Công nghệ khai thác khoáng sản từ chất thải mỏ quặng

Vào tháng 3, Interesting Engineering cho biết, Mỹ đã phát hiện lượng đất hiếm lớn ẩn trong chất thải than. Trong nhiều năm, Hoa Kỳ đã phụ thuộc vào nhập khẩu kho báu nguyên tố đất hiếm, những vật liệu quan trọng được tìm thấy trong mọi thứ từ điện thoại thông minh đến công nghệ năng lượng tái tạo. Nhưng trong một phát hiện bất ngờ, các nhà nghiên cứu từ Đại học Texas tại Austin đã phát hiện ra rằng một nguồn cung nội địa khổng lồ đã tồn tại từ lâu.

Ẩn sâu trong các mỏ tro than của đất nước này là một khối lượng khổng lồ kho báu nguyên tố đất hiếm trị giá 8,4 tỷ USD. Phát hiện này có thể làm giảm đáng kể sự phụ thuộc vào hàng nhập khẩu và định hình lại cách tiếp cận của Hoa Kỳ trong việc tìm nguồn cung cấp khoáng sản quan trọng.

Tro than, sản phẩm phụ dạng bột còn lại sau khi đốt than để làm nhiên liệu, từ lâu đã được coi là một sản phẩm thải công nghiệp. Tuy nhiên, các nhà khoa học hiện đã xác định tro than là một nguồn dồi dào và dễ tiếp cận của kho báu nguyên tố đất hiếm.

Những nguyên tố này rất quan trọng trong việc sản xuất pin, tấm pin mặt trời và nam châm hiệu suất cao. “Điều này thực sự thể hiện đúng tinh thần ‘biến rác thành vàng’,” Bridget Scanlon, đồng tác giả nghiên cứu và giáo sư nghiên cứu tại Cục Địa chất Kinh tế thuộc Đại học Texas ở Austin cho biết, “Chúng tôi đang cố gắng khép kín vòng tuần hoàn, tận dụng chất thải để thu hồi tài nguyên, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường”.

Nghiên cứu ước tính rằng tro than ở Mỹ chứa tới 11 triệu tấn nguyên tố đất hiếm – gần gấp tám lần so với trữ lượng nội địa đã biết của nước này. Đây là đánh giá toàn diện đầu tiên về tro than như một nguồn tài nguyên, mở ra một cách tiếp cận mới để củng cố nguồn cung khoáng sản quan trọng của Mỹ.

Không giống như khai thác truyền thống, việc chiết xuất đất hiếm từ tro than có một lợi thế đáng kể: quá trình đốt đã tách sẵn khoáng chất khỏi quặng gốc, giúp giảm bớt các bước tinh chế tốn nhiều năng lượng.

Theo CNN, nghiên cứu cho thấy nguồn gốc của than quyết định mức độ dễ dàng trong việc khai thác đất hiếm. Tro than từ lưu vực Appalachian chứa hàm lượng nguyên tố đất hiếm cao nhất, nhưng chỉ có thể khai thác được 30%. Tro than từ lưu vực Powder River, nằm giữa Wyoming và Montana, có nồng độ nguyên tố trung bình thấp nhất, nhưng có thể khai thác được hơn 70%.

Paul Ziemkiewicz, giám đốc Viện Nghiên cứu Nước tại Đại học West Virginia, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết quá trình khai thác từ tro than có thể rất tốn kém. Ông nói với CNN rằng chi phí khai thác cần được cân nhắc so với lượng sản phẩm có thể thu hồi được.

"Cần axit và bazơ mạnh để chiết xuất các nguyên tố đất hiếm. Cả hai đều đắt đỏ", Ziemkiewicz nói. Ông nói thêm rằng tro than từ phương Tây có thể chứa nồng độ khoáng chất kiềm cao hơn, điều này sẽ làm tăng chi phí vì độ kiềm sẽ trung hòa axit. Quá trình này càng cần nhiều hóa chất thì tác động tiềm ẩn đến môi trường càng cao.

Mỹ đang có cơ hội lớn khi các khoản đầu tư vào lĩnh vực thu hồi đất hiếm trong nước ngày càng tăng. Bằng cách khai thác nguồn tài nguyên bị bỏ quên này, nước Mỹ có thể giảm sự phụ thuộc vào nguồn cung nước ngoài và biến chất thải thành một tài sản chiến lược quốc gia.

Có nhiều phương pháp khai thác kho báu nguyên tố đất hiếm từ tro than đang được nghiên cứu và công nghệ cao hỗ trợ ở nhiều khía cạnh. Một nghiên cứu từ Đại học Washington cho thấy quy trình chiết xuất bằng chất siêu tới hạn (như CO2, N2, hoặc không khí) đạt hiệu suất cao và độ tinh khiết tăng gấp 10 lần so với phương pháp truyền thống. Trong đó, trí tuệ nhân tạo (AI) sẽ giúp kiểm soát chính xác nhiệt độ và áp suất, tối ưu hóa quy trình.

Hay phương pháp làm nóng Joule nhanh, được mô tả trong bài báo trên Eos (Extracting Rare Earth Elements from Waste with a Flash of Heat), sử dụng nhiệt độ cực cao để giải phóng nguyên tố đất hiếm mà không cần hóa chất ăn mòn. AI cũng tham gia điều khiển quá trình này, đảm bảo hiệu quả và an toàn.

Cùng với đó, nghiên cứu từ Georgia Tech cho thấy chất lỏng ion không độc hại có thể chiết xuất nguyên tố đất hiếm từ tro than với ít chất thải. Công nghệ AI giúp hỗ trợ áp dụng chính xác chất lỏng và theo dõi quá trình thu hồi.