RARE EARTH - ĐẤT HIẾM

LỊCH SỬ VÀ TƯƠNG LAI CỦA NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM
THE HISTORY AND FUTURE OF RARE EARTH ELEMENTS
 
Lời người dịch: Các nguyên tố đất hiếm (rare earth elements), được gọi là lanthanides và actinides trong Bảng phân loại tuần hoàn các nguyên tố hóa học, bao gồm 15 nguyên tố hóa học với các bậc số nguyên tử từ 57 đến 71. Hai nguyên tố hóa học, Yttrium có số nguyên tử là 39, và Scandium có số nguyên tử là 21, cũng được xếp vào nguyên tố đất hiếm vì chúng có các tính chất hóa học tương tự như loại lanthanide.
Các nguyên tố đất hiếm đó có độ dẫn điện cao (high conductive) và thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử hiện đại, chẳng hạn như điện thoại di động và nam châm (magnets).
Khoáng chất đất hiếm (rare earth minerals) được chế biến chủ yếu từ quặng (ore) và khoáng chất tự nhiên chứa uranium và thorium. Chế biến khoáng chất đất hiếm liên quan đến việc tách rời và loại bỏ uranium và thorium vào trong chất thải.
15 nguyên tố đất hiếm có bậc số nguyên tử từ 57 đến 71 là La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu; và hai nguyên tố đất hiếm Scandium (Sc- 21) và Yttrium (Y-39) được sắp xếp làm hai loại nguyên tố đất hiếm nhẹ, nặng như sau:
9 nguyên tố đất hiếm nhẹ: La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd; và Sc.
8 nguyên tố đất hiếm nặng: Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu; và Y.
9 nguyên tố đất hiếm nhẹ có tên hóa học và bậc số nguyên tử (atomic numbers):
La- lanthanum (57)
Ce- cerium (58)
Pr- praseodymium (59)
Nd- neodymium (60)
Pm- promethium (61)
Sm- samarium (62)
Eu- europium (63)
Sc- scandium (21)
Chúng ta xem vị trí của 17 nguyên tố đất hiếm được ký hiệu nằm trong bảng phân loại tuần hoàn các nguyên tố hóa học (chemical periodic table):
 
 
Chúng tôi xin trích dịch tài liệu của Viện lịch sử khoa học. Viện lịch sử khoa học là tổ chức đăng ký phi lợi nhuận, có trụ sở tại 315 Chesnut Street, Philadelphia, PA 19106, Hoa Kỳ.
Tiến sĩ BÙI SÔNG THU- VIỆN TRƯỞNG Viện khoa học quản trị Phương Nam, Việt Nam.

1. Nguyên tố đất hiếm là gì, và nó đến từ đâu? What are the rare earth elements, and where do they come from? 

Đất hiếm (rare earths) là 17 nguyên tố kim loại (metallic element), nằm ở giữa bảng phân loại tuần hoàn (periodic table), có các bậc số nguyên tử 21, 39 và 57-71. Những kim loại này có đặc tính huỳnh quang (fluorescent), dẫn điện (conductive) và từ tính (magnetic) bất thường- khiến chúng rất hữu ích khi được hợp kim (alloyed) hoặc được trộn (mixed) lượng nhỏ với các kim loại phổ biến hơn như sắt (iron). 1
Vị trí của đất hiếm trên Bảng phân loại tuần hoàn các nguyên tố hóa học:

Nói về mặt địa chất học (geological), các nguyên tố đất hiếm là không phải là đặc biệt hiếm. Nơi có mặt của những kim loại này được tìm thấy ở nhiều chỗ quanh địa cầu, với một số nguyên tố có cùng độ phong phú trong vỏ trái đất như đồng (copper) hoặc thiếc (tin). Nhưng đất hiếm không bao giờ tìm thấy có độ tập trung rất cao mà thường được tìm thấy trộn lẫn cùng nhau hoặc hợp với các nguyên tố phóng xạ (radioactive elements), như uranium và thorium. 2
Tính chất hóa học (chemical properties) của nguyên tố đất hiếm tạo cho chúng khó tách rời khỏi các vật liệu chung quanh và tách rời lẫn nhau. Những phẩm chất nầy cũng tạo cho chúng khó tinh luyện. Các phương pháp sản xuất hiện nay đòi hỏi nhiều quặng và sinh ra một lượng lớn chất thải có hại (a great deal of harmful waste) để chiết xuất (ly trích- extract) dù chỉ một lượng nhỏ kim loại đất hiếm. Chất thải từ phương pháp chế biến gồm nước phóng xạ, flo độc hại, và axit (radioactive water, toxic fluorine, and acides). 3
Sự hiểu biết ngày càng tăng của chúng ta về các đặc tính độc đáo của các nguyên tố đất hiếm đã sinh ra việc sử dụng chúng được mở rộng trong xã hội đương thời. Đất hiếm là thành phần trong nhiều công nghệ quen thuộc, bao gồm điện thoại sáng dạ (smartphones), đèn LED, và xe hơi lai (hybrid cars). Một số nguyên tố đất hiếm được sử dụng trong lọc dầu (oil refining) và năng lượng hạt nhân (nuclear power); các nguyên tố đất hiếm khác quan trọng đối với tua bin gió (wind turbines) và xe điện (electric vehicles); và sử dụng chuyên biệt hơn trong thuốc men (medicine) và chế tạo. Đất hiếm đã trở nên quan trọng cho đời sống hiện đại, và người tiêu dùng Mỹ (American consumers) hầu như chưa nhận thấy sự tùy thuộc của chúng ta vào đất hiếm. 4

1. Khám phá và thương mại hóa các nguyên tố đất hiếm

Discovery and commercialization of the rare earth elements
Thuật ngữ đất hiếm được đặt ra khi một tảng đá đen bất thường (unsual black rock) được khai quật (unearthed) bởi một người thợ mỏ ở thị trấn Ytterby, Thụy Điển, vào năm 1788. Quặng được gọi là “hiếm” vì nó chưa từng được nhìn thấy trước đây và “đất” vì đó là thuật ngữ địa chất thế kỷ 18 để chỉ đá có thể hòa tan trong axit (rocks that could be dissolved in acid). Vào năm 1794, nhà hóa học Johan Gadolin đã đặt tên cho “đất” trước đây chưa đươc biết đến là Yttria, theo tên thị trấn Ytterby nơi nó được phát hiện. Theo thời gian, các mỏ xung quanh Ytterby đã khai thác đá mang lại bốn nguyên tố được đặt theo tên thị trấn là Yttrium, Ytterbium, Terbium và Erbium. 5
Xác định nguyên tố mới là hoạt động có uy tín nhưng tranh cãi cho các nhà hóa học châu Âu trong thế kỷ19. Jons Jacob Berzelius đã cô lập và đặt tên là Cerium vào năm 1803 và Thorium vào năm 1828. Vào năm 1839, nhà hóa học Thụy Điển Carl Gustaf Mosander bắt đầu phân tích một cách có hệ thống các loại đất hiếm trộn lẫn, khám phá và đặt tên là lanthanum, erbium, và terbium. Vào nửa sau thế kỷ 19, các nhà hóa học Gustav Kirchhoff và Robert Bunsen đã phát triển quang phổ học (spectroscopy) như một kỹ thuật cho xác định các nguyên tố bởi kiểm tra quang phổ ánh sáng (light spectra). Thách thức to lớn trong hóa học đất hiếm- cả lúc đó và bây giờ- là tìm cách tách chúng rời ra. 6
Carl Auer von Welsbach là sinh viên của Robert Bunsen- nhà phát minh ra lò đốt Bunsen- tại Đại học Heidelberg ở nước Đức vào năm 1880.
Welsbach bắt đầu làm việc với các nguyên tố đất hiếm. Welsbach là một nhà hóa học phòng thí nghiệm có kỹ năng, ông ấy chỉ ra rằng didymium, trong thực tế didymium là hợp kim của hai nguyên tố đất hiếm và ông đặt tên là neodymium và praseodymium (lúc đó mọi người nghĩ rằng didymium chì là một nguyên tố). Khi Welsbach chú ý đến các mối quan tâm công nghiệp, ông trở thành người đầu tiên phát triển việc sử dụng thương mại cho các nguyên tố đất hiếm. 7
Ông nhận ra rằng các đặc tính nóng sáng (incandescent properties) của các nguyên tố đất hiếm có thể hữu ích. “Sợi đốt (incandescence) mô tả sự phát sáng của ánh sáng nhìn thấy được phát ra khi một vật liệu được đốt nóng”. Welsbach đã phát triển một lớp phủ khí (gas mantle) dùng vật liệu sợi đốt tạo ra ánh sáng rực rỡ và có thể được sản xuất hàng loạt. Vào năm 1935, hơn năm tỷ đèn (>5.000.000.000) đã được sản xuất, phát minh này đã đặt ra vấn đề: đèn khó phát sáng, và những đống đất hiếm thải còn lại sau sản xuất dễ bắt lửa. Welsbach đã tìm ra cách hợp kim, hoặc trộn lẫn những đất hiếm thải này với sắt, tạo ra một loại “đá lửa” (flint stone) phát sáng khi bị va đập, mà ông đặt tên là ferrocerium. Vật liệu này đã được sử dụng rộng rãi trong bật lửa thuốc lá, cũng như các thiết bị đánh lửa (ignition devices) trong xe hơi. Quặng để cung cấp các nguyên tố đất hiếm này phần lớn đến từ Brazil, Ấn Độ, và Hoa Kỳ (Bắc Carolina), do đó tạo ra thương mại quốc tế đầu tiên về các nguyến tố đất hiếm. 8
Dùng các nguyên tố đất hiếm trong nhiều ngành công nghệ khác nhau:

C- Tương lai của nguyên tố đất hiếm
       The future of rare earth elements
Các nguyên tố đất hiếm (rare earth elements) hầu như nắm giữ phần quan trọng của tương lai chúng ta- từ tính toán lượng tử (quantum computing) và khoa học vật liệu (material sciences), đến áp dụng thuốc men và những tân tiến trong công nghệ xanh. Chúng là cần thiết trong nỗ lực giảm thải khí nhà kính (greenhouse-gas emissions) đủ để tránh những hậu quả tàn khốc nhất của sự suy sụp khí hậu. Sự tăng trưởng (lớn lên) của các trang trại gió (wind farms) sẽ lèo lái nhu cầu về neodymium và dysprosium được dùng trong các động cơ tua bin gió. Những động thái đang diễn ra từ xe hơi đốt trong sang xe điện cũng sẽ làm tăng nhu cầu về nam châm và pin đất hiếm (rare earth magnets and batteries). 9
Để đáp ứng nhu cầu tương lai, các công ty khai mỏ đề nghị mở những mỏ mới (new mines) và xây dựng các nhà máy chế biến mới tại nhiều nơi trên thế giới. Một số kế hoạch nghe giống như viễn tưởng khoa học (science fiction), chẳng hạn như khai thác ở biển sâu (deep-sea mining) và khai thác đất hiếm từ nước thải có tính axit (acidic wastewater) thoát ra từ các mỏ bỏ hoang (abandoned mines). Những kỹ thuật sản xuất này có thể trở nên khả thi về mặt kinh tế (economically viable) nếu gia tăng lớn về nhu cầu làm tăng giá hoặc nếu các chính phủ quyết định trợ cấp chi phí sản xuất. 10
Một ý tưởng khác là thiết kế các công nghệ của chúng ta tốt hơn vì vậy chúng ta có thể giảm bớt hoặc tái sử dụng dễ dàng hơn các kim loại đất hiếm bên trong chúng (rare earth metals inside them). Trong cuộc khủng hoảng năm 2010, các nhà sản xuất xe hơi đã tái thiết kế các xe cộ để dùng lượng nhỏ hơn kim loại đất hiếm. Đồ điện tử của người tiêu dùng (consumer electronics) có thể được thiết kế để sửa chữa và nâng cấp dễ dàng hơn là đơn giản bỏ đi (simply discarded). Nghiên cứu các phương pháp mới để thu hồi đất hiếm từ rác thải điện tử (electronic waste), chẳng hạn, có thể làm giảm lượng kim loại cần được sản xuất bằng cách khai mỏ và tinh luyện (refining). Các chính phủ, các nhóm hoạt động và các công ty cũng có thể cộng tác để thu thập chất thải có chứa đất hiếm (collect wastes containing the rare earths) để cho phép (enable) các chương trình tái chế (recycling programs) hiệu quả hơn về mặt kinh tế. 11
Sản xuất kim loại đất hiếm bền vững và công bằng xã hội (sustainable and socially fair) cuối cùng phụ thuộc vào sự sẵn lòng (willingness) của người tiêu dùng và nhà sản xuất để trả nhiều hơn về vật liệu, là sản xuất có đạo đức (are produced ethically). Thêm vào đó, các cơ chế cả bên trong và bên ngoài các chính phủ phải bảo đảm rằng các phương pháp sản xuất bền vững được thực hiện thật sự (actually implemented)./. 12
**********