VINACHEM

Trong bối cảnh nhu cầu nguyên tố đất hiếm (NTĐH) trên toàn cầu tăng mạnh, Bộ Năng lượng Mỹ đang đầu tư hàng triệu USD để bảo đảm cung ứng những nguyên tố quan trọng này từ nguồn than nội địa cũng như phế thải sau khi đốt than.

Các dự án thăm dò NTĐH

Ngành công nghiệp than của Mỹ đang đứng trước thời gian khó khăn. Nhu cầu than ngày càng giảm, trong khi đó các nhà máy đốt than bị chỉ trích là gây ô nhiễm cho sông hồ do tro xỉ và nước thải axit. Nhưng chính trong những phế thải đó, và đôi khi là bản thân nguyên liệu than, hiện đang ẩn chứa những NTĐH có giá trị cao, có thể được thu hồi tương đối dễ dàng. Nếu các nhà khoa học tìm ra phương pháp có hiệu quả kinh tế để chiết xuất NTĐH từ than và tro xỉ sau khi đốt than, doanh thu từ NTĐH có thể bù đắp cho chi phí làm sạch môi trường mà hiện nay ngành khai thác than đang phải gánh chịu.

Nhu cầu các NTĐH như nhóm lanthanit, scandi, ytri,....đã tăng mạnh trong vài thập niên qua. Hiện nay, NTĐH đã trở thành thành phần quan trọng không thể thiếu trong rất nhiều sản phẩm công nghệ cao: điện thoại di động, tivi màn hình phẳng, xe ôtô điện, tuabin điện gió, vệ tinh, máy bay quân sự, tên lửa, nam châm tính năng cao,...

Năm 2015, nhu cầu NTĐH toàn cầu đã lên đến 149.000 tấn/ năm, trong đó Mỹ tiêu thụ khoảng 11%, tương đương 16.000 tấn/ năm. Nhưng đây là nguyên liệu Mỹ không khai thác được trong nước và phải nhập khẩu từ Trung Quốc cũng như các nơi khác. Hiện Mỹ đang là quốc gia nhập khẩu NTĐH đã qua xử lý lớn nhất thế giới, trong đó 59% lượng nhập khẩu (trị giá 92 triệu USD) đến từ Trung Quốc. Điều gì sẽ xảy ra nếu có những rối loạn trong chuỗi cung ứng những nguyên liệu này, đặc biệt là đối với những thiết bị quan trọng cho an ninh quốc gia của Mỹ?

Trên thực tế, trong bối cảnh chiến tranh thương mại giữa Mỹ và Trung Quốc không ngừng leo thang, từ tháng 5/2019 Trung Quốc đã hạn chế xuất khẩu NTĐH sang Mỹ và đe dọa sẽ cắt hẳn nguồn cung những nguyên liệu quan trọng này.

Để đối phó với những tình huống như vậy, Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đang đầu tư hàng triệu USD vào các dự án nhằm mục đích phát triển nguồn cung NTĐH từ một nguồn nguyên liệu ổn định trong nước, đó là than và phế thải sau đốt than. Hiện đã có hơn 30 dự án được Doe tài trợ trong lĩnh vực này.

Trong số các dự án nêu trên, có những dự án tập trung vào nghiên cứu phân loại than và phế thải của than - ví dụ tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện, quặng thải của các nhà máy tuyển than, bã nước thải - để từ đó xác định những loại nguyên liệu than có hàm lượng NTĐH cao nhất. Một số dự án khác tập trung vào việc tối ưu hóa công nghệ tách và chiết xuất NTĐH từ các nguyên liệu than khác nhau. Các dự án chiết xuất NTĐH từ than sẽ bắt đầu với những nguyên liệu có hàm lượng NTĐH tối thiểu 300 ppm. Hiện nay, các mỏ đất sét của Trung Quốc có hàm lượng NTĐH trong phạm vi 500 - 5000 ppm.

Tuy vẫn còn quá sớm để khẳng định những dự án nói trên của Mỹ có thể cho ra đời công nghệ khả thi kinh tế ở quy mô thương mại hay không, nhưng DOE hy vọng đến năm 2020 sẽ có những hệ thống khả thi ban đầu với khả năng sản xuất NTĐH đạt độ tinh khiết 90-99%.

Thu hồi NTĐH trong tro xỉ

Theo một nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT, Mỹ), một số loại than có hàm lượng NTĐH khá cao, khoảng vài trăm ppm. Một số mỏ than trên thế giới có thể có hàm lượng NTĐH gần 1000 ppm. Các nhà nghiên cứu tại MIT hiện đang tham gia một dự án được DOE tài trợ với mục đích phát triển nhà máy quy mô pilot có khả năng sản xuất NTĐH độ tinh khiết cao từ nguyên liệu ban đầu là tro xỉ sau đốt than.

Một trong những lợi ích của việc sử dụng tro xỉ để khai thác NTĐH là quá trình đốt than đã khiến cho hàm lượng các nguyên tố này trong tro tăng lên 6-10 lần so với trong than. Trước khi tiến hành xử lý, các nhà nghiên cứu MIT đã thu thập và phân tích các mẫu tro để xác định những mẫu có hàm lượng NTĐH đủ cao, cho phép thu hồi với hiệu quả kinh tế tốt.

Sau khi xác định nguồn tro thích hợp, các nhà nghiên cứu dự định sẽ không vận chuyển tro đến nhà máy chế biến mà sẽ xây dựng nhà máy chế biến ngay tại nơi có nguồn tro đó, ví dụ nhà máy nhiệt điện, bãi chôn lấp hoặc bãi chứa tro xỉ. Họ cũng dự kiến dây chuyền chế biến tro sẽ được xây dựng theo kiểu môđun, có thể di chuyển từ địa điểm này đến địa điểm khác.

Tuy tro có hàm lượng NTĐH cao hơn than, nhưng những nguyên tố này trong tro bị liên kết chặt chẽ trong chất nền thủy tinh, việc chiết xuất chúng ra khỏi tro đòi hỏi phải kết hợp các quá trình vật lý và hóa học. Nhóm nghiên cứu MIT đã áp dụng phương pháp rửa và các phương pháp vật lý khác để tách các nguyên liệu không mong muốn ra khỏi tro, sau đó mới tiến hành xử lý tiếp. Tiếp theo, các nhà nghiên cứu thực hiện một số bước xử lý hóa học đối với tro đã làm giàu.

Quá trình xử lý hóa học bao gồm bước xử lý sơ bộ để loại bỏ các chất nhiễm bẩn không mong muốn ra khỏi tro, tiếp theo là các bước cô đặc, chiết xuất và thu hồi, cũng như các bước xử lý tiếp theo nhằm tiếp tục nâng cao hàm lượng NTĐH. Ngoài NTĐH, quá trình này còn tạo ra các sản phẩm phụ có giá trị thương mại, có thể làm tăng hiệu quả kinh tế của quá trình xử lý, ví dụ tro đã được loại bỏ phần lớn các chất nguy hiểm và có thể được bán ra thị trường như chất thay thế xi măng trong bê tông.

Nhà máy pilot dự kiến sẽ xử lý 0,5-1,0 tấn tro/ngày, tạo ra tối thiểu 50 g tinh chất có chứa hơn 10% (trọng lượng) NTĐH. Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ tăng sản lượng của nhà máy lên 500 g tinh chất/ngày với hàm lượng NTĐH hơn 20%. Nếu mọi việc diễn ra như kế hoạch, thông tin thu được từ nhà máy pilot sẽ được cung cấp vào cuối năm 2020 và dùng để thiết kế nhà máy lớn hơn ở quy mô thương mại.

Tái sử dụng quặng thải sau tuyển than

Quá trình khai thác than thường tạo ra nhiều nguyên liệu đá không mong muốn. Đây là những loại đá không có giá trị nhiệt nên thường được loại bỏ tại nhà máy tuyển than. Một nhóm nghiên cứu khác của Mỹ tại Đại học Tổng hợp Kentucky đang tìm cách chiết xuất NTĐH từ loại quặng thải đó.

Nhóm nghiên cứu đang xây dựng nhà máy pilot di động, lắp đặt trên xe tải, để tiến hành quá trình chiết xuất. Nhà máy dự kiến sẽ có công suất xử lý 0,25 tấn/giờ. Hiện nhà máy đang được lắp đặt tại một mỏ than phía tây bang Kentucky.

Trái với tro xỉ là vật liệu mịn với cỡ hạt khoảng 100 mm, quặng thải của nhà máy tuyển than cần phải được đập và nghiền mịn trước khi xử lý hóa học. Khi cỡ hạt đã giảm từ 50-75 mm xuống khoảng 250 mm, các nhà nghiên cứu sẽ đưa tro vào cột tuyển nổi để loại bỏ than dư, loại than này có thể được bán ra thị trường.

Nhóm nghiên cứu sẽ xử lý phần hạt mịn còn lại (quặng đuôi) bằng cột tuyển để loại bỏ canxi, có tác dụng giảm lượng hóa chất phản ứng cần sử dụng ở các công đoạn tiếp theo. Sau khi loại canxi, các nhà nghiên cứu tách nước ra khỏi quặng đuôi, sau đó rửa bằng axit và chiết xuất bằng dung môi để thu hồi NTĐH. Cho đến nay, họ đã thu được sản phẩm có chứa khoảng 80% NTĐH. Sau khi nung nguyên liệu này, hàm lượng tăng đến khoảng 98% oxit NTĐH, tương đương 980.000 ppm.

Khảo sát nước thải mỏ than

Các nhà nghiên cứu Mỹ cũng tìm cách chiết xuất NTĐH từ nước thải axit mỏ than có hàm lượng pyrit cao. Khi chịu tác động của oxy, pyrit phản ứng tạo thành H2SO4 và hợp chất sắt Fe2+. Nếu nước thải mỏ đạt pH 3-3,5, hợp chất sắt hai sẽ phản ứng với oxy và hydroxit, tạo thành hợp chất sắt ba và kết tủa ở dạng chất rắn da cam. Nước thải mỏ than cũng thường chứa nhôm và mangan ở hàm lượng cao.

Các mỏ than đang khai thác thường được yêu cầu phải xử lý nước thải axit mỏ trước khi thải nước này ra sông hồ. Họ sẽ phải loại bỏ sắt, nhôm, mangan và đưa giá trị pH lên đến 6-9. ở nhiều nơi người ta cũng xử lý nước thải axit mỏ ở những mỏ đã ngừng hoạt động. Nếu không được xử lý, nước thải này sẽ gây nhiễm bẩn các nguồn nước, làm hại động vật thủy sinh, gây ăn mòn các công trình cơ sở hạ tầng như cầu.

Quá trình xử lý nước thải axit mỏ bao gồm việc sử dụng vôi hoặc tác nhân kiềm khác để trung hòa nước chảy ra từ mỏ. Quá trình này tạo thành nhiều tấn bùn có chứa sắt, nhôm và mangan hydroxit. Bùn thường được sấy khô hoặc tách nước và chôn lấp dưới đất. Chi phí loại bỏ bùn chiếm khoảng một nửa chi phí xử lý nước thải axit mỏ.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Kentucky hiện đang sử dụng nhà máy pilot xử lý quặng thải để chiết xuất NTĐH từ nước thải axit mỏ cũng như bùn còn lại sau khi xử lý nước thải này. Một nhóm nghiên cứu khác tại Đại học Tổng hợp West Virginia cũng đang tìm cách tối ưu hóa quá trình chiết xuất các NTĐH có giá trị từ nước thải axit mỏ. Các nhà nghiên cứu tại đây đã phát hiện ra rằng, bùn thải sau xử lý có hàm lượng NTĐH trung bình cao gấp 2600 lần nước thải axit mỏ. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu West Virginia đã thu được chất rắn có chứa hơn 90% NTĐH từ nguyên liệu ban đầu là loại bùn thải này. Quá trình xử lý của họ bao gồm các bước rửa bằng axit như H2SO4. Sau đó, dung dịch axit được cho đi qua một dãy cột. Những cột đầu tiên bao gồm pha hữu cơ như dầu hỏa và chất chiết xuất để liên kết các NTĐH. Quá trình này tạo thành huyền phù chứa NTĐH trong pha hữu cơ. Sau khi loại bỏ những kim loại không mong muốn ra khỏi pha nước, các nhà nghiên cứu sử dụng axit mạnh để đưa NTĐH trở về pha nước ở hàm lượng cao hơn ban đầu. Tiếp theo, họ tăng độ pH để NTĐH kết tủa.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp West Virginia vừa mới hoàn thành một cuộc khảo sát về các nguồn nước thải axit mỏ ở phía bắc và miền trung Vùng lòng chảo than applachian (bang Pennsylvania) - một trong những vùng sản xuất than quan trọng nhất của Mỹ và một trong những vựa than lớn nhất trên thế giới. Họ đã thu thập mẫu tại 76 địa điểm. Kết quả phân tích cho thấy, nguồn nước thải axit mỏ ở những địa điểm này có chứa 1.421 tấn NTĐH ở dạng thích hợp để tiến hành chiết xuất theo phương pháp trên. Các nhà khoa học ước tính giá trị của lượng NTĐH này là khoảng 337 triệu USD.

Tuy NTĐH trong bùn nước thải axit mỏ có hàm lượng cao hơn nhiều so với trong nước thải axit mỏ, nhưng việc chiết xuất những nguyên tố đó từ nước thải có thể có hiệu quả kinh tế cao hơn, vì bùn nước thải chứa những lượng lớn sắt, nhôm, mangan cần phải được loại bỏ. Vì vậy, các nhà khoa học đang có kế hoạch thử nghiệm các phương pháp kết tủa NTĐH trực tiếp từ các nguồn nước thải axit mỏ.

Thu hồi NTĐH từ than

Tuy phần lớn các nhà khoa học đang khảo sát phế thải than làm nguồn thu hồi NTĐH, nhưng một số nhóm nghiên cứu cũng tìm cách chiết xuất NTĐH trực tiếp từ than.

Một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Tổng hợp North Dakota hiện tập trung vào khả năng thu hồi NTĐH từ than lignit. Các nhà khoa học cho biết, NTĐH được liên kết trong than lignit theo cách có thể dễ dàng chiết xuất. Họ sử dụng dung môi nhẹ để chiết xuất những nguyên tố này từ lignit.

Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy một số mẫu lignit ở các mỏ than vùng North Dakota với hàm lượng NTĐH lớn hơn 1.000 ppm, tuy phần lớn các mẫu chỉ có hàm lượng NTĐH khoảng vài trăm ppm. Các nhà khoa học đã chứng minh có thể thu được từ lignit những sản phẩm có chứa 60 đến 90% NTĐH và nay đang nâng cấp quy trình chiết xuất bằng dung môi lên hệ thống quy mô pilot cỡ nhỏ. Một hệ thống như vậy dự kiến sẽ có khả năng chế biến 10-20 kg lignit/giờ.

Một trong những ưu điểm của việc sử dụng lignit làm nguyên liệu thu hồi NTĐH là quá trình thu hồi sẽ tạo ra sản phẩm phụ lignit với hiệu quả năng lượng cao, có thể bán ra thị trường để tăng hiệu quả kinh tế.

Song song với những dự án nói trên, DOE đang tài trợ cho một số chương trình phát triển các phương pháp phát hiện NTĐH. Tại Phòng thí nghiệm Công nghệ năng lượng quốc gia thuộc DOE, các nhà khoa học đã phát triển thiết bị cảm biến sợi quang để phát hiện NTĐH trong các mẫu chất lỏng. Thiết bị này có thể được sử dụng để xác định tại chỗ đặc điểm của NTĐH trong các nguồn dạng lỏng như nước thải axit mỏ. Trong khi đó, tại Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho, các nhà khoa học đang phát triển thiết bị cảm biến sinh học để phát hiện NTĐH trong mẫu chất lỏng.

LH

Theo Chemical & Engineering News, 5/2019