Đất Hiếm

[Phạm Văn Bản]

Nguyên Tố Đất Hiếm
The Rare Earth Elements (REEs)

dataurl649455.jpg

Việt Bào Phạm Văn Bản

Nguyên Tố Đất Hiếm (The Rare Earth Elements, REEs) đã được người Nhật Bản gọi là Hạt Giống Công Nghệ (Technology seeds), và Bộ Lao Động Hoa Kỳ lại đặt tên là Kim Loại Công Nghệ (Technological Metal), và đây là một loại thiết bị hay vũ khí gắn liền vào mọi sự sinh hoạt trong cuộc sống hàng ngày của mỗi người chúng ta, bạn không tin sao?

Thưa bạn, từ chiếc điện thoại trong tay mà bạn đang dùng cho tới con chip trên thẻ tín dụng mà bạn trả tiền mua bán, hay chiếc xe điện Tesla hoặc xe chạy xăng Hybrid mà bạn đang lái, và ngay cả chiếc đèn LED tỏa sáng giúp bạn đọc sách báo... tất cả đều liên quan tới nguyên tố đất hiếm (REEs) đó bạn.

I. Nguyên Tố Đất Hiếm

Theo Liên Đoàn Quốc Tế Về Hóa Học Thuần Túy Và Ứng Dụng (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC) là một hợp chất gồm có 17 nguyên tố hóa học thuộc bảng tuần hoàn của Mendeleev, trong đó có Scandi, Ytri và 15 nguyên tố của nhóm Lanthan và trái ngược với tên gọi loại trừ Prometi, có hàm lượng lớn trong lớp vỏ của trái đất mà chúng ta đang sống.

Cũng theo những nhà khoa học, thì các nguyên tố đất hiếm đang có ở trong các lớp trầm tích, trong các mỏ quặng và trong cát đen... nhóm đất hiếm này thường không có tên theo sắp xếp khoa học, nhưng vẫn được Văn Phòng Sáng Chế Và Nhãn Hiệu Hoa Kỳ (United States Patent and Trademark Office, USPTO) sắp xếp vào dạng hợp kim và các hợp chất khác, ví dụ như nam châm đất hiếm từ các dạng khác nhau của nam châm.

Các nguyên tố đất hiếm này còn được gọi là kim loại đất hiếm, ô xit đất hiếm, hay tập hợp của 17 nguyên tố kim loại nặng mang họ Lantan, gồm có Lanthanum (La), Cerium (Ce), Praseodymium (Pr), Neodymium (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb). Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb), Lutetium (Lu), Scandium (Sc), và Yttrium (Y).

Mặc dù mang tên là hiếm – các nguyên tố đất hiếm – ngoại trừ Prometi có tính phóng xạ, và, với Xeri là nguyên tố phổ biến thứ 25 với 68 phần triệu, nhiều hơn cả đồng. Tuy nhiên, do đặc tính địa hóa học của chúng, các nguyên tố đất hiếm thường phân tán và không thường được tìm thấy tập trung trong các khoáng vật đất hiếm; kết quả là các kho quặng đất hiếm mà có thể khai thác kinh tế là ít phổ biến hơn. Khoáng vật đất hiếm đầu tiên được phát hiện vào năm 1787 là Gadolini (Gd) một khoáng chất 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, bởi thế 4 trong số các nguyên tố đất hiếm này có tên bắt nguồn từ tên địa điểm này.

Mặc dù có tên gọi là đất, nhưng thực chất 17 nguyên tố này đều là kim loại không hiếm vì đa số kim loại này đang có dồi dào trong lớp vỏ địa cầu, và các kim loại này đã được con người khai thác và phân loại từ thế kỷ 19 tới nay. Nhưng không giống những kim loại như vàng bạc là khoáng chất độc lập, còn các nguyên tố đất hiếm lại có mức độ tập trung với các khoáng thể khác, thường bị trộn lẫn vào nhau thành chuỗi cung ứng lớn nhất thế giới, bao gồm số quốc gia Đông Nam Á với những thiết bị điện tử là dòng sản phẩm chủ lực.

Trung Quốc là quốc gia có trữ lượng đất hiến đứng đầu thế giới với ước tính vào khoảng 44 triệu tấn, và khai thác hàng năm có khoảng 140 nghìn tấn. Việt Nam và Brazil được ghi nhận là hai quốc gia đứng hàng hai sau Trung Quốc chứa khoảng 22 và 21 triệu tấn, nhưng khai thác của Việt Nam chúng ta thuộc loại thấp nhất và ít nhất, vì lý do học thức nên họ chưa biết tham nhũng mà thôi, hiện nay họ chỉ khai thác được khoảng một nghìn tấn mỗi năm, tương lai tài sản quốc gia còn dành để cho Con Cháu Tiên Rồng như trong Học Thuyết mà người viết đề xướng.

Riêng đối với Hoa Kỳ, thì các nguyên tố đất hiếm lại chỉ có trữ lượng vào khoảng một triệu rưỡu tấn, và đây là nguyên do Hoa Kỳ từ lâu đã phải phụ thuộc vào nguồn cung cấp và nhập khẩu các nguyên tố kim loại này từ Trung Quốc. Nhìn lại thập niên 1980 Hoa Kỳ là quốc gia đầu tiên sản xuất các nguyên tố đất hiếm và được xếp loại đứng đầu thế giới, từ quặng mỏ khai thác ở núi Mountain Pass bên bờ Thái Bình Dương của Tiểu Bang California.

Nhưng sau này công việc khai thác đất hiếm lại bị cơ quan ngôn luận đặt vấn đề bảo vệ môi sinh, khiến cho Hoa Kỳ phải đóng cửa vào năm 2002. Sau đó, việc thả lỏng nhu cầu môi trường chính là nguyên nhân giúp cho Trung Quốc có lợi thế khai thác đất hiếm, và nâng tầm vị thế Tầu Cộng trên bản đồ thế giới như hiện, mặc dù sản xuất kim loại ở Trung Quốc biến thành môi trường độc hại và gây nhiều mầm bệnh ung thư cho dân chúng phải hưởng nhận!

II. Quan Trọng Đất Hiếm

Đặc biệt từ tính, điện hóa và phát quang của các nguyên tố đất hiếm đang được con người ứng dụng vào trong hàng loạt sản phẩm điện tử theo như nhu cầu của Thời Đại Tín Nghiệp (Information Age) mới sắp tới, từ chiếc điện thoại thông minh, ổ đĩa cứng và các phương tiện giao thông chạy điện cho tới các hệ thống phòng thủ quân sự, người máy, năng lượng sạch hay thiết bị y tế.

Các nguyên tố đất hiếm được xử dụng riêng rẽ hoặc cùng nhau để tạo ra các chất phát quang (phosphor) trong nhiều loại ống tia và màn hình phẳng, với đủ loại kích cỡ từ trên các thiết bị điện thoại thông minh cho tới các bảng tỷ số lắp đặt trong sân vận động, v.v...

Một vài yếu tố đất hiếm được xử dụng trong các bóng đèn LED và huỳnh quang. Yttrium, europium, and terbium là các phosphor đỏ-xanh, lá-xanh lục được xử dụng trong bóng đèn thắp sáng và Tivi. Ngành công nghiệp thủy tinh như hiện nay đang là khách hàng lớn nhất của các nguyên tố đất hiếm khi chúng được ứng dụng trong tiến trình phát triển làm bóng đèn, đồng thời còn đóng vai trò là các chất phụ gia giúp tạo màu và hình thành nên nhiều đặc tính quang học đặc biệt nhằm phục vụ cho nhân loại.

III. Thị Trường Đất Hiếm

Như phần trên trình bày, các nguyên tố đất hiếm có giá trị vô cùng quan trọng trong công cuộc sản xuất nam châm vĩnh cửu, các linh kiện thiết yếu cho hầu hết những sản phẩm công nghiệp (Industrial) hiện đại. Theo tổ chức tư vấn lĩnh vực kim loại thiết yếu Dự Án Blue (Project Blue) của Không Quân Hoa Kỳ, nếu như trong năm 2023 vừa qua, giá trị thị trường đất hiếm toàn cầu đạt khoảng 9 tỷ Mỹ Kim thì người ta tính tới năm 2033 con số này sẽ tăng lên gấp đôi là 21 tỷ.

Việc tìm kiếm đất hiếm trên thế giới không khó, tuy nhiên việc điều hành quản trị, tinh chế các mỏ quặng đất hiếm trở thành sản phẩm công nghiệp lại đòi hỏi nhu cầu Kiến Thức (Knowledge) và Thông Toàn (Wisdom) của con người phải có. Do đó các nhà sản xuất Lanthanum xuất hiện trong một nửa các loại ống kính máy ảnh ngay cả trên điện thoại di động, và các chất xúc tác gốc Lathanum này cũng được xử dụng để điều chế xăng chạy xe.

Tiếp đến các chất xúc tác gốc Cerium được xử dụng trong các bộ chuyển đổi xúc tác trên xe hơi. Riêng phần nam châm với sự có mặt của các nguyên tố đất hiếm đang ngày một trở nên phổ biến. Ví dụ nam châm Neodymium, Sắt và Boron (NdFeb) được xem là loại nam châm mạnh nhất từng được biết tới, vì nó thường được ứng dụng trong trường hợp hạn chế không gian và trọng lượng.

Nam châm đất hiếm cũng được xử dụng trong ổ cứng của máy điện toán, đĩa CD và DVD. Động cơ trục chính trong các ổ đĩa đạt được sự ổn định trong quá trình chuyển động xoay khi nó được vận hành bởi một nam châm đất hiếm. Loại nam châm này còn được xử dụng trong nhiều hệ thống phụ trên xe hơi, ví dụ như hệ thống lái trợ lực điện, cửa sổ điện, ghế chỉnh điện và hệ thống loa.

Cerium, lanthanum, neodymium, and praseodymium thường tồn tại trong một oxit hỗn hợp gọi là mischmetal, được sử dụng để loại bỏ tạp chất trong quá trình sản xuất thép và những hợp kim đặc biệt.

Các loại pin nickel hydride kim loại được sản xuất từ những hợp kim gốc lanthanum. Loại pin này được bắt gặp rất nhiều trên các phương tiện xe hơi chạy điện, thân thiện với môi trường.

Neodymium là một nam châm tương đối mạnh thường được sử dụng trong điện thoại thông minh, TV, đèn Laser, pin và ổ cứng. Một dòng ô tô điện của Tesla cũng xử dụng dòng pin có sự góp mặt của Neodymium.

IV. Lịch Sử Đất Hiếm

Nguyên tố đất hiếm đầu tiên được phát hiện là khoáng vật đen Ytterbite, và được đổi tên thành Gadolinite vào năm 1800. Nó được phát hiện bởi Trung úy Carl Axel Arrhenius vào năm 1787 tại một mỏ đá ở làng Ytterby, Thụy Điển.

Khoáng vật Yterbite của Arrhenius đã tới tay Johan Gadolin, một giáo sư của Học Viện Hoàng Gia Turku – theo tài liệu lưu trữ ở Wayback Machine, ngày 20 tháng 7 năm 2022 – và phân tích của ông đã thu được một Oxit không xác định đất, mà ông gọi là Ytria. Tiếp đến Anders Gustaf Ekeberg phân lập Beryli từ Gadolinite nhưng không nhận ra các nguyên tố khác chứa trong quặng này.

Sau này phát hiện vào năm 1794 là một khoáng chất từ Bastnas gần Riddarhyttan Thụy Điển, được cho là một khoáng chất Wolfram sắt, đã được Jons Jacob Berzelius và Wilhelm Hisinger kiểm tra lại. Rồi vào năm 1803 họ thu được một Oxit trắng và gọi là Ceria, tiếp đến Martin Heinrich Klaproth lại phát hiện ra cùng một loại Oxit nữa và gọi là Ochroia.

Vào năm 1803 có hai nguyên tố đất hiếm được biết đến là Ytri và Xeri, mặc dù phải mất thêm 30 năm sau nữa để các nhà nghiên cứu xác định rằng các nguyên tố khác có trong hai quặng Ceria và Ytria có sự giống nhau của tính chất hóa học kim loại đất hiếm và làm cho việc chia tách chúng trở nên khó khăn.

Năm 1839 Carl Gustaf Mosander, trợ lý của Berzelius, đã tách Ceria bằng cách đun nóng Nitrat và hòa tan sản phẩm trong Axit nitric, và ông gọi Oxit của muối hòa tan là Lanthana. Tiếp đến Mosander phải mất thêm 3 năm để phân tích tiếp Lanthana thành Didymia và Lanthana thuần túy. Didymia mặc dù không thể phân tích thêm bằng các kỹ thuật của Mosander, trên thực tế vẫn là một hỗn hợp các Oxit.

Năm 1842 Mosander cũng tích Ytria thành ba Oxit là Ytria nguyên chất, Terbia và Erbia... tất cả các tên đều bắt nguồn từ tên thị trấn Ytterby. Đất cho muối màu hồng Mosander gọi là Terbium, đất hiếm tạo ra Oxit peroxide màu vàng thì được gọi là Erbium.

Bởi thế vào năm 1842, số lượng các nguyên tố đất hiếm được biết đến đã đạt tới 6: Ytri, Xeri, Lanthan, Didymi, Erbi và Terbi.

Nils Johan Berlin và Marc Delafontaine cũng đã cố gắng để tách các Ytria thô và tìm thấy các chất tương tự mà Mosander thu được, nhưng Berlin đặt tên chất cho màu hồng muối erbi vào năm 1860, và Delafontaine tên chất với Peroxide Terbi vàng.

Sự nhầm lẫn này đã dẫn đến một số tuyên bố sai lầm về các nguyên tố mới, ví dụ điển hình là nguyên tố Mosandrium của J. Lawrence Smith, hoặc Philippium và Decipium của Delafontaine. Cũng theo tài liệu thì do khó khăn trong việc tách các kim loại đất hiếm, và xác định sự phân tích hoàn tất, tổng số tuyên bố khám phá sai lầm đã đạt tới hàng chục hay hàng trăm lời nói sai để ngày nay đang giúp cho các nhà khoa học có việc nghiên cứu và giải quyết.

V. Kết Luận

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu là đã, đang và sẽ là mối đe dọa lớn đối với xã hội loài người, chính phủ của nhiều quốc gia trên thế giới đang thực hiện các kế hoạch và thỏa thuận về môi trường đã ký kết, từ thỏa thuận Paris về biến đổi khí hậu năm 2015 cho tới thỏa thuận xanh Châu Âu, và cam kết trung hòa khí carbon vào năm 2050. Để có thể hoàn thành được những mục tiêu đó, các quốc gia phải nhanh chóng chuyển hướng sang việc xử dụng các nguồn lương lượng tái tạo và giao thông không phát thải, đặc biệt phải kể đến các dòng xe chạy điện.

Nhiều nguyên liệu được đánh giá có vai trò quan trọng trong việc phát triển các công nghệ năng lượng sạch để tiến sang thời đại mới – Thời Đại Tín Nghiệp (Information Age), chớ không còn chế độ Tư Bản (Capitalism) và Thời Đại Công Nghiệp (Industrial Age) như đang tàn phai trước mắt chúng ta, và xin cho phép người viết tránh luận bàn kẻo lại bị đeo án là cuồng nọ phò kia.

Sau cùng con người hiện nay cũng đang chú ý đến công cuộc xử dụng các nguyên tố đất hiếm như phần trình bày nói trên là nhằm mục đích để bảo vệ môi trường sinh nhai cho thế giới mà nhân loại đang sống trong tinh thần nhân bản, thân thương, bình đẳng và đồng bào theo nguyên lý Tiên Rồng Song Hiệp Hoàn Chỉnh.

Việt Bào Phạm Văn Bản