¿Como separo el silicio de la arena de playa y como la purifico?

Question

es para poder sacar silicio a un 98% y hacer tratamiento con celdas fotovoltaicas

Answer 1

lee este articulo muy bueno

Norbert Auner, catedrático de química inorgánica de la Universidad de Frankfurt, estaba en primera fila, reclinado en su sillón. Familiarizado con el asunto de la ponencia presentada por Gudrun Tamme, química de la empresa bávara Wacker, Auner es experto en silicio, el material con el que se fabrican los chips de ordenador y la silicona. Este todoterreno de las materias primas modernas no sirve sólo para aumentar el pecho y sellar las fugas del cuarto de baño, sino que, actualmente, puede encontrarse en todo tipo de productos, como tintes, tejidos, cosméticos y lentes de contacto. Así que Auner no esperaba nada extraordinario, no sospechaba que esa ponencia cambiaría su vida.

La científica estuvo hablando de un extraño acontecimiento ocurrido dos años atrás en la sede de su empresa, en Burghausen. Estaban fabricando silanos, los compuestos de silicio a partir de los que se obtiene la silicona. Los silanos líquidos contienen impurezas, sobre todo silicio puro y óxido de cobre. Estas pequeñas partículas se filtran y se depositan en un silo para la recuperación del cobre. Esto era lo que se había hecho en Wacker durante años, y nunca habían tenido ningún problema. Pero aquel día, 3 de mayo de 1998, el polvo de silicio y óxido de cobre se inflamó de repente. La temperatura del depósito ascendió a 200 grados. Los técnicos intentaron averiguar el motivo pero no consiguieron encontrarlo. Al día siguiente se habilitó otro reactor para la fabricación de silanos, y la mezcla resultante del proceso se elevó a 400 grados. Inmediatamente, se interrumpió la línea de producción y se refrigeró el depósito con agua. Introdujeron nitrógeno en su interior, que normalmente detiene las reacciones químicas en las que interviene el oxígeno, pero en este caso avivó el fuego. En el silo se podían ver placas al rojo vivo que burbujeaban como la lava. Detuvieron el flujo de nitrógeno y añadieron en su lugar argón, un gas noble. Por fin, la temperatura empezó a descender.


El silicio, que se obtiene de la arena, es una materia prima muy valiosa para la elaboración, por ejemplo, de los chips de ordenador. Un producto accesorio de su extracción es el tetrametilisano (TMS), un líquido inflamable que libera tanta energía como la gasolina. Cuando se quema se convierte en arena.
Este incidente preocupó a los investigadores. En el depósito se había producido una reacción en cadena. Primero, los compuestos de cloruro de metano habían reaccionado con el polvo de silicio, un proceso ya conocido en el que la energía se libera en forma de calor. Este calor fue suficiente para que el silicio se combinara con el polvo de óxido de cobre, otra combustión química previsible. La temperatura del depósito siguió aumentando. Pero después, cuando se introdujo nitrógeno, ocurrió algo que no se describía en ningún libro. El silicio reaccionaba con el nitrógeno de la misma forma que con el oxígeno del óxido de cobre. Las partes de hierro del silo se habían derretido. Las temperaturas podrían haber alcanzado los 6.000 grados.

Después de leer la ponencia, la química de Wacker dio las gracias a los asistentes y les deseó un buen viaje de vuelta. El profesor Auner no se tomó en serio el murmullo de asentimiento de los cerca de 300 asistentes. Olvidó todo lo que tenía a su alrededor: el esplendoroso hotel, el grandioso paisaje nevado que se contemplaba por la ventana... En su cabeza sólo había una idea. Allí estaba la prueba de una reacción química que había buscado durante mucho tiempo. Para él significaba nada menos que la solución de los problemas energéticos del futuro de la Humanidad. En unos años, los coches podrían tener motores de cerámica y turbinas propulsoras que no expeliesen gases, sino arena.

Una fuente de energía inagotable.
Los precios de la gasolina, en ascenso continuo, son el primer indicio del final del petróleo, el carbón y el gas natural, compuestos orgánicos que contienen carbono, un material que no abunda en nuestro planeta (el aire, el agua y la tierra contienen menos de un 0,2%). Cada día se consume más petróleo del que se acumula a lo largo de 1.000 años. Si se explotan las reservas que por el momento no se consideran rentables, al final del siglo XXI el combustible fósil no constituirá más que un breve capítulo en la historia del hombre.

Igual que los compuestos orgánicos, el silicio se quema en combinación con el oxígeno, pero se encuentra en grandes cantidades en todo el planeta. En la corteza terrestre es el elemento más frecuente después del oxígeno, ya que se encuentra en la mayoría de las formaciones arenosas. Una civilización que consiga aprovechar este metal de brillo plateado como fuente de energía a un precio asequible no tendrá que preocuparse por la duración de sus recursos. El silicio contiene más energía que el petróleo y el carbón. A diferencia de este último, también se quema con nitrógeno, que es el principal componente del aire. Los químicos estaban convencidos de que esta reacción sólo puede darse a temperaturas extremadamente altas, con un catalizador de hierro. Para desencadenar esta reacción era necesario aplicar tal cantidad de calor que el proceso no resultaba rentable para la creación de energía.

Auner se había resistido a creer que ésa fuera la única manera de conseguirlo. En 1999 empezó a buscar algún truco para que la reacción entre el silicio y el nitrógeno pudiera producirse a temperaturas más bajas. Aquel viernes por la tarde, en la sala de reuniones del hotel Rica supo inmediatamente que lo que había ocurrido en Wacker era algo más que un accidente. En eso coincidía con Richard Weidner, jefe de investigación de esta empresa, mientras tomaban unas cervezas por la noche. Aquel incidente había proporcionado la receta para la reacción liberadora de energía del silicio y el nitrógeno a temperaturas relativamente reducidas, unos 500 grados, y no a 1.500 ó 2.000, como suponían los químicos. Los ingredientes eran el silicio pulverizado y pequeñas partículas de óxido de cobre.

Almacenamiento ilimitado y seguro.
El silicio en estado puro no existe en la naturaleza. Siempre se presenta combinado, sobre todo con oxígeno. Este dióxido de silicio no es otra cosa que la arena y la piedra de cuarzo, que constituyen una cuarta parte de la corteza terrestre. El motivo de su abundancia es sencillo: no hay ningún compuesto químico más estable que el de este metal plateado con el oxígeno. Por ello, hace falta una gran cantidad de energía para separar los dos elementos. Pero esta energía no se pierde, sino que se almacena en el silicio, que proporciona a partir de entonces la misma energía que el carbón. Esa energía almacenada se puede liberar quemando el metal con oxígeno o nitrógeno. De este modo, el silicio abre un camino inexplorado hasta el momento: el del almacenamiento ilimitado y el transporte seguro de energía.Éste era precisamente el transmisor que se buscaba. De él depende todo el futuro de las energías regenerativas.

La alternativa al hidrógeno.
Mientras se está buscando un sustituto de la gasolina, también el incidente de Wacker podría abrir el camino a nuevas soluciones. Hasta el momento, el hidrógeno era la alternativa. Existe un proyecto de colaboración entre Europa y Canadá para transportar energía a Hamburgo. Los embalses canadienses proporcionarían la energía necesaria para extraer del agua el gas, que cruzaría licuado el Atlántico. En Alemania, el hidrógeno se destinaría al transporte público y las pequeñas centrales eléctricas. Este combustible tiene dos grandes ventajas respecto al carbono: cuando se quema, las chimeneas y los tubos de escape no expelen el nocivo dióxido de carbono, y de su reacción con el oxígeno se obtiene agua limpia, ideal desde el punto de vista ecológico. Además, para emplearlo como combustible no es necesario inventar una técnica de propulsión. Los motores de combustión habituales, con una ligera modificación, podrían funcionar sin problemas con hidrógeno.

Pero, a pesar de estas ventajas, el proyecto de europeos y canadienses no parece factible. Tras dos décadas de investigación, ha sido imposible resolver algunos problemas que presenta este gas. Debe enfriarse a 253 grados bajo cero para licuarse, requisito imprescindible para el transporte, y en este proceso consume mucha energía. Es un elemento que puede atravesar los poros más diminutos de los contenedores de acero: si se deja en el garaje un coche con el depósito lleno de hidrógeno líquido, se habrá vaciado al cabo de diez semanas. Y, sobre todo, es extremadamente inflamable, más que la gasolina.


El silicio, de brillo plateado, se pulveriza y se quema en un reactor experimental. Los investigadores han descubierto que, a diferencia, por ejemplo, del carbono, este metal no reacciona sólo con oxígeno, sino también con nitrógeno. Este ha sido el resultado de los experimentos de la empresa bávara Wacker.
Por su parte, la combustión del silicio no emite gases. Cuando se combina con el oxígeno, este metal se vuelve a convertir en lo que era antes: inofensiva arena. En la actualidad sigue siendo necesario utilizar carbón para separar el metal, por lo que también se produce dióxido de carbono. El profesor Auner busca la forma de filtrar este gas, nocivo para el medio ambiente. Según los últimos descubrimientos, el CO2 contenido podría convertirse en metanol, un posible sustituto de la gasolina. El dióxido de carbono pasa al aire cuando se quema, pero a medio plazo se podría pensar en las soluciones libres de CO2, por medios biotecnológicos o electrólisis.

En lo que respecta a la seguridad, el silicio es incomparable. A diferencia de las barras de uranio, por ejemplo, no necesita ningún contenedor especial para el transporte. Tampoco son necesarios los depósitos de alta presión, como en el caso del hidrógeno. El metal energético se podría transportar en cualquier camión convencional y el conductor podría fumar tranquilamente. El silicio en roca no puede prenderse ni siquiera con un soldador. Las catástrofes medioambientales, como las que ocurren cuando naufraga un petrolero, son impensables con este metal.

Será necesario desarrollar las centrales eléctricas para el calentamiento del silicio. La mayoría de la energía se liberaría al quemar el metal con oxígeno puro, pero Auner es más partidario de provocar esta reacción con nitrógeno, ya que además del calor se obtienen varios productos valiosos. En palabras del químico, "el nitrógeno permite económicamente convertir la arena en oro". En la práctica, es probable que las centrales eléctricas de silicio funcionen con aire normal, compuesto por nitrógeno casi en un 80%.

La ceniza del reactor estaría compuesta, sobre todo, por nitruro de silicio. Este material, en absoluto tóxico, es útil para la elaboración de cerámica extraordinariamente cara, que recubre numerosos objetos protegiéndolos contra los arañazos, la humedad, el fuego o los ácidos. Además, el nitruro de silicio se puede convertir con facilidad en amoniaco, un ingrediente básico de los abonos artificiales. Esto abriría un nuevo camino para la fabricación de este imprescindible nutriente para plantas, sin el que la tierra no podría alimentar a su población. Desde hace casi cien años, las agroquímicas utilizan un procedimiento muy caro, el proceso Haber-Bosch, que requiere temperaturas y presiones muy elevadas.

Si el silicio empezara a sustituir al petróleo o al gas natural, se produciría mucho más amoniaco del que se necesita para la síntesis de abonos artificiales. Pero a este gas de olor penetrante, Auner le ha encontrado un uso sorprendente: podría utilizarse para las pilas de combustible de los vehículos. En su opinión, "las empresas automovilísticas habrían pensado en las posibilidades del amoniaco hace mucho tiempo si no fuera tan caro".

Arena por el tubo de escape.
El silicio abre más posibilidades para la propulsión de automóviles. En la producción de silicona a partir de este metal se obtiene un producto llamado tetrametilsilano (TMS), un líquido inflamable que libera la misma energía que la gasolina. Klaus Höfelmann, director de producción de siliconas de Wacker, recuerda que una vez llenaron con este combustible el depósito de un Volkswagen y lo probaron en las instalaciones de la empresa. El automóvil funcionó perfectamente durante varias horas hasta que se detuvo en seco: se había acumulado arena en los cilindros.

Es posible que este problema se resuelva en el futuro con los motores de cerámica, cuya materia prima sería el silicio, ya que dos de sus componentes, el nitruro y el carburo de silicio, se encuentran entre los materiales más duros del mundo. A pesar del peligro de que las autopistas se llenen de dunas, la arena resultante es tan fina que por el tubo de escape saldría una nube de polvo blanco, como las que levantan las manadas de búfalos. Para evitar que esto ocurra, el polvo se conservará dentro del coche. Al repostar, el conductor podría devolver el saquito de arena. Aquellos que tengan un quemador de TMS en el sótano de su casa deberán construir un cajón para la arena.

Cuando en la década de los 70 el motor del Volkswagen funcionó en las instalaciones de Wacker con combustible líquido procedente del silicio, un químico de la Universidad de Colonia investigaba este metal. Peter Plichta tenía una meta ambiciosa: quería comprobar si el silicio compartía con los átomos de carbono la capacidad de combinarse en cadenas largas y crear una gran variedad de productos químicos. En los años 50, la comunidad científica alemana había invertido decenas de millones en ello, pero lo único que obtuvo fueron moléculas con dos, tres o, como mucho, cuatro átomos de silicio. "Estos productos eran extraordinariamente peligrosos y ardían como la pólvora", explica Plichta. Pero el joven químico estaba empeñado en que las sustancias con cadenas mayores de átomos serían más sólidas. Sus experimentos tuvieron éxito. Aprendió a fabricar silanos estables "que tenían el aspecto de un aceite denso". Nadie pensó en la posibilidad de utilizarlos como combustibles.

El químico se entregó en cuerpo y alma a las matemáticas. Veinte años después, recordó sus experimentos y emprendió una colaboración con Klaus Kunkel, un empresario de Düsseldorf, con el fin de investigar los procesos de combustión y los motores de cohetes. Consiguió desarrollar un combustible de silicio para los viajes espaciales. Otros combustibles aprovechan sólo el oxígeno del aire, pero Plichta recuerda que los silanos también aprovechan el nitrógeno, que constituye casi el 80% de la atmósfera. Así, las naves espaciales podrían funcionar fuera de la atmósfera sin que hubiera que poner en órbita más oxígeno del necesario.

Esta idea no entusiasmó demasiado a nadie. La industria hizo caso omiso. Jürgen Rüttgers, el último ministro de Investigación del gobierno de Kohl, archivó la propuesta. Para poder presentar algo más que fórmulas sobre el papel, este grupo se dirigió al profesor Auner. Éste sintetizó unos cuantos mililitros de silanol e investigó su capacidad de propulsión en el Instituto de Tecnología Química de Fraunhof. Las pruebas de combustión con oxígeno demostraron que el aceite de silano era más eficaz que la hidracina, el combustible que se emplea normalmente en astronáutica. También en la comparación con la bencina salió bien parado el silicio: desprendía aproximadamente la misma cantidad de energía. Plichta sueña con ver coches que recorran las autopistas con propulsores espaciales modificados.

Pero, ¿quedará todo en agua de borrajas? Para Udo Pernisz, físico de la empresa estadounidense Dow Corning, "el uso del silicio como combustible tiene unos fundamentos químicos demostrados". Excepto los resultados obtenidos por Wacker, todos los demás hechos son conocidos en el sector. "Sólo hacía falta que llegara alguien como Norbert Auner para convertir en un concepto general todas las piezas del rompecabezas", añade Pernisz.

Según los cálculos de Richard Weidner, director de investigación de Wacker, el combustible sintético, que ahora sólo es considerado como un simple producto secundario dentro de la elaboración de la silicona, tendría aproximadamente el mismo precio que la gasolina si el Estado lo eximiese de impuestos. Podría utilizarse para que, en caso de crisis petrolífera, los vehículos de rescate pudieran funcionar y la calefacción de los hospitales no tuviera que apagarse.

Heinz Riesenhuber, antiguo ministro de investigación y actual compañero de Auner en la facultad de Química de la Universidad de Frankfurt, ha recurrido a todos sus contactos políticos para llamar la atención del Ministerio de Economía alemán sobre este revolucionario concepto energético. Los funcionarios reaccionaron de inmediato. Auner forma parte de un comité de expertos, con representantes de la industria y la investigación.

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Answer 2

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