Silizium

Allgemeines zu Silizium

Silizium ist ein chemisches Element aus der Gruppe der Halbmetalle und nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdkruste. Es tritt in elementarer Form selten auf, ist jedoch als Siliziumdioxid und in Silikaten allgegenwärtig. Reines Silizium ist ein grauschwarzer, spröder Feststoff mit metallischem Glanz und halbleitenden Eigenschaften. Industriell besitzt Silizium eine herausragende Bedeutung, da es sowohl als Basismaterial der Mikroelektronik als auch als funktioneller Werkstoff in der Filtrations-, Membran- und Separationstechnik eingesetzt wird.

Vorkommen

Silizium kommt in der Natur nahezu ausschließlich in gebundener Form vor, vor allem als Quarz (SiO₂) sowie in zahlreichen Silikatmineralen wie Feldspäten, Glimmern oder Tonmineralen. Quarzsand ist die wichtigste industrielle Siliziumquelle und weltweit in großen Mengen verfügbar. Bedeutende Förderländer sind China, die USA, Russland, Norwegen, Brasilien und Australien. Auch Europa verfügt über umfangreiche Quarz- und Sandvorkommen, wobei die Qualität – insbesondere Reinheit und Kornverteilung – entscheidend für die industrielle Nutzung ist. Für Hochtechnologieanwendungen, etwa in der Halbleiter- oder Membranherstellung, werden extrem reine Ausgangsmaterialien benötigt.

Gewinnung

Die Herstellung von elementarem Silizium erfolgt überwiegend durch die carbothermische Reduktion von Quarz in Lichtbogenöfen bei Temperaturen von über 2.000 °C. Dabei entsteht sogenanntes metallurgisches Silizium mit einem Reinheitsgrad von etwa 98–99 %. Für elektronische Anwendungen wird dieses Material weiter gereinigt, etwa durch das Siemens-Verfahren, bei dem Silizium über gasförmige Chlor- oder Silanverbindungen abgeschieden wird.

In der Filtrations- und Separationstechnik spielt weniger das elementare Silizium als vielmehr Siliziumdioxid eine Rolle. Dieses wird entweder natürlich gewonnen oder synthetisch hergestellt, etwa als gefällte Kieselsäure oder hochreines amorphes SiO₂. Filtrationsprozesse sind dabei selbst Teil der Herstellung, etwa bei der Klassierung, Entwässerung und Reinigung der feinen Siliziumdioxid-Partikel.

Verwendung von Sizilium

Silizium ist ein universeller Werkstoff. In der Elektronik- und Halbleiterindustrie bildet es die Grundlage nahezu aller integrierten Schaltungen und Solarzellen. In der Filtration und Separation ist Silizium vor allem in Form von Siliziumdioxid von zentraler Bedeutung. Poröse SiO₂-Strukturen werden als Trägermaterialien für Membranen eingesetzt, beispielsweise in der Mikro- und Ultrafiltration. Silikagel dient als Adsorptionsmittel zur Trocknung von Gasen und Flüssigkeiten sowie in der Chromatographie.

Darüber hinaus werden siliziumbasierte Materialien in der Katalyse, in Filterhilfsmitteln, in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie sowie in der Wasseraufbereitung genutzt. Die Möglichkeit, definierte Oberflächenchemie und Porosität einzustellen, macht Siliziumverbindungen besonders vielseitig.

Aktuelles zum Sizilium-Recycling

Das Recycling von Silizium gewinnt insbesondere im Kontext der Photovoltaik und der Elektronikindustrie an Bedeutung. Produktionsabfälle und ausgediente Solarzellen enthalten große Mengen hochwertiger Siliziummaterialien, deren Rückgewinnung technisch anspruchsvoll ist. Mechanische Zerkleinerung, chemische Ätzprozesse sowie Filtrations- und Abtrennverfahren kommen zum Einsatz, um Silizium von Glas, Metallen und Beschichtungen zu trennen.

Im Bereich der Filtration werden siliziumhaltige Materialien bislang nur begrenzt recycelt, da sie häufig als funktionale Verbrauchsmaterialien eingesetzt werden. Forschungsvorhaben zielen jedoch darauf ab, Adsorber und Membranträger regenerierbar oder stofflich verwertbar zu gestalten.

Biologische Bedeutung und Toxizität

Elementares Silizium gilt als weitgehend ungiftig. Gesundheitsrelevant sind jedoch feine Stäube von kristallinem Siliziumdioxid, die beim Einatmen schwere Lungenerkrankungen wie Silikose verursachen können. Quarzstaub ist in der EU als krebserzeugend eingestuft, weshalb strenge Arbeitsplatzgrenzwerte gelten.

Amorphes Siliziumdioxid, wie es in vielen Filter- und Adsorptionsmaterialien verwendet wird, ist deutlich weniger gesundheitsschädlich. Dennoch sind Staubexpositionen grundsätzlich zu minimieren. Umwelttoxikologisch gilt Silizium als unproblematisch, da es natürlicher Bestandteil vieler Böden und Gewässer ist.