Waste atomic separation and raw material recovery by application of plasma technology

The possibility of obtaining raw materials as pure elements starting from multiple not refined sources, such as wastes, minerals and other sort of low grade materials, is theoretically achievable by using plasma means. The concept has been proposed in the past, for very specific applications, in very different fields ranging from nuclear physics to space science. The process implies the ionization of the source materials and the separation of its constituents by electromagnetic means in a single production step, with the advantage of shortening the overall production chain respect to traditional production processes, at the expenses of a high quantity of electric energy. In this work the problem is analyzed in the special case of silicon production starting from silica, which traditional production method involves many production steps and the usage of large quantities of energy, water and chemicals. The possibility to directly separate silica into its constituents in a single passage would provide benefits in terms of energy consumption, logistics and environmental impact. The problem is initially set to evaluate synergies with previous technologies, and the preliminary set up of a demonstrator plant is proposed with its main constituents. A numerical model is then developed to analyze the process, allowing to perform a more detailed design of the device. The proposed approach is then globally evaluated from the energetic point of view, and its sustainability is compared with traditional production processes. Results show the feasibility of the approach, but also an overall energy consumption unfortunately higher than the traditional production process. Nevertheless the overall environmental impact is limited to the electric energy demand, with no chemicals involved in the process. Areas of optimization are identified, which may lead to substantial improvements in the energy consumption.

La possibilità di ottenere materie prime sotto forma di elementi puri a partire da una moltitudine di fonti non raffinate, quali ed esempio rifiuti, minerali e altre forme di materiali grezzi, e teoricamente fattibile usanto tecnologie al plasma. Il concetto è stato proposto in passato, per applicazioni molto specifiche, in campi molto differenti tra loro che vanno dalla fisica nucleare alle scienze spaziali. Il processo implica la ionizzazione del materiale di partenza e la separazione dei suoi elementi costitutivi tramite mezzi elettromagnetici in un unico passaggio, con il vantaggio di accorciare l'intera catena di produzione rispetto ai processi produttivi tradizionali, al prezzo di una grande quantità di energia elettrica. In questo lavoro il problema è analizzato nel caso speciale della produzione di silicio a partire da silice, il cui metodo di produzione tradizionale è composto da diversi passaggi di produzione e richiede l'uso di grandi quantità di energia, acqua e prodotti chimici. Il problema è inizialmente definito in modo da valutare sinergie con tecnologie proposte in passato, ed è proposto in via preliminare il concetto di un impianto dimostratore e dei suoi costituenti. Un modello numerico è quindi sviluppato per analizzare il processo, permettendo di eseguire un dimensionamento più dettagliato. L'approccio proposto è quindi valutato dal punto di vista energetico nella sua globalità, e la sua sostenibilità è confrontata con quella di metodi di produzione tradizionali. I risultati dimostrano la fattibilità dell'approccio, ma purtroppo anche un consumo energetico complessivo più elevato del processo produttivo tradizionale. In ogni caso l'impatto ambientale complessivo risulta limitato alla richiesta di energia elettrica, con nessun prodotto chimico coinvolto nel processo. Aree di ottimizzazione, capaci di portare portare miglioramenti sostanziali nella richiesta di energia, sono identificate.