يعتبر السيليكون المرتبة الثانية بعد الأكسجين، وهو أحد العناصر الموجودة بكثرة في القشرة الأرضية، فهو متواجد في الصخور والرمل والطين والتربة، كما يتحّد مع الأكسجين مثل ثاني أكسيد السيليكون أو مع الأكسجين وعناصر أخرى مثل السيليكات، كما توجد مركبات السيليكون في الماء والجو وفي بعض النباتات وبعض الحيوانات.
ما هو السيليكون؟
السيليكون هو العنصر 14 في الجدول الدوري، السيليكون النقي يعتبر من المواد الصلبة والرمادية الداكنة وله نفس البنية البلورية للألماس، كما أن الخصائص الكيميائية للسيلكون شبيهه لهذه المادة، حيث إنه يحتوي على نقطة انصهار توصل إلى 2570 درجة فهرنهايت ونقطة غليان تصل إلى 4271 درجة فهرنهايت.
يتفاعل السيليكون مع الهالوجينات عند تعريضه للحرارة من أجل تشكيل الهاليدات، كما أنه يتفاعل مع العديد من المعادن لتشكيل مبيدات سليكونية وعندما يُسخن في فرن بالكربون، فسيتكوّن سيراميك يقاوم التآكل يسمى كربيد السيليكون، وفي درجات حرارة مرتفعة يتم مباغتة السيليكون من خلال بخار الماء أو الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد السيليكون.
يستخدم السيليكون منخفض النقاوة في علم المعادن كعامل اختزال وكعنصر صناعة السبائك في الفولاذ والنحاس والألمنيوم والبرونز، وعند إضافة كميات صغيرة من السيليكون إلى الألومنيوم يصبح الألومنيوم أسهل في الصب، كما أنه يقوم بتجسين القوة والصلابة وخصائص متعددة، يستعمل السيليكون على شكل أكسيد أو سيليكات في تصميع الخرسانة والزجاج والسيراميك والطوب والصابون.
في عام 1999 بلغ الإنتاج العالمي حوالي 640 ألف طن متري، مع المنتجين الرئيسيين في البرازيل وفرنسا والنرويج والولايات المتحدة، حيث إن هذا انخفاض مستمر مقارنة بالسنوات العديدة الماضية، وعلى الرغم من عدم توفر البيانات فقد يُعتقد أنّ الصين هي أكبر منتج للسيليكون تليها الولايات المتحدة، حيث تشير أحد التقديرات أنّ قدرة الصين الإنتاجية تصل إلى 400 ألف طن، مع أكثر من 400 منتج زادت الصادرات في السنوات الأخيرة.
تاريخ صناعة السيليكون:
كان استهلاك معدن السيليكون في الولايات المتحدة حوالي 262 ألف طن متري بتكلفة 57 سنت للرطل، بلغ معدل النمو السنوي خلال الفترة 1980-1995 حوالي 3.5٪ لطلب السيليكون من قبل صناعة الألمنيوم، كذلك حوالي 8٪ من قبل الصناعة الكيميائية، تأثر طلب الصناعة الكيميائية بالأزمة الاقتصادية الآسيوية في أواخر التسعينيات.
عُزل السيليكون بدايةً وتحوّل إلى عنصر سنة 1824 من خلال الكيميائي يونس جاكوب برزيليوس، حيث تم الحصول على شكل غير نقي في عام 1811، أُنتج السيليكون سنة 1854 من خلال استعمال التحليل الكهربائي، كما أن التفاعل بين السيليكا والكربون داخل مكان حراري ينتج السيليكون، كما ينتج التفاعل بين السيليكا والكربون داخل موضع حراري.
كما اخترع المخترع الفرنسي بول لويس توسان هيرولت نوع الفرن المستخدم حالياً في صناعة السيليكون، وهو فرن القوس الكهربائي في عام 1899 لصنع الفولاذ، تم إنشاء الفرن القوس الكهربائي لأول مرة في الولايات المتحدة في سيراكيوز في نيويورك في عام 1905، وفي السنوات الأخيرة تحسنت تكنولوجيا الفرن بما في ذلك الأقطاب الكهربائية المستخدمة لعناصر التسخين.
مواد أولية لصناعة السيليكون:
يتشكل السيليكون من خلال التفاعل بين السيليكا والمواد الكربونية كالفحم والخشب، يتم تلقي السيليكا في العادة على شكل حصى أو فتات من الدرجة المعدنية، حيث يبلغ حجم هذا الحصى 99.5٪ سيليكا.
كما يحتوي الفحم عادة على نسبة منخفضة من الرماد ويحتوي على حوالي 60٪ من الكربون وحجمه يتناسب مع حجم الحصى، وعادة ما تكون رقائق الخشب من الخشب الصلب، حيث يتم استلام جميع المواد من قبل الشركة المصنعة.
كيفية تصنيع السيليكون:
عملية التخفيض:
يتم وزن المواد الخام ثم وضعها في الفرن من خلال الجزء العلوي باستخدام غطاء الدخان أو الدلاء أو السيارات، تحتوي الدفعة النموذجية على 1000 رطل لكل من الحصى والرقائق، كذلك 550 رطلاً من الفحم، كما يتم وضع غطاء الفرن الذي يحتوي على أقطاب كهربائية في موضعه.
يمر التيار الكهربائي عبر الأقطاب لتشكيل قوس، حيث إن الحرارة الناتجة عن هذا القوس تذوب المادة وتؤدي إلى تفاعل الرمل مع الكربون لتكوين السيليكون وأول أكسيد الكربون، تستغرق هذه العملية حوالي ست إلى ثماني ساعات، كما يتم شحن الفرن بشكل مستمر بدفعات المواد الخام.
وعندما يكون المعدن في حالة منصهرة فقد يتم معالجته بالأكسجين والهواء لتقليل كمية الشوائب في الكالسيوم والألمنيوم، اعتماداً على الدرجة يتضمن معدن السيليكون على 98.5-99.99٪ سيليكون مع كميات قليلة من الحديد والكالسيوم والألمنيوم.
التبريد أو التكسير:
تُسكب مادة مؤكسدة تسمى الخبث في أواني وتُبرد، حيث يتم تبريد معدن السيليكون في صواني كبيرة من الحديد الزهر بعرض 8 أقدام وعمق 8 بوصات، بعد التبريد يتم تفريغ المعدن من القالب في شاحنة ثم يتم وزنه ثم يتم إلقاؤه في كومة التخزين.
يؤدي إلقاء المعدن من القالب إلى الشاحنة إلى تكسيره بدرجة كافية للتخزين، قبل الشحن يتم قياس المعدن وفقاً لمواصفات العميل، الأمر الذي قد يتطلب عملية تكسير باستخدام كسارات الفك أو المخروطية.
التعبئة والتغليف:
عادة ما يتم تغليف معدن السيليكون في أكياس كبيرة أو صناديق خشبية يصل وزنها إلى 3000 رطل في شكل مسحوق، يتم تعبئة السيليكون في دلاء بلاستيكية أو أكياس ورقية سعة 50 رطلاً أو براميل فولاذية سعة 500 رطل أو أكياس أو صناديق كبيرة بسعة 3000 رطل.
مراقبة الجودة:
يتم استخدام التحكم في العملية الإحصائية لضمان الجودة، يتم استخدام الأنظمة التي يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر لإدارة العملية الشاملة وتقييم البيانات الإحصائية، كما أن معلمتا العملية الرئيسيتان اللتان يجب التحكم فيهما هما كميات المواد الخام المستخدمة ودرجات حرارة الفرن.
يستخدم الاختبار المعملي لمراقبة التركيب الكيميائي للمنتج النهائي وللبحث عن طرق لتحسين التركيب عن طريق ضبط عملية التصنيع، تضمن عمليات تدقيق الجودة والتقييمات المنتظمة للموردين أيضاً الحفاظ على الجودة من استخراج المواد الخام من خلال شحن المنتج النهائي.
المنتجات الثانوية:
مع التحكم في العملية الإحصائية يتم تقليل الفاقد إلى الحد الأدنى، يُباع أحد المنتجات الثانوية لهذه العملية وهو دخان السيليكا للصناعات المقاومة للحرارة والأسمنت، لتحسين قوة منتجاتهم، يستخدم دخان السيليكا أيضاً في العزل الحراري وحشو المطاط والبوليمرات والجص وغيرها من التطبيقات.
ينقسم الخبث المبرد إلى قطع أصغر ويباع لشركات أخرى لمزيد من المعالجة، بعض الشركات تسحقها إلى مادة السفع الرملي، نظراً لأن أفران القوس الكهربائي تنبعث منها انبعاثات جسيمية، فإنه يجب على الشركات المصنعة أيضاً الامتثال للوائح وكالة حماية البيئة (EPA).
وبالرغم من أنّ المسؤولين في الصناعة كانوا متوقعين أن يزيد الطلب على السيليكون من الدرجة الكيميائية من قبل الدول الغربية بحيث يصل إلى 7 ٪ حتى عام 2003، إلا أنّ هذا النمو قد يكون أبطأ بسبب التدهور الاقتصادي الأخير في آسيا واليابان.
