Đất hiếm ở Việt Nam: Đông Pao, Nậm Xe và vì sao gọi là đất hiếm

Đất hiếm là nhóm 17 nguyên tố kim loại gồm 15 nguyên tố họ lantan cùng scandi và ytri; ở Việt Nam, các mỏ đất hiếm được biết đến nhiều nhất là Đông Pao và Nậm Xe ở tỉnh Lai Châu. Gọi là "hiếm" không phải vì chúng cực ít trong vỏ Trái Đất — xeri còn phổ biến cỡ đồng — mà vì chúng hiếm khi tập trung đủ đậm để khai thác, và cực khó tách riêng từng nguyên tố do tính chất hoá học gần như giống hệt nhau. Đất hiếm là thành phần không thể thiếu của nam châm neodym trong động cơ xe điện, tuabin gió, loa và ổ cứng.

17 nguyên tố đất hiếm gồm những gì?

Trong bảng tuần hoàn, đất hiếm chiếm gần trọn một hàng riêng ở phía dưới — dãy lantan — cộng thêm hai nguyên tố có tính chất tương tự là scandi (Sc) và ytri (Y). Người ta thường chia thành hai nhóm:

Prometi là trường hợp đặc biệt: mọi đồng vị của nó đều phóng xạ và phân rã nhanh, nên trong tự nhiên gần như không có. Đất hiếm nặng thường hiếm và có giá trị hơn đất hiếm nhẹ.

Vì sao gọi là đất hiếm khi chúng không hề quá hiếm?

Cái tên ra đời từ thế kỷ 18–19, khi các nhà hoá học châu Âu tìm thấy chúng trong những khoáng vật lạ ở Thuỵ Điển. "Đất" là cách gọi cũ cho các ôxít không tan, khó nung chảy; "hiếm" vì lúc ấy chỉ thấy trong vài khoáng vật ít gặp. Ngày nay ta biết:

• Về độ phổ biến, xeri và neodym có hàm lượng trong vỏ Trái Đất tương đương hoặc cao hơn đồng, chì. Ngay cả nguyên tố hiếm nhất trong nhóm (trừ prometi) cũng phổ biến hơn vàng, bạc nhiều lần.
• Về độ tập trung, chúng lại rất phân tán. Mỏ đất hiếm đủ giàu để khai thác có lợi chỉ có ở một số nơi trên thế giới.
• Về việc tách, đây mới là "hiếm" thật: 15 nguyên tố họ lantan có kích thước ion giảm dần rất ít từ nguyên tố này sang nguyên tố kế bên, nên hoá tính gần như giống nhau. Tách neodym khỏi praseodym khó như tách hai hạt cát cùng màu cùng cỡ.

Mỏ đất hiếm Đông Pao và Nậm Xe ở đâu, có gì?

Đông Pao nằm ở vùng Tam Đường, tỉnh Lai Châu. Quặng ở đây chủ yếu là đất hiếm nhẹ trong khoáng vật bastnaesit (đất hiếm cacbonat flo), đi kèm fluorit và barit — hai khoáng vật cũng có giá trị công nghiệp riêng. Nậm Xe nằm ở vùng Phong Thổ, cũng thuộc Lai Châu, là một mỏ đất hiếm khác trong cùng dải khoáng hoá vùng Tây Bắc. Ngoài Lai Châu, giới địa chất còn ghi nhận đất hiếm ở vùng Yên Phú (Yên Bái cũ, nay thuộc Lào Cai) với thành phần thiên về đất hiếm nặng, và trong monazit của sa khoáng ven biển miền Trung.

Về trữ lượng, các con số công bố cho Việt Nam từng thay đổi đáng kể giữa các nguồn quốc tế và trong nước theo từng năm, do khác nhau về cách tính và mức độ thăm dò. Vì thế bài viết không đưa con số cụ thể. Điều chắc chắn là Việt Nam được xếp vào nhóm nước có tiềm năng đất hiếm đáng kể, nhưng khai thác và chế biến sâu còn rất hạn chế.

Từ quặng đến kim loại đất hiếm phải qua những bước nào?

1. Khai thác và tuyển: nghiền quặng, tuyển nổi hoặc tuyển từ để nâng hàm lượng ôxít đất hiếm, tách fluorit, barit thành sản phẩm riêng.
2. Phân huỷ quặng: dùng axit hoặc kiềm ở nhiệt độ cao để phá cấu trúc khoáng vật, đưa đất hiếm vào dung dịch. Bước này sinh nhiều chất thải, kể cả chất phóng xạ thori, urani đi kèm.
3. Tách chiết dung môi: cho dung dịch đất hiếm tiếp xúc với dung môi hữu cơ chọn lọc, mỗi lần chỉ chênh lệch rất nhỏ giữa các nguyên tố. Để tách sạch từng nguyên tố cần ghép hàng chục tới hàng trăm bậc liên tiếp — đây là bước khó và tốn kém nhất.
4. Kết tủa và nung ra ôxít đất hiếm riêng lẻ, độ sạch cao.
5. Luyện kim loại: phần lớn bằng điện phân muối nóng chảy, vì đất hiếm liên kết với ôxi rất bền. Neodym kim loại nóng chảy ở khoảng 1.020 °C.
6. Làm nam châm: nấu hợp kim neodym – sắt – bo, nghiền thành bột, ép trong từ trường, thiêu kết rồi từ hoá.

Thế giới hiện có rất ít quốc gia làm chủ trọn chuỗi này, đặc biệt là khâu tách chiết và làm nam châm. Đó là lý do đất hiếm thường được nhắc tới như một "khoáng sản chiến lược".

Nam châm neodym quan trọng thế nào?

Nam châm neodym – sắt – bo (NdFeB) là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất được dùng phổ biến. Một viên nhỏ như hạt đậu có thể giữ được vật nặng gấp hàng trăm lần trọng lượng của nó. Nhờ đó:

• Động cơ xe điện nhỏ gọn, hiệu suất cao.
• Tuabin gió loại truyền động trực tiếp không cần hộp số.
• Loa, tai nghe, điện thoại mỏng nhẹ mà âm thanh vẫn khoẻ.
• Ổ cứng, máy chụp cộng hưởng từ, robot công nghiệp.

Điểm yếu của nam châm neodym là mất từ tính khi nóng (nhiệt độ Curie của NdFeB chỉ khoảng 310–400 °C tuỳ loại, và đã yếu đi từ trước đó nhiều). Vì vậy nam châm cho động cơ nóng phải thêm dysprosi, terbi — hai nguyên tố đất hiếm nặng — khiến nhu cầu đất hiếm nặng tăng cao.

An toàn khi cầm nam châm mạnh: hai viên hút nhau có thể kẹp đau ngón tay hoặc vỡ bắn mảnh; trẻ em nuốt phải từ hai viên trở lên có thể gây thủng ruột — cần đi viện ngay. Cất nam châm mạnh xa tầm tay trẻ nhỏ.

Khai thác đất hiếm đặt ra những vấn đề môi trường gì?

• Chất phóng xạ đi kèm: nhiều quặng đất hiếm chứa thori, urani; bã thải phải quản lý như chất thải phóng xạ mức thấp.
• Hoá chất: axit, kiềm, dung môi dùng với khối lượng lớn; nước thải phải xử lý nghiêm ngặt.
• Địa hình núi cao: các mỏ ở Lai Châu nằm vùng núi dốc, mưa lớn, nên hồ thải và bãi thải phải tính tới sạt lở, lũ quét.

Kinh nghiệm thế giới cho thấy những vùng từng khai thác và tách đất hiếm thiếu kiểm soát để lại ô nhiễm đất, nước kéo dài nhiều thập kỷ. Vì thế "có quặng" chỉ là bước đầu; làm được sạch mới là bài toán thật.

Có thể tìm hiểu thêm ở đâu?

Bảo tàng Địa chất (Hà Nội) có mẫu quặng đất hiếm, fluorit, barit của Việt Nam. Viện Công nghệ xạ hiếm (thuộc Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam) là đơn vị nghiên cứu lâu năm về tách chiết đất hiếm trong nước. Để hiểu chuỗi cung ứng toàn cầu, các báo cáo thường niên về khoáng sản của Cục Địa chất Hoa Kỳ (USGS) là nguồn tham khảo phổ biến, nhưng nhớ đối chiếu năm phát hành vì số liệu được cập nhật thường xuyên.