Tại sao đất hiếm lại hiếm đến vậy?
Đất hiếm là một kho báu kỳ diệu trong lòng Trái Đất, nhưng khai thác lại là thách thức vô cùng khó nhằn.
Các nguyên tố đất hiếm bao gồm 17 kim loại và được ưa chuộng trong ngành năng lượng và công nghệ vì các đặc tính hữu ích của chúng. Trong số này, có 15 nguyên tố là kim loại ở cuối bảng tuần hoàn, cùng với yttrium và scandium.
Trong số các nguyên tố này, neodymium, praseodymium, terbium và dysprosium được coi là những nguyên tố có giá trị nhất. Chúng đóng vai trò như nam châm thu nhỏ siêu mạnh và là thành phần quan trọng của các thiết bị điện tử như smartphone, pin xe điện và turbine gió. Tuy nhiên, nguồn cung cấp hạn chế của đất hiếm là một mối lo ngại lớn cho các công ty và chính phủ trong việc sản xuất các sản phẩm thiết yếu của thời đại hiện đại.
Dù tên gọi “đất hiếm”, thực tế không phải là chúng quá hiếm. Theo nghiên cứu của Cơ quan Khảo sát Địa chất Mỹ (USGS) về sự dồi dào của các nguyên tố trong lớp vỏ Trái Đất, phần lớn đất hiếm có số lượng tương đương với các kim loại thông dụng như đồng và kẽm. “Chúng chắc chắn không hiếm như bạc, vàng hay bạch kim”, như giáo sư Aaron Noble từ Đại học Bách Khoa Virginia đã đề cập.
Việc khai thác các nguyên tố đất hiếm từ các nguồn tự nhiên gặp rất nhiều khó khăn. Đất hiếm tồn tại trong vỏ Trái Đất một cách tương đối dồi dào do quá trình địa chất khác nhau, nhưng việc tìm thấy và tiếp cận chúng lại khó khăn. Khoảng 300 milligram đất hiếm có thể tìm thấy trong mỗi kg đá phiến sét trên khắp nước Mỹ, theo lời của Paul Ziemkiewicz, giám đốc Viện Nghiên cứu Nước Tây Virginia.
Trong thực tế, đất hiếm không tập trung ở một nơi. Tính chất hóa học khác thường của các nguyên tố đất hiếm khiến chúng không tập trung với nhau trong những điều kiện đặc biệt như dòng chảy dung nham, hoạt động thủy nhiệt và sự hình thành núi. Điều này dẫn đến việc các dấu vết của đất hiếm rải rác khắp trên hành tinh, gây khó khăn cho việc khai thác hiệu quả.
Bên cạnh dạng tự nhiên, kim loại tồn tại dưới dạng hỗn hợp được gọi là quặng, chứa các phân tử kim loại kết hợp với chất phi kim (phản ion) thông qua liên kết ion mạnh. Để đạt được kim loại nguyên chất, người ta phải phá vỡ những liên kết này và loại bỏ chất phi kim. Độ khó của quá trình này phụ thuộc vào kim loại cụ thể và chất phi kim mà chúng liên kết.
“Ví dụ, quặng đồng thường tồn tại dưới dạng sulfide, bao gồm lưu huỳnh và nguyên tố khác. Bằng cách nung nóng quặng, sulfide sẽ được đẩy ra dưới dạng khí và kim loại đồng nguyên chất sẽ rơi xuống đáy lò phản ứng. Quá trình này tương đối đơn giản để thực hiện. Đối với một số loại khác, như oxit sắt, cần sử dụng chất phụ gia để giải phóng kim loại. Tuy nhiên, quá trình tách đất hiếm lại phức tạp hơn nhiều”, giải thích Ziemkiewicz.
Các kim loại đất hiếm thường mang ba điện tích dương và tạo ra liên kết ion cực kỳ mạnh mẽ với phản ion phosphate, mỗi phản ion mang ba điện tích âm. Do đó, quá trình tách chiết phải vượt qua sự liên kết cực kỳ chặt chẽ giữa kim loại dương và phosphate âm.
Noble mô tả rằng “Quặng đất hiếm là những khoáng vật vô cùng ổn định hóa học, đòi hỏi sự tiêu tốn lớn về năng lượng và sức mạnh hóa học để phá vỡ chúng. Thông thường, quá trình này yêu cầu độ pH cực thấp, các điều kiện khắc nghiệt và nhiệt độ cực cao do liên kết trong quặng rất bền chặt.”
Sự khó khăn trong việc tách chiết nguyên tố tinh khiết là nguyên nhân chính đằng sau tên gọi “đất hiếm”. Các chuyên gia đang nghiên cứu những phương pháp sáng tạo để tái chế và chiết xuất các kim loại quý này từ rác thải công nghiệp và thiết bị điện tử cũ, nhằm giảm áp lực đối với nguồn cung hiện tại. Họ cũng đang thử nghiệm tái tạo các đặc tính từ tính và điện tử đặc biệt của đất hiếm trong các hợp chất mới, với hy vọng rằng những hợp chất này có thể trở thành giải pháp thay thế dễ tiếp cận hơn. Mặc dù vậy, đến nay, vẫn chưa có nguồn thay thế hiệu quả nào cho đất hiếm, mặc dù nhu cầu về chúng ngày càng tăng cao.
Nguồn: Live Science
