Tin thị trường và sản phẩm

Bảo Hiền tổng hợp

Xỉ thép, tro bùn thải, pin cũ và nước thải đều có thể trở thành nguồn phospho cho sản xuất phân bón hoặc vật liệu pin. Tuy nhiên, thu hồi được bao nhiêu chưa phải yếu tố quyết định hiệu quả kinh tế, bởi chi phí hóa chất, tinh chế và chất lượng sản phẩm đầu ra có thể làm thay đổi hoàn toàn bài toán.

Phospho là nguyên tố thiết yếu đối với sự sống, đồng thời là một trong ba chất dinh dưỡng đa lượng quan trọng của cây trồng. Khoảng 50% sản lượng lương thực toàn cầu phụ thuộc vào phân phosphat, trong khi gần 80% lượng quặng phosphat khai thác được sử dụng cho ngành phân bón.

Khác với nitơ có thể được tổng hợp từ khí quyển bằng quy trình Haber-Bosch, nguồn phospho công nghiệp chủ yếu vẫn đến từ quặng. Trữ lượng quặng phosphat thế giới ước tính khoảng 74 tỷ tấn, với sản lượng khai thác khoảng 240 triệu tấn mỗi năm. Nguồn cung tập trung tại một số quốc gia, trong khi quặng chất lượng cao ngày càng khó khai thác hiệu quả về kinh tế.

Ở chiều ngược lại, một lượng lớn phospho bị thất thoát qua nước thải, dòng chảy nông nghiệp và chất thải rắn. Khi nồng độ phospho trong nước vượt ngưỡng thích hợp, chất dinh dưỡng này có thể thúc đẩy tảo phát triển quá mức, làm suy giảm oxy hòa tan và ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh. Vì vậy, thu hồi phospho không chỉ giúp tận dụng tài nguyên mà còn góp phần giảm ô nhiễm môi trường.

Những nguồn phospho bị bỏ phí

Phospho hiện diện trong nhiều dòng chất thải công nghiệp và sinh hoạt, nhưng hàm lượng cũng như dạng tồn tại khác nhau đáng kể.

Thạch cao phospho, phụ phẩm của quá trình sản xuất axit phosphoric, là một trong những nguồn chất thải công nghiệp lớn nhất. Lượng tồn trữ trên thế giới đã vượt 6 tỷ tấn, mỗi năm phát sinh thêm gần 300 triệu tấn. Riêng Trung Quốc tạo ra khoảng 80 triệu tấn mỗi năm, trong khi tỷ lệ tái chế toàn cầu mới đạt 10-15%.

Ngành thép cũng tạo ra một nguồn phospho đáng kể. Thế giới phát sinh hơn 200 triệu tấn xỉ thép mỗi năm, trong đó khoảng 90% phospho đi vào quá trình luyện thép được chuyển sang xỉ. Tại Nhật Bản, lượng phospho trong dòng chất thải này tương đương khoảng 97.000 tấn mỗi năm, gần 30% nhu cầu phospho dùng cho phân bón của nước này. Xỉ lò thổi oxy và xỉ khử phospho thường chứa 3-10% P₂O₅.

Các nguồn khác cũng có tiềm năng đáng chú ý. Đuôi quặng sau tuyển phosphat vẫn chứa khoảng 2,18-5,24% phospho dưới dạng apatit còn sót lại. Tro từ quá trình đốt bùn thải có hàm lượng 5-26% P2O5, tương đương một số loại quặng phosphat nghèo. Trong khi đó, pin lithium sắt phosphat đã qua sử dụng chứa khoảng 18,2-40% phospho, cùng lithium và sắt.

Với nước thải, phần lớn phospho đầu vào của nhà máy xử lý có thể được giữ lại trong bùn. Ước tính mỗi năm, bùn hoạt tính trên toàn cầu giữ khoảng 1,3 triệu tấn phospho. Nếu được thu hồi hiệu quả, phospho từ nước thải đô thị và công nghiệp có thể đáp ứng khoảng 20% nhu cầu phân bón toàn cầu.

Không có một công nghệ phù hợp cho mọi nguồn thải

Thách thức lớn nhất không chỉ nằm ở lượng phospho có trong chất thải, mà còn ở cách nguyên tố này liên kết với các thành phần khác. Trong nhiều trường hợp, phospho tồn tại cùng canxi, sắt hoặc nhôm, khiến việc tách chiết đòi hỏi những điều kiện xử lý khác nhau.

Trong xỉ thép, khoảng 70-90% phospho tập trung ở pha khoáng dicanxi silicat - tricanxi phosphat, trong khi sắt chủ yếu nằm ở các pha khác. Đặc điểm này tạo điều kiện để tách chọn lọc hai nguyên tố. Một nghiên cứu cho thấy hòa tách bằng axit clohydric ở pH 3 có thể thu hồi 86,6% phospho, trong khi chỉ 0,19% sắt bị hòa tan.

Tuy nhiên, tăng lượng axit không đồng nghĩa với tăng hiệu quả. Khi axit quá mạnh, canxi hòa tan nhiều hơn, có thể gây kết tủa thứ cấp và làm giảm lượng phospho thu hồi được.

Ở một số nguyên liệu khác, kết quả khả quan hơn. Với bã chế biến lithium giàu nhôm phosphat, dung dịch natri hydroxit ở 70 độ C có thể thu hồi 99,45% phospho chỉ sau 5 phút. Đối với cặn pin lithium sắt phosphat, việc kết hợp axit clohydric với hydro peroxit giúp tỷ lệ thu hồi đạt gần 99,9%.

Dù vậy, hiệu suất cao ở công đoạn hòa tách chưa phản ánh đầy đủ hiệu quả của toàn bộ quy trình. Tro bùn thải là ví dụ điển hình: axit có thể tách 97,8% phospho, nhưng đồng thời kéo theo 91,5% canxi, 39,7% nhôm và 48,8% sắt. Các tạp chất này khiến công đoạn tinh chế phía sau trở nên phức tạp và tốn kém hơn.

Sản phẩm đầu ra quyết định giá trị thu hồi

Sau khi được tách khỏi chất thải, phospho cần trải qua các công đoạn tiếp theo để chuyển thành sản phẩm có thể sử dụng.

Một hướng phổ biến là kết tinh struvit, hợp chất chứa magiê, amoni và phosphat, có thể dùng làm phân bón tan chậm. Quá trình này thường diễn ra ở pH 8-9,5, với hiệu suất thu hồi khoảng 80-95%.

Từ dung dịch thu được khi xử lý xỉ thép, phospho cũng có thể được kết tủa thành canxi phosphat với hiệu suất trên 98-99%. Sản phẩm có thể được xử lý tiếp để tạo hydroxyapatit, chứa tới 38,5% P2O5 và có hàm lượng tạp chất dưới 1%.
Một hướng khác có giá trị cao hơn là sản xuất sắt phosphat cấp pin. Với một số dòng nguyên liệu như cặn pin hoặc dung dịch từ quá trình chiết tách lithium, quy trình kết tủa có kiểm soát có thể đạt hiệu suất trên 99% và độ tinh khiết trên 99%. Sản phẩm này có tiềm năng làm nguyên liệu đầu vào để sản xuất vật liệu cực dương lithium sắt phosphat.

Tuy nhiên, sản phẩm cấp pin phải đáp ứng những yêu cầu nghiêm ngặt về thành phần và độ tinh khiết, chẳng hạn tiêu chuẩn HG/T 4701–2021 của Trung Quốc. Điều đó đồng nghĩa quy trình không chỉ cần thu hồi được nhiều phospho mà còn phải kiểm soát tạp chất và bảo đảm chất lượng ổn định.

Loại bỏ phospho chưa đồng nghĩa với thu hồi tài nguyên

Không phải công nghệ nào giúp giảm nồng độ phospho trong nước cũng tạo ra sản phẩm có thể tái sử dụng.

Hấp phụ là phương pháp phù hợp với nước thải loãng, trong đó kết tủa trực tiếp có thể kém hiệu quả. Các vật liệu chứa lanthan hoặc zirconi có khả năng giữ phosphat tốt, nhưng liên kết bền giữa vật liệu và phosphat cũng khiến việc giải hấp để thu hồi phospho trở nên khó khăn. Trong những trường hợp này, phospho chủ yếu được chuyển từ nước sang pha rắn, thay vì được chuyển hóa thành sản phẩm có giá trị.

Một hệ trao đổi ion kết hợp oxit sắt đã được vận hành ở quy mô 10 m3 mỗi ngày trong 2,5 năm, trải qua 63 chu kỳ. Hệ thống duy trì nồng độ phospho trong nước đầu ra dưới 0,1 mg/l, đồng thời cô đặc phospho lên 800 mg/l để kết tủa canxi phosphat.

Trong khi đó, một hệ điện hóa sử dụng sắt và không khí có thể loại bỏ 93-99% phosphat, nhưng chỉ thu hồi được 44,6-47,5% phospho dưới dạng khoáng vivianit.

Sự chênh lệch này cho thấy cần phân biệt ba chỉ số: tỷ lệ loại bỏ phospho khỏi dòng thải, tỷ lệ thực sự thu hồi được phospho và tỷ lệ chuyển hóa thành sản phẩm đáp ứng yêu cầu sử dụng. Chỉ số đầu tiên cao chưa chắc đồng nghĩa với hai chỉ số còn lại cũng cao.

Hóa chất có thể quyết định hiệu quả kinh tế

Chi phí là một trong những rào cản lớn nhất đối với các công nghệ thu hồi phospho. Ngoài năng lượng và thiết bị, quy trình còn tiêu tốn axit, kiềm, chất kết tủa và hóa chất tinh chế.

Các đánh giá vòng đời cho thấy, với một số quy trình xử lý tro bùn thải, việc sản xuất hóa chất đầu vào chiếm 55-98% tổng tác động môi trường. Như vậy, công nghệ giúp giảm chất thải hoặc tiết kiệm tài nguyên ở công đoạn xử lý chưa chắc mang lại lợi ích môi trường tổng thể nếu phải sử dụng quá nhiều hóa chất.

Về kinh tế, chi phí thu hồi phospho từ thạch cao phospho và tro bùn thải được ước tính khoảng 3 euro mỗi kg phospho, cao hơn mức 1,1 euro của phospho từ quặng và 2,2 euro của phân phosphat thông thường.

Trong các hệ thống được đánh giá, chi phí thu hồi có thể dao động từ khoảng 1-4 USD/kg phospho với quy trình được tối ưu, đến hơn 70 USD/kg ở những hệ trao đổi ion tiêu tốn nhiều hóa chất.

Sản phẩm đầu ra có thể làm thay đổi bài toán này. Chẳng hạn, một quy trình sản xuất sắt phosphat cấp pin từ dung dịch chế biến đất hiếm được ước tính mang lại lợi nhuận ròng khoảng 3,97 USD/kg phospho thu hồi. Tuy nhiên, kết quả phụ thuộc vào điều kiện công nghệ, chất lượng nguyên liệu và thị trường tiêu thụ, không thể áp dụng chung cho mọi nguồn chất thải.

Chính sách có thể tạo thị trường cho phospho tái chế

Ngoài công nghệ và chi phí, chính sách cũng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng thương mại hóa sản phẩm thu hồi.

Tại Liên minh châu Âu, các quy định về phân bón đã mở đường cho một số vật liệu có nguồn gốc tái chế như struvit, tro và than sinh học được sử dụng trong sản xuất phân bón, kèm theo các giới hạn về chất gây ô nhiễm như cadimi. Đức và Thụy Sĩ đã áp dụng yêu cầu thu hồi phospho đối với một số dòng chất thải. Trung Quốc đặt mục tiêu nâng tỷ lệ sử dụng tổng hợp thạch cao phospho lên 65% vào cuối năm 2026.

Một phân tích tại Mỹ định giá phospho trong phân bón thông thường ở mức 1,23 USD/kg, trong khi chi phí môi trường và xã hội do phospho thất thoát được ước tính lên tới 74,5 USD/kg. Theo nghiên cứu này, cơ chế tín chỉ thu hồi phospho ở mức 22 USD/kg có thể cải thiện đáng kể khả năng sinh lời, dù hiệu quả còn phụ thuộc quy mô cơ sở.

Những chính sách như vậy giúp phản ánh một phần chi phí ô nhiễm vốn không được tính đầy đủ vào giá thị trường, đồng thời tạo động lực đầu tư cho công nghệ tái chế.

Từ xỉ thép, tro bùn thải đến pin đã qua sử dụng, phospho có thể trở thành nguồn nguyên liệu thứ cấp cho phân bón và vật liệu công nghiệp. Tuy nhiên, không có công nghệ nào tối ưu cho mọi loại chất thải. Khả năng thu hồi có hiệu quả phụ thuộc vào dạng tồn tại của phospho, mức độ tinh khiết mà sản phẩm cuối yêu cầu và chi phí của toàn bộ quy trình. Muốn biến chất thải thành tài nguyên, cần tính toán đồng thời cả hiệu suất thu hồi, giá trị sản phẩm và tác động môi trường, thay vì chỉ chạy theo một con số hiệu suất cao.