Chất thải công nghiệp có thể trở thành mỏ nguyên liệu như thế nào?

Một bãi tro than có thể trông như điểm kết thúc của sản xuất, nhưng bên trong vẫn còn silic, đất hiếm và các khoáng sản quan trọng. Theo Worcester Polytechnic Institute (WPI), một ước tính cho rằng các bãi chôn tro than ở Mỹ chứa khoảng 11 triệu tấn nguyên tố đất hiếm, với giá trị ước tính 8,4 tỷ USD. Câu hỏi đáng chú ý không chỉ là còn bao nhiêu tài nguyên, mà là làm thế nào tách chúng ra mà không tiêu tốn quá nhiều năng lượng và hóa chất. [1]

Một dự án do WPI dẫn dắt đang tìm lời giải bằng cách quan sát tảo cát, bọt biển và một số loài thực vật. Những sinh vật này có thể thu nhận silic hòa tan rồi tạo cấu trúc silica trong điều kiện tương đối ôn hòa. Nhóm nghiên cứu muốn chuyển nguyên lý ấy thành quy trình xử lý chất thải, đồng thời tận dụng phần vật liệu còn lại thay vì chỉ lấy một thành phần có giá trị. [1]

Vì sao chất thải vẫn có thể chứa tài nguyên?

Trong công nghiệp, một dòng vật liệu thường bị gọi là chất thải vì nó không còn phù hợp với mục tiêu ban đầu. Điều đó không có nghĩa mọi thành phần bên trong đều vô dụng. Tro than, bùn đỏ, xỉ luyện kim, bê tông vụn, thủy tinh bỏ đi và chất thải khai mỏ đều có thể chứa silic hoặc các khoáng sản được quan tâm trong những quy trình khác. [1]

Khó khăn nằm ở chỗ các chất cần thu hồi thường không tồn tại thành từng khối sạch. Chúng có thể nằm trong nền vật liệu giàu silica hoặc bị giữ trong cấu trúc khoáng phức tạp. Vì thế, phát hiện sự hiện diện của đất hiếm mới chỉ là bước đầu; quy trình còn phải giải phóng chúng, tách khỏi thành phần đi kèm và tạo ra sản phẩm đủ ổn định để sử dụng. [1]

Silic và đất hiếm có vai trò gì?

Nhiều vật liệu có nguồn gốc từ silic được dùng trong bê tông, thủy tinh, gốm, chất bán dẫn và silicone. Việc tạo ra các vật liệu này từ nguyên liệu ban đầu có thể cần nhiệt độ cao, nhiều năng lượng và xử lý hóa học mạnh. Nếu silic trong chất thải được chuyển thành nguyên liệu dùng được, một phần nhu cầu về vật liệu mới có thể giảm. [1]

Đất hiếm và các khoáng sản quan trọng được sử dụng trong điện tử, công nghệ năng lượng sạch và giao thông; chúng cũng liên quan đến an ninh nguồn cung. Tuy nhiên, lượng đất hiếm nằm trong một bãi thải không tự động trở thành lượng có thể khai thác. Giá trị thực tế còn phụ thuộc vào việc các nguyên tố nằm ở dạng nào, có thể tách bằng cách nào và sản phẩm sau xử lý có đáp ứng mục đích sử dụng hay không. [1]

Tự nhiên gợi ý cách xử lý ra sao?

Tảo cát, bọt biển và một số loài thực vật sử dụng các phân tử sinh học cùng khung hữu cơ để thu nhận silic hòa tan, sau đó hình thành cấu trúc silica. Điểm nhóm nghiên cứu quan tâm là những quá trình ấy diễn ra trong điều kiện nhẹ hơn so với nhiều quy trình công nghiệp cần nhiệt độ hoặc hóa chất cao. [1]

Mục tiêu không phải đưa sinh vật vào các bãi chất thải rồi chờ chúng tự làm sạch vật liệu. Các nhà nghiên cứu muốn nhận diện phân tử và cơ chế tương tác hữu ích, sau đó thiết kế một quy trình phù hợp với từng loại chất thải. Nói cách khác, họ học một thao tác chọn lọc của tự nhiên thay vì sao chép nguyên vẹn cả hệ sinh học. [1]

Dự án kết hợp sinh học, địa hóa học, khoa học vật liệu, luyện kim, hóa học tính toán và trí tuệ nhân tạo. Mô hình tính toán có thể giúp dự đoán cách các phân tử sinh học tương tác với vật liệu giàu silic, từ đó hỗ trợ chọn hướng thử nghiệm và thiết kế vật liệu trước khi phát triển quy trình thu hồi. [1]

Vì sao không chỉ lấy đất hiếm?

Nếu một quy trình chỉ thu được một lượng nhỏ đất hiếm rồi để lại gần như toàn bộ phần nền, vấn đề lưu giữ chất thải vẫn còn nguyên. Vì vậy, hướng tiếp cận của WPI đặt hai mục tiêu cạnh nhau: tách các nguyên tố có tầm quan trọng chiến lược và biến silica cùng những thành phần còn lại thành sản phẩm hữu ích. [1]

Cách nhìn này làm thay đổi câu hỏi kinh tế của dự án. Thay vì chỉ hỏi thu hồi được bao nhiêu đất hiếm, cần xem toàn bộ dòng vật liệu tạo ra những đầu ra nào. Một quy trình có triển vọng phải cân bằng lượng khoáng sản thu được, mức sử dụng phần nền, năng lượng, hóa chất và khả năng đưa sản phẩm vào một mục đích cụ thể. [1]

Ý tưởng đã thành công chưa?

WPI nhận khoản tài trợ 3,3 triệu USD từ chương trình Growing Convergence Research của National Science Foundation cho một nỗ lực kéo dài năm năm, gồm hai giai đoạn. Các nhà nghiên cứu từ George Mason University, University of California San Diego, University of Massachusetts Amherst và University at Buffalo cùng tham gia. Thông tin công bố mô tả chương trình nghiên cứu và mục tiêu kỹ thuật, chưa đưa ra hiệu suất thu hồi, chi phí vận hành hay dây chuyền thương mại. [1]

Thách thức lớn là phát triển các tương tác được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm thành quy trình ổn định ngoài thực tế. Tro than, bùn, thủy tinh, bê tông và xỉ có thành phần khác nhau, nên cách xử lý phù hợp với một loại không mặc nhiên áp dụng cho loại khác. Chỉ khi giải quyết được sự khác biệt đó, một bãi thải mới có thể tiến gần vai trò mỏ nguyên liệu. [1]

Vì vậy, ý tưởng này chưa biến chất thải thành nguồn tài nguyên sẵn sàng khai thác. Nó mở ra một cách tiếp cận: xem bãi thải như hỗn hợp nhiều nguyên liệu, dùng hiểu biết từ sinh học để tìm cách tách chúng trong điều kiện tiết kiệm hơn, rồi đánh giá cả khối vật liệu thay vì chỉ săn tìm một nguyên tố. [1]