Tin thị trường và sản phẩm

Bảo Hiền tổng hợp

Axit photphoric (H3PO4) sản xuất bằng quy trình ướt, tức dùng axit sulfuric đậm đặc phân hủy quặng photphat, là loại axit được sản xuất nhiều thứ hai thế giới sau axit sulfuric. Phần lớn lượng axit này đi vào phân bón, nhưng một phần dùng cho thực phẩm, chất tẩy rửa và dược phẩm, nơi yêu cầu về độ tinh khiết khắt khe hơn nhiều. Nhiều nhóm nghiên cứu đang tìm cách tách tạp chất khỏi axit thô bằng ba hướng khác nhau: chất chiết mới, quy trình khép kín thu hồi kim loại, và màng lọc nano.

Vì sao axit quy trình ướt cần làm sạch

Axit thu được trực tiếp từ quặng mang theo nhiều tạp chất có sẵn trong nguyên liệu: sắt, nhôm, đồng, kẽm, magie, cadmi, các nguyên tố đất hiếm, fluor, asen và ion sulfat. Những tạp chất này hạn chế khả năng dùng axit trong thực phẩm và dược phẩm. Với axit cấp thực phẩm, các nhóm nghiên cứu nêu ví dụ ngưỡng giới hạn rất thấp: asen dưới 3 ppm, sắt dưới 20 ppm, fluor dưới 10 ppm, magie dưới 20 ppm và crom dưới 2 ppm.

Các phương pháp truyền thống gồm kết tủa bằng hợp chất amoni hoặc natri, kết tinh ở nhiệt độ thấp, chiết dung môi bằng hỗn hợp tributyl photphat và trao đổi ion bằng nhựa sulfonic. Mỗi phương pháp đều có hạn chế: kết tủa tạo lượng bã lớn cần tách tiếp, kết tinh khó áp dụng ở quy mô công nghiệp, chiết dung môi đòi hỏi tái sinh hóa chất, còn trao đổi ion bị giới hạn về độ chọn lọc. Đây là lý do các hướng mới tập trung vào độ chọn lọc cao hơn, ít hóa chất phụ trợ hơn và khả năng thu hồi kim loại có giá trị.

Hướng thứ nhất: thiết kế phân tử chất chiết bền trong axit mạnh

Một nhóm tại Đại học Tế Nam (Trung Quốc) tiếp cận từ chính phân tử chất chiết. Họ tổng hợp một chất chiết đa răng mới thuộc nhóm axit photphonic, có khung benzen cứng nối với nhau qua cầu octylimin, được thiết kế để bền trong môi trường axit mạnh, điều kiện làm các chất chiết thông thường dễ bị suy giảm hiệu năng.

Theo công bố trên Chemical Engineering Journal, chất chiết này tách được nhiều ion tạp chất trong axit quy trình ướt, gồm sắt, nhôm, crom, titan, uranium, vanadi, zirconi và 14 nguyên tố đất hiếm. Nhóm tác giả cho biết khả năng chiết và độ bền axit của nó cao hơn các chất chiết thương mại phổ biến (P204, P507 và Cyanex 272). Phân tích cơ chế cho thấy ion sắt (III) tạo phức ba nhân với chất chiết nhờ sự phối hợp giữa liên kết phối trí và liên kết ion, phát huy mật độ điện tích cao quanh nguyên tử oxy của nhóm photphonic.

Cần lưu ý rằng phần tóm tắt công bố chưa nêu hiệu suất chiết bằng phần trăm, nên mức vượt trội so với chất chiết thương mại hiện là nhận định của nhóm tác giả, chưa thể đối chiếu bằng số liệu trong bài này.

Hướng thứ hai: quy trình khép kín vừa làm sạch vừa thu hồi kim loại

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách khoa Mohammed VI (Maroc), quốc gia có ngành photphat lớn, theo đuổi một hướng khác: coi tạp chất là nguồn tài nguyên. Họ xây dựng quy trình chiết dung môi hai tầng, dùng D2EHPA để thu hồi đất hiếm và Cyanex 301 để tách kim loại nặng, rồi tái sinh dung môi và kết tủa thu sản phẩm.

Số liệu công bố trên tạp chí Desalination cho thấy mức chiết 90% với yttri, 80% với holmi và 99% với ytterbi, đồng thời tách 89% kẽm, 99% đồng và 99% cadmi. Sau chiết, đất hiếm được giải chiết bằng axit sulfuric rồi kết tủa bằng axit oxalic, còn kim loại nặng được giải chiết bằng axit clohydric rồi kết tủa bằng natri cacbonat. Cách làm này giúp vòng dung môi được tái sử dụng (khép kín) và biến một dòng tạp chất thành các sản phẩm kim loại tách riêng.

Hướng thứ ba: màng lọc nano thay cho hóa chất

Hướng thứ ba hạn chế gần như hoàn toàn việc dùng dung môi. Một nghiên cứu công bố trên tạp chí Separations dùng màng lọc nano dạng cuộn xoắn (ngưỡng cắt phân tử 1.000 g/mol), được biến tính bằng polyetylenimin để tăng khả năng giữ lại các ion kim loại. Axit thô được xử lý sơ bộ để giảm sulfat, fluor và asen, sau đó cho qua màng ở nồng độ 25% P2O5, nhiệt độ 60 độ C, áp suất 30 bar ở quy mô phòng thí nghiệm và tới 40 bar ở quy mô thử nghiệm.

Màng giữ lại 99,63% sắt, 99,30% nhôm, 96,67% đất hiếm và 94,81% cadmi. Dòng axit sau lọc được cô đặc bằng bay hơi lên 54% P2O5, đạt chất lượng cấp thực phẩm theo mô tả của nhóm tác giả.

So sánh: mỗi hướng giải một bài toán khác nhau

Ba nghiên cứu dùng axit nền và điều kiện thử nghiệm khác nhau, nên các số liệu trên chỉ minh họa mức hiệu quả của từng hướng chứ không thể xếp hạng trực tiếp. Dù vậy, chúng cho thấy hai xu hướng chung: làm sạch axit không còn chỉ nhằm đạt chuẩn chất lượng, mà ngày càng gắn với việc thu hồi đất hiếm và kim loại từ chính dòng axit, và những công nghệ này vẫn chủ yếu ở giai đoạn phòng thí nghiệm hoặc thử nghiệm, chưa có dữ liệu về chi phí vận hành ở quy mô nhà máy.