Bộ năng lượng Hoa Kỳ phát triển công nghệ tái chế đất hiếm từ nam châm

Con người đã trải qua thời kỳ sử dụng tài nguyên thiên nhiên một cách hoang phí từ nguyên vật liệu, khoán sản, năng lượng hoá thạch... Nay thì tới lúc chúng ta đang đối mặt với nguy cơ thiếu hụt những yếu tố đó trong tương lai gần. Thị trường đất hiếm cũng không ngoại lệ, trước đây nguồn cung mặt hàng này vốn dồi dào, thì hiện tại nó đang bị cắt giảm do chính sách hạn chế xuất khẩu ra thế giới của Trung Quốc, trong khi các mỏ lớn tại Mỹ và Úc chưa kịp mở cửa trở lại. Sự khan hiếm nguyên liệu đầu vào gây khó khăn không nhỏ cho các công ty công nghệ cao và hậu quả là giá thành các sản phẩm bị đẩy lên gấp khá nhiều. Trong nỗ lực chung nhằm giải quyết vấn đề, các nhà khoa học ở phòng thí nghiệm Ames trực thuộc Bộ năng lượng Hoa Kỳ vừa cho biết họ đã thành công trong việc tái chế các nguyên tố đất hiếm vốn được sử dụng ở các nam châm. Trong thử nghiệm mới nhất, nhóm nghiên cứu đã tiến hành tách neodymium cùng hai nguyên tố đất hiếm khác từ nam châm từ cũ, sau đó họ tái sử dụng nó trong các chu trình chế tạo nam châm mới. Kết quả kiểm tra cho thấy đất hiếm tái chế được cho hiệu quả tương đương với sản phẩm được tinh chế từ các mỏ quặng.

Được biết, nghiên cứu tái chế đất hiếm đã được phòng thí nghiệm Ames tiến hành từ những năm 1990. Trong những thí nghiệm đầu tiên, các chuyên gia đã sử dụng magiê lỏng để tách một nguyên tố đất hiếm là neodymium khỏi các mảnh nam châm làm từ hai kim loại khác là sắt và Bo (nguyên tố có số thứ tự thứ 5 trong bảng tuần hoàn). Tuy nhiên lúc ấy, mục đích của họ là đưa hỗn hợp magiê-đất hiếm vào sản xuất trực tiếp các nam châm mới chứ không phải tách ra đất hiếm nguyên chất. Ngoài ra, do hiệu quả của kĩ thuật tái chế chưa cao cùng với việc giá đất hiếm còn khá rẻ nên công nghệ chưa thực sự được quan tâm ở thời điểm đó.

Trong vòng 3 năm trở lại đây, giá đất hiếm đã tăng gấp 10 lần, vì thế công nghệ tái chế trên đã được đưa trở lại với một vài cải tiến. Đầu tiên nhóm nghiên cứu lấy các thanh nam châm cũ chứa các nguyên tố đất hiếm như neodymium, praseodymium, dysprosium và loại bỏ các lớp mạ ngoài. Tiếp đến họ chuyển các thanh nam châm vào lò nung nóng, rồi đưa chúng vào các cối giã vật liệu tự động. Các thiết bị sẽ được điều chỉnh cho tới khi các mảnh nam châm được tán nhỏ tới kích thước 2-4 mm.

Ở giai đoạn tiếp theo các hạt nam châm được đưa vào một chiếc hộp có các mặt là lưới kim loại. Sau đó họ thả thêm các mẩu magie rắn vào trộn cùng. Giống như trong công nghiệp luyện kim, nhóm nghiên cứu nung nóng khối vật liệu bằng cách sử dụng sóng điện từ. Khi sóng tác động lên vỏ ngoài, nó sẽ gây ra dòng Foucault (Fu-cô), chính dòng điện này sinh nhiệt làm nóng khối chất. Do có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, magie sẽ hóa lỏng trước, trong khi các hạt nam châm vẫn còn ở dạng rắn.

Lúc đó, tại các bề mặt tiếp xúc giữa những hạt nam châm và magiê lỏng xuất hiện các hiệu ứng tương tác đặc biệt. Nhờ hiệu ứng này, các nguyên tố đất hiếm bắt đầu khuếch tán từ những hạt nam châm sang dung dịch magie lỏng. Nhóm nghiên cứu sẽ lọc các hạt nam châm và chất lỏng ra riêng rẽ. Tiếp đến, họ đổ dung dịch lỏng của magiê có chứa đất hiếm vào các khuôn và làm lạnh. Sau đó, các thỏi nhiên liệu mới được nung nóng tới khi magiê nóng chảy ra lần thứ hai. Khi đó người ta có thể tách đất hiếm ra khỏi magiê lỏng dễ dàng.

Sử dụng đất hiếm thứ cấp thu được, các chuyên gia đưa nó vào tái sử dụng để chế tạo các nam châm mới. Kết quả cho thấy các sản phẩm tạo ra có chất lượng tương đương với nam châm sử dụng đất hiếm sơ cấp (đất hiếm được khai thác từ mỏ). Hơn nữa, lượng đất hiếm tái chế thu được cũng có hàm lượng đủ lớn để có thể đưa nó vào sản xuất ở quy mô công nghiệp.

Nhóm nghiên cứu dự định sẽ phát triển tối ưu hơn nữa phương pháp của họ để nâng cao hiệu quả sử dụng thực tiễn trong thời gian tới.

Tuy chỉ chiếm một lượng rất nhỏ trong các nam châm, đất hiếm pha tạp sẽ tăng cường mạnh mẽ các đặc tính điện từ của vật liệu. Do đó, mặc dù mới xuất hiện từ những năm 1990, nam châm đất hiếm đã có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghiệp. Trong số đó, phải kể đến nam châm trên các ổ đĩa cứng, tua-pin gió, công nghiệp xe hơi, máy phát điện cùng nhiều thiết bị khác.

Nguồn: Ames Lab