Đất Hiếm và công dụng

1. Đất hiếm là gì?

Đất hiếm là một nhóm gồm 17 nguyên tố hoá học có trong bảng tuần hoàn Mendeleev. Nhóm bao gồm yttri, 15 nguyên tố thuộc dãy lanthanide (lanthan, ceri, praseodym, neodym, promethi, samari, europi, gadoli, terbi, dysprosi, holmi, erbi, thuli, ytterbi, luteti) và scandi. Scandi được tìm thấy nhiều trong các khoáng sàng đất hiếm.

Cũng có một số nhà nghiên cứu không coi Scandi là một nguyên tố đất hiếm, tuy nhiên Tổ chức International Union of Pure and Applide Chemistry lại công nhận là nguyên tố đất hiếm. Các nguyên tố đất hiếm đều là kim loại và chúng được gọi là “nhóm kim loại đất hiếm”. Những kim loại này có nhiều tính chất tương tự nhau và đi cùng nhau trong khoáng sàng đất hiếm.

Các nguyên tố đất hiếm thường được chia thành hai nhóm “Nhóm nặng” và “Nhóm nhẹ”. Lanthan, ceri, praseodym, neodym, promethi và samari thuộc nhóm nhẹ. Yttri, europi, gadolini, terbi, dysprosi, holmi, erbi, thuli, ytterbi và luteti thuộc nhóm nặng. Mặc dù yttri nhẹ hơn các nguyên tố nhóm nặng nhưng do có tính tương đồng về hoá lý với nhóm nặng nên vẫn được coi là nguyên tố đất hiếm nặng.

2. Công dụng của đất hiếm

Kim loại và hợp kim có chứa đất hiếm sử dụng rất nhiều trong các thiết bị mà chúng ta dùng hàng ngày như máy tính, đầu đĩa, pin ắc quy nạp điện, điện thoại di động, bộ chuyển đối xúc tác xe hơi, nam châm, đèn huỳnh quang… Suốt 20 năm qua đã có sự bùng nổ về nhu cầu kim loại đất hiễm. Hai mươi năm trước đây điện thoại di động chưa được sử dụng nhiều như ngày nay, nhưng ước tính hiện nay trên thế giới số lượng điện thoại di động được sử dụng hàng ngày là hơn 5 tỷ chiếc. Máy tính và đầu đĩa cũng đang phát triển nhanh gần như điện thoại di động. Bảng 1 cho biết nhu cầu sử dụng đất hiếm năm 2008 của Mỹ.

Rất nhiều pin ắc quy đất hiếm đã được sản xuất cho các thiết bị điện tử như điện thoại di động, đầu đọc kỹ thuật số, máy tính và camera. Mỗi pin ắc quy dùng cho xe điện và xe hybrid chỉ cần một vài trăm gam đến vài nghìn gam đất hiếm. Do tiết kiệm điện, giảm ô nhiễm mà nhu cầu pin ắc quy đất hiếm tăng rất nhanh. Đất hiếm cũng được dùng nhiều trong sản xuất chất đánh bóng, chất xúc tác, màn hình chiếu sáng ở các thiết bị điện tử, kính quang học chất lượng cao và kiểm tra không khí. Cũng có nhiều hợp chất khác có thể có tính năng thay thế được đất hiếm nhưng những chất này thường có hiệu quả sử dụng thấp và giá thành cao.

Bảng 1. Sử dụng đất hiếm ở Mỹ (số liệu 2008)

Điện thoại di động sử dụng một khối lượng nhỏ kim loại đất hiếm. Những thiết bị này có tuổi thọ ngắn, hàng năm có tới hàng tỷ chiếc điện thoại bị thải loại nhưng việc quay vòng tái sử dụng đất hiếm chưa được quan tâm (Ảnh của Bakaleev Aleksey, iStockphoto).

Các nguyên tố đất hiếm đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực quốc phòng. Chúng được sử dụng để sản xuất vũ khí dẫn đường, kính nhìn xuyên đêm, sản xuất hợp kim siêu cứng để chế tạo xe bọc thép và đạn xuyên phá. Cũng có thể thay thế đất hiếm bằng một số chất khác nhưng chúng cũng không hiệu quả như đất hiếm. Một số công dụng của đất hiếm trong quốc phòng được trình bày ở Bảng 2.

Bảng 2. Công dụng của đất hiếm trong quốc phòng

3. Đất hiếm có thực sự là hiếm?

Đất hiếm không thực sự là hiếm như tên gọi. Thuli và luteti là 2 nguyên tố ít nhất nhưng chúng có hàm lượng lớn hơn gần 200 lần so với vàng trong lớp vỏ trái đất. Tuy nhiên, những kim loại này rất khó tạo thành khoáng sàng bởi vì khó tập trung đủ hàm lượng để khai thác và chiết tách. Nhiều nhất là các nguyên tố ceri, yttri, lanthan và neodym. Chúng có hàm lượng trung bình tương tự các kim loại công nghiệp khác như crôm, niken, kẽm, thiếc, chì…

Đất hiếm tương đối phong phú trong vỏ trái đất nhưng việc phát hiện ra hàm lượng đủ lớn ít hơn hầu hết các quặng thông thường. Đất hiếm tồn tại phổ biến ở dạng quặng khoáng basneasit và monazit. Các mỏ basneasit có trữ lượng lớn tập trung ở Trung Quốc, Mỹ, Việt Nam, trong khi đó monazit tập trung ở các nước như Úc, Brazil, Trung Quốc, Ấn Độ, Malaysia, Nam phi, Sri Lanka, Việt Nam, Thái lan và Mỹ. Ngoài ra còn có các khoáng chất chứa đất hiếm khác như apatit, cheralit, eudialyt, loparit, phosphorit, sét hấp phụ ion, monazit thứ sinh và xenotim.

Một số loại đất hiếm (theo chiều kim đồng hồ, từ trên đỉnh là praseodymi, sau đó là ceri, lanthan, neodym, samari và gadolm) (Ảnh của Peggy Greb, USDA image gallery).

Việt Nam, Úc, Canada và Mỹ được biết đến là những quốc gia rất tiềm tàng về đất hiếm nhưng chưa được đưa vào khai thác.

4. Sản xuất và thương mại đất hiếm

Một lượng đáng kể đất hiếm được sản xuất ra chỉ ở một vài nước. Trung Quốc là nước đứng đầu, có trên 95% sản lượng oxit đất hiếm là do Trung Quốc sản xuất. Một vài quốc gia như Brazil, Ấn Độ, Kyrgyzstan và Malaysia sản xuất phần còn lại. Cơ quan Thăm dò Địa chất Mỹ cho biết, Canada và Úc đang trở lại tìm kiếm thăm dò các mỏ đất hiếm mới.

Trung Quốc trở thành nhà sản xuất đất hiếm hàng đầu thế giới vào những năm 90 của thế kỷ XX, khi mà việc khai thác ở mỏ Mountain pass (Mỹ) bắt đầu giảm. Sản xuất tăng nhanh chóng và vào năm 2000 đạt 90% sản lượng đất hiếm thế giới.

Bảng 3. Sản lượng và trữ lượng đất hiếm thế giới năm 2009

Trung Quốc bán đất hiếm với giá rất thấp, khiến mỏ Mountain Pass và các mỏ khác không thể cạnh tranh. Vào năm 2010, Trung Quốc sản xuất trên 95% sản lượng đất hiếm của thế giới. Trung Quốc cũng là một nhà tiêu thụ đất hiếm (để chế tạo các sản phẩm điện tử phục vụ xuất khẩu và nội địa). Nhật Bản và Mỹ là những nước đứng thứ 2 và 3 về tiêu thụ nguyên liệu đất hiếm. Cũng vào năm 2010 Trung Quốc quyết định hạn chế xuất khẩu để đảm bảo cho sản xuất nội địa. Thông báo này đã gây tâm lý hoang mang cho người tiêu thụ và từ đó giá đất hiếm tăng cao kỷ lục. Các công ty Trung Quốc cũng đang tìm kiếm đất hiếm ở ngoài nước. Ví dụ năm 2009, Công ty China Non-Ferrous Metal Mining Conpany mua cổ phần chủ yếu của Công ty Lynas Corporation, một công ty của Úc có đầu ra lớn bên ngoài Trung Quốc.

5. Viễn cảnh về đất hiếm

Sử dụng đất hiếm trong các chất xúc tác, nam châm vĩnh cửu và các pin ắc quy nạp điện được kỳ vọng tăng khi mà nhu cầu cho xe điện thông thường, xe hybrid, máy tính, thiết bị điện tử và bảng điện tử tăng.

Điện thoại di động

Thị trường đất hiếm đang cần nhiều các sản phẩm riêng rẽ và hợp chất đất hiếm tinh khiết. Nhu cầu về ceri và neodym dùng cho các bộ chuyển đổi xúc tác ô tô, các chất xúc tác để chế biến dầu mỏ kỳ vọng tăng từ 6 đến 8%/năm cho 5 năm tới. Nhu cầu đất hiếm dự kiến tăng từ 10 đến 16%/năm vào năm 2012, tức là 45.000 đến 50.000 T (Kingsnorrth, 2008). Sự phát triển của pin ắc quy NiMH dành cho xe hybrid dự kiến tăng từ 10.000 đến 20.000 tấn oxit đất hiếm vào năm 2012. Và kỳ vọng sẽ tăng nhiều hơn nữa cho các thiết bị điện tử như máy tính xách tay, máy ảnh kỹ thuật số, điện thoại di động, ổ đĩa compact…

Mỗi xe điện hay xe hybrid có một ắc quy lớn. Mỗi ắc quy sử dụng một vài nghìn gam hợp chất đất hiếm. Số lượng xe điện có kỳ vọng ngày càng tăng khi vấn đề biến đổi khí hâu, ô nhiễm môi trường được quan tâm thích đáng. Điều này làm tăng nhu cầu nguyên liệu đất hiếm.

Việc sử dụng đất hiếm sẽ tăng cao trong chế tạo sợi quang học, nha khoa và phẫu thuật nội soi, hình ảnh cộng hưởng từ, dược chất đánh dấu trong y tế, đồng vị y tế và thiết bị dò chụp. Các thiết bị làm lạnh từ tính, chất kích thích tăng trưởng nông nghiệp trong tương lai cũng cần nhiều đất hiếm.

Tài liệu tham khảo

1. Rare Earths Elements Critical Resources for High Technology: United States Geological Survey, Fact Sheet 087-02.

2. Rare Earths: United States Geogical Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2010.

3. Rare Earths: United States Geogical Survey, Mineral Yearbook 2008

4. A Rare Earths Approach to Tracing Soil Erosion: United States Department of Agriculture, Agricultural Research Service.

5. China’s Ace in the Hole: Rare Earths Elements: National Defense University Press.

6. The Geology of Rare Earths Elements: Republication of “The Principal Rare Earths Elements Deposits of the United States-A Summary of Domestic Deposits and a Global Perspective”.