Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Kelaniya (Sri Lanka) vừa công bố quy trình tích hợp cho phép đồng thời sản xuất phân bón nitrophosphate và thu hồi nguyên tố đất hiếm (REE) từ quặng apatite Eppawala — một mỏ khoáng sản 60 triệu tấn vốn chưa được khai thác triệt để về mặt giá trị.

Bối cảnh

Kim loại đất hiếm (REE) — nhóm 17 nguyên tố bao gồm các lanthanide cùng yttrium và scandium — có mặt trong nhiều thiết bị công nghệ hiện đại: pin xe điện, turbine gió, điện thoại thông minh. Trung Quốc hiện nắm phần lớn chuỗi cung ứng toàn cầu, trong khi nhiều quốc gia đang tìm kiếm các nguồn cung bổ sung.

Sri Lanka sở hữu mỏ apatite Eppawala tại tỉnh Bắc Trung bộ, chứa hàm lượng đất hiếm đo được ở mức đáng chú ý: cerium (Ce) 1.124 ppm, lanthanum (La) 482 ppm, neodymium (Nd) 477 ppm, với tổng REE khoảng 2.465 mg/kg quặng. Tuy nhiên, việc chiết tách REE trực tiếp từ mỏ này từ trước đến nay được đánh giá là chưa khả thi về mặt kinh tế do hàm lượng thấp.

Nhóm nghiên cứu do PGS. Pradeep Wishwanath Samarasekere dẫn đầu tiếp cận vấn đề theo hướng khác: thay vì chiết REE như một quy trình độc lập, họ tích hợp thu hồi REE vào dây chuyền sản xuất phân bón sẵn có, để chi phí được phân bổ chung và toàn bộ nguyên liệu đầu vào đều được sử dụng.

Quy trình gồm sáu bước

Bước 1 — Hòa tách bằng axit nitric: Quặng apatite được nghiền mịn dưới 62 µm, sau đó hòa tan trong axit nitric 10M ở 70°C trong 120 phút, với tỷ lệ pulp 2,4 mL/g. Ở điều kiện này, hiệu suất hòa tách REE đạt 99,7% và hiệu suất phân hủy P₂O₅ đạt 99,6%. Nhóm nghiên cứu ghi nhận rằng nồng độ axit thấp hơn hoặc cao hơn 10M đều làm giảm hiệu suất, nhiều khả năng do độ nhớt dung dịch tăng cản trở quá trình khuếch tán.

Bước 2 — Kết tinh làm lạnh để loại canxi: Dung dịch sau hòa tách chứa lượng lớn ion Ca²⁺, vốn gây cản trở cho các bước thu hồi REE tiếp theo. Nhóm làm lạnh dung dịch xuống -5°C đến -20°C trong 90 phút, khiến canxi kết tủa dưới dạng Ca(NO₃)₂·4H₂O. Kết quả loại được 42% lượng canxi, trong khi tỷ lệ REE đồng kết tủa theo dưới 2%. Ca(NO₃)₂·4H₂O thu được có thể tái sử dụng làm phân bón giàu đạm.

Bước 3 — Trung hòa một phần để kết tủa REE phosphate: Dung dịch mẹ được điều chỉnh pH lên 1,4 bằng dung dịch NH₄OH 25% ở 70°C. Ở mức pH này, các ion REE³⁺ kết tủa chọn lọc dưới dạng REPO₄, đạt hiệu suất chiết xuất trên 90% cho các nguyên tố đất hiếm được theo dõi.

Bước 4 — Hòa tan chọn lọc REE: Kết tủa thu được vẫn còn lẫn canxi và sắt. Nhóm xử lý bằng hỗn hợp axit phosphoric-sulfuric để hòa tan REE, trong khi canxi chuyển thành CaSO₄ không tan và được loại bỏ. Hiệu suất hòa tan REE ở bước này trên 99%.

Bước 5 — Kết tủa muối sulfate kép: REE trong dung dịch được kết tủa thành NaREE(SO₄)₂·xH₂O bằng cách bổ sung NaCl hoặc Na₂SO₄ ở 80°C. Sản phẩm thu được chứa 22,2% REE tổng theo khối lượng.

Bước 6 — Sản xuất phân bón: Dung dịch lọc sau khi tách REE ở Bước 3 — còn chứa nitrate và phosphate — được trung hòa hoàn toàn bằng ammonium hydroxide để tạo ra phân bón nitrophosphate thành phẩm.

Kết quả ghi nhận

Về thu hồi đất hiếm, tổng hiệu suất thu hồi REE vượt 90%, với thứ tự hiệu quả theo từng nguyên tố là Pr > Nd > Ce > Gd > Sm > Y > Dy. Praseodymium và neodymium — hai nguyên tố quan trọng trong chế tạo nam châm cho động cơ điện và turbine gió — nằm trong nhóm có hiệu suất cao nhất. Dysprosium đạt hiệu suất thấp hơn ở giai đoạn trung hòa nhưng cho tỷ lệ thu hồi cao nhất (59,5%) ở giai đoạn kết tủa muối sulfate kép, do bán kính ion nhỏ và mật độ điện tích cao hơn so với các REE nhẹ.

Về chất lượng phân bón, sản phẩm nitrophosphate đạt các chỉ tiêu sau: nitơ tổng 18,2%, phosphorus tổng 13,9% (tính theo P₂O₅), độ ẩm 0,6%, axit phosphoric tự do 0,1%. Phân tích SEM-EDX không phát hiện dấu vết REE hay kim loại nặng trong sản phẩm phân bón.

Điểm khác biệt so với các phương pháp hiện có

Hai phương pháp sản xuất phân bón phổ biến hiện nay là SSP (superphosphate đơn) và TSP (triple superphosphate) đều tạo ra phụ phẩm phosphogypsum, trong đó có thể giữ lại đến 85% REE và khó thu hồi tiếp. Tuyến nitrophosphate mà nhóm Sri Lanka sử dụng không tạo ra phụ phẩm này, cho phép REE đi vào dung dịch và được thu hồi theo quy trình mô tả ở trên.

Nhóm tác giả cũng lưu ý rằng tỷ lệ CaO/P₂O₅ của quặng Eppawala là 1,53 — nằm dưới ngưỡng 1,6 thường được xem là ranh giới kinh tế cho các quy trình ướt — cho thấy quặng này phù hợp cho hướng tiếp cận đã đề xuất.

Những hạn chế còn tồn tại

Nhóm tác giả thừa nhận quy trình hiện tại còn một số điểm cần cải thiện. Hiệu suất thu hồi ở bước kết tủa muối sulfate kép chưa đồng đều giữa các nguyên tố, với gadolinium chỉ đạt 19,6%. Sản phẩm NaREE(SO₄)₂·xH₂O còn chứa tạp chất đáng kể gồm natri (68,4%), sắt và nhôm, cần thêm bước tinh chế nếu muốn đạt độ tinh khiết cao hơn.

Về trữ lượng, tỷ lệ đất hiếm nhẹ/nặng (LREE/HREE) trong mỏ Eppawala là 17,3 — nghiêng hẳn về đất hiếm nhẹ. Để so sánh, mỏ apatite tại Thụy Điển có tỷ lệ này chỉ khoảng 2,74 và chứa tỷ lệ đất hiếm nặng cao hơn đáng kể — nhóm đất hiếm có giá trị chiến lược cao hơn trên thị trường hiện nay.

Nhóm khuyến nghị kết hợp thêm kỹ thuật chiết dung môi trong các nghiên cứu tiếp theo để nâng cao độ tinh khiết và tách riêng từng nguyên tố REE.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Sustainability (MDPI) số tháng 7/2025, được tài trợ bởi Dự án Phát triển Nguồn nhân lực Khoa học và Công nghệ Sri Lanka thông qua Ngân hàng Phát triển Châu Á.