Đất hiếm - ‘Vitamin’ của công nghiệp hiện đại

Theo Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia, thuật ngữ “đất hiếm” (rare earth trong tiếng Anh) chỉ nhóm 17 nguyên tố kim loại có tính chất hoá học tương tự nhau hay còn được biết đến là họ lantanit và chúng chiếm các vị trí từ 57-71 trong Bảng hệ thống tuần hoàn Men-đê-le-ép. Hai nguyên tố khác là Y (vị trí 39) và Sc (vị trí 21) có tính chất hoá học tương tự nên cũng được xếp vào họ các nguyên tố đất hiếm. Các nguyên tố đất hiếm được chia làm hai nhóm, nhóm nặng và nhóm nhẹ, theo trọng lượng nguyên tử và vị trí của chúng trong Bảng tuần hoàn.

Về mặt tự nhiên, các kim loại đất hiếm có màu sắc từ ánh bạc tới màu xám sắt. Cục Khảo sát Địa chất Mỹ mô tả chúng là “mịn đặc trưng, cán mỏng được, uốn, kéo được và phản ứng”. Không ngạc nhiên khi chúng có các đặc tính duy nhất (xúc tác, hoá học, điện tử, nguyên tử, từ tính và quang học), nhất là tính đặc hiệu và tính đa dụng khiến chúng ngày càng trở nên quan trọng về mặt kinh tế, môi trường và công nghệ.

Một công nhân làm việc tại mỏ kim loại đất hiếm ở tỉnh Giang Tây, Trung Quốc. Ảnh: Getty Images

Tại sao chúng được gọi là kim loại đất hiếm? Có lẽ từ các khoáng sản hoặc đất không phổ biến mà từ đó chúng đã được chiết xuất, hơn nữa việc chiết tách những nguyên tố tinh sạch này rất khó. Ngoài ra, sự tập trung của chúng được phát hiện cho đến nay cũng ít phổ biến hơn so với hầu hết các loại quặng khác. Trong vỏ Trái đất, chúng có ở khắp nơi với hàm lượng rất nhỏ, song đôi khi tập trung thành các tụ khoáng có quy mô khác nhau mà ta thường gọi là mỏ đất hiếm.

Ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp

Đất hiếm được coi là tối quan trọng trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp công nghệ cao, công nghệ năng lượng “xanh”, và công nghệ quốc phòng. Đất hiếm hiện diện trong nhiều thiết bị phổ biến như điện thoại di động, máy tính, tivi, đèn compact...

Đất hiếm có rất nhiều ứng dụng: Dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu cho máy phát điện; Dùng để đưa vào các chế phẩm phân bón vi lượng nhằm tăng năng suất và chống chịu sâu bệnh cho cây trồng; Dùng để chế tạo các nam châm trong các máy tuyển từ trong công nghệ tuyển khoáng; Dùng để diệt mối mọt, các cây mục nhằm bảo tồn các di tích lịch sử; Dùng làm xúc tác trong công nghệ lọc hóa dầu và xử lý môi trường; Dùng làm vật liệu siêu dẫn; Các ion đất hiếm cũng được sử dụng như vật liệu phát quang trong các ứng dụng quang điện; Dùng trong công nghệ laser; Dùng trong công nghiệp chế tạo xe ôtô (hybrid), pin, ổ cứng máy tính, tua-bin gió, điện thoại di động; Dùng trong lĩnh vực quân sự (chế tạo tên lửa, radar, xe tăng...)…

Theo “Báo cáo thị trường nam châm đất hiếm toàn cầu 2023-2028” có trên ResearchAndMarkets.com, thị trường nam châm đất hiếm toàn cầu đạt giá trị 18,45 tỷ USD vào năm 2022 và dự kiến đạt 21,04 tỷ USD vào năm 2028. Nam châm đất hiếm, nổi tiếng với tính chất từ tính đặc biệt, là nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ hợp kim nguyên tố đất hiếm. Những nam châm này không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp như điện tử, ô tô, sản xuất năng lượng (tua-bin gió), thiết bị y tế (máy chụp cộng hưởng từ), máy bay không người lái…

Khai thác

Theo Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia, việc khai thác đất hiếm bắt đầu từ những năm 50 của thế kỷ trước, thoạt tiên là những sa khoáng monazit trên các bãi biển. Vì monazit chứa nhiều thorium (Th) có tính phóng xạ ảnh hưởng đến môi trường nên việc khai thác bị hạn chế. Từ năm 1965, việc khai thác đất chủ yếu diễn ra ở vùng núi Pass, bang California, Mỹ. Đến năm 1983, Mỹ mất vị trí độc tôn khai thác vì nhiều nước đã phát hiện mỏ đất hiếm.

Ưu thế khai thác dần nghiêng về phía Trung Quốc vì nước này đã phát hiện được đất hiếm. Đến năm 2004, vùng mỏ Bayan Obo của Trung Quốc đã sản xuất đến 95.000/102.000 tấn đất hiếm của thế giới. Cho tới cuối thập niên 80, Mỹ vẫn là nước sản xuất đất hiếm số 1 thế giới, nhưng sau đó trọng tâm dịch chuyển sang Trung Quốc. Nhiều nước có trữ lượng đất hiếm lớn nhưng không khai thác hoặc khai thác hạn chế vì hai lý do chính: ô nhiễm môi trường và không cạnh tranh được với giá bán đất hiếm của Trung Quốc. Trung Quốc là nước có tiềm năng và có trữ lượng đất hiếm lớn nhất. Mỏ đất hiếm Baiyun Obo ở vùng Nội Mông của Trung Quốc là mỏ lớn nhất thế giới, hiện chiếm tới 50% sản lượng của nước này.