Trong thế giới phát triển nhanh chóng ngày nay, việc sử dụng các nguyên tố đất hiếm ngày càng trở nên phổ biến trong vô số ngành công nghiệp. Những nguyên tố này, bao gồm 17 nguyên tố kim loại tương tự nhau về mặt hóa học, sở hữu những đặc tính độc đáo khiến chúng trở thành trụ cột trong các ứng dụng công nghệ và công nghiệp khác nhau.
Trong bài viết này, thu mua phế liệu Quang Tuấn giới thiệu đến bạn những ứng dụng của đất hiếm trong các lĩnh vực. Từ điện tử và năng lượng tái tạo đến ngành công nghiệp ô tô và chăm sóc sức khỏe, việc ứng dụng các nguyên tố đất hiếm đã cách mạng hóa nhiều lĩnh vực, tạo điều kiện cho sự đổi mới, hiệu quả và tính bền vững.
1, Các nguyên tố đất hiếm (REE)
Phân loại REE
Các nguyên tố đất hiếm được chia thành hai nhóm dựa trên số lượng nguyên tử và tính chất của chúng:
- Các nguyên tố đất hiếm nhẹ (LREE): Nhóm này bao gồm các nguyên tố có số nguyên tử từ 57 (Lanthanum) đến 63 (Europium), bao gồm các nguyên tố như Cerium (Ce) và Neodymium (Nd).
- Các nguyên tố đất hiếm nặng (HREE): Nhóm này bao gồm các nguyên tố có số nguyên tử từ 64 (Gadolinium) đến 71 (Lutetium), bao gồm các nguyên tố như Dysprosium (Dy) và Ytterbium (Yb).
Phân bố địa chất của REE
Các nguyên tố đất hiếm không phân bố đồng đều về mặt địa chất. Chúng chủ yếu được tìm thấy trong các khoáng chất và quặng khác nhau, thường kết hợp với các nguyên tố khác. Nguồn REE lớn nhất hiện nay nằm ở Trung Quốc, quốc gia chiếm phần lớn sản lượng toàn cầu. Các trữ lượng đất hiếm đáng kể khác có thể được tìm thấy ở các quốc gia như Úc, Hoa Kỳ, Nga, Việt Nam và Brazil.
Sự phân bố địa chất của đất hiếm chủ yếu diễn ra ở ba loại trầm tích chính:
Trầm tích cacbonatite
Các trầm tích này được hình thành từ magma cacbonatite, được làm giàu bằng các nguyên tố đất hiếm (REE). Các trầm tích cacbonatite chủ yếu được tìm thấy trong đá lửa có tính kiềm và chúng có thể xuất hiện dưới dạng phức chất xâm nhập hoặc đá núi lửa phun trào. Các mỏ cacbonatite đáng chú ý bao gồm Mountain Pass ở California, Bayan Obo ở Trung Quốc và Mount Weld ở Úc.
Trầm tích đất sét hấp phụ ion
Loại trầm tích này chỉ có ở miền nam Trung Quốc và xuất hiện trong đá granit bị phong hóa. Các REE được giải phóng khỏi đá granit liền kề và được hấp phụ vào các khoáng sét trong vùng phong hóa. Các mỏ sét hấp phụ ion có đặc điểm là nồng độ REE thấp nhưng vẫn có hiệu quả kinh tế do dễ khai thác và chế biến.
Trầm tích cát khoáng nặng
Các trầm tích này được hình thành do quá trình phong hóa của đá và sau đó là sự vận chuyển các khoáng chất nặng, bao gồm cả REE, bằng sông và gió. Cát khoáng nặng tập trung ở các môi trường địa chất cụ thể, chẳng hạn như cồn cát ven biển, bãi sa khoáng và trầm tích ngoài khơi. Các ví dụ đáng chú ý về các mỏ cát khoáng nặng bao gồm lưu vực sông Murray ở Úc, mỏ Chavara ở Ấn Độ và mỏ Grande Côte ở Senegal.
2, Ứng dụng của các nguyên tố đất hiếm
Công nghiệp điện tử
Các nguyên tố đất hiếm (REE) đóng một vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử do đặc tính từ tính, phát quang và xúc tác độc đáo của chúng. Dưới đây là một số ứng dụng chính của nguyên tố đất hiếm trong điện tử:
Nam châm vĩnh cửu
Có lẽ ứng dụng nổi tiếng nhất của REE là sản xuất nam châm vĩnh cửu mạnh mẽ, đặc biệt là nam châm neodymium-iron-boron (NdFeB). Những nam châm này được sử dụng rộng rãi trong động cơ điện, máy phát điện, ổ đĩa cứng, loa, tai nghe và các thiết bị điện tử nhỏ gọn khác. Chúng cung cấp cường độ từ tính cao trong khi vẫn nhẹ, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các thiết bị điện tử thu nhỏ.
Chất xúc tác
REE đóng vai trò là chất xúc tác trong nhiều quy trình điện tử quan trọng khác nhau. Ví dụ, xeri, lanthanum và praseodymium được sử dụng làm chất xúc tác trong bộ chuyển đổi khí thải ô tô để giảm lượng khí thải. Chúng giúp chuyển đổi các chất ô nhiễm có hại như oxit nitơ (NOx), carbon monoxide (CO) và hydrocarbon thành các chất ít độc hại hơn.
Công nghệ hiển thị
Các nguyên tố đất hiếm, đặc biệt là europium và terbium, là thành phần thiết yếu của phốt pho được sử dụng trong công nghệ hiển thị. Ví dụ, chúng cung cấp các màu lân quang đỏ, lục và lam trong màn hình ống tia âm cực (CRT) và màn hình tinh thể lỏng (LCD), cũng như trong đèn huỳnh quang. Những phốt pho này cho phép màn hình sống động và tiết kiệm năng lượng.
Ứng dụng chiếu sáng
REE, chẳng hạn như yttri và europium, được sử dụng trong sản xuất đèn huỳnh quang và hệ thống chiếu sáng LED tiết kiệm năng lượng. Chúng tăng cường độ sáng và chỉ số hoàn màu của ánh sáng phát ra, mang lại ánh sáng chất lượng cao.
Pin mặt trời
Một số REE, bao gồm lanthanum, xeri và terbium, đóng vai trò là thành phần quan trọng trong sản xuất pin mặt trời. Chúng tham gia vào việc nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng và tính ổn định của các tấm pin mặt trời, cho phép sử dụng năng lượng sạch và tái tạo.
Sản xuất điện tử
Các nguyên tố đất hiếm được sử dụng trong các giai đoạn khác nhau của sản xuất điện tử. Chúng không thể thiếu trong việc sản xuất chất bán dẫn, chất siêu dẫn, laser và sợi quang. Ví dụ, bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium rất quan trọng để truyền dữ liệu đường dài trong mạng truyền thông quang học.
Ngành năng lượng xanh
Xe điện (EV)
REE, đặc biệt là neodymium, praseodymium và dysprosium, tạo thành các bộ phận thiết yếu của nam châm vĩnh cửu được sử dụng trong động cơ EV. Những nam châm này nhẹ, mạnh mẽ và giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng, giúp tăng phạm vi hoạt động và hiệu suất của xe điện.
Tua bin gió
REE được sử dụng để sản xuất nam châm vĩnh cửu cực mạnh cho máy phát điện tua bin gió. Neodymium, praseodymium và dysprosium mang lại cường độ từ tính cao, cho phép chuyển đổi năng lượng hiệu quả bằng cách thu năng lượng gió và tạo ra điện. Những nam châm này cũng làm giảm trọng lượng và kích thước của tuabin gió, khiến chúng trở nên khả thi hơn khi lắp đặt ngoài khơi.
Lưu trữ năng lượng
Các nguyên tố đất hiếm, đặc biệt là lanthanum và xeri, đóng vai trò quan trọng trong pin lithium-ion có thể sạc lại. Chúng được thêm vào vật liệu cực âm và cực dương để nâng cao hiệu suất, khả năng lưu trữ và tốc độ sạc/xả, khiến chúng trở nên quan trọng đối với các hệ thống lưu trữ năng lượng được triển khai trong tích hợp năng lượng tái tạo và ổn định lưới điện.
Pin nhiên liệu hydro
Các loại REE như lanthanum, xeri và neodymium được sử dụng làm chất xúc tác trong pin nhiên liệu hydro. Những chất xúc tác này giúp tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng điện hóa trong pin nhiên liệu, nâng cao hiệu quả của chúng và cho phép tạo ra năng lượng sạch từ hydro.
Luyện kim
Chất xúc tác
Một số nguyên tố đất hiếm đóng vai trò là chất xúc tác trong quá trình luyện kim. Chất xúc tác dựa trên xeri được sử dụng trong bộ chuyển đổi xúc tác ô tô để giảm lượng khí thải độc hại. Các REE khác như lanthanum, praseodymium và yttrium được sử dụng trong lọc dầu, sản xuất amoniac và các quá trình hóa học khác nhau.
Sản xuất thép
Cerium, lanthanum và neodymium được sử dụng trong sản xuất thép đặc biệt. Những yếu tố này tăng cường sức mạnh, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn của thép. Ngoài ra, xeri còn được sử dụng để khử lưu huỳnh sắt nóng chảy trong quá trình sản xuất thép.
Hợp kim magiê
REE được sử dụng trong hợp kim magiê để tăng cường tính chất cơ học của chúng. Hợp kim với REE giúp cải thiện khả năng chống rão, chống ăn mòn và độ bền nhiệt độ cao. Ví dụ, Neodymium thường được thêm vào hợp kim magiê được sử dụng trong các ứng dụng kết cấu nhẹ như máy bay và linh kiện ô tô.
Thủy tinh và Gốm sứ
Các nguyên tố đất hiếm khác nhau, bao gồm yttri, erbium, europium và samarium, rất cần thiết trong sản xuất thủy tinh và gốm sứ đặc biệt. Những phần tử này cung cấp các đặc tính quang học và từ tính độc đáo, khiến chúng trở nên hữu ích trong các ứng dụng như laser, phốt pho, màn hình màu và sợi quang.
Ngành y tế
Hình ảnh và Chẩn đoán
REE đóng một vai trò quan trọng trong các kỹ thuật hình ảnh y tế tiên tiến như chụp cộng hưởng từ (MRI) và chụp cắt lớp phát xạ positron (PET). Gadolinium, một loại REE thường được sử dụng, được sử dụng làm chất tương phản trong quét MRI để nâng cao chất lượng hình ảnh và cung cấp nhiều hiểu biết hơn về cấu trúc cơ thể con người.
Điều trị ung thư
Một số REE, bao gồm samarium và yttrium, có tiềm năng điều trị ung thư. Đồng vị phóng xạ của các nguyên tố này có thể được tích hợp vào các loại thuốc gọi là dược phẩm phóng xạ. Những loại thuốc này được dùng cho bệnh nhân để đưa bức xạ trực tiếp đến khối u và tiêu diệt tế bào ung thư đồng thời giảm thiểu thiệt hại cho các mô khỏe mạnh.
Laser và dụng cụ phẫu thuật
REE, đặc biệt là erbium, holmium và yttrium, được sử dụng trong laser cho các thủ tục y tế khác nhau. Những tia laser này được sử dụng trong phẫu thuật nhãn khoa, điều trị da liễu và tán sỏi (phân hủy sỏi thận), cùng nhiều ứng dụng khác. Ngoài ra, laser dựa trên erbium được ứng dụng trong nha khoa, trong khi laser yttrium nhôm garnet (YAG) được sử dụng để cắt và đông máu chính xác trong quá trình phẫu thuật.
Vật liệu sinh học và mô cấy
REE được ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu sinh học và mô cấy do đặc tính tương thích sinh học và chống ăn mòn của chúng. REE, chẳng hạn như hợp kim titan, có thể được sử dụng trong chỉnh hình và cấy ghép nha khoa, đảm bảo khả năng tương thích tốt hơn với cơ thể, cải thiện độ bền và giảm nguy cơ đào thải mô.
Trong tương lai, việc liên tục nghiên cứu và đổi mới trong lĩnh vực khai thác đất hiếm sẽ rất cần thiết để tìm ra nguyên liệu thay thế và giảm sự phụ thuộc vào REE, đảm bảo cơ sở tài nguyên bền vững và đa dạng cho các ngành công nghiệp toàn cầu.
