Phosphogypsum là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Phosphogypsum

Phosphogypsum là một sản phẩm phụ sinh ra trong quá trình sản xuất axit photphoric theo phương pháp ướt. Phương pháp này sử dụng axit sulfuric (H₂SO₄) để phản ứng với quặng phosphate (thường là apatit hoặc phosphorit) nhằm tạo ra axit photphoric – nguyên liệu đầu vào quan trọng trong sản xuất phân bón hóa học. Trong quá trình phản ứng, ngoài axit photphoric, một lượng lớn chất rắn màu trắng, chủ yếu là canxi sunfat dihydrat (CaSO₄·2H₂O), được hình thành. Chất này chính là phosphogypsum.

Mỗi tấn axit photphoric sản xuất ra có thể tạo ra từ 4 đến 5 tấn phosphogypsum, khiến cho đây là một trong những loại chất thải công nghiệp có khối lượng lớn nhất hiện nay. Do tính chất hóa học và thành phần không đồng nhất, phosphogypsum thường được tích trữ trong các bãi chứa quy mô lớn, gọi là “gypstack”. Việc xử lý và lưu trữ loại chất thải này đã trở thành một bài toán môi trường nan giải cho nhiều quốc gia có ngành công nghiệp phân bón phát triển.

Trên bình diện toàn cầu, lượng phosphogypsum tồn đọng ước tính lên đến hàng trăm triệu tấn mỗi năm. Nhiều quốc gia đang đối mặt với áp lực lớn trong việc tìm giải pháp xử lý hoặc tái sử dụng nguồn chất thải này một cách an toàn và hiệu quả. Đặc biệt, tại các nước có sản lượng phân bón cao như Trung Quốc, Ấn Độ, Hoa Kỳ, Brazil và Morocco, vấn đề phosphogypsum là một nội dung đáng chú ý trong chính sách phát triển bền vững ngành hóa chất.

Thành phần hóa học và đặc điểm vật lý

Thành phần chính của phosphogypsum là canxi sunfat dihydrat (CaSO₄·2H₂O), tương tự như thạch cao tự nhiên. Tuy nhiên, khác với thạch cao nguyên khai, phosphogypsum thường chứa nhiều tạp chất vô cơ và hữu cơ phát sinh từ quặng đầu vào cũng như quá trình phản ứng. Các tạp chất này có thể ảnh hưởng lớn đến tính chất vật lý – hóa học và độ an toàn khi tái sử dụng phosphogypsum.

Dưới đây là bảng so sánh một số thành phần phổ biến trong phosphogypsum:

Thành phần	Hàm lượng điển hình (%)
CaSO₄·2H₂O	85 – 95
Phốt pho (P₂O₅)	0.1 – 1.0
Flo (F)	0.2 – 1.0
Silic (SiO₂)	1.0 – 5.0
Kim loại nặng (Pb, Cd, As)	vết (ppm)
Radium-226	10 – 60 pCi/g

Phosphogypsum cũng có một số tính chất vật lý tương đồng với thạch cao: màu trắng đục, dạng bột hoặc hạt, dễ hút ẩm, dễ đóng cục khi tiếp xúc với nước. Tuy nhiên, độ ổn định hóa học và độ bền cơ học của phosphogypsum thường thấp hơn thạch cao tự nhiên do chứa nhiều tạp chất. Điều này hạn chế khả năng ứng dụng trực tiếp trong xây dựng hoặc sản xuất vật liệu.

Vấn đề phóng xạ và an toàn

Phosphogypsum chứa một lượng nhất định radium-226 (Ra-226), một đồng vị phóng xạ tự nhiên xuất hiện trong quặng phosphate. Ra-226 có chu kỳ bán rã khoảng 1600 năm và phân rã thành khí radon-222, một loại khí phóng xạ có khả năng khuếch tán mạnh trong không khí. Khi hít phải radon trong thời gian dài, nguy cơ mắc bệnh ung thư phổi tăng đáng kể, đặc biệt đối với những người thường xuyên sống gần các bãi chứa phosphogypsum.

Việc kiểm soát hàm lượng phóng xạ trong phosphogypsum là một yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn môi trường và sức khỏe cộng đồng. Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), nếu hàm lượng Ra-226 vượt quá 10 picocurie/gram (pCi/g), phosphogypsum không được phép sử dụng trong các ứng dụng dân dụng mà phải được lưu giữ trong các bãi chuyên dụng.

Danh sách các nguy cơ phóng xạ liên quan đến phosphogypsum bao gồm:

• Phát thải khí radon vào không khí xung quanh
• Nhiễm xạ đất và nguồn nước nếu rò rỉ
• Rủi ro lâu dài do tích tụ chất phóng xạ trong cơ thể người

Để giảm thiểu rủi ro, các quốc gia thường áp dụng các biện pháp kỹ thuật như phủ màng chống thấm lên bãi chứa, giới hạn vùng tiếp cận hoặc tiến hành xử lý hóa học nhằm loại bỏ một phần phóng xạ trước khi sử dụng.

Ảnh hưởng môi trường

Phosphogypsum là nguồn chất thải tiềm ẩn nhiều tác động tiêu cực đến môi trường nếu không được xử lý đúng cách. Bãi chứa phosphogypsum thường có diện tích hàng chục đến hàng trăm hecta, chiếm dụng đất lâu dài, dễ bị rò rỉ nước chảy tràn (leachate) chứa các chất độc hại như fluor, arsen, cadmi, gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và nước mặt.

Các vấn đề môi trường chính do phosphogypsum gây ra gồm:

• Ô nhiễm nguồn nước do dòng thấm chứa kim loại nặng và axit
• Thoát khí radon vào khí quyển
• Nguy cơ sạt lở hoặc vỡ bãi chứa trong điều kiện thời tiết cực đoan
• Ảnh hưởng đến đa dạng sinh học khu vực xung quanh

Ngoài ra, các cơn bão hoặc mưa lớn có thể gây vỡ đê bao hoặc tràn bờ, làm rò rỉ một lượng lớn phosphogypsum ra môi trường, dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng. Trường hợp điển hình là sự cố tại Florida (Mỹ) năm 2021, khi một hồ chứa phosphogypsum rò rỉ nước thải chứa phốt pho và kim loại nặng ra vịnh Tampa, buộc chính quyền địa phương phải sơ tán hàng nghìn người dân.

Ứng dụng tiềm năng

Dù bị xem là chất thải công nghiệp nguy hại, phosphogypsum vẫn có tiềm năng ứng dụng nếu được xử lý phù hợp. Một số quốc gia đã nghiên cứu tái sử dụng loại vật liệu này trong xây dựng, nông nghiệp và giao thông với mục tiêu giảm áp lực môi trường và tận dụng tài nguyên thải bỏ.

Trong ngành xây dựng, phosphogypsum có thể được sử dụng như một loại nguyên liệu phụ để sản xuất xi măng, gạch không nung, vữa xây hoặc tấm thạch cao. Tuy nhiên, để sử dụng an toàn, hàm lượng phóng xạ trong phosphogypsum phải được kiểm tra chặt chẽ và đáp ứng tiêu chuẩn an toàn quốc gia. Các công nghệ khử tạp chất như nung nhiệt, xử lý hóa học bằng axit hoặc kiềm, và rửa nước nhiều giai đoạn thường được áp dụng trước khi tái chế.

Trong nông nghiệp, phosphogypsum được dùng làm chất cải tạo đất, giúp cung cấp canxi và lưu huỳnh – hai nguyên tố vi lượng cần thiết cho cây trồng. Ở một số vùng đất nhiễm mặn, việc bổ sung phosphogypsum giúp cải thiện cấu trúc đất, giảm độ pH, và tăng khả năng giữ nước. Tuy nhiên, chỉ nên áp dụng loại phosphogypsum có hàm lượng kim loại nặng thấp và không có dấu hiệu phóng xạ cao.

Một số ứng dụng đã được nghiên cứu và triển khai thử nghiệm:

• Trộn phosphogypsum với xỉ thép để tạo vật liệu bê tông nhẹ
• Sử dụng làm lớp nền trong xây dựng đường nông thôn hoặc bãi đỗ xe
• Sản xuất vật liệu cách âm, cách nhiệt bằng ép nén kết hợp phụ gia hữu cơ

Tuy nhiên, phần lớn các ứng dụng hiện vẫn ở quy mô thử nghiệm do rào cản về pháp lý và tâm lý cộng đồng đối với nguy cơ phóng xạ tiềm ẩn.

Quy định và chính sách

Các quốc gia có ngành công nghiệp phân bón phát triển đều ban hành những quy định chặt chẽ về việc quản lý và sử dụng phosphogypsum. Một trong những yếu tố quan trọng là giới hạn hàm lượng radium-226 – yếu tố quyết định khả năng tái sử dụng hoặc yêu cầu phải chôn lấp lâu dài.

Hoa Kỳ là quốc gia có hệ thống quản lý rõ ràng về phosphogypsum. Theo EPA, nếu vật liệu này có hàm lượng Ra-226 lớn hơn 10 pCi/g thì không được sử dụng ngoài mục đích nghiên cứu hoặc các dự án được cấp phép đặc biệt. Các bãi chứa phải được lót màng chống thấm, có hệ thống thoát nước, và được giám sát liên tục để ngăn ngừa rò rỉ và phát thải khí radon.

Ở châu Âu, nhiều nước như Đức, Pháp, Tây Ban Nha áp dụng tiêu chuẩn rất nghiêm ngặt, gần như cấm tái sử dụng phosphogypsum trong bất kỳ lĩnh vực dân dụng nào. Trung Quốc và Ấn Độ đang trong quá trình cải cách chính sách nhằm khuyến khích tái chế loại chất thải này, nhưng vẫn đặt trọng tâm vào kiểm soát phóng xạ và xử lý hóa học bắt buộc.

Ví dụ, tại Trung Quốc, Bộ Sinh thái và Môi trường yêu cầu kiểm tra phóng xạ từng lô phosphogypsum trước khi sử dụng. Cơ quan này cũng triển khai các chương trình thí điểm ứng dụng phosphogypsum trong sản xuất vật liệu xây dựng tại các tỉnh như Quảng Đông, Giang Tô và Tứ Xuyên.

Việt Nam hiện chưa có quy định riêng về xử lý và tái sử dụng phosphogypsum, nhưng đang đối mặt với áp lực ngày càng lớn do lượng tồn trữ ngày một tăng. Việc ban hành chính sách và tiêu chuẩn kỹ thuật rõ ràng là điều kiện tiên quyết để thúc đẩy sử dụng an toàn nguồn vật liệu này.

Thách thức và cơ hội

Dù có tiềm năng sử dụng trong nhiều lĩnh vực, việc triển khai tái chế phosphogypsum còn đối mặt với hàng loạt thách thức. Trước hết là chi phí xử lý cao. Để đảm bảo an toàn, phosphogypsum cần trải qua quá trình xử lý gồm nhiều công đoạn như trung hòa, lọc rửa, tách phóng xạ – vốn đòi hỏi công nghệ hiện đại và chi phí đầu tư lớn.

Thứ hai là rào cản pháp lý và sự thiếu nhất quán giữa các quốc gia. Tại một số nước, việc sử dụng phosphogypsum bị hạn chế hoàn toàn; trong khi các quốc gia khác vẫn còn đang đánh giá mức độ rủi ro. Điều này khiến việc thương mại hóa và chuyển giao công nghệ gặp khó khăn.

Thứ ba là tâm lý e ngại của người tiêu dùng và cộng đồng. Sự liên hệ giữa phosphogypsum và phóng xạ khiến nhiều người lo lắng về sức khỏe, ngay cả khi sản phẩm tái chế đã được xử lý đạt chuẩn an toàn.

Tuy vậy, phosphogypsum cũng mở ra cơ hội lớn nếu được khai thác hiệu quả. Việc ứng dụng rộng rãi vật liệu này có thể:

1. Giảm tải áp lực cho các bãi chứa, kéo dài tuổi thọ bãi và giảm rủi ro môi trường
2. Tiết kiệm tài nguyên tự nhiên khi thay thế thạch cao, xi măng hoặc nguyên liệu cải tạo đất
3. Góp phần vào chiến lược kinh tế tuần hoàn trong ngành công nghiệp hóa chất

Các sáng kiến hiện đại đang tập trung vào công nghệ xử lý thân thiện với môi trường như xử lý sinh học (bioremediation), kết hợp với AI để phân tích dữ liệu địa hóa nhằm đánh giá nhanh nguy cơ phóng xạ theo từng lô phosphogypsum. Đây có thể là hướng đi triển vọng trong tương lai.

Kết luận

Phosphogypsum là một sản phẩm phụ có tính hai mặt – vừa là gánh nặng môi trường, vừa là nguồn tài nguyên tiềm năng. Việc tái sử dụng loại vật liệu này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào mục tiêu phát triển bền vững. Tuy nhiên, để khai thác hiệu quả phosphogypsum, cần phải giải quyết đồng thời ba vấn đề: công nghệ xử lý, hành lang pháp lý và sự đồng thuận xã hội.

Các quốc gia cần sớm ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật, khuyến khích nghiên cứu ứng dụng, đầu tư vào công nghệ xử lý sạch và minh bạch thông tin đến cộng đồng. Chỉ khi đó, phosphogypsum mới thực sự chuyển từ gánh nặng thành cơ hội trong nền kinh tế tuần hoàn tương lai.