Những tiến bộ công nghệ trong tái chế kim loại đất hiếm

10:03' AM - Thứ ba, 04/10/2016

Các nguyên tố kim loại đất hiếm (KLĐH) bao gồm 15 nguyên tố nhóm Lantan cùng với 2 nguyên tố scandi và ytri, chúng là nguyên liệu thiết yếu cho các sản phẩm công nghệ hiện đại ngày nay, từ điện thoại thông minh, xe ôtô điện, xe ôtô lai cho đến tuabin gió. Trung Quốc hiện là nước cung ứng lớn nhất những nguyên tố KLĐH cho thị trường thế giới. ý nghĩa của điều này đối với kinh tế toàn cầu đã được thể hiện khá rõ vào năm 2010, khi Trung Quốc giảm 40% định mức xuất khẩu KLĐH “vì những lý do môi trường”, khiến cho giá của loại nguyên liệu đặc biệt này tăng vọt. Từ đó đến nay tình hình đã ổn định trở lại, giá đã dần hạ nhiệt và nguồn cung bắt đầu trở nên đa dạng hơn.

Tuy nhiên, nhu cầu KLĐH năm 2017 được dự báo sẽ tăng hơn 20% và đến năm 2020 có thể tăng hơn 50% so với năm 2014. Một báo cáo của các cơ quan châu Âu đã cảnh báo, trong tương lai việc tiếp cận những nguồn cung KLĐH với giá cạnh tranh và ổn định là điều khó có thể được bảo đảm, khả năng lặp lại cuộc khủng hoảng cung ứng KLĐH như năm 2010/2011 vẫn còn hiện hữu.

Trong bối cảnh này, một trong những phương án để các nước công nghiệp trên thế giới có thể đảm bảo nguồn cung KLĐH là thu hồi và tái chế những kim loại đó. Năm 2014, các nhà nghiên cứu Hà Lan và Bỉ đã công bố một báo cáo nghiên cứu tổng quan, ước tính sẽ có khoảng 370.000 tấn KLĐH được sử dụng trên thế giới trong năm 2020. Trong khi đó, năm 2011 chưa đầy 1% KLĐH được tái chế từ những sản phẩm đã bán ra trên toàn cầu.

Hiện có hai loại nam châm KLĐH đang được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghệ khác nhau là nam châm neođym-sắt-bo và nam châm samari-coban. Tổng cộng chúng chiếm 1/5 sản lượng KLĐH trên thế giới và chiếm 1/3 thị trường KLĐH, vì vậy đây là những đích lý tưởng cho hoạt động tái chế. Nam châm neođym mạnh hơn và là loại nam châm chiếm phần lớn thị trường, chúng có mặt trong ổ cứng máy vi tính, xe ôtô điện và ôtô lai, xe đạp điện, tuabin gió.

Trong một nghiên cứu công bố năm 2014, các nhà khoa học Hà Lan và Anh đã đánh giá tác động đối với môi trường khi sản xuất 1 kg nam châm neođym tái chế từ ổ cứng máy vi tính so với khi khai thác nguyên liệu gốc. Kết quả cho thấy, hoạt động tái chế tiêu hao năng lượng ít hơn 88% so với hoạt động khai thác và tác động độc hại đối với con người cũng giảm đi 98%.

Những công nghệ tái chế mới

Tái chế bằng khí hydro

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Birmingham (Anh) đã phát triển một quy trình tái chế KLĐH từ nam châm đã qua sử dụng. Theo quy trình đó, nam châm KLĐH được đặt trong thùng chứa khí hydro. Neođym sẽ hấp thụ hydro, khiến cho nam châm giãn nở ra và vỡ vụn thành bột. Bột này sẽ được sàng để tách riêng bột neođym-sắt-bo ra khỏi lớp bọc phủ của nam châm, sau đó được nghiền mịn để phá vỡ tất cả các hạt to.

Các nhà nghiên cứu cho biết, nếu áp dụng kỹ thuật trên cho nam châm lấy từ ổ cứng máy vi tính và tiến hành nung bột thu hồi để sản xuất nam châm mới thì có thể lấy lại hơn 90% đặc điểm từ tính của nguyên liệu ban đầu. Ngoài việc tiêu hao ít năng lượng, quy trình mới cũng tạo ra ít phế thải do hydro có thể được tái chế.

Nhưng nhược điểm chính của quy trình trên là thành phần của nam châm tái chế sẽ được xác định bởi những nam châm phế thải được sử dụng để tái chế, hơn nữa KLĐH sẽ không được tách riêng khỏi các hợp kim khác.

Thông thường từ trước đến nay người ta áp dụng phương pháp thủy luyện kim loại để tách KLĐH ra khỏi các hợp kim của chúng. Đây là quy trình nhiều bước, trong đó sử dụng axit vô cơ mạnh để hòa tan hợp kim, sau đó KLĐH được thu hồi bằng quá trình kết tủa chọn lọc. Tuy nhiên, do sử dụng những lượng lớn axit nên quy trình này không thực sự thân thiện môi trường.

Tái chế bằng chất lỏng ion và axit oxalic

Gần đây, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Leuven (Bỉ) đã phát triển quy trình “xanh hơn” bằng cách sử dụng chất lỏng ion có thể tái sử dụng thay cho axit vô cơ khi hòa tan nam châm KLĐH. Họ đã sử dụng chất lỏng ion do họ tự tổng hợp là betainium bis(triflometylsulfonyl)imid [Hbet][Tf2N] để hòa tan và tách oxit kim loại ra khỏi nam châm neođym - sắt - bo đã gia nhiệt bằng lò vi sóng đến 80oC và nghiền mịn.

Phương pháp trên khai thác những tính chất đặc biệt của chất lỏng ion khi phối trộn với nước - ở 80oC chất lỏng ion và nước tạo thành hỗn hợp đồng nhất, nhưng khi làm nguội đến nhiệt độ phòng nó sẽ tách ra thành hai pha, kim loại phân phối đều giữa hai pha này. Sắt oxit sẽ di chuyển vào pha chất lỏng ion, còn các ion KLĐH di chuyển vào pha nước, tại đó chúng có thể được kết tủa bằng cách sử dụng axit oxalic. Từ nguyên liệu là nam châm coban, nam châm giàu đysprosi và nam châm của ổ cứng máy vi tính, phương pháp này thu được oxalat KLĐH với độ tinh khiết 99,9% (trọng lượng).

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Leuven cũng khảo sát các tính chất của [Hbet][Tf2N] để thu hồi phốtpho đỏ có chứa các KLĐH (như ytri và europi) từ phốtpho trong bóng đèn huỳnh quang và các loại bóng đèn tiết kiệm năng lượng. Sau khi đã tách ra khỏi phế thải, ytri và europi có thể được thu hồi từ phốtpho đỏ bằng cách sử dụng axit oxalic hoặc axit clohydric. Tiếp theo, người ta nung ytri hoặc europi oxalat thu được đến nhiệt độ cao trong không khí hoặc môi trường oxy để thu hồi phốtpho đỏ với độ tinh khiết 99,9% (trọng lượng), khép lại toàn bộ chu trình tái chế với chỉ 3 bước quy trình.

Thu hồi từ xe ôtô điện

Trong lúc đó, các nhà nghiên cứu tại Học viện Bách khoa Worcester (Mỹ) đã phát triển quy trình thủy luyện kim loại hai bước để tách KLĐH từ những bộ truyền động đã qua sử dụng của các loại xe ôtô điện. Đây là quy trình duy nhất có thể xử lý những nguyên liệu thực sự không còn được sử dụng.

Trong quy trình trên, các nhà nghiên cứu gia nhiệt bộ truyền động đến 450oC trong 1 giờ để tiến hành khử từ, sau đó cắt thành những mảnh vụn rồi ngâm 24 giờ trong axit clohydric. Trong quá trình đó, nguyên liệu có từ tính sẽ tan trong axit, còn lại những chi tiết không tan là thép và đồng ở các phần khác của bộ truyền động. Thép và đồng thu được có thể được đưa vào các dòng tái chế kim loại thông thường, còn KLĐH được kết tủa từ dung dịch nhờ axit oxalic. Các nhà nghiên cứu cho biết, họ có thể thu hồi 82% neođym, đysprosi và praseodym có mặt trong vật liệu động cơ gốc, đạt độ tinh khiết 99,8% (trọng lượng).

Tách riêng các KLĐH

Tất cả các kỹ thuật miêu tả ở trên đều không thể tách riêng các KLĐH ra khỏi nhau. Do KLĐH có tính chất hóa học tương tự nhau nên việc tách riêng chúng rất khó khăn. Những kỹ thuật hai pha lỏng hiện đang được áp dụng đều tiêu hao nhiều hóa chất và các bước quy trình phải được lặp đi lặp lại hàng trăm lần cho đến khi tách được hai KLĐH với độ tinh khiết cao.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Pennsylvania (Mỹ) đã phát triển một kỹ thuật mới, trong đó họ sử dụng phối tử để tách neođym ra khỏi đysprosi. Trong phương pháp này, phối tử nitroxide ba chân đặc biệt sẽ được đưa vào hỗn hợp bột của hai nguyên tố trên. Sự chênh lệch kích thước giữa các ion neođym và đysprosi khiến cho các cụm phối tử - neođym sẽ liên kết với nhau, còn các cụm phối tử - đysprosi không liên kết với nhau. Hiện tượng đó làm cho độ tan của các cụm phối tử-neođym cao hơn so với các cụm phối tử-đysprosi, nhờ đó các cụm phối tử-neođym có thể được hòa tan dễ dàng trong dung môi và lọc tách ra.

Quá trình trên diễn ra trong 5 phút và tạo ra các mẫu KLĐH riêng rẽ với độ tinh khiết 95% (trọng lượng). Các phối tử được rửa khỏi KLĐH bằng dung dịch axit rồi được tái sử dụng.

Đây là phương pháp đơn giản hơn, rẻ tiền hơn và nhanh hơn so với phương pháp tách hai pha lỏng. Hiện các nhà khoa học đang khảo sát quy trình tách europi và ytri từ phốtpho thu hồi.

Mới đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Leuven (Bỉ) cũng đã biểu thị khả năng tách europi và ytri bằng cách sử dụng ánh sáng cực tím. Phương pháp này dựa trên cơ sở là tuy hai KLĐH đều có 3 điện tích dương trên mỗi ion nhưng europi cũng bền vững ở trạng thái 2 điện tích dương. Nếu chiếu ánh sáng UV với chiều dài bước sóng thích hợp lên dung dịch của hai nguyên tố trên, europi sẽ bị khử thành dạng hóa trị hai, có thể được kết tủa từ dung dịch bằng cách sử dụng sunphat là chất không phản ứng với ytri. Khi áp dụng phương pháp này, nhóm nghiên cứu đã thu hồi được 95% europi.

Tại Phòng thí nghiệm Ames ở Mỹ, các nhà nghiên cứu đã khảo sát quá trình tách kim loại lỏng hai giai đoạn, cho phép tách neođym ra khỏi nam châm hoặc các KLĐH nặng hơn như tebi, đysprosi. Quá trình này dựa trên phương pháp tách magiê mà các nhà nghiên cứu đã phát triển trước đó.

ở quy trình gốc, các mẩu nam châm được khử từ tính, cắt nhỏ, nghiền rồi nấu chảy với magiê. Neođym tan trong magiê lỏng, còn sắt không tan, vì vậy neođym liên kết với magiê, để lại các mẩu vụn sắt cũng như kim loại khác. Sau khi lọc tách, neođym có thể được thu hồi từ magiê bằng phương pháp chưng cất chân không.

Theo các nhà nghiên cứu, quy trình thu hồi bằng magiê rất có hiệu quả khi tái chế KLĐH nhẹ, nhưng kém hiệu quả hơn khi tái chế KLĐH nặng. Nhưng họ cũng đã phát hiện bitmut lỏng liên kết với các KLĐH nặng nên có thể được sử dụng để thu hồi chúng từ phần nguyên liệu còn lại sau khi chiết bằng magiê.

Những thách thức về tài chính

Tuy công nghệ hiện nay đã cho phép thu hồi và tái chế KLĐH, nhưng giá KLĐH thấp của Trung Quốc đang cản trở sự phát triển của các quy trình thương mại với mục đích tái chế KLĐH ở những nơi khác trên thế giới ngoài Trung Quốc. Chẳng hạn, theo phân tích kinh tế thì KLĐH thu hồi từ bộ truyền động xe ôtô điện theo quy trình của Học viện Bách khoa Worcester có giá đắt gấp đôi KLĐH khai thác ở Trung Quốc.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Leuven cũng đang ở trong tình thế tương tự với quy trình mà họ phát triển để thu hồi KLĐH từ phốtpho của bóng đèn. Nếu giá KLĐH tăng gấp đôi hoặc tương tự, những quy trình như vậy mới trở nên khả thi về mặt kinh tế. Nhưng hiện tại, các quy trình tái chế KLĐH rất khó cạnh tranh với nguồn cung từ Trung Quốc. Vài năm trước đây, khi giá KLĐH ở mức khá cao, các công ty công nghiệp đã sẵn sàng đầu tư nhiều tiền vào lĩnh vực này, nhưng khi đó vẫn chưa có những công nghệ tương ứng. Nay các nhà khoa học đã phát triển những công nghệ như vậy ở quy mô phòng thí nghiệm, nhưng các công ty lại chưa muốn rót tiền đầu tư.

Tuy nhiên, không ai có thể đảm bảo là giá KLĐH sẽ không tăng trở lại. Vấn đề chỉ là thời gian cho đến khi giá loại nguyên liệu này sẽ lại tăng. Nhưng điều đó phụ thuộc vào các yếu tố địa chính trị và kinh tế mà các nhà khoa học không thể dự báo.

TN

Theo Chemistry & Industry, 2/2016

Sponsor links (Provided by VIEPortal.net - The web cloud services for enterprises)
Thiết kế web, Thiết kế website, Thiết kế website công ty, Dịch vụ thiết kế website, Dịch vụ thiết kế web tối ưu, Giải pháp portal cổng thông tin, Xây dựng website doanh nghiệp, Dịch vụ web bán hàng trực tuyến, Giải pháp thương mại điện tử, Phần mềm dịch vụ web, Phần mềm quản trị tác nghiệp nội bộ công ty,