Đột phá về Magiê có độ tinh khiết cao: Loại bỏ tạp chất nhôm bằng cân lò – Giải pháp công nghiệp chi phí thấp

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Giao thông Tây An đã đi tiên phong trong chiến lược tinh chế magie mới giúp loại bỏ tạp chất nhôm một cách hiệu quả và chi phí hợp lý trong điều kiện công nghiệp, cho phép sản xuất magie có độ tinh khiết cao, nhôm thấp ở quy mô lớn. Công nghệ này đã được triển khai trên dây chuyền sản xuất thương mại.

Magiê là kim loại chiến lược quan trọng với các ứng dụng rộng rãi trong vận tải nhẹ, khử kim loại cao cấp (ví dụ titan, zirconi) và các thiết bị y sinh. Khoảng 80% magie sơ cấp trên thế giới được sản xuất thông qua quy trình nhiệt silic, mang lại lợi thế về chi phí và quy mô nhưng lại có mức độ tạp chất cao và dao động - đặc biệt là nhôm. Hàm lượng nhôm có thể thay đổi trong khoảng 21–845 mg/kg tùy theo lô sản xuất, dao động >32 lần bao gồm 5 cấp độ tinh khiết. Sự mất ổn định này hạn chế việc sử dụng magie trong titan cấp điện tử, zirconi cấp hạt nhân và thiết bị cấy ghép y tế, đồng thời làm xói mòn lợi nhuận của các nhà sản xuất.

Vào năm 2023, nhóm nghiên cứu đã xác định được nguyên nhân sâu xa: trong quá trình khử silic nhiệt, nhôm chủ yếu tồn tại dưới dạng khí nhôm florua (AlF3), chất này ngưng tụ cùng magie. Sau khi phân tích cặn bám trên thành lò, họ đưa ra giả thuyết rằng canxi oxit (CaO) có thể loại bỏ nhôm một cách hiệu quả.

Tác giả đầu tiên Zheng Rui (nghiên cứu tiến sĩ tại Đại học Giao thông Tây An) xác nhận rằng việc bổ sung CaO làm giảm hàm lượng nhôm từ ~109,5 mg/kg xuống chỉ còn 6,3 mg/kg – hiệu suất loại bỏ vượt quá 90%. Làm việc với nhà sản xuất magie thô lớn Teda Coal Chemical và tận dụng Cơ sở thí điểm vật liệu mới dựa trên magie của tỉnh Thiểm Tây, nhóm đã nhanh chóng xác nhận phương pháp này về mặt công nghiệp. Sau khi tối ưu hóa lặp đi lặp lại, họ đã thay thế CaO bằng dolomite nung (hỗn hợp CaO và MgO), một vật liệu có thể tái chế, chi phí thấp hơn thường được sử dụng trong nấu chảy magie. Tỷ lệ magie đạt tiêu chuẩn Mg9998 có độ tinh khiết cao (nhôm siêu thấp) tăng từ gần 0% lên 83,3%, chuyển “thành công ngẫu nhiên” thành “sản xuất ổn định”.

Phân tích chi phí cho thấy phương pháp tinh chế này giúp giảm chi phí khoảng 96% so với phương pháp chưng cất chân không thông thường, mang lại một lộ trình thực tế để sản xuất quy mô lớn, chi phí thấp magie có độ tinh khiết cao bằng nhôm.

Giáo sư Shan Zhiwei, tác giả tương ứng của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Materials, cho biết: “Lợi ích kinh tế là rất đáng kể, nhưng điều khiến chúng tôi phấn khích hơn cả là phản ứng dây chuyền trên toàn bộ chuỗi giá trị”. "Nhôm trong magie không phải lúc nào cũng là kim loại - một số tồn tại dưới dạng hợp chất như AlF3. Chúng hoạt động như 'những kẻ gây rối vô hình' truyền vào các sản phẩm cuối cùng."

Ví dụ, trong sản xuất bọt biển titan (quan trọng đối với titan cấp điện tử), magiê được sử dụng làm chất khử. Nếu magiê thô chứa nhôm không được kiểm soát, nhôm sẽ chuyển thành titan và cực kỳ khó loại bỏ, làm hỏng titan cấp chip. Trong các ứng dụng y sinh, hàm lượng nhôm cao trong ốc vít xương magie dễ phân hủy có thể tích tụ trong cơ thể con người và làm tăng nguy cơ mắc bệnh Alzheimer. Shan nhấn mạnh: “Giảm nhôm cũng mang lại lợi ích to lớn cho các thiết bị y tế”.

Trái ngược với niềm tin phổ biến rằng “nhôm trong magie thô không thành vấn đề đối với các hợp kim magie chứa nhôm”, các thí nghiệm chưa được công bố mới nhất của nhóm cho thấy rằng ngay cả một lượng nhỏ nhôm (<0,01 wt.%) cũng làm suy giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn của magie nguyên chất. Shan nói: “Chúng tôi đang chuẩn bị phát hiện này - chúng tôi tin rằng toàn bộ lĩnh vực hợp kim magiê sẽ được hưởng lợi từ nó”. Ngoài tỷ suất lợi nhuận, công nghệ này còn cải thiện các ngành công nghiệp titan, điện tử và y sinh ở hạ nguồn, có khả năng thúc đẩy việc sửa đổi các tiêu chuẩn ngành.

Chìa khóa để giải quyết thách thức công nghiệp này chính là tư duy đúng đắn. Nhóm nghiên cứu nhận thấy một điều bất thường khó hiểu: magie được sản xuất trong cùng ngày cho thấy hàm lượng nhôm dao động mạnh, mặc dù nguyên liệu thô, người vận hành và điều kiện quy trình ổn định. “Điều đó không hợp lý chút nào,” Shan nhớ lại.

“Tại sao” đó đã đưa họ đến sàn sản xuất. Người xưa có câu: “Đối với chất độc nguy hiểm nhất, thuốc giải nằm trong bảy bước”. Trong nghiên cứu, những vấn đề công nghiệp khó chịu nhất thường ẩn chứa giải pháp trong những chi tiết sản xuất tầm thường nhất. Công nhân hàng ngày phải vật lộn với lớp cặn cứng hình thành ở miệng lò phản ứng khử magie - giống như cặn vôi trong ấm đun nước. “Cặn khó chịu” này phải được gỡ bỏ thủ công hàng ngày, tiêu tốn nhân công và ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt. Khi nhóm nghiên cứu phân tích cân, họ đã tìm thấy một hợp chất “canxi-nhôm-fluoro-oxit” ổn định.

Kết hợp với kiến ​​thức trước đây của họ rằng tạp chất nhôm xuất hiện dưới dạng AlF3, họ đã nhận ra điều sâu sắc: nếu cân đã cô đặc canxi, flo, nhôm và oxy, liệu họ có thể cố tình sử dụng canxi oxit để “thu giữ” nhôm khỏi AlF3, chuyển nó thành hợp chất cặn ổn định và từ đó tách nhôm khỏi magie không? Giống như sử dụng nam châm để hút mạt sắt, CaO trở thành “chất hấp phụ nhôm” quan trọng. Nguyên lý có vẻ đơn giản, nhưng chỉ sau một thập kỷ nghiên cứu cơ học và kinh nghiệm công nghiệp, nhóm nghiên cứu mới có thể nhìn ra manh mối ẩn giấu trong chiếc cân lò bị coi thường.

Điều làm họ vui mừng nhất là khoảnh khắc sáng tỏ: chiếc cân mà công nhân ghét và dành hàng giờ để cạo đi thực sự nắm giữ bí mật cốt lõi để giải quyết những biến động của nhôm. Lấy cảm hứng từ điều này, nhóm nghiên cứu đã mở rộng phương pháp kiểm soát các tạp chất khác trong magie, đưa ra một mô hình mới để tinh chế kim loại.

Giáo sư Shan nhấn mạnh rằng kết quả ấn tượng nhất của nghiên cứu này không phải là một bước đột phá kỹ thuật đơn lẻ mà là tư duy “thuốc giải độc trong vòng bảy bước” - tìm kiếm câu trả lời tại nhà máy và tìm kiếm giải pháp từ chính vấn đề. Phương pháp này có thể hướng dẫn những thách thức công nghệ công nghiệp tương tự.