Rare earth thường phải đào từ mỏ: Nhóm WPI muốn học diatom và bọt biển để lấy chúng từ tro than

Rare earth không hẳn hiếm trong vỏ Trái Đất. Vấn đề là chúng thường phân tán ở nồng độ thấp, lẫn với nhiều khoáng vật khác và khó tách khỏi nhau. Vì thế, để có neodymium, dysprosium hay những nguyên tố dùng trong nam châm, điện tử và công nghệ năng lượng, công nghiệp thường phải bắt đầu từ quặng rồi đi qua nhiều bước nghiền, hòa tách và phân tách hóa học.

Một nhóm do Worcester Polytechnic Institute (WPI) dẫn đầu đang đặt câu hỏi khác: nếu một phần nguyên liệu đã được đào lên, đốt, tinh luyện hoặc biến thành chất thải từ nhiều thập kỷ trước thì sao?

Ngày 17/9/2026, WPI công bố nhận 3,3 triệu USD từ chương trình Growing Convergence Research của National Science Foundation cho một dự án kéo dài năm năm. Mục tiêu là tìm cách thu hồi rare earth và các critical mineral từ coal ash, red mud, mine tailings cùng những dòng chất thải giàu silicon khác. Nguồn cảm hứng của nhóm không đến từ một quy trình luyện kim mới, mà từ diatom, bọt biển và một số loài thực vật — những sinh vật có thể điều khiển silicon trong nước và tạo nên các cấu trúc silica phức tạp ở điều kiện mà nhà máy vật liệu thông thường khó gọi là khắc nghiệt.

Điểm cần nói rõ là nhóm chưa có một dây chuyền có thể biến tro than thành rare earth thương phẩm. Đây là chương trình nghiên cứu hai giai đoạn, không phải công nghệ đã scale. Và sinh vật biển cũng không trực tiếp “ăn” rare earth khỏi tro. Phần nhóm muốn học từ tự nhiên trước hết là cách sinh học phá, bắt giữ và tái tổ chức silicon; rare earth có thể được giải phóng khi ma trận silicate giữ chúng bị xử lý.

Trong tro than có rare earth, nhưng chúng không nằm sẵn để nhặt ra

Khi than bị đốt, phần hữu cơ biến mất còn các thành phần khoáng tập trung lại trong fly ash và bottom ash. Rare earth không bay hơi dễ dàng, vì vậy chúng có thể trở nên giàu hơn trong tro so với than ban đầu.

Một phân tích toàn nước Mỹ đăng trên International Journal of Coal Science & Technology năm 2024 ước tính các nhà máy điện Mỹ đã tạo khoảng 2,73 tỷ tấn coal ash trong giai đoạn 1985–2021, trong đó khoảng 1,87 tỷ tấn được đưa vào landfill, pond, storage hoặc các khu disposal và về nguyên tắc có thể tiếp cận để đánh giá như một nguồn tài nguyên.

Nồng độ lại rất thấp nếu so với một quặng giàu. Trong bộ dữ liệu mà nghiên cứu tổng hợp, tổng rare earth cộng yttrium và scandium trung bình vào khoảng 330 mg/kg đối với ash từ Powder River Basin và khoảng 585 mg/kg đối với Appalachian Basin. Nghĩa là một tấn tro có thể chỉ chứa vài trăm gram tổng các nguyên tố mục tiêu, trước khi tính xem bao nhiêu phần thực sự hòa tách được.

Nhóm nghiên cứu năm 2024 ước tính phần rare-earth oxide có khả năng thu hồi từ lượng ash tiếp cận được mang giá trị khoảng 8,4 tỷ USD, dựa trên giả định recovery khoảng 30% cho ash Appalachian và Illinois Basin và 70% cho Powder River Basin. Đây là giá trị kim loại ước tính, không phải lợi nhuận của một nhà máy: chi phí đào lại landfill, vận chuyển, nghiền, hòa tách, xử lý nước và chất thải có thể quyết định toàn bộ economics.

Vấn đề lớn là rare earth bị khóa trong một “khối kính” silicate

Coal ash, red mud hay nhiều loại tailing không phải một túi bột đồng nhất. Chúng chứa pha thủy tinh aluminosilicate, oxide, phosphate và nhiều khoáng khác. Rare earth có thể nằm trong những pha riêng như monazite, nhưng cũng có thể bị bao trong hoặc kết hợp với phần silicate vô định hình.

Đây là nơi extraction trở nên khó. Để lấy kim loại ra, hydrometallurgy thường phải dùng acid hoặc base đủ mạnh để phá ma trận khoáng. Một số quy trình thêm bước roasting hoặc xử lý nhiệt trước để làm vật liệu dễ hòa tan hơn. Những bước này có thể tăng recovery nhưng đồng thời tiêu thụ hóa chất, năng lượng và tạo thêm dòng chất thải cần xử lý.

Dự án WPI vì vậy không chỉ hỏi “molecule nào sẽ bắt rare earth?”. Nhóm đặt vấn đề ở bước trước đó: có thể xử lý phần silicate bằng một chemistry nhẹ hơn hay không, rồi mới thu hồi các nguyên tố được giải phóng.

Diatom và bọt biển làm silica theo cách rất khác nhà máy vật liệu

Diatom là những vi tảo đơn bào nổi tiếng với lớp vỏ silica có họa tiết nano phức tạp. Bọt biển silic cũng tạo các spicule — những phần xương bằng silica — từ silicon hòa tan trong nước.

Điều hấp dẫn các nhà vật liệu là quá trình này xảy ra ở điều kiện sinh học. Một review về protein trong biosilicification mô tả diatom sử dụng các peptide như silaffin và long-chain polyamine để điều khiển quá trình kết tụ silica. Ở một số bọt biển, các protein như silicatein liên quan tới việc hình thành cấu trúc silica. Trong các thí nghiệm in vitro, những biomolecule này có thể thúc đẩy condensation hoặc precipitation của silica trong điều kiện nhẹ hơn nhiều so với nhiều route tổng hợp công nghiệp.

WPI chưa công bố rằng dự án sẽ đơn giản lấy silaffin hay silicatein rồi đổ vào coal ash. Thông báo của trường nói nhóm sẽ nghiên cứu các biological molecule và organic scaffold mà diatom, bọt biển và thực vật dùng để bắt silicon hòa tan và xây cấu trúc silica, sau đó thiết kế các biomolecule chuyên biệt cho chất thải công nghiệp.

AI và computational chemistry sẽ được dùng để dự đoán biomolecule nào tương tác tốt với các hệ silicate khác nhau. Mingjiang Tao, người dẫn dự án, phụ trách phần biosilicification và bio-enabled metallurgy; Carrick Eggleston nghiên cứu các pathway hòa tan, repolymerization, carbonation và glass formation của silicate; còn Yan Wang dẫn phát triển quy trình bioengineered để thu hồi rare earth và các critical mineral khác.

Mục tiêu không chỉ là kéo rare earth ra rồi bỏ phần còn lại

Một trong những điểm khác với nhiều dự án biomining là WPI muốn xử lý cả “khối lượng lớn, giá trị thấp” còn lại sau khi lấy kim loại.

Rare earth chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong một tấn ash. Nếu một quy trình phải đưa 99,9% vật liệu còn lại trở lại landfill sau khi đã tiêu tốn hóa chất để lấy vài trăm gram kim loại, economics và lợi ích môi trường có thể rất kém.

Nhóm vì thế gọi đây là hướng whole-material valorization. Silica sau khi được tách hoặc tái cấu trúc có thể trở thành nguyên liệu cho những vật liệu khác, thay vì chỉ là residue. WPI nêu concrete, glass, ceramics, semiconductor materials và silicone như những hệ vật liệu mà silicon đóng vai trò quan trọng; dự án sẽ kiểm tra các phản ứng cần thiết để chuyển chất thải silicate thành sản phẩm có ích.

Đây là mục tiêu tham vọng hơn việc chỉ tối đa phần trăm recovery. Một quy trình có thể thu 90% rare earth nhưng không kinh tế nếu phải xử lý một khối lượng waste khổng lồ mà không tạo giá trị từ phần còn lại. Ngược lại, doanh thu từ silica hoặc vật liệu xây dựng có thể thay đổi bài toán chi phí của toàn hệ thống — nếu chất lượng sản phẩm và contamination cho phép.

Biology đã cho thấy có thể bắt rare earth, nhưng WPI đang giải một bài toán khác

Ý tưởng dùng biomolecule cho rare-earth recovery không bắt đầu với dự án này. Protein lanmodulin, được phát hiện ở vi khuẩn sử dụng lanthanide, có khả năng liên kết chọn lọc với rare earth. Các nhóm khác đã gắn lanmodulin vào vật liệu hoặc kết hợp nó với peptide để thu hồi rare earth từ những dung dịch rất loãng.

Ví dụ, một nghiên cứu năm 2024 trên Frontiers in Bioengineering and Biotechnology tạo một protein lai giữa lanmodulin và elastin-like polypeptide để bắt rare earth từ coal fly-ash leachate. Protein giữ khoảng 95% khả năng binding sau bốn chu kỳ tái sử dụng và trong dung dịch mô phỏng có thể làm tăng độ tinh khiết rare earth rất mạnh.

Nhưng ở đó, feed đã là leachate: rare earth đã được đưa từ pha rắn sang dung dịch. Dự án WPI nhắm vào một điểm upstream hơn — xử lý chính phần silicate của chất thải để giải phóng những nguyên tố bị khóa, rồi kết hợp với các bước recovery phía sau.

Hai hướng vì thế có thể bổ sung nhau: một chemistry bio-inspired giúp mở matrix; một biosorbent hoặc separation process khác bắt rare earth từ dung dịch sau đó. Dự án mới chưa công bố flow sheet cuối cùng, nên chưa thể nói các bước này sẽ được ghép cụ thể ra sao.

“Khai khoáng từ chất thải” vẫn phải đối mặt với chất độc trong chất thải

Coal ash không chỉ chứa rare earth. Nó còn có thể chứa arsenic, mercury, cadmium và radionuclide tùy nguồn than và quá trình đốt. Red mud có tính kiềm cao và mang thành phần khoáng phức tạp. Mine tailing thì thay đổi rất mạnh giữa từng mỏ.

Điều này tạo một nghịch lý: xử lý waste để lấy critical mineral có thể đồng thời làm những contaminant vốn đang bị giữ trong pha rắn trở nên di động hơn. Một quy trình tốt không chỉ cần recovery cao mà phải chứng minh nước thải, residue và sản phẩm phụ có thể được quản lý an toàn.

Độ biến thiên feedstock cũng là vấn đề scale. Một molecule tối ưu cho fly ash từ Powder River Basin chưa chắc hoạt động giống trên Appalachian ash hay bauxite residue. Tỷ lệ glass, calcium, iron và các mineral phase khác nhau có thể thay đổi cả dissolution kinetics lẫn khả năng binding của biomolecule.

Đó là lý do dự án kéo dài năm năm và bao gồm cả geochemistry, metallurgy, biology, AI, materials science lẫn techno-economic analysis. Thành công trong một vial vài mililiter mới chỉ chứng minh chemistry; nhà máy cần xử lý slurry đặc, vật liệu abrasive, feed không đồng nhất và hàng nghìn tấn mỗi ngày.

Điều mới hiện tại là một hướng nghiên cứu, chưa phải một mỏ rare earth thứ hai

Thông báo 3,3 triệu USD của NSF đáng chú ý vì nó nối hai lĩnh vực vốn thường tách biệt: biomineralization và extractive metallurgy. Diatom và bọt biển đã dành hàng trăm triệu năm để giải bài toán điều khiển silica bằng phân tử hữu cơ trong nước. WPI muốn xem cùng nguyên lý đó có thể đảo chiều — hoặc tái sử dụng — để tháo một mạng silicate công nghiệp hay không.

Nếu chemistry hoạt động, phần hấp dẫn không chỉ là rare earth. Coal ash, red mud, slag, concrete debris và waste glass tồn tại với khối lượng lớn hơn rất nhiều lượng critical mineral bên trong chúng. Một quy trình chỉ có ý nghĩa ở quy mô công nghiệp nếu nó tìm được giá trị cho cả hai phía: lượng kim loại nhỏ nhưng đắt tiền và lượng silicate khổng lồ nhưng giá trị trên mỗi tấn thấp.

Hiện tại, chưa có recovery rate, energy consumption hay cost per kilogram để so với mining truyền thống. Cũng chưa có pilot plant. Mốc đáng theo dõi tiếp theo sẽ là liệu nhóm có tìm được biomolecule thật sự đẩy nhanh dissolution hoặc tái cấu trúc silicate trong waste thực, rồi chứng minh các nguyên tố rare earth được giải phóng có thể thu hồi chọn lọc mà không tạo ra một dòng waste mới khó xử lý hơn dòng ban đầu.

Nói cách khác, đây chưa phải chuyện thay mỏ rare earth bằng bọt biển. Nó là nỗ lực học một kỹ năng hóa học mà sinh vật biển đã làm rất lâu: thao tác silicon ở điều kiện nhẹ. Nếu kỹ năng đó chuyển được sang hàng tỷ tấn chất thải công nghiệp, những bãi tro và tailing từng được coi là điểm cuối của một chuỗi vật liệu có thể trở thành điểm đầu của một chuỗi khác.