Một số cách tái chế nam châm đất hiếm trong tua bin gió

Hằng năm, nhiều tua bin gió trên khắp nước Mỹ trải qua việc nâng cấp rotor, cánh quạt cùng vài bộ phận quan trọng khác để cải thiện năng lực sản xuất điện. Trong số bộ phận cần thay có nam châm được làm từ nguyên tố đất hiếm như neodymium và dysprosium - các chất này cũng vô cùng cần thiết cho điện thoại thông minh, máy tính xách tay, động cơ xe điện...

Ứng dụng rộng rãi của nguyên tố đất hiếm đặt ra nhu cầu sử dụng lại nguồn vật liệu này trong nam châm bỏ đi. Tuy nhiên hiện tại chưa đến 1% nam châm đất hiếm trên toàn cầu (lấy từ tua bin gió, ổ cứng hỏng cùng hàng loạt thiết bị điện tử khác) được tái chế, hầu hết đều kết thúc vòng đời ở bãi chôn lấp.

Lo ngại tình trạng khan hiếm nguồn cung đất hiếm ảnh hưởng tới quá trình chuyển đổi xanh, chính phủ Mỹ tìm cách thay đổi. Tháng 1 vừa qua, DOE công bố 20 nhóm chiến thắng giai đoạn đầu của “Giải tái chế vật liệu tua bin gió” trị giá 5,1 triệu USD (được tài trợ bởi luật đầu tư cơ sở hạ tầng, được thông qua năm 2021). Mỗi nhóm chiến thắng nhận khoản tiền 75.000 USD tài trợ triển khai ý tưởng tái chế, nếu kết quả ban đầu hứa hẹn họ sẽ có thêm 500.000 USD cùng phiếu hỗ trợ kỹ thuật 100.000 USD từ phòng thí nghiệm quốc gia trực thuộc DOE.

Giám đốc Văn phòng Công nghệ năng lượng gió DOE Tyler Christoffel cho biết mục đích của giải là thúc đẩy ý tưởng tái chế tiềm năng đến gần hơn với cơ hội thương mại hóa, qua đó giúp Mỹ đạt mục tiêu giảm carbon và chuyển đổi sang năng lượng sạch.

Tái chế không dễ

Nam châm đất hiếm sở hữu từ tính mạnh hơn nam châm thông thường gấp nhiều lần nên được dùng rộng rãi trong động cơ xe điện hay máy phát điện tua bin gió. Dù rất quan trọng với nỗ lực chuyển đổi xanh nhưng hoạt động khai thác, tinh chế nguồn vật liệu này lại chẳng hề thân thiện với môi trường. Khai thác đất hiếm làm mất đi lượng lớn đất, quá trình tinh chế lại cần dùng những hóa chất độc hại. Tác động môi trường lớn cộng thêm nhu cầu ngày càng cao buộc con người phải tìm cách sử dụng lại số đất hiếm nằm trong thiết bị cũ. Ước tính máy phát điện tua bin gió chứa đến hàng trăm ký đất hiếm, vì vậy ngành điện gió cần tiến hành tái chế càng sớm càng tốt.

Việc tái chế đối mặt với không ít thách thức, chẳng hạn công nghệ còn non nớt, khó mở rộng dây chuyền, số lượng nam châm đất hiếm bỏ đi hạn chế. Tuy nhiên khi Mỹ không ngừng phát triển điện gió thì việc thiếu năng lực tái chế nam châm đất hiếm trở thành vấn đề cấp bách, theo Giám đốc Christoffel.

Một số cách tái chế

DOE mong muốn tìm ra giải pháp nhờ “Giải tái chế vật liệu tua bin gió”. Trong 20 nhóm chiến thắng giai đoạn đầu, có 4 nhóm tập trung vào tái chế nam châm. Họ thắng giải vì chứng minh được giải pháp của mình đầy hứa hẹn, sạch hơn và tiết kiệm năng lượng hơn cách truyền thống, có khả năng tiến tới thương mại hóa.

Ví dụ, một nhóm nghiên cứu của Đại học Utah tìm ra cách cải tiến công nghệ dùng nhiệt độ cao kết hợp hydro chiết xuất nguyên tố đất hiếm từ nam châm. Với công nghệ hiện tại, nếu nam châm bị ăn mòn hoặc bị oxy hóa nghiêm trọng thì cần thực hiện thêm công đoạn điện phân muối nóng chảy để chuyển đất hiếm về lại dạng kim loại. Công đoạn bổ sung này tạo nhiều khí thải. Nhóm không cần điện phân muối nóng chảy mà sử dụng ma giê cùng hydro ở nhiệt độ cao thành công tách neodymium dạng kim loại tinh khiết, giảm đáng kể khí thải lẫn năng lượng cần dùng. Trong vòng 6 tháng tới họ sẽ cố gắng tăng sản lượng nhằm thuyết phục DOE đây là cách tái chế có thể triển khai ở quy mô lớn.

Một nhóm khác của Critical Materials Recycling áp dụng cách tiếp cận xanh hơn với phương pháp thủy luyện kim thông thường. Họ dùng dung dịch gốc nước thay vì axit mạnh. TdVib (công ty mẹ của Critical Materials Recycling) đang xây dựng nhà máy thí điểm, sử dụng công nghệ mới tái chế đất hiếm từ rác thải điện tử. Tài trợ DOE cấp sẽ giúp thiết lập dây chuyền tái chế nam châm tua bin gió.