Từ chất thải công nghiệp đến khoáng sản chiến lược

Bùn đỏ, chất thải độc hại của ngành luyện nhôm, đang được Mỹ nhìn nhận lại như một nguồn khoáng sản chiến lược. Trong cuộc đua kiểm soát chuỗi cung ứng toàn cầu, Mỹ đang thử nghiệm khả năng thu hồi nhiều kim loại hiếm ẩn trong loại “phế liệu” này.

Ngành công nghiệp nhôm toàn cầu tạo ra hơn 150 triệu tấn bùn đỏ mỗi năm. (Nguồn: Discovery Alert)

Trong cuộc cạnh tranh công nghệ hiện nay, ưu thế của một quốc gia không chỉ nằm ở sản phẩm cuối cùng như con chip, vệ tinh, radar hay thiết bị quốc phòng. Đằng sau những sản phẩm ấy là một tầng nền ít được chú ý hơn nhưng có ý nghĩa quyết định: Vật liệu.

Không có vật liệu phù hợp, thiết kế tiên tiến cũng khó đi vào sản xuất. Không có nguồn cung ổn định, một dây chuyền công nghệ cao có thể bị đứt gãy. Chính vì vậy, các kim loại quan trọng như gallium, scandium hay một số nguyên tố đất hiếm đang ngày càng được xem như một phần của an ninh kinh tế và an ninh công nghiệp.

Vì sao gallium và scandium quan trọng?

Gallium và scandium không phải những kim loại quen thuộc với công chúng, nhưng trong chuỗi sản xuất công nghệ cao, chúng có vai trò đặc biệt.

Gallium được sử dụng trong các hợp chất bán dẫn, đặc biệt là gallium arsenide và gallium nitride, những vật liệu có ứng dụng trong thiết bị điện tử, viễn thông, đèn LED, pin mặt trời và nhiều hệ thống công nghệ cao khác. Trong một số ứng dụng, các hợp chất gallium vượt trội so với silicon truyền thống nhờ khả năng hoạt động ở tần số cao, công suất lớn hoặc môi trường khắc nghiệt.

Scandium lại được chú ý trong lĩnh vực hợp kim. Khi kết hợp với nhôm, scandium tạo ra hợp kim nhẹ, bền, có tiềm năng lớn trong hàng không vũ trụ và các ứng dụng đòi hỏi tỷ lệ bền/trọng lượng cao. Đáng chú ý, theo trang web Discovery Alert, sản lượng scandium oxide toàn cầu hiện chỉ đạt 10-15 tấn/năm, một con số rất nhỏ so với nhu cầu đang tăng nhanh, tạo ra tình trạng thiếu cung có tính cơ cấu. Giá trị của scandium vì vậy không nằm ở khối lượng tiêu thụ lớn, mà ở tác dụng cải thiện tính chất vật liệu và sự khan hiếm khó thay thế.

Đây là điểm chung của nhiều khoáng sản chiến lược: chúng có thể không được dùng với số lượng khổng lồ, nhưng lại khó thay thế. Một lượng nhỏ vật liệu có thể quyết định hiệu năng của cả hệ thống. Với các ngành như bán dẫn, viễn thông, năng lượng sạch và quốc phòng, sự ổn định của nguồn cung vật liệu là điều kiện nền tảng.

Điểm nghẽn của chuỗi cung ứng

Đối với Mỹ, vấn đề lớn là một số vật liệu quan trọng không có nguồn cung nội địa đủ mạnh. Với gallium, nguồn cung toàn cầu tập trung rất lớn vào Trung Quốc. Với scandium, Mỹ cũng chưa có năng lực khai thác hoặc thu hồi thương mại đáng kể trong nước.

Sự phụ thuộc này không chỉ là vấn đề kinh tế. Trong bối cảnh cạnh tranh công nghệ và thương mại giữa các cường quốc, nguồn cung khoáng sản có thể trở thành công cụ gây sức ép. Khi một vật liệu quan trọng bị kiểm soát xuất khẩu, doanh nghiệp phụ thuộc vào nó sẽ đối mặt với rủi ro tăng giá, thiếu hàng hoặc phải tìm nguồn thay thế trong thời gian ngắn.

Trong nhiều năm, toàn cầu hóa khiến các chuỗi cung ứng được tối ưu theo chi phí. Nhưng khi cạnh tranh địa chính trị gia tăng, cách tính ấy không còn đủ. Một nguồn cung rẻ nhưng quá tập trung có thể trở thành rủi ro. Một dây chuyền hiệu quả nhưng phụ thuộc vào một quốc gia duy nhất có thể bị tổn thương khi chính sách thay đổi.

Với Mỹ, bài toán không chỉ là tìm thêm quặng. Điều khó hơn là xây dựng cả chuỗi: Thu hồi, tinh luyện, chế biến, tiêu chuẩn hóa và đưa vật liệu vào hệ thống công nghiệp. Nếu chỉ có tài nguyên mà không có năng lực chế biến, quốc gia vẫn phụ thuộc vào bên ngoài.

Trong bối cảnh đó, bùn đỏ, loại chất thải phát sinh trong quá trình tinh luyện alumina từ quặng bauxite, đang được Mỹ nhìn lại bằng con mắt khác, khi có thể trở thành nguồn cung thứ cấp cho một số kim loại chiến lược như gallium, scandium…

Từ chất thải đến nguồn cung tiềm năng

Bùn đỏ là phụ phẩm của quá trình sản xuất alumina, nguyên liệu trung gian để sản xuất nhôm. Do chứa nhiều thành phần phức tạp và có tính kiềm cao, bùn đỏ thường được lưu giữ trong các hồ chứa hoặc bãi thải chuyên biệt.

Trong nhiều thập kỷ, bùn đỏ chủ yếu bị xem là vấn đề môi trường: Phải quản lý an toàn, tránh rò rỉ, tránh gây ô nhiễm đất và nước. Toàn ngành nhôm thế giới thải ra khoảng 150 triệu tấn bùn đỏ mỗi năm, nhưng tỷ lệ tái sử dụng hiện chỉ đạt khoảng 2%.

Nhưng bùn đỏ không đơn thuần chỉ là chất thải. Bên trong nó có thể còn chứa chính những kim loại mà Mỹ đang thiếu. Trong cuộc phỏng vấn với hệ sinh thái thông tin AL Circle vào tháng 5, GS. Greeshma Gadikota, Đại học Columbia, cho biết, gallium trong bùn đỏ thường ở mức 50–80 ppm (có nghĩa là trong 1 tấn bùn đỏ sẽ có chứa khoảng 50 đến 80 gram kim loại Gallium), scandium 70–120 ppm, còn các nguyên tố đất hiếm dao động từ 400 đến 2.000 ppm tùy nguồn bauxite.

Hồ Bùn đỏ 4 tại nhà máy lọc alumina Atalco ở Gramercy, Louisiana, Mỹ. (Nguồn: Louisiana Illuminator)

Các nghiên cứu độc lập cũng chỉ ra rằng nồng độ scandium trong bùn đỏ có thể đạt 100-800 ppm, vượt hầu hết các mỏ nguyên sinh đang khai thác trên thế giới. Titanium dioxide dao động 1-10%, trong khi scandium được xác định chiếm đến 95% tổng giá trị kinh tế của các nguyên tố đất hiếm trong bùn đỏ.

Thay vì chỉ tìm kiếm mỏ mới, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp Mỹ bắt đầu nhìn vào những nguồn thứ cấp sẵn có. Theo GS. Gadikota, bãi thải Gramercy tại Louisiana, cơ sở luyện alumina duy nhất của Mỹ, chứa hơn 30 triệu tấn bùn đỏ. Nếu hàm lượng scandium tại đây đạt khoảng 80 ppm, tổng lượng scandium tồn trữ có thể lên đến 2.400 tấn. Lượng titanium oxide tiềm năng ước tính đạt 0,6 triệu tấn, tương đương 40–60% tổng nhu cầu titanium dioxide hằng năm của Mỹ.

Đây cũng là lý do Bộ Quốc phòng Mỹ đã rót 29,9 triệu USD cho công ty khai thác và chế biến khoáng sản ElementUSA để xây nhà máy thử nghiệm tại Gramercy, trong khi công ty này công bố kế hoạch xây cơ sở thương mại trị giá 850 triệu USD.

Hồi tháng Một, nhà sản xuất và tinh chế alumina Atlantic Alumina thông báo hợp tác chiến lược 450 triệu USD với chính phủ liên bang để xây nhà máy sản xuất gallium quy mô lớn đầu tiên của Mỹ. Đây là những tín hiệu rõ ràng rằng câu chuyện bùn đỏ đã vượt khỏi phòng thí nghiệm.

Việc thu hồi kim loại từ bùn đỏ mang hai ý nghĩa cùng lúc: Giảm áp lực môi trường nếu có thể xử lý và tái sử dụng một phần chất thải, đồng thời mở ra khả năng bổ sung nguồn cung trong nước cho các ngành công nghệ cao mà không phải phụ thuộc hoàn toàn vào khai thác mới, vốn thường mất nhiều năm, vấp phải yêu cầu môi trường, giấy phép và phản ứng cộng đồng.

Tất nhiên, nguồn thứ cấp như bùn đỏ không thay thế hoàn toàn mỏ truyền thống, nhưng có thể trở thành một phần của chiến lược đa dạng hóa. Tuy vậy, không phải mọi bãi bùn đỏ đều giống nhau. Thành phần phụ thuộc vào nguồn bauxite, công nghệ tinh luyện và điều kiện môi trường. Các dự án nghiên cứu cần bắt đầu từ phân tích mẫu, xác định hàm lượng, đánh giá khả năng tách chiết và tính toán chi phí trước khi đến câu hỏi liệu sản phẩm thu hồi có đạt tiêu chuẩn công nghiệp và cạnh tranh được với nguồn nhập khẩu hay không?

Không nên thổi phồng kỳ vọng

Điều quan trọng là không biến câu chuyện bùn đỏ thành một lời giải đã hoàn tất. Từ ý tưởng đến sản xuất thương mại là một quãng đường dài, với ít nhất bốn thách thức lớn.

Về công nghệ, việc thu hồi kim loại từ bùn đỏ đòi hỏi quy trình phức tạp. Nếu dùng hóa chất mạnh, phải xử lý chất thải thứ cấp; nếu tiêu tốn quá nhiều năng lượng, hiệu quả môi trường có thể bị đặt dấu hỏi.

Về kinh tế, hàm lượng kim loại thấp và chi phí tách chiết cao có thể khiến sản phẩm đắt hơn nguồn nhập khẩu, làm dự án khó thương mại hóa.

Về quy mô, một thí nghiệm thành công với vài kg mẫu không bảo đảm thành công với hàng triệu tấn bùn đỏ. Quy mô công nghiệp đòi hỏi thiết bị, vốn và tiêu chuẩn an toàn hoàn toàn khác.

Về thị trường, ngay cả khi thu hồi được kim loại, doanh nghiệp vẫn cần khách hàng công nghiệp, tiêu chuẩn chất lượng và hợp đồng dài hạn.

Vì vậy, cách nhìn phù hợp là coi bùn đỏ là một nguồn tiềm năng, không phải “kho báu chắc chắn”. Nó có thể góp phần giảm rủi ro chuỗi cung ứng, nhưng chưa thể thay thế toàn bộ hệ thống khoáng sản hiện nay.

Câu chuyện cạnh tranh vật liệu

Từ bùn đỏ, có thể nhìn rộng hơn đến cuộc cạnh tranh vật liệu giữa các nền kinh tế lớn. Trong kỷ nguyên công nghệ cao, vật liệu không chỉ phục vụ một ngành riêng lẻ, mà nằm ở giao điểm của nhiều lĩnh vực: Năng lượng sạch, điện tử, viễn thông, hàng không, quốc phòng và trí tuệ nhân tạo.

Điều này làm thay đổi cách hiểu về tài nguyên. Trước đây, dầu mỏ và khí đốt là trung tâm của an ninh năng lượng. Ngày nay, lithium, cobalt, đất hiếm, gallium, scandium và nhiều vật liệu khác trở thành một phần của an ninh công nghệ, dù không thay thế năng lượng truyền thống, nhưng bổ sung một tầng cạnh tranh mới.

Mỹ, châu Âu, Nhật Bản và Hàn Quốc đều đang tìm cách giảm phụ thuộc vào các nguồn cung quá tập trung, thông qua tái chế, thu hồi, xây dựng kho dự trữ, phát triển vật liệu thay thế và thiết lập quan hệ đối tác với các nước có nguồn tài nguyên đáng tin cậy. Trong bức tranh đó, bùn đỏ là ví dụ điển hình cho tư duy mới: Không bỏ qua những nguồn tài nguyên thứ cấp.

Câu chuyện bùn đỏ cho thấy một nghịch lý của thời đại công nghệ cao: Những ngành hiện đại nhất có thể phụ thuộc vào những vật liệu từng bị xem là phế thải. Khi gallium, scandium và các kim loại quan trọng trở thành điểm nghẽn của chuỗi cung ứng, bùn đỏ không còn chỉ là vấn đề môi trường mà có thể trở thành một phần của chiến lược vật liệu. Dù vậy, đây vẫn là hướng đi cần kiểm chứng.

Nguồn: https://baoquocte.vn/tu-chat-thai-cong-nghiep-den-khoang-san-chien-luoc-396981.html