Mục tiêu trung hòa carbon, hay Net Zero để ứng phó với biến đổi khí hậu không thể không nói đến một loại nguyên liệu chiến lược: Đất hiếm - nhóm nguyên tố có hàm lượng khá ít ỏi và khó tách ra khỏi vỏ trái đất. Để hiểu thêm về nhóm nguyên tố này, chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam cập nhật những thông tin mới nhất liên quan đến đất hiếm để chúng ta tham khảo.
Đôi nét về đất hiếm:
Theo Bách khoa thư mở (EWO): Các nguyên tố đất hiếm (Rare-earth elements), gọi ngắn REE, còn được gọi là kim loại đất hiếm, hoặc đất hiếm, hoặc đôi khi là lanthanides (mặc dù yttrium và scandium không thuộc nhóm này, nhưng được xem như đất hiếm). Nó là một bộ gồm 17 kim loại nặng mềm màu trắng bạc bóng gần như không thể phân biệt được. Đất hiếm có giá trị gấp gần 200 lần so với vàng, nhưng những khoáng chất này được coi là hiếm, vì hầu hết các mỏ có chất lượng và nồng độ rất thấp, khiến việc khai thác chúng không kinh tế.
Đất hiếm đầu tiên được phát hiện bởi Trung úy Carl Axel Arrhenius - người đã tìm thấy một tảng đá nặng, màu đen trong một mỏ ở làng Ytterby của Thụy Điển. Ông đặt tên cho loại đá là ytterbite (sau đổi tên thành gadolinite). Đá đó là một khoáng chất bao gồm: Xeri, yttrium, sắt, silicon và một số nguyên tố đất hiếm khác.
Năm 1803 đã có hai nguyên tố đất hiếm được biết đến là yttrium và cerium và phải mất 30 năm tiếp theo các nhà nghiên cứu mới phát hiện ra rằng: Các nguyên tố đất hiếm khác cũng có trong hai loại quặng này. Điều này là do sự giống nhau về tính chất hóa học của đất hiếm khiến việc phân tách chúng trở nên khó khăn. Sự phát triển quan trọng nhất tiếp theo là vào những năm 1940 khi các nhà khoa học ở Mỹ, trong khuôn khổ Dự án Manhattan đã phát triển các quy trình trao đổi ion hóa học để tách và tinh chế các nguyên tố đất hiếm.
Trong vài thập kỷ tiếp theo, vào những năm 1950, Nam Phi trở thành nhà sản xuất hàng đầu về các mỏ monazit chứa đất hiếm. Vào giữa những năm 1960, nhu cầu về đất hiếm thực sự tăng cao. Điều này đưa Hoa Kỳ trở thành quốc gia sản xuất đất hiếm lớn nhất thế giới lúc bấy giờ.
Đến những năm 1980, Trung Quốc đã bắt đầu sản xuất được một lượng lớn vật liệu đất hiếm. Một thập kỷ sau, quốc gia này được công nhận là nước sản xuất hàng đầu thế giới. Trong suốt những năm 1990 và đầu những năm 2000, Trung Quốc dần củng cố vị thế của mình trên thị trường đất hiếm thế giới.
Đất hiếm gồm 17 nguyên tố hóa học được phân loại thành các nguyên tố nhẹ (lanthanum đến samarium) và các nguyên tố nặng (europium đến lutetium). Loại thứ hai ít phổ biến hơn và do đó đắt hơn.
Về mặt hóa học, đất hiếm là chất khử mạnh. Các hợp chất của chúng nói chung là dạng liên kết ion và chúng có điểm nóng chảy và sôi cao. Đất hiếm tương đối mềm khi ở trạng thái kim loại trong khi những loại có số nguyên tử cao hơn có xu hướng cứng hơn. Đất hiếm phản ứng với các nguyên tố kim loại và phi kim loại khác để tạo thành các hợp chất, mỗi hợp chất có những hành vi hóa học cụ thể. Điều này làm cho chúng không thể thiếu và không thể thay thế trong nhiều ứng dụng điện tử, quang học, từ tính và xúc tác. Các hợp chất đất hiếm thường phát huỳnh quang dưới ánh sáng cực tím, có thể hỗ trợ việc nhận dạng chúng. Đất hiếm cũng phản ứng với nước, hoặc axit loãng để tạo ra khí hydro.
Vai trò đất hiếm trong chuyển đổi năng lượng:
Kỷ nguyên kỹ thuật số tiếp tục tăng tốc; truy cập băng thông rộng, truyền hình kỹ thuật số, máy ảnh kỹ thuật số, âm nhạc kỹ thuật số ở xung quanh chúng ta khi ở nhà và đang di chuyển - đất hiếm là những yếu tố thúc đẩy công nghệ này và khả năng thu nhỏ của chúng. Vật liệu mới và ứng dụng mới cho phép các công ty sản xuất vật liệu hiệu quả hơn, hiệu suất cao hơn, đáp ứng nhu cầu về các sản phẩm nhanh hơn, nhỏ hơn và nhẹ hơn.
Dân số tăng và tăng trưởng kinh tế dẫn đến nhu cầu năng lượng của thế giới lớn hơn, đồng nghĩa với việc tăng cường sử dụng nguồn dự trữ nhiên liệu hóa thạch hạn chế của chúng ta. Đất hiếm đã đóng một vai trò quan trọng trong việc tiết kiệm các nguồn dự trữ này và có khả năng đóng một vai trò thậm chí còn lớn hơn trong việc đưa chúng ta tiến tới nền kinh tế hydro. Nhiên liệu hóa thạch trên thế giới có hạn, tuy nhiên, với hàng tỷ đô la được đầu tư vào cơ sở hạ tầng dầu khí toàn cầu, điều quan trọng là chúng ta phải sử dụng nguồn dự trữ này một cách hiệu quả.
Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA): “Sự chuyển đổi năng lượng sạch toàn cầu sẽ gây ra những hậu quả sâu rộng đối với nhu cầu khoáng sản trong 20 năm tới” và lưu ý “năng lượng gió đóng vai trò hàng đầu trong việc thúc đẩy tăng trưởng nhu cầu do là các nguồn năng lượng lớn nên sử dụng nhiều khoáng sản hơn”. Để đạt được sự cân bằng về khí hậu vào năm 2050, Liên minh châu Âu (EU) sẽ cần lượng đất hiếm nhiều hơn từ 7 đến 26 lần; cần thêm từ 700% đến 2.600% neodymium, dysprosium và praseodymium. Nếu căng thẳng đất hiếm Mỹ - Trung tiếp tục, hoặc nếu EU không đảm bảo nguồn cung đất hiếm lớn hơn, điều này có thể làm tổn hại đến tham vọng xanh của EU.
Nói tóm lại, nam châm đất hiếm rất cần thiết cho quá trình chuyển đổi năng lượng và đến năm 2030, nam châm dự kiến sẽ chiếm 40% tổng nhu cầu về đất hiếm. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi các nền kinh tế phương Tây đang tăng cường các sáng kiến đầu tư vào sản xuất đất hiếm, cũng như tái chế và đưa sản phẩm nam châm vĩnh cửu về nước.
Đất hiếm đang hỗ trợ việc áp dụng các sáng kiến tiết kiệm năng lượng thông qua các đặc tính vật lý và hóa học độc đáo, cho phép bảo vệ môi trường (bằng cách giảm mức tiêu thụ năng lượng) và cải thiện lối sống (thông qua các giải pháp thay thế tiết kiệm năng lượng giúp tiết kiệm tiền mà không phải hy sinh sự thoải mái và độ tin cậy).
Đất hiếm đang đóng một vai trò then chốt trong việc giảm khí nhà kính thông qua ứng dụng của chúng trong bộ chuyển đổi xúc tác ô tô, xe hybrid, tua bin gió và bóng đèn tiết kiệm năng lượng. Ví dụ sử dụng đất hiếm trong ngành năng lượng như:
- Tua bin gió: Nam châm NdFeB cho phép công nghệ tua bin gió truyền động trực tiếp mang lại hiệu suất điện tốt hơn, giảm chi phí bảo trì và cải thiện độ tin cậy (không có hộp số).
- Bộ lọc xúc tác ô tô: Công nghệ mới dựa trên seri cho phép Lean NOx Trap - một hệ thống xúc tác rất nhỏ gọn cho phép ô tô nhỏ gọn chạy dầu diesel đáp ứng quy định về phát thải NOx.
Xe hybrid, plug hybrid và xe điện: Phân khúc tăng trưởng nhanh góp phần kiểm soát ô nhiễm tại điểm phát thải.
- Xe cộ nói chung: Nam châm NdFeB cho phép giảm trọng lượng đáng kể góp phần tiết kiệm năng lượng tổng thể và giảm lượng khí thải CO2 v.v...
Đất hiếm là nguyên liệu đầu vào thiết yếu được sử dụng để sản xuất hơn 200 sản phẩm thương mại từ thiết bị quốc phòng, cơ sở hạ tầng năng lượng xanh (như tua bin gió), cũng như hàng tiêu dùng hàng ngày (như điện thoại di động, máy ảnh, ổ đĩa máy tính, đèn pha và các thiết bị điện tử). Chúng cải thiện đáng kể hiệu suất, hiệu quả, tuổi thọ và độ tin cậy của công nghệ nhờ các đặc tính hóa học, điện từ, điện quang, hạt nhân và từ tính độc đáo của chúng.
Trữ lượng và cạnh tranh về đất hiếm:
Năm 2020, Ngân hàng Thế giới (WB) cho biết: Sản lượng khoáng sản quan trọng, trong đó có đất hiếm, có thể tăng gần 500% vào năm 2050 nếu nhu cầu về công nghệ năng lượng sạch tiếp tục tăng tốc. Tuy nhiên, chuỗi cung ứng toàn cầu đối với các kim loại đất hiếm này rất mong manh và dễ bị ảnh hưởng bởi địa chính trị.
Cũng phải nói thêm rằng: Mặc dù có tên là đất hiếm, nhưng chúng không hề hiếm. Tuy nhiên, trữ lượng có thể khai thác kinh tế trong vỏ trái đất trên thực tế lại là rất hiếm. Theo Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ: Tỷ lệ đất hiếm có thể khai thác lớn nhất được tìm thấy ở Trung Quốc (35%), Việt Nam (18%) và Nga (17%).
Trung Quốc thống trị sản xuất đất hiếm, sản xuất 70% lượng đất hiếm của thế giới vào năm 2022. Trong khi đó, Mỹ đã nhập khẩu 74% hợp chất đất hiếm từ Trung Quốc vào năm 2022 và căng thẳng Mỹ - Trung tiếp tục kéo dài, sự cạnh tranh về kim loại đất hiếm đang nóng lên và rủi ro về nguồn cung đang gia tăng. Trong diễn biến gần đây nhất vào tháng 9 năm 2023, Malaysia đã công bố ý định xây dựng chính sách cấm xuất khẩu nguyên liệu đất hiếm thô nhằm duy trì chỗ đứng trong các phân khúc có giá trị gia tăng cao hơn của chuỗi cung ứng.
EU nhập khẩu 98% thành phần đất hiếm từ Trung Quốc và vì điều này, việc công ty khai thác mỏ quốc doanh LKAB của Thụy Điển phát hiện 11 triệu tấn oxit đất hiếm vào ngày 12 tháng 1 năm 2023 là một bước phát triển quan trọng đối với ngành công nghiệp nội địa của EU.
Làm thế nào để khai thác được đất hiếm?
Đất hiếm, khi được tìm thấy trong một cụm đủ lớn, thực chất là một ‘cocktail’ các nguyên tố phải được tách thành các nguyên tố riêng lẻ trước khi chúng có thể được sử dụng cho mục đích thương mại. Đất hiếm có xu hướng được khai thác bằng phương pháp khai thác lộ thiên. Quặng đất hiếm được làm giàu để loại bỏ đất đá và các chất khác. Sau khi được tinh chế từ quặng, chúng có thể được cung cấp ở dạng nguyên tố. Ngoài ra, chúng có thể được xử lý thành các hợp chất (oxit, clorua và cacbonat) được gọi chung là REO.
Sản xuất đất hiếm đòi hỏi bí quyết phức tạp và cơ sở chế biến rất phức tạp - những năng lực mà Trung Quốc đã dần dần có được trong nhiều thập kỷ.
Trong hầu hết các mỏ, các loại đất hiếm khác nhau được kết hợp với nhau, cũng như các khoáng chất khác. Do tính chất tương tự về mặt hóa học của các nguyên tố đất hiếm khác nhau nên quá trình phân tách rất phức tạp.
Quá trình xử lý bao gồm nhiều giai đoạn vật lý và phương pháp xử lý hóa học, tiêu thụ một lượng đáng kể axit, nước, làm tăng chi phí và gây ô nhiễm môi trường. Sản phẩm phụ phóng xạ của quá trình chế biến đất hiếm vẫn là mối quan tâm chính với môi trường.
Việt Nam thúc đẩy phát triển công nghệ khai thác đất hiếm:
Theo đánh giá của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam: Tại Việt Nam, ước tính trữ lượng đất hiếm đạt khoảng 22 triệu tấn (chiếm hơn 18% trữ lượng đất hiếm thế giới), đứng thứ hai thế giới (chỉ sau Trung Quốc với 44 triệu tấn) và chiếm hơn 36% trữ lượng đất hiếm thế giới.
Theo các nhà khoa học, đất hiếm tại Việt Nam hiện phân bố chủ yếu ở vùng Tây Bắc. Khu vực này có những mỏ đất hiếm đã được thăm dò và xác định giá trị kinh tế cao. Khu vực Tây Bắc tồn tại rất phong phú các đá magma kiềm và á kiềm giàu các nguyên tố đất hiếm - đây là điều kiện thuận lợi để hình thành các mỏ đất hiếm.
Hiện nay, mỏ đất hiếm kiểu quặng gốc ở tỉnh Lai Châu có trữ lượng lớn nhất cả nước, có thể khai thác theo quy mô công nghiệp. Trên địa bàn tỉnh Lai Châu ghi nhận có 4 mỏ, điểm khoáng sản đất hiếm. Một số mỏ đất hiếm cũng được tìm thấy ở các tỉnh: Lào Cai, Yên Bái, Hà Giang, Cao Bằng, Lạng Sơn...
Mặc dù có tiềm năng, nhưng theo báo cáo của Cục Công nghiệp (Bộ Công Thương): Tình hình khai thác, chế biến các mỏ đất hiếm của Việt Nam còn hạn chế. Nguyên nhân chính của việc chậm trễ này là do các doanh nghiệp được cấp phép khai thác mỏ chưa làm chủ được công nghệ chế biến ra sản phẩm đạt yêu cầu, cũng như chưa có công nghệ tách chiết ra các sản phẩm đất hiếm riêng rẽ.
Hiện nay, Việt Nam mới chỉ dừng lại ở công đoạn chế biến tinh quặng đất hiếm có hàm lượng oxit đất hiếm khoảng 30%.
Theo giáo sư, viện sĩ Châu Văn Minh - Chủ tịch Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam: Ý thức được tầm quan trọng của đất hiếm, Đảng và Nhà nước ta đã chú ý, thăm dò, đánh giá trữ lượng từ hơn 40 năm nay. Những nghiên cứu định hướng khai thác, chế biến, ứng dụng khoáng sản đất hiếm đã được Nhà nước đầu tư qua các chương trình khoa học công nghệ và từ các chương trình của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã đạt được những kết quả khả quan. Cụ thể là phân chia, làm sạch nguyên tố đất hiếm; ứng dụng đất hiếm làm vật liệu xúc tác; chế tạo nam châm đất hiếm NdFeB và sản phẩm phân bón lá đa vi lượng chứa các nguyên tố đất hiếm...
Mặc dù đã đầu tư cho nghiên cứu đất hiếm, nhưng đến nay Việt Nam vẫn chưa khai thác và chế biến sâu được đất hiếm. Nguyên nhân chính là do Việt Nam chưa có khả năng sản xuất các thiết bị và công nghệ khai thác, chế biến đất hiếm. Chỉ một số ít quốc gia có công nghệ chế biến sâu đất hiếm, nhưng lại giữ bản quyền, bí mật và không chuyển giao công nghệ như: Trung Quốc, Mỹ, Australia... Ngoài ra, đầu tư cho khoa học công nghệ vào lĩnh vực này tại Việt Nam chưa đủ và không tập trung; lĩnh vực ứng dụng đất hiếm chưa tìm được vị trí xứng đáng trong nền kinh tế thị trường.
Trong hội thảo khoa học “Đất hiếm Việt Nam - Thực trạng công nghệ khai thác, chế biến và triển vọng” được tổ chức gần đây, các nhà khoa học nhận định: Nhu cầu ứng dụng đất hiếm sẽ tăng nhanh trong vòng 20 năm tới. Tương lai của đất hiếm không phải là 17 nguyên tố được sử dụng như nhau mà chỉ có một số trong số đó được sử dụng. Hơn nữa, lợi nhuận của đất hiếm không phải ở việc xuất khẩu đất hiếm, mà tập trung ở khâu ứng dụng đất hiếm vào các các sản phẩm công nghệ cao. Ví dụ, hai nguyên tố Neodymium (Nd) và Samarium (Sm) được ứng dụng trong sản xuất nam châm cường độ cao trong chế tạo ô tô điện và máy phát điện gió.
Việt Nam đang dần trở thành khu vực thu hút đầu tư cho các ngành xe điện, năng lượng sạch. Vì vậy, vấn đề cốt lõi là cần phát triển nội lực công nghệ chế tạo đất hiếm, đưa kim loại đất hiếm thành nguyên liệu chiến lược để nắm quyền chủ động trong hợp tác với quốc gia có nền công nghiệp công nghệ cao. Mặt khác, cần phát triển công nghệ chế tạo vật liệu, thiết bị ứng dựng đất hiếm cho ngành xe điện, điện gió, công nghiệp quốc phòng./.