MỞ ĐẦU Ngày nay kim loại đất hiếm (KLĐH) đã trở thành vật liệu chiến lƣợc cho các ngành công nghệ cao nhƣ điện - điện tử, hạt nhân, quang học, vũ trụ, vật liệu siêu dẫn, siêu nam châm, luyện kim, xúc tác thủy tinh và gốm sứ kỹ thuật cao, phân bón vi lƣợng, v. Trên thế giới tài nguyên đất hiếm có tiềm năng rất lớn, cho đến nay tổng trữ lƣợng ôxit đất hiếm cấp R1E đã đạt tới 119 triệu tấn nhƣng phân bố không đồng đều. châu Á có trữ lƣợng lớn nhất với gần 54,6 triệu tấn, chiếm 46% tổng trữ lƣợng đất hiếm thế giới, trong đó Trung Quốc là nƣớc đứng đầu thế giới với 51 triệu tấn. Tiếp đến là Châu Mỹ trên 37 triệu tấn, chiếm 34%, trong đó Mỹ có xấp xỉ 14 triệu tấn.
Châu Phi 31,5 triệu tấn, chiếm 26,5 %, trong đó Namibia có 20 triệu tấn. KLĐH đƣợc khai thác trên thế giới chủ yếu từ khoáng vật basnezit tại hai nƣớc chính là Trung Quốc và Mỹ; từ khoáng vật monazit gồm các nƣớc: Ôxtrâylia, Ấn Độ, Mỹ, Braxin, Nam Phi, Trung Quốc, Thái Lan, Srilanca, v. Theo số liệu thống kê, tiêu thụ KLĐH trên thế giới vẫn không ngừng gia tăng và châu Á là thị trƣờng tiêu thụ lớn nhất (13.710 tấn/năm) tiếp đó là Bắc Mỹ (8.335 tấn/năm) và châu Âu (7.180 tấn/năm), trong đó Trung Quốc và Mỹ là hai thị trƣờng tiêu thụ lớn nhất. Nhu cầu tiêu thụ KLĐH trên toàn cầu đƣợc dự báo là sẽ tăng trƣởng từ 4 đến 7%/ năm.
Tại Việt Nam, ngành đất hiếm mới đƣợc bắt đầu từ năm 1970 khi Nhà nƣớc cho triển khai công tác thăm dò đánh giá tài nguyên đất hiếm và các công tác nghiên cứu chế biến KLĐH. Tổng trữ lƣợng KLĐH của Việt Nam hiện nay theo dự báo có khoảng 22.000 tấn Re2O3, song trữ lƣợng khai thác có hiệu quả thì chỉ vào khoảng 948.000 tấn, đứng thứ 9 trên thế giới sau Trung Quốc, SNG, Nambia, Mỹ, Ôxtrâylia, Ấn Độ, Canađa và Nam Phi. Nhu cầu tiêu thụ KLĐH ở Việt Nam đƣợc dự báo là không nhỏ. Theo đánh giá thì nhu cầu về các sản phẩm KLĐH vào khoảng 3.
Khả năng thị trƣờng xuất khẩu vẫn còn nhiều, biểu hiện là một số tập đoàn lớn vẫn luôn tìm kiếm cơ hội đầu tƣ thăm dò khai thác các mỏ lớn khác nhƣ từ năm 2003 một số Công ty của Nhật Bản thông qua tổ chức JICA đã và đang triển khai thăm dò đánh giá lại trữ lƣợng và nghiên cứu khả thi khai thác quặng KLĐH. Khả năng sử dụng KLĐH trong các ngành công nghiệp ngày càng đƣợc mở rộng. Mặt khác, tình hình thị trƣờng KLĐH thế giới hiện nay còn nhiều biến động đòi hỏi phải có những chiến lƣợc và định hƣớng nhất định cho ngành công nghiệp này. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Có thể nói, đất hiếm là một trong những tài nguyên khoáng sản có ƣu thế và phong phú về chủng loại của Việt Nam, đã đƣợc đánh giá và khai thác hai nguồn chủ yếu là: Quặng Basnesite tập chung ở mỏ vùng Tây Bắc và quặng Mônazite trong sa khoáng ven biển Miền Trung.
Ở nƣớc ta môi trƣờng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm, là điều kiện lý tƣởng cho ăn mòn kim loại, tỷ lệ vật liệu kim loại đƣợc sử dụng còn cao, vì vậy thiệt hại do ăn mòn chắc chắn sẽ lớn hơn. Một trong những biện pháp chống ăn mòn kim loại là sử dụng lớp phủ phôtphat hóa bề mặt. Để tăng hiệu quả bảo vệ của lớp phủ phôtphat hóa có thể đƣa thêm lƣợng nhỏ phụ gia là các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) và một số kim loại chuyển tiếp nhƣ Mn, Ni. Chỉ với một lƣợng nhỏ các chất phụ gia đó có tác dụng tăng độ bền lớp phủ, chống ăn mòn, bảo vệ kim loại khỏi môi trƣờng gây hại đồng thời cũng có thể nâng cao hiệu quả thẩm mỹ của lớp phủ nhƣ làm cho lớp phủ mịn và sáng hơn.
Có nhiều phƣơng pháp định lƣợng chính xác các phụ gia này nhƣ ICP- OES, ICP-MS, CE…Công trình này nghiên cứu điều kiện thích hợp cho việc tách và xác định các nguyên tố đất hiếm trong lớp phủ bằng phƣơng pháp sắc ký điện di mao quản. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CH¦¥NG 1: TæNG QUAN 1.1 Các nguyên tố đất hiếm. Đặc điểm chung về các NTĐH. Suốt 4 thập kỷ qua, các tính năng vật lý và hóa học đặc biệt của các nguyên liệu đất hiếm là trung tâm của các nghiên cứu, sáng tạo, phát minh với rất nhiều ứng dụng kỹ thuật từ macro đến micro và nano cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau: xúc tác hóa học trong ngành lọc dầu, kiểm tra ô nhiễm trong ngành xe hơi, gốm lót cho các động cơ phản lực, nam châm vĩnh cửu cho các ứng dụng từ tính… và dĩ nhiên trong các ngành chiếu sáng, luyện kim, điện tử, trong các kỹ thuật quân sự từ màn hình radar đến tia laser và hệ thống điều khiển tên lửa.
Thật hiếm có loại nguyên liệu nào nhƣ đất hiếm, vừa có tính ứng dụng phổ quát, vừa có tính kỹ thuật cao, lại vừa có nhiều triển vọng áp dụng cho tƣơng lai. Do tính chất không độc hại và các tính năng hóa lý không thể thay thế nên các nguyên tố đất hiếm vẫn chiếm thế độc tôn trong rất nhiều ứng dụng công nghệ cao: Nhóm Y, La, Ce, Eu, Gd và Tb cho kỹ nghệ huỳnh quang, đặc biệt, các màn hình tinh thể lỏng; nhóm Nd, Sm, Gd, Dy và Pr cho kỹ thuật nam châm vĩnh cửu trong các thiết bị điện, điện tử, phƣơng tiện nghe nhìn, các máy vi tính và các loại đĩa multi-gigabyte hiện nay; đặc biệt Er trong sản xuất cáp quang và nhóm Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm có moment từ cực mạnh khả dĩ phát triển kỹ thuật làm lạnh từ tính thay thế phƣơng pháp làm lạnh truyền thống bằng khí ép nhƣ hiện nay. 17 kim loại trong vỏ trái đất gọi là đất hiếm, thƣờng nằm trong các mỏ quặng và cát đen. Sở dĩ chúng đƣợc gọi là "hiếm" bởi chiết tách những nguyên tố tinh sạch này rất khó.
Đến nay việc xác định hàm lƣợng các NTĐH của vỏ trái đất đã cho thấy trữ lƣợng các NTĐH không phải hiếm. Hàm lƣợng các NTĐH trong vỏ trái đất đƣợc trình bày trong Bảng 1. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Hàm lượng trung bình của các NTĐH trong lớp vỏ trái đất Số hiệu Hàm lượng Tỷ lượng trong nhóm Nguyên tố nguyên tử trung bình (10-4%) các nguyên tố (%) Y 39 30 18,7 La 57 18 11,4 Ce 58 45 28,6 Pr 59 7 4,5 Nd 60 25 15,0 Pm 61 - - Sm 62 7 4,4 Eu 63 1,2 0,8 Gd 64 10 6,4 Tb 65 1,5 1,0 Dy 66 4,5 2,9 Ho 67 1,3 0,8 Er 68 4,0 2,5 Tm 69 0,8 0,5 Yb 70 3,0 1,9 Lu 71 1,0 0,6 Các NTĐH là nguyên liệu cực kì quan trọng cho nhiều ngành khoa học, kỹ thuật và công nghệ.
Vai trò của NTĐH trong công nghệ chế tạo vật liệu là không thể thiếu đƣợc. Từ những năm 60, các nhà địa chất đã đánh giá trữ lƣợng đất hiếm ở ta khoảng 10 triệu tấn năm rải rác ở các mỏ quặng nằm ở vùng Tây Bắc, đặc biệt nhiều ở Yên Bái và dạng cát đen phân bố ở ven biển miền Trung. Công nghệ chiết tách, ứng dụng đất hiếm xuất hiện đầu những năm 1970 và hiện mới có Viện Khoa học vật liệu, Viện Năng lƣợng nguyên tử và Viện Khoáng sản nghiên cứu quặng này. Ba hướng ứng dụng đất hiếm: a.
Sử dụng làm chế phẩm vi lƣợng ĐH 93 nhằm nâng cao năng suất cây trồng. Sử dụng trong xúc tác lọc khí độc từ lò đốt rác y tế và ôtô xe máy. Sử dụng để chế tạo nam châm trong các máy phát thủy điện cực nhỏ. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Cả ba hƣớng nghiên cứu trên đều đƣợc tiến hành từ 1990.
Theo PGS-TS Lƣu Minh Đại, ĐH 93 dùng trong nông nghiệp nhƣ một thứ phân bón vi lƣợng, giảm lƣợng phân bón thông thƣờng. Với kết quả thử nghiệm trên lúa, kết quả cho thấy lúa đƣợc phun ĐH 93 tăng 8% đến 12% sản lƣợng, giảm lƣợng hạt lép, lá lúa dày hơn, cứng cáp hơn. Đặc biệt, lúa trổ đều, chín sớm hơn một tuần giảm nhiều công chăm sóc. Đất hiếm còn có tác dụng giảm thải khí độc từ lò đốt rác y tế và khói xe.
Sau khi chiết tách đƣợc các kim loại đất hiếm sạch, các nhà khoa học sử dụng chúng trong một loại vật liệu xúc tác, đƣợc đùn đúc dƣới dạng than tổ ong. Đặt những "viên than” này trong hệ thống xả khói của lò đốt hoặc ống xả của xe, khi khí thải đi qua sẽ xảy ra phản ứng hóa học. Đất hiếm là thành phần cơ bản để chế tạo nam châm vĩnh cửu NdFeB. Đây là loại nam châm tối ƣu hiện nay dùng trong máy phát thủy điện cỡ nhỏ.
Đại, hiện sáu máy phát điện công suất từ 200 đến 1.000W đã đƣợc lắp đặt ở các vùng đồng bào thiểu số Hoàng Su Phì (Hà Giang), Kỳ Sơn (Nghệ An). Nhóm nghiên cứu đã có thể khảo sát, lắp đặt thiết bị chiếu sáng, nghe nhìn cho nhiều cụm dân cƣ chƣa có lƣới điện quốc gia, chi phí này chỉ bằng 1/10 so với phƣơng án trạm thủy điện nhỏ. Nguồn tài nguyên đất hiếm Việt Nam: Theo Tổng cục địa chất, trữ lƣợng các mỏ đất hiếm ở Việt Nam khoảng 7 - 8 tỉ tấn, điều kiện khai thác thuận lợi. Đây là nguồn nguyên liệu dồi dào cho phát triển ngành công nghiệp điện tử, thủy tinh, luyện kim.
Mỏ đất hiếm Đông Pao nằm trên địa phận xã Bản Hon, huyện Phong Thổ, tỉnh Lai Châu do Công ty TNHH nhà nƣớc một thành viên khoáng sản 3 quản lý khai thác. Mỏ đất hiếm Đông Pao bao gồm trên 30 thân quặng lớn nhỏ đã đƣợc tìm kiếm tỉ mỉ với tài nguyên trữ lƣợng đạt trên 10,6 triệu tấn R2O3; 34,7 triệu tấn CaF2; 66,7 triệu tấn BaSO4. Riêng 2 thân quặng F.7 do Tổng công ty khoáng sản Việt Nam quản lý khai thác đã đƣợc thăm dò trữ lƣợng. Hiện tại, mới chỉ tiến hành khai thác quặng fluorit với sản lƣợng hàng năm khoảng 1.000 tấn CaF2 hàm lƣợng 75 - 80%, cung cấp cho luyện kim.
Nguồn đất hiếm ở nƣớc ta đã đƣợc phát hiện và khảo sát hàng chục năm trƣớc trong nền đá cổ ở miền Bắc (Promeli, 1989). Việc ban hành và gần đây sửa đổi bổ sung Luật khoáng sản đã tạo điều kiện cho các nhà nghiên cứu và nhà đầu tƣ quan tâm tốt hơn đối với nguồn tài nguyên quý giá này, vừa có giá trị kinh tế cao vừa là tiền đề phát triển nhiều ngành công nghệ cao ở ngay 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.