Tách hỗn hợp các kim loại đất hiếm bằng từ trường

Giải pháp sử dụng nghịch từ

Mười bảy nguyên tố, kim loại đất hiếm là thành phần quan trọng của nhiều công nghệ nhưng không thể tìm thấy trong các mỏ tập trung lớn, do những kim loại đất hiếm này phân tán rộng. Để có được những kim loại này, nhà cung cấp buộc phải sử dụng những quy trình chiết xuất độc hại và gây ô nhiễm cho môi trường.

Nhằm tìm kiếm phương pháp hiệu quả hơn để tái chế các kim loại này, một nghiên cứu gần đây của phòng thí nghiệm Eric Schelter thuộc trường Đại học Pennsylvania đã giới thiệu phương pháp mới tách hỗn hợp các kim loại đất hiếm bằng từ trường.

Phương thức tiếp cận này, được công bố trên  tạp chí khoa học Angewandte Chemie International Edition, cho thấy hiệu suất phân tách kim loại đất hiếm tăng gấp đôi và là bước khởi đầu cho ngành kinh tế sản xuất kim loại đất hiếm sạch và quay vòng nhiều lần hơn.

Sơ đồ đơn giản phân tách kim loại đất hiếm bằng nam châm vĩnh cửu

Cách tiếp cận tiêu chuẩn nhằm tách hỗn hợp các nguyên tố bằng phương pháp tiến hành phản ứng hóa học sao cho một trong các nguyên tố đổi pha, như chuyển từ dạng lỏng sang dạng rắn. Biện pháp này cho phép tách các nguyên tố đất hiếm bằng phương pháp vật lý như lọc.

Phương pháp này được sử dụng để tách kim loại đất hiếm. Hỗn hợp được đưa vào dung dịch axit và một hợp chất hữu cơ. Các ion kim loại riêng lẻ từ từ di chuyển khỏi pha axit vào pha hữu cơ với tốc độ khác nhau dựa trên những tính chất hóa học của kim loại.

Vấn đề khó khăn nhất của phương pháp này là rất nhiều tính chất hóa học, như độ hòa tan hoặc cách phản ứng với các nguyên tố khác rất giống nhau trong các kim loại đất hiếm.

Không có những khác biệt hóa học đủ mạnh khiến việc tách các kim loại đất hiếm là một quá trình tiêu tốn năng lượng và thời gian, hình thành một lượng lớn chất thải axit. 

Những kim loại đất hiếm khác nhau lại có những tính chất nghịch từ (paramagnetism) khác nhau, hoặc cường độ phản ứng của các kim loại đất hiếm với từ trường hoàn toàn khác nhau.

Các nhà nghiên cứu từng quan tâm đến giải pháp sử dụng nghịch từ (paramagnetism) để cô lập các nguyên tố đất hiếm khác nhau, nhưng những nỗ lực trước không tìm ra phương án kết hợp nghịch từ với phản ứng hóa học hoặc quá trình chuyển pha.

Kết tinh các nguyên tố bằng giảm nhiệt độ

Phát hiện quan trọng được các nhà khoa học tìm thấy là sự kết hợp giữa từ trường  và suy giảm nhiệt độ khiến các ion kim loại kết tinh ở những tốc độ khác nhau. Kết tinh các nguyên tố bằng cách giảm nhiệt độ là một phương pháp thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm, nhưng cấp độ ảnh hưởng của giải pháp này thực sự gây bất ngờ.

Sử dụng phương pháp này, các nhà nghiên cứu có thể phân tách một cách hiệu quả và có chọn lọc các kim loại đất hiếm nặng như terbium và ytterbium khỏi các kim loại nhẹ hơn như lanthanum và neodymium. Kết quả nổi bật nhất là sử dụng hỗn hợp 50/50 lanthanum và dysprosium và lấy được tới 99,7% dysprosium chỉ trong một lần phân tách - "tăng 100%" so với cùng phương pháp không sử dụng nam châm.

Do không thể hiểu rõ được những cơ chế hóa học của các phương pháp phân tách hiện tại, các nhà nghiên cứu hy vọng rằng phương pháp hệ thống mới này có thể đưa các công nghệ tách kim loại từ " giả kim thuật" sang một công nghệ nào đó dễ kiểm soát hơn, có tính cạnh tranh cao hơn và chi phí có hiệu quả hơn.

Ông Schelter nhận: "Nếu có được một cấu trúc thiết kế hợp lý hơn để tăng cường khả năng phân tách kim loại đất hiếm, đây sẽ là một lợi thế rất lớn trong ngành công nghiệp phân kim".

Hiện nay,  các nhà khoa học đang tìm cách cải thiện hiệu quả của phản ứng phân tách khi nghiên cứu mô hình từ trường tương tác với những giải pháp hóa học. Nghiên cứu khoa học này và kết quả của những hóa học cơ bản khác là thành quả đầu tiên, có ý nghĩa quan trọng khiến việc phân tách và tái chế kim loại đất hiếm trở nên hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn.

Ông Higgins cho biết: "Chúng ta càng nhanh chóng tìm ra những phương thức mới để thực hiện phân tách kim loại đất hiếm hiệu quả, càng có thể cải thiện nhanh hơn những vấn đề về môi trường và khí hậu liên quan đến khai thác và tái chế đất hiếm".

Nghiên cứu này được sự tài trợ của Bộ Năng lượng Mỹ, Văn phòng Khoa học, Văn phòng Chương trình Phân tích và Đánh giá Khoa học Năng lượng Cơ bản Grant DE-SC0017259.