Nhà máy desalination thường xả brine trở lại biển: Dòng nước thải này có thể trở thành một “mỏ” khoáng chất

Nước muối cô đặc sau desalination vẫn chứa magnesium, lithium và nhiều ion có giá trị. Các nhóm tại PNNL, Oregon State và KAUST đang thử biến dòng thải này thành nguồn nguyên liệu, nhưng kinh tế học của “brine mining” vẫn phụ thuộc mạnh vào độ chọn lọc, năng lượng và khả năng bán được nhiều sản phẩm cùng lúc.

Tháng 9 17, 2026

Nhà máy desalination thường xả brine trở lại biển: Dòng nước thải này có thể trở thành một “mỏ” khoáng chất

Một nhà máy khử mặn không chỉ tạo ra nước ngọt. Phía bên kia màng reverse osmosis là một dòng nước mặn cô đặc — brine — mang theo phần lớn muối và khoáng chất bị giữ lại. Trong mô hình desalination thông thường, dòng này chủ yếu là bài toán phải xử lý hoặc thải bỏ. Một hướng nghiên cứu đang cố đổi cách nhìn đó: coi brine như quặng lỏng đã được nhà máy bơm, lọc và cô đặc sẵn.

Ý tưởng thường được gọi là brine mining hoặc resource recovery from desalination brine. Magnesium là mục tiêu dễ thấy nhất vì có nồng độ tương đối cao trong nước biển; lithium, boron, rubidium và một số kim loại khác có giá trị hơn nhưng loãng hơn rất nhiều. Ngoài kim loại, brine còn có thể được xử lý để tạo acid, base và muối công nghiệp.

Điểm hấp dẫn không nằm ở việc đại dương “chứa rất nhiều khoáng chất” — điều đó đã được biết từ lâu. Câu hỏi thực tế là liệu có thể thu chúng với đủ ít năng lượng, hóa chất và thiết bị để cạnh tranh với khai mỏ truyền thống. Đánh giá năm 2025 của U.S. Government Accountability Office (GAO) kết luận rằng công nghệ đã chứng minh được khả năng tách khoáng chất khỏi brine desalination, nhưng khả năng mở rộng và hiệu quả kinh tế vẫn chưa được chứng minh đầy đủ.

Brine có lợi thế mà nước biển thô không có: nó đã được cô đặc một lần

Nước biển là một “mỏ” khổng lồ nhưng phần lớn các nguyên tố có giá trị tồn tại ở nồng độ rất thấp. Một review về lithium từ seawater liệt kê nồng độ điển hình khoảng 1.272 mg/L magnesium nhưng chỉ khoảng 0,18 mg/L lithium. Với lithium, vấn đề không phải thiếu tổng trữ lượng mà là phải xử lý một lượng nước khổng lồ để thu được một lượng vật liệu tương đối nhỏ.

Desalination vô tình thực hiện một phần công việc cô đặc này. Khi reverse osmosis ép nước qua màng và giữ lại phần lớn ion, dòng reject còn lại mặn hơn nước biển đầu vào. Nhà máy đã có sẵn bơm, đường ống, tiền xử lý và một dòng nước muối tập trung tại một điểm — hạ tầng mà một dự án “khai khoáng từ biển” độc lập sẽ phải xây từ đầu.

Đây là lý do brine được quan tâm hơn việc đơn giản đặt một máy khai lithium giữa đại dương. Thay vì bơm nước biển chỉ để lấy kim loại, hệ thống có thể gắn thêm vào một nhà máy vốn đã bơm nước vì mục đích sản xuất nước ngọt. Nếu thu hồi tài nguyên còn giúp giảm chi phí xử lý brine, hai quá trình có thể chia sẻ một phần chi phí hạ tầng.

PNNL muốn biến một nhà máy nước thành cả nhà máy hóa chất

Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) đang phát triển một chuỗi công nghệ minh họa khá rõ cách mô hình này có thể hoạt động. Với magnesium, nhóm của Chinmayee Subban sử dụng một reactor dạng co-flow: seawater và sodium hydroxide chảy song song, magnesium hydroxide kết tủa tại vùng giao nhau giữa hai dòng.

PNNL cho biết phương pháp này cắt bớt ít nhất bốn bước so với quy trình Dow từng dùng để khai magnesium từ nước biển. Nhóm dừng ở magnesium hydroxide — bản thân đã là sản phẩm thương mại — thay vì tiếp tục qua chuỗi phản ứng và điện phân để tạo magnesium kim loại.

Trong bài tổng quan công bố tháng 7/2026, PNNL cho biết reactor dạng module được thiết kế để có thể ghép vào hạ tầng desalination. Phân tích của nhóm lấy nhà máy Carlsbad ở California làm ví dụ: cơ sở này xử lý khoảng 108 triệu gallon nước biển mỗi ngày. Nếu giả định lý tưởng thu hồi 100% magnesium, dòng nước đó về lý thuyết chứa lượng nguyên liệu đủ để tạo khoảng 524.000 kg magnesium hydroxide mỗi ngày.

Con số 524 tấn/ngày không phải sản lượng mà PNNL đã đạt được. Nó là upper-bound calculation dựa trên lưu lượng của một nhà máy lớn và giả định recovery hoàn hảo. Thực tế sẽ thấp hơn vì không quy trình công nghiệp nào thu được 100%, và kinh tế học còn phụ thuộc hóa chất, tinh sạch, vận hành và thị trường đầu ra.

Sau bước tách magnesium, seawater mới đi qua reverse osmosis để tạo nước ngọt và brine. PNNL đề xuất xử lý tiếp brine bằng bipolar membrane electrodialysis (BPMED), dùng điện để tạo các dòng acid và base. Những hóa chất này lại có thể được sử dụng ở các quy trình khai khoáng khác, thay vì xem brine là chất thải cuối cùng.

Oregon State đi thẳng vào bài toán “khai mỏ nước thải”

Nếu kiến trúc PNNL bắt đầu thu magnesium trước khi reverse osmosis, dự án Brine Miners do Oregon State University dẫn dắt tập trung trực tiếp vào hypersaline brine sau desalination.

Nền tảng của nhóm kết hợp membrane mang điện với các bước concentration và Zero Liquid Discharge. Mục tiêu là tách lithium, magnesium và các vật liệu khác, đồng thời thu thêm nước sạch; hệ thống còn được thiết kế để ghép với electrolysis nhằm tạo hydrogen.

Trong một nhánh công nghệ, brine được atomize và gia nhiệt ở nhiệt độ thấp để loại dần nước, kết tủa các ion cạnh tranh và nâng nồng độ lithium trước bước thu hồi cuối. Oregon State báo cáo ở quy mô lab rằng một cấu hình có thể nâng lithium từ khoảng 160 ppm lên 7.000 ppm với recovery 90% trong loại brine thử nghiệm được dùng cho công nghệ đó. Đây không phải con số của seawater thông thường — nồng độ lithium ban đầu trong nước biển thấp hơn hàng trăm lần — và không nên dùng nó như bằng chứng rằng mọi nhà máy desalination có thể tạo lithium carbonate với hiệu suất tương tự.

Chính GAO vì thế xếp các chương trình kiểu Brine Miners vào giai đoạn pilot nhằm chứng minh scalability và economic viability. Nút thắt hiện không còn là “có tách được ion hay không”, mà là liệu thiết bị có chạy ổn định với dòng brine thật, có fouling, có cần nhiều hóa chất, màng tồn tại bao lâu và giá sản phẩm thu được có bù nổi chi phí hay không.

Không phải khoáng chất nào cũng đáng tách riêng

Một lít nước biển chứa magnesium ở mức gram, nhưng lithium chỉ ở mức phần nhỏ của milligram. Sự chênh lệch này quyết định công nghệ tách.

Với ion có nồng độ cao như magnesium, precipitation có thể khả thi vì khối lượng sản phẩm thu được trên mỗi mét khối nước đủ lớn. Với lithium, hệ thống phải phân biệt một lượng rất nhỏ Li⁺ giữa lượng Na⁺, Mg²⁺, K⁺ và các ion khác lớn hơn nhiều. Chỉ “lọc muối” là không đủ; vật liệu tách phải có selectivity rất cao.

Các hướng đang được thử gồm ion-sieve, membrane dẫn ion chọn lọc, electrochemical pumping, adsorption và nanofiltration. Năm 2026, một nghiên cứu trên Nature Communications đã dùng màng LAGP và hệ điện hóa để nâng lithium trong seawater từ 0,183 mg/L lên hơn 300 mg/L trong dòng thu hồi, đồng thời tạo hydrogen. Đây là kết quả ở hệ nghiên cứu điện hóa, không phải một module đã vận hành tại nhà máy desalination thương mại, nhưng nó cho thấy vì sao việc chọn lọc ion là trung tâm của bài toán.

Trong thực tế, một nhà máy “brine refinery” có thể cần thu nhiều sản phẩm theo chuỗi thay vì đặt cược vào một nguyên tố. Tách magnesium trước có thể làm dòng còn lại thuận lợi hơn cho lithium; acid và base sinh ra từ một bước có thể dùng cho bước khác; sodium chloride, calcium carbonate hoặc gypsum có thể trở thành sản phẩm phụ nếu thị trường địa phương hấp thụ được.

Giá trị nằm ở cả những thứ không phải kim loại

Brine mining đôi khi được kể như một câu chuyện lithium, nhưng lithium không nhất thiết là sản phẩm tốt nhất cho mọi nhà máy. GAO liệt kê magnesium, lithium và gallium trong nhóm vật liệu có thể được xem xét; các dự án khác nhắm tới boron, rubidium, calcium, potassium hoặc các hóa chất cơ bản.

Saudi Arabia đã đi một bước xa hơn ở magnesium. Theo GAO, Saudi Water Authority đã vận hành một cơ sở tập trung magnesium từ brine desalination ở quy mô đầy đủ. Tuy nhiên, magnesium ở đây được dùng để remineralize nước uống, không phải bán như vật liệu công nghiệp. Đây là một ví dụ hữu ích về khoảng cách giữa “thu hồi khoáng chất ở quy mô lớn” và “xây một mỏ khoáng sản thương mại từ brine”.

KAUST cũng đang phát triển quy trình Green Magnesium nhằm đi từ brine tới magnesium metal. Trường này cho biết pilot của họ xử lý chuỗi từ brine → magnesium hydroxide → magnesium chloride → magnesium và có công suất thiết kế tới 750 tấn mỗi năm. Nhưng các tuyên bố về chi phí thấp hoặc carbon thấp của nền tảng vẫn cần được đánh giá bằng dữ liệu vận hành và life-cycle analysis khi hệ thống mở rộng.

“2.200 tỷ USD trong brine” không có nghĩa đang có 2.200 tỷ USD chờ được vớt lên

Một số tài liệu của dự án Brine Miners ước tính tổng giá trị lý thuyết của vật liệu trong dòng brine desalination toàn cầu lên tới hàng nghìn tỷ USD. Những con số kiểu này rất dễ gây hiểu nhầm.

Giá trị vật chất tại giá thị trường không bằng giá trị có thể thu hồi kinh tế. Nếu phải tiêu tốn 100 USD năng lượng, hóa chất và màng để tách 10 USD lithium, lượng lithium đó không phải một “tài sản” 10 USD theo nghĩa kinh doanh. Tương tự, một lượng khoáng chất khổng lồ trên toàn cầu có thể bị phân tán giữa hàng nghìn nhà máy, mỗi nơi có thành phần nước, quy mô và thị trường đầu ra khác nhau.

GAO chỉ ra ba rào cản lớn: scalability chưa được chứng minh rộng rãi, hiệu quả kinh tế còn bất định và số lượng nhà máy seawater desalination ở một số quốc gia như Mỹ còn hạn chế. Ngoài ra còn có bài toán purity: magnesium hydroxide cho xử lý nước, magnesium kim loại cho hợp kim và lithium carbonate battery-grade là ba thị trường với yêu cầu tinh sạch hoàn toàn khác nhau.

Nhà máy desalination tương lai có thể giống một refinery hơn

Mô hình hấp dẫn nhất của brine mining không phải là thay mỏ lithium bằng một nhà máy nước. Nó là tận dụng tối đa mỗi mét khối nước biển đã được bơm lên bờ.

Một hệ tích hợp có thể thu một khoáng chất trước reverse osmosis, tạo nước ngọt ở bước chính, rồi tiếp tục xử lý reject brine để lấy thêm muối, kim loại hoặc acid/base. Phần nước còn lại được tái sử dụng hoặc cô đặc tới mức giảm lượng chất lỏng phải thải. Khi đó doanh thu từ vật liệu có thể bù một phần chi phí desalination, còn desalination cung cấp sẵn hạ tầng và feedstock cho khai khoáng.

Nhưng để mô hình này trở thành chuẩn công nghiệp, mỗi sản phẩm phải vượt qua cùng một phép tính: recovery bao nhiêu, purity bao nhiêu, cần bao nhiêu kWh và hóa chất cho mỗi kilogram sản phẩm, màng tồn tại được bao lâu và ai sẽ mua sản phẩm tại địa điểm đó.

Đó cũng là lý do “khai mỏ từ nước thải desalination” đang chuyển từ một ý tưởng hóa học sang một bài toán hệ thống. Tách được lithium hay magnesium chỉ là bước đầu. Một nhà máy thực sự khả thi phải khiến nước ngọt, khoáng chất, hóa chất và dòng thải cuối cùng cùng nằm trong một cân bằng kinh tế tốt hơn việc chỉ sản xuất nước rồi xả phần còn lại trở lại biển.