Một số loài thực vật siêu tích lũy có khả năng hấp thụ nguyên tố đất hiếm từ đất, bãi thải mỏ hoặc khu vực ô nhiễm rồi tích tụ trong sinh khối. Sau thu hoạch, lượng đất hiếm này có thể được tách chiết để sản xuất oxit đất hiếm hoặc chuyển hóa thành các sản phẩm chức năng như phân bón chuyên dụng và chất xúc tác. Phương pháp mới được kỳ vọng biến bãi thải thành nguồn nguyên liệu có giá trị, mở ra hướng khai thác tài nguyên bền vững hơn.

Nghiên cứu: Khai thác đất hiếm bằng thực vật. Ảnh: Rebel Red Runner / Shutterstock

Trong một nghiên cứu công bố trên tạp chí Communications Earth & Environment (Truyền thông Trái đất & Môi trường), các nhà khoa học đã đánh giá tiềm năng sử dụng thực vật siêu tích lũy để thu hồi đất hiếm từ đất, như một hướng tiếp cận thay thế cho khai thác truyền thống. Nhóm nghiên cứu đồng thời đề xuất các hướng nâng cao hiệu quả thu hồi và tăng tính khả thi thương mại thông qua việc chuyển đổi sinh khối thực vật thành vật liệu chức năng.

Bối cảnh và thách thức của khai thác đất hiếm bằng thực vật

Nguyên tố đất hiếm là thành phần thiết yếu trong nhiều công nghệ hiện đại như nam châm hiệu suất cao, chất xúc tác, màn hình LED hay các dòng phân bón chuyên dụng. Nhu cầu toàn cầu đối với nhóm nguyên tố này đang tăng nhanh cùng quá trình chuyển dịch sang công nghệ carbon thấp. Một số dự báo cho thấy nhu cầu đất hiếm phục vụ sản xuất nam châm có thể tăng gấp đôi vào năm 2050.

Dù hiện diện khá phổ biến trong đất, đặc biệt tại các khu vực hình thành từ quá trình phong hóa granit, nguyên tố đất hiếm thường tồn tại ở hàm lượng thấp và lẫn nhiều tạp chất có đặc tính hóa học tương đồng, khiến cho việc khai thác và tinh luyện bằng phương pháp truyền thống gặp nhiều khó khăn. Tình trạng tương tự cũng xảy ra với quặng đuôi mỏ và dư lượng công nghiệp chứa đất hiếm.

Trong bối cảnh đó, giải pháp khai thác đất hiếm bằng thực vật được xem là hướng tiếp cận tiềm năng. Phương pháp này sử dụng các loài thực vật siêu tích lũy để hấp thụ kim loại từ đất vào sinh khối, qua đó cho phép thu hồi đất hiếm từ các khu vực giàu khoáng nhưng chưa được khai thác hiệu quả, đồng thời giảm tác động môi trường so với khai thác truyền thống.

Lựa chọn cây trồng và quy trình thu hồi đất hiếm

Nghiên cứu áp dụng cách tiếp cận đa ngành nhằm phát triển phương pháp khai thác đất hiếm bằng thực vật siêu tích lũy. Bước đầu tiên là lựa chọn các “cây trồng kim loại” có khả năng tích lũy hàm lượng nguyên tố đất hiếm vượt 0,1% khối lượng sinh khối. Trong số các loài tiềm năng có dương xỉ nhiệt đới và cận nhiệt đới như Dicranopteris linearis, Blechnopsis orientalis hay loài Phytolacca americana ở vùng ôn đới. Những loài này được đánh giá cao nhờ khả năng sinh trưởng mạnh, tạo sinh khối lớn và hấp thụ đất hiếm hiệu quả.

Nhóm nghiên cứu đã phân tích hàm lượng nguyên tố đất hiếm trong đất và trong thực vật tại nhiều khu vực khác nhau để xác định hiệu suất hấp thụ cũng như mối liên hệ giữa thành phần đất và khả năng tích lũy của cây. Sau khi thu hoạch, sinh khối thực vật được xử lý nhằm thu hồi đất hiếm bằng các kỹ thuật thủy luyện như rửa trôi bằng axit, tách tạp chất, kết tủa bằng axit oxalic và nung khô để tạo oxit đất hiếm.

Bên cạnh quy trình tách chiết truyền thống, nghiên cứu cũng đề xuất hướng tận dụng trực tiếp sinh khối giàu đất hiếm để sản xuất các sản phẩm chức năng như phân bón chuyên dụng hoặc chất xúc tác. Cách tiếp cận này giúp giảm chi phí xử lý, đồng thời khai thác thêm giá trị từ các kim loại sẵn có trong sinh khối như niken và mangan.

Để đánh giá tính khả thi của phương pháp này, nhóm nghiên cứu tiến hành phân tích vòng đời nhằm so sánh tác động môi trường và hiệu quả kinh tế giữa khai thác bằng thực vật với khai thác truyền thống. Việc kết hợp sinh học thực vật, hóa học và kỹ thuật được kỳ vọng sẽ mở ra hướng thu hồi đất hiếm bền vững hơn từ các nguồn tài nguyên phi truyền thống như đất ô nhiễm hay bãi thải mỏ.

Hiệu quả khai thác đất hiếm bằng thực vật và đánh giá tác động môi trường

Nghiên cứu đã xác định hai loài dương xỉ Dicranopteris linearis và Phytolacca americana là những thực vật siêu tích lũy có tiềm năng cao trong khai thác đất hiếm bằng thực vật. Kết quả cho thấy nồng độ nguyên tố đất hiếm trong đất càng cao thì mức độ tích lũy trong sinh khối của cả hai loài càng lớn. Trong đó, D. linearis chủ yếu hấp thụ nhóm đất hiếm nhẹ, phù hợp với các khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới, còn P. americana có xu hướng tích lũy nhóm đất hiếm nặng ở các vùng ôn đới.

Sự khác biệt về cơ chế tích lũy giữa hai loài dương xỉ cho thấy việc lựa chọn cây trồng cần được cân nhắc theo điều kiện địa chất, khí hậu và loại nguyên tố đất hiếm mục tiêu. Các công nghệ thủy luyện áp dụng cho sinh khối sau thu hoạch cho thấy khả năng thu hồi oxit đất hiếm có độ tinh khiết cao, với hiệu suất đạt gần 89%. Tuy nhiên, quá trình này vẫn tiêu tốn nhiều năng lượng và dung môi, đặt ra những thách thức đáng kể về chi phí cũng như tác động môi trường.

 Bên cạnh hướng thu hồi kim loại truyền thống, nhóm nghiên cứu đang tập trung vào việc chuyển đổi trực tiếp sinh khối giàu đất hiếm thành các sản phẩm chức năng như phân bón hoặc chất xúc tác chuyên dụng. Cách tiếp cận này không chỉ nâng cao giá trị kinh tế của sinh khối mà còn góp phần giảm phát thải carbon trong toàn bộ chuỗi xử lý. Chẳng hạn, tro sinh khối từ D. linearis được ghi nhận có khả năng cải thiện sinh trưởng cây trồng và tăng sức chống chịu với điều kiện bất lợi. Dù vậy, các nguy cơ môi trường liên quan đến tồn dư nguyên tố đất hiếm vẫn cần được đánh giá kỹ lưỡng trước khi triển khai trên quy mô lớn.

Đánh giá vòng đời cho thấy khai thác đất hiếm bằng thực vật tạo ra lượng khí thải carbon thấp hơn so với phương pháp khai thác đất hiếm truyền thống. Thậm chí, quá trình này có thể đạt mức trung hòa carbon nhờ khả năng hấp thụ và lưu giữ CO₂ của cây trồng. Việc tận dụng trực tiếp sinh khối sau thu hoạch cũng giúp giảm chi phí vận hành, hạn chế tác động môi trường và nâng cao tiềm năng thương mại hóa công nghệ.

Dù khó có thể thay thế hoàn toàn khai thác truyền thống, khai thác đất hiếm bằng thực vật được đánh giá là hướng đi bổ trợ giàu triển vọng, đặc biệt khi kết hợp với cải tạo môi trường mỏ và sử dụng đất sau khai thác. Trong thời gian tới, việc mở rộng nghiên cứu thực địa, chọn tạo giống cây phù hợp và tăng cường hợp tác quốc tế sẽ đóng vai trò quan trọng trong thúc đẩy ứng dụng thực tiễn của công nghệ này.

Triển vọng và chiến lược tích hợp khai thác đất hiếm bằng thực vật

Khai thác đất hiếm bằng thực vật mở ra khả năng tận dụng các nguồn tài nguyên phi truyền thống như đất giàu đất hiếm phân tán và chất thải mỏ. Dù chưa thể thay thế hoàn toàn các phương pháp khai khoáng thông thường, công nghệ này có tiềm năng giảm tác động môi trường và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn bằng cách chuyển đổi các khu vực phế thải thành nguồn tài nguyên có giá trị.

Hiện nay, những thách thức lớn nhất vẫn là hàm lượng đất hiếm tích lũy trong sinh khối còn thấp và thiếu các công nghệ thu hồi hiệu quả với chi phí hợp lý. Điều này đòi hỏi sự phối hợp liên ngành, bao gồm các nghiên cứu thực địa và chương trình chọn giống nhằm phát triển các loài thực vật có khả năng tích lũy đất hiếm cao hơn. Khi được tích hợp vào chuỗi giá trị địa phương, đặc biệt tại các khu vực bị ảnh hưởng bởi hoạt động khai khoáng, phương pháp này còn mang lại lợi ích kinh tế - xã hội và hỗ trợ phục hồi môi trường.

Bên cạnh đó, các nguy cơ liên quan đến sự đồng tích lũy các nguyên tố độc hại cũng cần được kiểm soát chặt chẽ để bảo đảm an toàn sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Trong bối cảnh nhu cầu đất hiếm ngày càng gia tăng cùng và xu hướng giảm phát thải carbon diễn ra mạnh mẽ trên toàn cầu, khai thác đất hiếm bằng thực vật có thể xem như một hướng tiếp cận tiềm năng trong khai thác tài nguyên bền vững. Tuy nhiên, khả năng ứng dụng trên quy mô thực tế vẫn phụ thuộc vào hiệu quả kinh tế, tiến bộ công nghệ cũng như kết quả của các nghiên cứu và hợp tác quốc tế trong thời gian tới./.