Sólin Sólin Rís 08:53 • sest 17:29 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 17:49 • Sest 01:13 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 03:03 • Síðdegis: 15:32 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 09:17 • Síðdegis: 21:54 í Reykjavík

Hvers vegna er kolum brennt í kísilverum og hvaða efnahvörf verða þá?

Ingvar Árnason

Í heild hljóðaði spurningin svona:
Hvers vegna er kolum brennt í kísilverum? Hvaða efnahvörf verða? Gengur kolefnið í þeim í samband við kísilinn? Er þá einhver losun á CO2?

Kísilver eru hluti þess sem við nefnum orkufrekan iðnað á Íslandi. Tvö kísilver hafa verið reist á Íslandi á undanförnum árum gagngert til að framleiða kísilmálm, annað þeirra í Helguvík en hitt á Bakka við Húsavík. Hvorugt þeirra er í rekstri í dag hvað sem síðar kann að verða. Á Grundartanga í Hvalfirði hefur járnblendiverksmiðja Elkem verið starfrækt í fjóra áratugi en þar er framleiddur kísilmálmur með um 75% kísilinnihaldi sem blandaður er með 25% járni (FeSi) og er sérhæfður til íblöndunar í stáliðnaði og í járnsteypu. Í meginatriðum fer framleiðslan eins fram í öllum þessum verksmiðjum.

Mynd 1. Ljósbogaofn séður frá hlið. Til einföldunar sjást ekki nema tvö af þremur skautum. Uppi á milligólfi er tæki að störfum við að skara í ofnfyllunni. Neðst í ofninum safnast fyrir bráðinn málmur (hér 75% Si og 25% Fe), sem eftir þörfum er tappað af í ker hægra megin á gólfinu. Til vinstri á gólfinu er maður að fylgjast með. Hann gefur okkur tilfinningu fyrir stærðarhlutföllum.

Við framleiðslu kísilmálms er helsta vandamálið hve erfitt er að framleiða málmkenndan kísil úr tiltækum jarðefnum.[1] Notaðir eru stórir fóðraðir ofnar sem eru mataðir með hvarfefnum ofan frá en niður í gegnum ofnfylluna ganga þrjú rafskaut. Hráefni til framleiðslunnar eru annars vegar kvarts, SiO2, og hins vegar kolefni (blanda af kolum, koksi og viðarkurli). Í kvartsi er hvert kísilatóm tengt fjórum súrefnisatómum og hvert súrefni tengt tveimur kísilatómum í stórsameind. Si–O tengin eru mjög sterk og þarf því mikla orku til að rjúfa þau. Til þess að binda súrefnið þegar búið er að rjúfa tengin eru notuð kol og út á við verður hvarfið í ofninum svona:
SiO2 + 2C → Si + 2CO (i)

Hér hefur kísillinn verið afoxaður niður í kísilmálm eins og efnafræðingar segja og kolefnið hefur oxast í kolmónoxíð (einnig nefnt koleinildi), sem er baneitruð gastegund. Til að forða því að verksmiðjan spúi út frá sér ógrynni af eitruðu gasi er lofti (og þar með súrefni) blandað saman við heitan útblásturinn frá ofninum og oxast þá kolmónoxíð yfir í koldíoxíð (einnig nefnt koltvíildi) í reykháfnum og reykhreinsibúnaði:

2CO + O2 → 2CO2 (ii)

Með því að leggja saman jöfnur (i) og (ii) fáum við sem heildarhvarf:

SiO2 + 2C + O2 → Si + 2CO2 (iii)

Lítum nú aftur á spurningarnar. Kol eru notuð í kísilverum til að bindast súrefninu í kvartsinu. Efnahvörfin sem sett hafa verið fram gefa mjög einfalda mynd af ferlinu í ofninum og jú, vissulega er losun á koldíoxíði veruleg.

Mynd 2. Þessi mynd sýnir tvennt. Annars vegar að ofan til vinstri hvaða efni fara inn í ofninn og svo til hægri hvaða efni fara út úr ofninum. Til viðbótar sýnir myndin líka tvö misheit hvarfsvæði innan ofnsins. Efra og ytra svæðið er um 1550 °C heitt og svo innra svæðið neðar í ofninum umhverfis ljósbogann þar sem hitastigið fer yfir 1800 °C.

Enn vantar okkur tvennt inn í myndina: a) Hvert er hlutverk rafskautanna og b) Eru efnahvörfin virkilega svona einföld eins og jöfnur (i) til (iii) gefa til kynna?

  1. Rafskautin eru notuð til að ná upp miklum hita neðst í ofninum. Það gerist þannig að ljósbogi myndast milli skautanna og bráðins málms á botni ofnsins. Þess vegna er ofn af þessari gerð kallaður ljósbogaofn. Án ljósbogans næst ekki nægilega hátt hitastig til að hvarf (i) eigi sér stað.
  2. Efnahvörfin í ofninum eru talsvert flóknari en jöfnur (i) til (iii) gefa til kynna. Þannig má skipta ofninum í tvö misheit hvarfsvæði og samspil mismunandi hvarfa eiga sér stað á milli þeirra.

Enn er einni spurningu spyrjanda ósvarað: Gengur kolefnið í þeim (efnahvörfunum) í samband við kísilinn? Jú, við sjáum af efnajöfnum á mynd 3 að kolefni hvarfast að vísu ekki beint við kvarts (eins og jafna (i) gefur til kynna) heldur við kísilmónoxíð í efra hvarfsvæðinu og myndar þar kísilkarbíð, sem svo hvarfast við kvarts í neðra hvarfsvæðinu. Eftir stendur þó að allt kolefni, sem inn í ofninn fer, fer út úr honum sem koldíoxíð samkvæmt jöfnu (iii).

Mynd 3. Hér er búið að setja inn á hvarfsvæðin tvö á mynd 2 þau efnahvörf sem þar fara fram. Ef við skoðum neðra og heitara hvarfsvæðið fyrst, þá sígur óhvarfað kvarts (SiO2) þangað niður og hvarfast við kísilkarbíð (SiC), sem kemur úr efra hvarfsvæðinu og myndar bráðinn kísilmálm og kísilmónoxíð gas (SiO(g)) auk kolmónoxíðs. Kísilmónoxíð stígur upp í efra hvarfsvæðið og hvarfast þar við kol og myndar kísilkarbíð, sem sígur niður í neðra svæðið og kolmónoxíð, sem stígur upp úr ofninum og endar sem koldíoxíð samkvæmt jöfnu (ii).

Tilvísun:
  1. ^ Nú vill svo til að fyrir sléttu ári fóru fram greinaskrif á vefritinu „Kjarninn“ um framleiðsluferlið á Bakka eða nánar til tekið „kolabrennsluna á Bakka“ og er hentugt að vísa til þeirra varðandi nánari lýsingar sjá heimildir [1] til [3].

Heimildir:

Myndir:
  • Myndir: Þorsteinn Hannesson. (2016). The Si process. Elkem Iceland. (Sótt 21.9.2020).
  • .

Höfundur

Ingvar Árnason

prófessor emeritus

Útgáfudagur

29.9.2020

Spyrjandi

Guðmundur Stefánsson

Tilvísun

Ingvar Árnason. „Hvers vegna er kolum brennt í kísilverum og hvaða efnahvörf verða þá?“ Vísindavefurinn, 29. september 2020. Sótt 26. október 2020. http://visindavefur.is/svar.php?id=79088.

Ingvar Árnason. (2020, 29. september). Hvers vegna er kolum brennt í kísilverum og hvaða efnahvörf verða þá? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=79088

Ingvar Árnason. „Hvers vegna er kolum brennt í kísilverum og hvaða efnahvörf verða þá?“ Vísindavefurinn. 29. sep. 2020. Vefsíða. 26. okt. 2020. <http://visindavefur.is/svar.php?id=79088>.

Chicago | APA | MLA

Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvers vegna er kolum brennt í kísilverum og hvaða efnahvörf verða þá?
Í heild hljóðaði spurningin svona:

Hvers vegna er kolum brennt í kísilverum? Hvaða efnahvörf verða? Gengur kolefnið í þeim í samband við kísilinn? Er þá einhver losun á CO2?

Kísilver eru hluti þess sem við nefnum orkufrekan iðnað á Íslandi. Tvö kísilver hafa verið reist á Íslandi á undanförnum árum gagngert til að framleiða kísilmálm, annað þeirra í Helguvík en hitt á Bakka við Húsavík. Hvorugt þeirra er í rekstri í dag hvað sem síðar kann að verða. Á Grundartanga í Hvalfirði hefur járnblendiverksmiðja Elkem verið starfrækt í fjóra áratugi en þar er framleiddur kísilmálmur með um 75% kísilinnihaldi sem blandaður er með 25% járni (FeSi) og er sérhæfður til íblöndunar í stáliðnaði og í járnsteypu. Í meginatriðum fer framleiðslan eins fram í öllum þessum verksmiðjum.

Mynd 1. Ljósbogaofn séður frá hlið. Til einföldunar sjást ekki nema tvö af þremur skautum. Uppi á milligólfi er tæki að störfum við að skara í ofnfyllunni. Neðst í ofninum safnast fyrir bráðinn málmur (hér 75% Si og 25% Fe), sem eftir þörfum er tappað af í ker hægra megin á gólfinu. Til vinstri á gólfinu er maður að fylgjast með. Hann gefur okkur tilfinningu fyrir stærðarhlutföllum.

Við framleiðslu kísilmálms er helsta vandamálið hve erfitt er að framleiða málmkenndan kísil úr tiltækum jarðefnum.[1] Notaðir eru stórir fóðraðir ofnar sem eru mataðir með hvarfefnum ofan frá en niður í gegnum ofnfylluna ganga þrjú rafskaut. Hráefni til framleiðslunnar eru annars vegar kvarts, SiO2, og hins vegar kolefni (blanda af kolum, koksi og viðarkurli). Í kvartsi er hvert kísilatóm tengt fjórum súrefnisatómum og hvert súrefni tengt tveimur kísilatómum í stórsameind. Si–O tengin eru mjög sterk og þarf því mikla orku til að rjúfa þau. Til þess að binda súrefnið þegar búið er að rjúfa tengin eru notuð kol og út á við verður hvarfið í ofninum svona:
SiO2 + 2C → Si + 2CO (i)

Hér hefur kísillinn verið afoxaður niður í kísilmálm eins og efnafræðingar segja og kolefnið hefur oxast í kolmónoxíð (einnig nefnt koleinildi), sem er baneitruð gastegund. Til að forða því að verksmiðjan spúi út frá sér ógrynni af eitruðu gasi er lofti (og þar með súrefni) blandað saman við heitan útblásturinn frá ofninum og oxast þá kolmónoxíð yfir í koldíoxíð (einnig nefnt koltvíildi) í reykháfnum og reykhreinsibúnaði:

2CO + O2 → 2CO2 (ii)

Með því að leggja saman jöfnur (i) og (ii) fáum við sem heildarhvarf:

SiO2 + 2C + O2 → Si + 2CO2 (iii)

Lítum nú aftur á spurningarnar. Kol eru notuð í kísilverum til að bindast súrefninu í kvartsinu. Efnahvörfin sem sett hafa verið fram gefa mjög einfalda mynd af ferlinu í ofninum og jú, vissulega er losun á koldíoxíði veruleg.

Mynd 2. Þessi mynd sýnir tvennt. Annars vegar að ofan til vinstri hvaða efni fara inn í ofninn og svo til hægri hvaða efni fara út úr ofninum. Til viðbótar sýnir myndin líka tvö misheit hvarfsvæði innan ofnsins. Efra og ytra svæðið er um 1550 °C heitt og svo innra svæðið neðar í ofninum umhverfis ljósbogann þar sem hitastigið fer yfir 1800 °C.

Enn vantar okkur tvennt inn í myndina: a) Hvert er hlutverk rafskautanna og b) Eru efnahvörfin virkilega svona einföld eins og jöfnur (i) til (iii) gefa til kynna?

  1. Rafskautin eru notuð til að ná upp miklum hita neðst í ofninum. Það gerist þannig að ljósbogi myndast milli skautanna og bráðins málms á botni ofnsins. Þess vegna er ofn af þessari gerð kallaður ljósbogaofn. Án ljósbogans næst ekki nægilega hátt hitastig til að hvarf (i) eigi sér stað.
  2. Efnahvörfin í ofninum eru talsvert flóknari en jöfnur (i) til (iii) gefa til kynna. Þannig má skipta ofninum í tvö misheit hvarfsvæði og samspil mismunandi hvarfa eiga sér stað á milli þeirra.

Enn er einni spurningu spyrjanda ósvarað: Gengur kolefnið í þeim (efnahvörfunum) í samband við kísilinn? Jú, við sjáum af efnajöfnum á mynd 3 að kolefni hvarfast að vísu ekki beint við kvarts (eins og jafna (i) gefur til kynna) heldur við kísilmónoxíð í efra hvarfsvæðinu og myndar þar kísilkarbíð, sem svo hvarfast við kvarts í neðra hvarfsvæðinu. Eftir stendur þó að allt kolefni, sem inn í ofninn fer, fer út úr honum sem koldíoxíð samkvæmt jöfnu (iii).

Mynd 3. Hér er búið að setja inn á hvarfsvæðin tvö á mynd 2 þau efnahvörf sem þar fara fram. Ef við skoðum neðra og heitara hvarfsvæðið fyrst, þá sígur óhvarfað kvarts (SiO2) þangað niður og hvarfast við kísilkarbíð (SiC), sem kemur úr efra hvarfsvæðinu og myndar bráðinn kísilmálm og kísilmónoxíð gas (SiO(g)) auk kolmónoxíðs. Kísilmónoxíð stígur upp í efra hvarfsvæðið og hvarfast þar við kol og myndar kísilkarbíð, sem sígur niður í neðra svæðið og kolmónoxíð, sem stígur upp úr ofninum og endar sem koldíoxíð samkvæmt jöfnu (ii).

Tilvísun:
  1. ^ Nú vill svo til að fyrir sléttu ári fóru fram greinaskrif á vefritinu „Kjarninn“ um framleiðsluferlið á Bakka eða nánar til tekið „kolabrennsluna á Bakka“ og er hentugt að vísa til þeirra varðandi nánari lýsingar sjá heimildir [1] til [3].

Heimildir:

Myndir:
  • Myndir: Þorsteinn Hannesson. (2016). The Si process. Elkem Iceland. (Sótt 21.9.2020).
  • .
...