Những điều chưa biết về các kim loại đất hiếm

Mặc dù lượng REE được sử dụng trong một sản phẩm có thể không phải là một phần đáng kể của sản phẩm đó theo trọng lượng, giá trị hoặc thể tích, nhưng REE là yếu tố cần thiết để thiết bị hoạt động.

Nguồn gốc siêu tân tinh

Kim loại đất hiếm là một nhóm gồm 17 nguyên tố trong bảng tuần hoàn được gọi là chuỗi Lanthanide và được phân loại thành hai loại: đất hiếm nhẹ (lanthanum đến samarium) và đất hiếm nặng (europium đến lutetium). Chúng là những chất hỗ trợ chính cho các công nghệ nhằm giảm phát thải, giảm mức tiêu thụ năng lượng cũng như cải thiện hiệu quả, hiệu suất, tốc độ, độ bền và độ ổn định nhiệt. Chúng cũng là thành phần chính trong các công nghệ nhằm tạo ra các sản phẩm nhẹ hơn và nhỏ 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 hành vi hóa học cụ thể. Điều này làm cho chúng trở nên không thể thiếu và không thể thay thế trong nhiều ứng dụng điện, quang học, từ tính và xúc tác.

Các nguyên tố đất hiếm tương đối dồi dào trong lớp vỏ trái đất, tuy nhiên, do các đặc tính địa hóa của chúng, các nguyên tố đất hiếm thường bị phân tán. Chúng xỉn màu chậm trong không khí ở nhiệt độ phòng và phản ứng chậm với nước lạnh để tạo thành hydroxide, giải phóng hydro. Chúng phản ứng với hơi nước để tạo thành oxit và tự bốc cháy ở nhiệt độ 400 °C (752 °F).

Các nguyên tố này và hợp chất của chúng không có chức năng sinh học nào khác ngoài một số enzyme chuyên biệt, chẳng hạn như trong metanol dehydrogenase phụ thuộc lanthanide trong vi khuẩn. Các hợp chất hòa tan trong nước có độc tính nhẹ đến trung bình, nhưng các hợp chất không hòa tan thì không. Tất cả các đồng vị của promethi đều có tính phóng xạ và nó không xuất hiện tự nhiên trong lớp vỏ trái đất, ngoại trừ một lượng nhỏ được tạo ra bởi sự phân hạch tự phát của urani-238. Chúng thường được tìm thấy trong các khoáng chất có thori và ít phổ biến hơn là uranium. Điều này có nghĩa là chúng không thường được tìm thấy ở các cuộc khai thác thông thường.

Vậy đất hiếm có nguồn gốc từ đâu? Theo các nhà khoa học, chúng có nguồn gốc từ siêu tân tinh - vụ nổ của một ngôi sao đang chết. Siêu tân tinh ném các nguyên tố nặng mà chúng tạo ra ra ngoài vũ trụ nhiều năm ánh sáng. Khi một ngôi sao mới mọc lên từ đống tro tàn, trước tiên nó phải hợp nhất từ một tinh vân tiền sao. Lúc đó, các nguyên tố nặng hơn tập trung ở tâm của xoáy nước. Các chất dễ bay hơi và băng bị ném ra ngoài.

Người ta cho rằng, các hành tinh đá hoặc đất đá giữ lại gần các ngôi sao của chúng vì lý do này, trong khi các hành tinh khí khổng lồ và các hành tinh băng khổng lồ hình thành từ các chất dễ bay hơi và băng tập trung ở rìa ngoài ảnh hưởng hấp dẫn của một ngôi sao. Các hạt bụi kết tụ thành đá và sau đó thành các hành tinh, bên trong nóng lên và lực hấp dẫn của chính hành tinh kéo nó thành một hình cầu, kéo các nguyên tố nặng nhất xuống lõi.

Trên Trái đất, khoáng chất đất hiếm thường được tìm thấy dưới dạng tinh thể trong đá mácma, hòa tan trong đất sét núi lửa hoặc trong các trầm tích cát phù sa. Mặc dù nặng, chúng vẫn nổi lên bề mặt trong các luồng magma, đặc biệt là các luồng magma xung quanh các đới hút chìm - chẳng hạn như Vành đai lửa nổi tiếng, một tập hợp các đới hút chìm bao quanh Thái Bình Dương. Nhưng đôi khi chúng cũng được tìm thấy trong đại dương, gần các lỗ thông thủy nhiệt.

Một điều thú vị là trái ngược với tên gọi, kim loại đất hiếm không phải là quá hiếm. Xét theo phần triệu, seri, khoáng chất đất hiếm phổ biến nhất, có nhiều trong lớp vỏ Trái đất hơn cả đồng. Nhưng cái tên này tồn tại vì một lý do khác: kim loại đất hiếm ít khi xuất hiện trong các mỏ quặng mà thường được tìm thấy phân tán trong các khoáng chất khác. Và tính chất hóa học của các kim loại đất hiếm lại rất giống nhau đến mức phải cần đến một số phương pháp hóa học để phân biệt chúng một cách chắc chắn.

Nguyên tố đất hiếm đầu tiên được nhà hóa học và khoáng vật học người Phần Lan Johan Gadolin phát hiện vào năm 1787 là gadolinite - một khoáng chất màu đen bao gồm xeri, ytri, sắt, silic và các nguyên tố khác. Khoáng chất này được khai thác từ một mỏ ở làng Ytterby ở Thụy Điển; 4 trong số các nguyên tố đất hiếm có tên bắt nguồn từ địa điểm duy nhất này. Phát hiện này dẫn tới có thêm mười mục mới trong bảng tuần hoàn nhưng gần 100 năm sau, các nhà nhà khoa học vẫn tìm thấy thêm nguyên tố đất hiếm mới trong cùng một loại đá đen không tên.

"Vũ khí chiến lược" của các quốc gia

Theo khối lượng, phần lớn kim loại đất hiếm được sử dụng cho một trong hai mục đích: nam châm hoặc chất xúc tác. Trong số đó, chỉ riêng hai mục đích này đã chiếm khoảng một nửa số nguyên tố đất hiếm được sử dụng nhất định trong một năm. Nửa còn lại không giới hạn được dùng trong tia laser, đèn LED, pin nhiên liệu hydro, thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân và chất điện phân gốm trong pin thể rắn.

Cho đến năm 1948, hầu hết đất hiếm trên thế giới được khai thác từ các mỏ cát sa khoáng ở Ấn Độ và Brazil. Trong suốt những năm 1950, Nam Phi là nguồn đất hiếm của thế giới, từ một rạn san hô giàu monazit tại mỏ Steenkampskraal ở tỉnh Western Cape. Thời kỳ 1960-1980, mỏ đất hiếm Mountain Pass ở California đã đưa Mỹ trở thành nhà sản xuất hàng đầu. Ngày nay, theo ước tín của Tổ chức nghiên cứu địa chất Geological Survey, Mỹ, trữ lượng đất hiếm của toàn thế giới vào khoảng 120 triệu tấn, trong đó Trung Quốc sở hữu 44 triệu tấn, 21 triệu tấn ở Brazil, 18 triệu tấn ở Nga...

Nhật Bản là quốc gia nhập khẩu đất hiếm nhiều nhất từ Trung Quốc, chiếm 60% sản lượng; Mỹ là khách hàng lớn thứ 2 khi nhập khẩu 20% đất hiếm từ Trung Quốc. Hàn Quốc và một số quốc gia châu Âu thường phải nhập khẩu 6% đất hiếm từ Trung Quốc.

Nhu cầu về REE ngày càng tăng do thực tế là chúng rất cần thiết cho công nghệ mới và sáng tạo đang được tạo ra. Những sản phẩm mới cần REE để sản xuất là các thiết bị công nghệ cao như: điện thoại thông minh, máy ảnh kỹ thuật số, linh kiện máy tính, chất bán dẫn, v.v. Ngoài ra, các nguyên tố này phổ biến hơn trong các ngành công nghiệp sau: công nghệ năng lượng tái tạo, thiết bị quân sự, sản xuất thủy tinh và luyện kim.

Nhu cầu tăng đã gây căng thẳng cho nguồn cung và ngày càng có lo ngại rằng thế giới có thể sớm phải đối mặt với tình trạng thiếu hụt đất hiếm. Trong nhiều năm kể từ năm 2009, nhu cầu về các nguyên tố đất hiếm trên toàn thế giới dự kiến sẽ vượt quá nguồn cung 40.000 tấn/năm trừ khi có các nguồn mới lớn được phát triển. Năm 2013, người ta tuyên bố rằng nhu cầu về REE sẽ tăng do Liên minh châu Âu phụ thuộc vào các nguyên tố này.

Thực tế là các nguyên tố đất hiếm không thể thay thế bằng các nguyên tố khác và REE có tỷ lệ tái chế thấp. Hơn nữa, do nhu cầu tăng và nguồn cung thấp, giá của đất hiếm trong tương lai dự kiến sẽ tăng, nhiều quốc gia đã mở các mỏ REE.  Hiện Australia đang là nhà cung cấp lớn thứ 2 thế giới về kim loại đất hiếm, chiếm 15% sản lượng toàn cầu với hai dự án lớn là: Nolans ở miền Trung và Mount Weld. Việc tìm kiếm các nguồn thay thế ở Brazil, Canada, Nam Phi, Tanzania, Greenland và Mỹ cũng đang diễn ra.

Steenkampskraal ở Nam Phi - mỏ đất hiếm và thorium chất lượng cao nhất thế giới, đóng cửa năm 1963, đã quay trở lại sản xuất. Các mỏ khác bao gồm dự án núi Bokan ở Alaska (Mỹ), dự án Hồ Hoidas hẻo lánh ở miền Bắc Canada có tiềm năng cung cấp khoảng 10% trong tổng số 1 tỷ USD tiêu thụ REE ở Bắc Mỹ mỗi năm.

Tại Anh, Pensana đã bắt đầu xây dựng nhà máy chế biến đất hiếm trị giá 195 triệu USD với nguồn tài trợ từ Quỹ Chuyển đổi ô tô của Chính phủ Anh. Nhà máy có nhiệm vụ xử lý quặng từ mỏ Longonjo ở Angola và các nguồn khác khi có sẵn với mục tiêu sản xuất 12.500 tấn đất hiếm riêng lẻ, bao gồm 4.500 tấn đất hiếm kim loại nam châm.