Sau xử lý rác có thể là “khai mỏ từ ô nhiễm”: Những nguyên tố quý được lấy trở lại từ chất thải độc

Một bãi chất thải phóng xạ nhẹ của ngành phân bón hay dòng nước màu cam chảy ra từ mỏ than bỏ hoang thường được nhìn như chi phí môi trường: phải cô lập, trung hòa hoặc xử lý rồi mới có thể thải bỏ. Nhưng chính các dòng chất thải này đôi khi chứa những nguyên tố mà công nghiệp lại đang phải khai thác ở nơi khác.

Đó là nền tảng của một hướng nghiên cứu ngày càng được gọi bằng những cái tên như secondary mining, waste valorization hay “khai mỏ từ ô nhiễm”: thay vì chỉ loại bỏ chất gây ô nhiễm, quy trình xử lý cố tách một phần vật chất có giá trị ra thành sản phẩm đủ tinh khiết để quay lại chuỗi cung ứng.

Một trường hợp điển hình là công trình của Adam Smerigan và Rui Shi tại Penn State về phosphogypsum — phụ phẩm rắn sinh ra khi quặng phosphate được xử lý để sản xuất phosphoric acid cho phân bón. Phosphogypsum chứa radionuclide, kim loại nặng và thường phải lưu trữ trong các “stack” lớn. Nhưng nó cũng giữ lại các nguyên tố đất hiếm như cerium, neodymium và praseodymium.

Điểm đáng chú ý là nghiên cứu không chỉ hỏi “có đất hiếm trong chất thải hay không”. Nhóm xây dựng cả một sơ đồ quy trình để xem việc lấy chúng ra có thể đạt độ tinh khiết, chi phí và tác động môi trường hợp lý hay không. Kết quả công bố trên Environmental Science & Technology năm 2025 cho thấy câu trả lời có thể là có — nhưng chỉ trong một số điều kiện khá cụ thể.

Phosphogypsum là chất thải, nhưng chưa chắc là “quặng” tốt

Phosphogypsum hình thành sau bước xử lý quặng phosphate bằng acid. Theo U.S. Environmental Protection Agency, vật liệu này chứa radium; radium phân rã tạo radon, vì vậy phosphogypsum ở Mỹ được quản lý trong các bãi chứa kỹ thuật để hạn chế phơi nhiễm. Nước công nghệ đi kèm cũng có thể có pH thấp và chứa kim loại.

Điều khiến phosphogypsum hấp dẫn với các nhà nghiên cứu đất hiếm là một phần REE ban đầu trong quặng phosphate chuyển sang pha chất thải thay vì sản phẩm chính. Về lý thuyết, nếu đã phải quản lý hàng núi vật liệu này trong thời gian dài, việc thu hồi REE có thể vừa giảm gánh nặng môi trường vừa tạo ra sản phẩm có giá trị.

Nhưng nồng độ là vấn đề. Một dòng chất thải có thể chứa đúng nguyên tố cần thiết mà vẫn không đáng để xử lý nếu chúng quá loãng, vì lượng acid, base, năng lượng và thiết bị cần dùng để tách một lượng kim loại nhỏ có thể lớn hơn giá trị thu được.

Đây là lý do nhóm Penn State không dừng ở thí nghiệm hấp phụ. Họ xây dựng mô hình kinh tế kỹ thuật và đánh giá vòng đời cho một quy trình giả định hoàn chỉnh, gọi là REEPS.

Từ “bùn độc” tới oxide đất hiếm tinh khiết cần nhiều bước

Trong REEPS, phosphogypsum trước hết được leach để đưa các nguyên tố đất hiếm từ pha rắn vào dung dịch. Sau đó REE được cô đặc bằng kết tủa oxalate. Hỗn hợp đất hiếm tiếp tục đi qua bước tách chọn lọc sử dụng một biomolecule có ái lực cao với lanthanide — ví dụ protein lanmodulin được gắn lên resin.

Ý tưởng của phần tách sinh học này là tránh phải lặp lại hàng trăm công đoạn solvent extraction vốn thường được dùng để phân riêng các nguyên tố đất hiếm có tính chất hóa học rất giống nhau. Các protein hoặc peptide lấy cảm hứng từ lanmodulin có thể nhận biết và liên kết với ion lanthanide, nhờ đó tạo ra một cơ chế hấp phụ chọn lọc hơn ở nồng độ thấp.

Sau khi tách, từng dòng REE được kết tủa bằng oxalic acid rồi nung thành rare earth oxide. Mô hình của nhóm đặt mục tiêu sản phẩm cuối có độ tinh khiết trên 99%.

Quan trọng: đây không phải một nhà máy đã vận hành end-to-end ở quy mô công nghiệp. Paper năm 2025 là một đánh giá hệ thống dựa trên mô hình quá trình, dữ liệu thực nghiệm và các giả định về hiệu suất của những công nghệ thành phần. Chính tác giả lưu ý rằng phần bioadsorption vẫn cần thêm dữ liệu về động học, hằng số liên kết, tuổi thọ vật liệu hấp phụ và hiệu suất khi scale-up.

Một quy trình có thể có lãi trên mô hình nhưng vẫn không “xanh” ở mọi chỉ số

Kết quả techno-economic analysis khá đáng chú ý. Trong kịch bản cơ sở, khoảng 87% số lần mô phỏng cho internal rate of return trên 15%. Nhưng khả năng sinh lời phụ thuộc mạnh vào hàm lượng REE và quy mô xử lý.

Phân tích kịch bản cho thấy quy trình có thể đạt tính kinh tế khi xử lý trên 100.000 kg phosphogypsum mỗi giờ đối với nguồn có hàm lượng REE trên 0,5% khối lượng. Ngược lại, các nguồn loãng hơn ở khoảng 0,02–0,1% REE chưa khả thi trong cấu hình hiện tại, chủ yếu vì chi phí acid leaching và lượng hóa chất cần cho trung hòa sau đó.

Đó là giới hạn quan trọng của khái niệm “khai mỏ từ chất thải”: thứ quyết định không phải chất thải có chứa kim loại hay không, mà là tỷ lệ giữa giá trị vật chất thu hồi và toàn bộ chi phí tách nó khỏi một ma trận bẩn, loãng và phức tạp.

Đánh giá vòng đời của REEPS cũng không cho một câu chuyện hoàn toàn một chiều. Hệ thống mô hình hóa có kết quả tốt hơn khai thác REE truyền thống ở các chỉ số liên quan đến chất lượng hệ sinh thái và suy giảm tài nguyên, nhưng lại cao hơn ở một số tác động tới sức khỏe con người. Ba phần leaching, cô đặc và xử lý nước thải chiếm hơn 75% tác động môi trường trong mô hình, chủ yếu vì lượng sulfuric acid, oxalic acid, sodium hydroxide và năng lượng cần sử dụng.

Nói cách khác, thu hồi tài nguyên từ ô nhiễm không tự động đồng nghĩa với công nghệ sạch. Nó chỉ thực sự có ý nghĩa nếu quy trình thu hồi tạo ra ít tác động mới hơn giá trị môi trường và vật chất mà nó mang lại.

Nước rỉ từ mỏ than cũng đang được xem như một “dòng quặng lỏng”

Phosphogypsum không phải ví dụ duy nhất. Một nguồn khác đang được nghiên cứu mạnh là acid mine drainage (AMD) — nước axit hình thành khi khoáng sulfide trong mỏ tiếp xúc với không khí và nước. AMD thường mang theo sắt, mangan và nhiều kim loại hòa tan, làm giảm pH của sông suối và tạo ra các lớp kết tủa màu cam đặc trưng.

Trong một nghiên cứu công bố trên Journal of Rare Earths năm 2026, Meisam Peiravi và cộng sự lấy mẫu AMD từ một mỏ than bỏ hoang ở Illinois Basin. Tổng nồng độ đất hiếm trong mẫu chỉ khoảng 630 microgram mỗi lít, trong khi tổng các kim loại hòa tan khác vào khoảng 1 gram mỗi lít — cao hơn REE hơn 1.600 lần.

Đây chính xác là kiểu bài toán mà tách chọn lọc trở nên quan trọng. Nhóm so sánh solvent extraction với biosorption sử dụng một consortium vi khuẩn bản địa chủ yếu thuộc chi Serratia. Ở pH 4, biomass hấp phụ hơn 99% nhóm đất hiếm nhẹ, nặng và tổng REE trong vòng 90 phút ở điều kiện thử nghiệm.

Sau hấp phụ, nitric acid được dùng để tách REE khỏi biomass, rồi oxalic acid giúp tạo kết tủa. Kết quả cho thấy biosorption có thể đạt hiệu suất thu hồi tương đương tuyến hydrometallurgy trong phòng thí nghiệm với lượng hóa chất và chất thải thứ cấp thấp hơn. Nhưng tác giả cũng chỉ ra vấn đề nhiễu từ kim loại chuyển tiếp, đặc biệt là sắt, và yêu cầu phải có life-cycle assessment cùng đánh giá năng lượng trước khi nói tới scale-up ngoài hiện trường.

Một số hệ thống đã rời khỏi quy mô cốc thí nghiệm

West Virginia University đã làm việc với acid mine drainage khoảng một thập kỷ và từ năm 2022 vận hành A34 AMDREE Processing Facility tại Mount Storm, West Virginia — một hệ pilot tích hợp để vừa xử lý nước mỏ vừa thu hồi rare earth concentrate. Năm 2026, trường thành lập WVU Rare Earth Elements Initiative và startup Mission Critical Materials để thúc đẩy thương mại hóa công nghệ này.

Ở Penn State, Center for Critical Minerals cũng vận hành một pilot sử dụng bể khoảng 4.000 gallon cùng chuỗi tank, pump và filter để tách các khoáng sản từ nước mỏ. Hệ thống dùng thay đổi pH và ozone để lần lượt tạo kết tủa, sau đó các đối tác công nghiệp tiếp tục tinh sạch sản phẩm.

Con số về quy mô cho thấy cả cơ hội lẫn giới hạn. Theo ước tính của nhóm Penn State, 1 triệu gallon nước mỏ có thể chỉ cho khoảng 5 pound chất kết tủa, tùy nồng độ khoáng và điều kiện địa phương. Chất kết tủa đó cũng không phải toàn bộ là REE tinh khiết.

Nhưng nước mỏ vốn đã cần được xử lý. Vì vậy câu hỏi kinh tế khác với khai một mỏ mới từ đầu: nếu một phần hạ tầng và chi phí làm sạch đã là nghĩa vụ môi trường, việc gắn thêm công đoạn thu hồi khoáng sản có thể giúp bù một phần chi phí xử lý.

“Mỏ” mới có thể nằm ở nơi chúng ta từng chỉ thấy trách nhiệm môi trường

Điểm chung giữa phosphogypsum, acid mine drainage, tro than, red mud và e-waste không phải tất cả đều sẽ trở thành nguồn khoáng sản thương mại. Phần lớn vẫn là vật liệu khó xử lý, hàm lượng thấp và có thành phần thay đổi mạnh.

Điều đang thay đổi là cách các kỹ sư nhìn dòng chất thải. Thay vì thiết kế một nhà máy với mục tiêu duy nhất là đạt chuẩn xả thải, họ có thể xem từng bước xử lý như một cơ hội phân tách: khi thay đổi pH, thành phần nào sẽ kết tủa trước; membrane nào giữ ion mục tiêu; vi khuẩn hoặc peptide nào bắt được lanthanide; và sản phẩm trung gian nào đủ giàu để đáng đem đi tinh luyện.

Khái niệm này có thể biến remediation từ một chuỗi chi phí thuần túy thành một hệ thống vừa làm sạch vừa tạo ra nguyên liệu. Nhưng “khai mỏ từ ô nhiễm” chỉ thực sự thành công khi ba thứ cùng đạt: thu hồi đủ nhiều, sản phẩm đủ tinh khiết và tổng quy trình thực sự tốt hơn về kinh tế lẫn môi trường.

Ở thời điểm hiện tại, các ví dụ tốt nhất đã đi từ ý tưởng sang thí nghiệm và một số hệ pilot. Khoảng cách còn lại là chứng minh rằng chúng có thể vận hành ổn định với những dòng chất thải ngoài đời thực — vốn bẩn, thay đổi theo mùa và chứa rất nhiều ion cạnh tranh — mà không phải tiêu tốn lượng hóa chất lớn đến mức tạo ra một bài toán chất thải mới để giải quyết bài toán cũ.

Nguồn

• Adam Smerigan & Rui Shi, “Advancing the Economic and Environmental Sustainability of Rare Earth Element Recovery from Phosphogypsum”, Environmental Science & Technology, 2025.
• Penn State — Doctoral student’s research finds valuable rare earth elements in toxic waste.
• Meisam Peiravi và cộng sự, “Comparative analysis of hydrometallurgy and biosorption techniques for recovering rare earth elements from acid mine drainage at an abandoned coal mine”, Journal of Rare Earths, 2026.
• West Virginia University — From wastes to resources, 2026.
• Penn State Energy Institute — Mining byproduct offers promise in push for critical minerals.
• U.S. EPA — Phosphogypsum.