Đất hiếm – Các nguyên tố hoá học của ngành công nghệ cao

Thứ năm - 30/03/2017 04:14
          Từ khi tác dụng của đất hiếm bắt đầu được khám phá trong thập niên 60, 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, 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,...
          Các nguyên tố đất hiếm và các kim loại đất hiếm, theo IUPAC là tập hợp của mười bảy nguyên tố hóa học thuộc bảng tuần hoàn của Mendeleep gồm: scanđi, ytri và các nguyên tố thuộc họ lantanoit. Có thể thấy rõ vị trí của các nguyên tố này trong bảng tuần hoàn Mendeleev.
 
ho1
Hình 1. Vị trí của các nguyên đất hiếm trong bảng hệ thống tuần hoàn
          Các nguyên tố đất hiếm có tính chất rất giống nhau, ở cùng với nhau trong khoáng vật và gồm một số lượng lớn các nguyên tố nên lịch sử phát hiện của chúng có liên quan mật thiết với nhau và khá phức tạp. Tính từ khi tách được “đất ytri” lần đầu tiên đến khi phát hiện được nguyên tố đất hiếm cuối cùng là Lu, thời gian kéo dài đến hơn một thế kỷ. Những tác dụng của đất hiếm bắt đầu được khám phá trong thập niên 60.
          Trước đây, ứng dụng của các nguyên tố đất hiếm rất hạn chế. Một trong những ứng dụng đầu tiên của chúng là trong đèn măng xông. Khi bao ngọn lửa đèn bằng một lưới tẩm ThO2 (%) và CeO2 (1%), độ sáng của đèn tăng lên gấp bội. Một ứng dụng khác là làm đá lửa. Hỗn hợp của Ce(50%), La (25%) và các đất hiếm nhẹ khác (25%) được trộn với Fe theo tỉ lệ 70:30 là thành phần lý tưởng của đá lửa.
 ho2ho3
Hình 2. Đèn măng xông, đá lửa – những ứng dụng đầu tiên của đất hiếm
          Ngày nay, 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, phương tiện nghe nhìn, các máy vi tính và các loại dĩa 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 dùng để phát triển kỹ thuật làm lạnh từ tính thay thế phương pháp làm lạnh truyền thống bằng khí ép như hiện nay. Một vài ví dụ điển hình cho ứng dụng của đất hiếm
          Nam châm đất hiếm  với công thức NdFeB ứng dụng cho nghành khai thác quặng, xi măng, nghiền bột đá, nghiền bột thức ăn gia xúc ... nam châm có tác dụng lọc bỏ những thành phần kim loại lẫn trong sản phẩm công nghiệp
 
ho4
Hình 3: Nam châm đất hiếm  NdFeB
          Nam châm samarium-côban là một loại nam châm đất hiếm mạnh, dựa trên hợp chất của hai kim loại chính là samarium (Sm) và côban (Co), cộng với một số nguyên tố phụ gia khác. Đây là loại nam châm đất hiếm mạnh, đứng thứ hai sau thế hệ nam châm Neodym về độ mạnh, Điểm khác biệt cơ bản của nam châm Samarium-Côban so với các nam châm đất hiếm khác (ví dụ như nam châm Neodym) là nó có nhiệt độ Curie rất cao, đồng thời sự suy giảm tính chất theo nhiệt độ rất thấp, do đó được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao (có thể tới hơn 5000C mà không loại nam châm nào khác có thể hoạt động ví dụ như động cơ phản lực, động cơ điện công suất lớn....
 
ho5
Hình 4: Nam châm đất hiếm SmCo
          Một lĩnh vực ứng dụng rất quan trọng của các lantanit là chế tạo pin nhiên liệu hidro. Các hợp kim kiểu LaNi5, LaCo5, CeCo5 có khả năng hấp phụ mạnh hidro ở áp suất lớn hơn 4atm, đồng thời dễ dàng giải phóng hidro ở áp suất thấp hơn. Cân bằng hấp phu có thể được biểu diễn bằng phương trình:
LaNi5 + 3H2 à LaNi5H6
          Tỉ trọng của hidro trong hợp kim có thể đạt 112g/dm3 hay 56 mol/lít. Các hợp kim này có thể xem là phương tiện dự trữ hidro rất tốt và có thể được dùng làm điện cực cho các pin nhiên liệu sử dụng hidro.
 
ho6
Hình 5. Pin nhiên liệu sử dụng hidro dùng trong xe ô tô sử dụng điện cực làm từ đất hiếm
Bên cạnh đó, đất hiếm còn được ứng dụng trong một số lĩnh vực khác như:
  • Dùng để đưa vào các chế phẩm phân bón vì lượng nhằm tăng năng suất và chống chịu sâu bệnh cho cây trồng
  • Dùng để diệt mối mọt, các cây mục nhằm bảo tồn các di tích lịch sử
  • Dùng chế tạo các đèn catot trong các máy vô tuyến truyền hình
  • Dùng làm xúc tác trong công nghệ lọc hóa dầu và xử lý môi trường
  • Dùng làm vật liệu siêu dẫn
  • Các ion đất hiếm cũng được sử dụng như các vật liệu phát quang trong các ứng dụng quang điện
  • Được ứng dụng trong công nghệ laser
          Việt Nam ta có trữ lượng đất hiếm  khoảng 11 triệu tấn phân bố chủ yếu ở miền Tây Bắc, gồm các vùng Nậm Xe, Đông Pao, Mường Hum, và Yên Bái. 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 lượng nguyên tử và Viện Khoáng sản nghiên cứu quặng này. Hiện nay các nhà khoa học Việt Nam đã tách được các nguyên tố đất hiếm đạt đến độ sạch đến 98-99% và ứng dụng cho nhiều ngành khác nhau trong công nghiệp. Tuy nhiên phần ta vẫn chủ yếu xuất khẩu đất hiếm dưới dạng thô mà chưa tách được từng nguyên tố riêng rẽ nên giá trị xuất khẩu và sử dụng chưa cao. Hy vọng trong tương lai, nước ta sẽ có cơ sở sản xuất tách riêng được từng nguyên tố đất hiếm để phục vụ cho sự phát triển của các ngành công nghiệp trong nước.

Tài liệu tham khảo
1. Hoàng Nhâm, Hóa học vô cơ, tập 3, NXBGD, 2007
2. Vũ Đăng Độ, Triệu Thị Nguyệt, Hóa học vô cơ, quyển 2: các nguyên tố d và f, NXBGD, 2009.
3. https://vi.wikipedia.org/wiki/Đất_hiếm
4. www.drrm.gov.vn
5. http://hoahocngaynay.com

Tác giả bài viết: TS. Hoàng Thị Hoà

Tổng số điểm của bài viết là: 0 trong 0 đánh giá

Click để đánh giá bài viết
Thăm dò ý kiến

Ngành Công nghệ thực phẩm là gì?

Thống kê truy cập
  • Đang truy cập17
  • Hôm nay164
  • Tháng hiện tại3,551
  • Tổng lượt truy cập46,691
Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây