didih 4271 ° F (2355 ° C), dan densitas 2,33 g/cm3.

Ketika silikon dipanaskan, ia bereaksi dengan halogen (fluor, klor, brom, dan yodium) membentuk halida. Bereaksi dengan logam tertentu untuk membentuk silisida dan ketika dipanaskan dalam tungku listrik dengan karbon, keramik tahan aus yang disebut silikon karbida diproduksi. Asam fluorida adalah satu-satunya asam yang mempengaruhi silikon. Pada suhu yang lebih tinggi, silikon diserang oleh uap air atau oksigen untuk membentuk lapisan permukaan silikon dioksida.

Ketika silikon dimurnikan dan didoping dengan unsur-unsur seperti boron, fosfor dan arsenik, silikon digunakan sebagai semikonduktor dalam berbagai aplikasi. Untuk kemurnian maksimum, proses kimia digunakan yang mereduksi silikon tetraklorida atau triklorosilan menjadi silikon. Kristal tunggal ditumbuhkan dengan perlahan menarik kristal benih dari silikon cair.

Silikon dengan kemurnian lebih rendah digunakan dalam metalurgi sebagai zat pereduksi dan sebagai elemen paduan dalam baja, kuningan, aluminium, dan perunggu. Ketika sejumlah kecil silikon ditambahkan ke aluminium, aluminium menjadi lebih mudah untuk dicetak dan juga telah meningkatkan kekuatan, kekerasan, dan sifat lainnya. Dalam bentuk oksida atau silikatnya, silikon digunakan untuk membuat beton, batu bata, kaca, keramik, dan sabun. Logam silikon juga merupakan bahan dasar untuk membuat silikon yang digunakan dalam produk seperti minyak sintetis, dempul dan sealer, dan agen anti-busa.

Pada tahun 1999, produksi dunia sekitar 640.000 metrik ton (tidak termasuk Cina), dengan produsen utama Brasil, Prancis, Norwegia, dan Amerika Serikat. Ini merupakan penurunan yang berkelanjutan dibandingkan beberapa tahun terakhir (653.000 ton pada tahun 1998 dan 664.000 pada tahun 1997). Meskipun data tidak tersedia, China diyakini sebagai produsen terbesar, diikuti oleh Amerika Serikat. Satu perkiraan menempatkan kapasitas produksi China setinggi 400.000 metrik ton per tahun, dengan lebih dari 400 produsen. Ekspor dari negara ini meningkat dalam beberapa tahun terakhir.

Konsumsi logam silikon di Amerika Serikat kira-kira 262.000 metrik ton, dengan biaya 57 sen per pon. Tingkat pertumbuhan tahunan selama 1980-1995 adalah sekitar 3,5% untuk permintaan silikon oleh industri aluminium dan sekitar 8% oleh industri kimia. Permintaan oleh industri kimia (terutama silikon) dipengaruhi oleh krisis ekonomi Asia pada akhir 1990-an.

Sejarah

Silikon pertama kali diisolasi dan dideskripsikan sebagai unsur pada tahun 1824 oleh ahli kimia Swedia, Jons Jacob Berzelius. Bentuk tidak murni diperoleh pada tahun 1811. Silikon kristal pertama kali diproduksi pada tahun 1854 menggunakan elektrolisis.

Reaksi antara silika dan karbon dalam tungku busur listrik menghasilkan silikon.

Jenis tungku yang sekarang digunakan untuk membuat silikon, tungku busur listrik, pertama kali ditemukan pada tahun 1899 oleh penemu Prancis Paul Louis Toussaint Heroult untuk membuat baja. Tungku busur listrik pertama di Amerika Serikat dipasang di Syracuse, New York pada tahun 1905. Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi tungku, termasuk elektroda yang digunakan untuk elemen pemanas, telah meningkat.

Bahan Baku

Logam silikon dibuat dari reaksi silika (silikon dioksida, SiO2) dan bahan karbon seperti kokas, batu bara, dan serpihan kayu. Silika biasanya diterima dalam bentuk kerikil kelas metalurgi. Kerikil ini mengandung 99,5% silika, dan berukuran 3 x 1 atau 6 x 1 inci (8 x 3 cm atau 15 x 3 cm). Batubara biasanya memiliki kadar abu yang rendah (1-3% untuk meminimalkan pengotor kalsium, aluminium, dan besi), mengandung sekitar 60% karbon, dan berukuran sesuai dengan kerikil. Serpihan kayu biasanya berupa kayu keras berukuran 1/2 x 1/8 inci (ukuran 1 x 3 cm). Semua bahan diterima seperti yang ditentukan oleh pabrikan.

Proses Pembuatan

Proses dasar memanaskan silika dan kokas dalam tungku busur listrik terendam hingga suhu tinggi. Suhu tinggi diperlukan untuk menghasilkan reaksi di mana oksigen dihilangkan, meninggalkan silikon. Ini dikenal sebagai proses reduksi. Dalam proses ini, karbida logam biasanya terbentuk pertama kali pada suhu yang lebih rendah. Saat silikon terbentuk, ia menggantikan karbon. Proses pemurnian digunakan untuk meningkatkan kemurnian.

Proses Pengurangan

• 1 Bahan mentah ditimbang kemudian dimasukkan ke dalam tungku melalui bagian atas menggunakan lemari asam, ember, atau mobil. Sebuah batch khas berisi 1000 lb (453 kg) masing-masing kerikil dan keripik, dan 550 lb (250 kg) batubara. Tutup tungku, yang berisi elektroda, ditempatkan pada posisinya. Arus listrik dilewatkan melalui elektroda untuk membentuk busur. Panas yang dihasilkan oleh busur ini (suhu 4000 ° F atau 2350 ° C) melelehkan material dan menghasilkan reaksi pasir dengan karbon untuk membentuk silikon dan karbon monoksida. Proses ini memakan waktu sekitar enam hingga delapan jam. Tungku terus diisi dengan batch bahan baku.
• 2 Saat logam dalam keadaan cair, ia diperlakukan dengan oksigen dan udara untuk mengurangi jumlah pengotor kalsium dan aluminium. Tergantung pada kelasnya, logam silikon mengandung 98,5-99,99% silikon dengan sejumlah kecil besi, kalsium, dan aluminium.

Mendinginkan/Menghancurkan

• 3 Bahan teroksidasi, yang disebut terak, dituangkan ke dalam panci dan didinginkan. Logam silikon didinginkan dalam baki besi tuang besar dengan lebar sekitar 8 kaki (2,4 m) dan kedalaman 8 inci (20 cm). Setelah dingin, logam dibuang dari cetakan ke truk, ditimbang dan kemudian dibuang di tumpukan penyimpanan. Membuang logam dari cetakan ke truk cukup memecahnya untuk disimpan. Sebelum pengiriman, ukuran logam sesuai dengan spesifikasi pelanggan, yang mungkin memerlukan proses penghancuran menggunakan jaw atau cone crusher.

Kemasan

• 4 Logam silikon biasanya dikemas dalam karung besar atau kotak kayu dengan berat hingga 3.000 lb (1.361 kg). Dalam bentuk bubuk, silikon dikemas dalam ember plastik atau kantong kertas 50-lb (23-kg), drum baja 500-lb (227-kg) atau karung atau kotak besar 3.000-lb (1.361-kg).

Kontrol Kualitas

Kontrol proses statistik digunakan untuk memastikan kualitas. Sistem yang dikendalikan komputer digunakan untuk mengelola keseluruhan proses dan mengevaluasi data statistik. Dua parameter proses utama yang harus dikontrol adalah jumlah bahan baku yang digunakan dan suhu tungku. Pengujian laboratorium digunakan untuk memantau komposisi kimia produk akhir dan metode penelitian untuk meningkatkan komposisi dengan menyesuaikan proses pembuatan. Audit kualitas dan penilaian berkala terhadap pemasok juga memastikan bahwa kualitas tetap terjaga dari ekstraksi bahan mentah hingga pengiriman produk akhir.

Produk Sampingan/Limbah

Dengan kontrol proses statistik, pemborosan dijaga seminimal mungkin. Produk sampingan dari proses tersebut, silika fume, dijual ke industri tahan api dan semen untuk meningkatkan kekuatan produk mereka. Silica fume juga digunakan untuk insulasi panas, pengisi untuk karet, polimer, nat dan aplikasi lainnya. Terak yang didinginkan dipecah menjadi potongan-potongan yang lebih kecil dan dijual ke perusahaan lain untuk diproses lebih lanjut. Beberapa perusahaan menghancurkannya menjadi bahan sandblasting. Karena tungku busur listrik memancarkan emisi partikulat, produsen juga harus mematuhi peraturan Badan Perlindungan Lingkungan (EPA).

Masa Depan

Meskipun analis industri memperkirakan permintaan silikon tingkat kimia oleh negara-negara Barat akan meningkat pada tingkat rata-rata tahunan sekitar 7% sampai tahun 2003, pertumbuhan ini mungkin lebih lambat karena penurunan ekonomi baru-baru ini di Asia dan Jepang. Jika pasokan terus melebihi permintaan, harga dapat terus turun. Prospek pasar otomotif positif, karena semakin banyak pembuat mobil beralih ke paduan aluminium-silikon untuk berbagai komponen.

Metode lain untuk membuat silikon sedang diselidiki, termasuk cairan supercooling untuk membentuk silikon amorf massal dan metode hidrotermal untuk membuat bubuk silikon berpori untuk aplikasi optik.