Zirconium là gì? Tính chất, vai trò và ứng dụng

Chu Văn An

Zirconium – một nguyên tố kim loại có vẻ ngoài không mấy nổi bật nhưng lại sở hữu sức mạnh vượt trội về độ bền, khả năng kháng hóa chất và tương thích sinh học. Là vật liệu không thể thay thế trong ngành công nghiệp hạt nhân, zirconi đang âm thầm đóng vai trò cốt lõi trong hàng loạt công nghệ hiện đại. Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về zirconium: từ tính chất hóa học, nguồn gốc, ứng dụng công nghiệp cho đến tiềm năng chiến lược trong tương lai.

1. Zirconi là gì?

Zirconium là nguyên tố hóa học có ký hiệu Zr, số nguyên tử 40, thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp trong bảng tuần hoàn. Nó được Martin Heinrich Klaproth phát hiện vào năm 1789 và được đặt tên theo khoáng vật zircon, một loại silicat tự nhiên có chứa zirconi.

Ở trạng thái tinh khiết, zirconium là kim loại màu trắng xám, dẻo, dễ gia công, không độc hại và đặc biệt bền với nhiệt độ cao và các hóa chất ăn mòn. Những đặc tính đặc biệt này làm cho zirconium trở thành vật liệu phổ biến trong môi trường khắc nghiệt như lò phản ứng hạt nhân, nhà máy hóa chất và ngành hàng không vũ trụ và y tế.

2. Tính chất vật lý và hóa học

Zirconium có khả năng tạo thành một lớp oxit mỏng, bền trên bề mặt, giúp nó chống lại sự ăn mòn trong axit, kiềm, nước biển và cả môi trường phóng xạ. Ngoài ra, zirconi có tính dẫn nhiệt ổn định và không phản ứng mạnh với hầu hết các hóa chất, ngoại trừ axit flohydric và một số halogen ở nhiệt độ cao.

3. Nguồn gốc và khai thác

Zirconium không tồn tại ở dạng tinh khiết trong tự nhiên mà chủ yếu được lấy từ các khoáng chất zircon (ZrSiO₄) và baddeleyite (ZrO₂).

Các nước khai thác chính:

• Úc: chiếm khoảng 30–40% sản lượng zircon toàn cầu

• Nam Phi, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ: có mỏ zircon quy mô lớn

• Ukraine, Brazil: phát triển năng lực khai thác và lọc dầu

Zirconium thường được sản xuất ở hai dạng:

• Oxit zirconium (ZrO₂): được sử dụng trong gốm sứ kỹ thuật và vật liệu chịu nhiệt
• Kim loại zirconi (Zr): dùng trong công nghiệp hạt nhân và luyện kim

Một yếu tố quan trọng là zirconi dùng trong lò phản ứng hạt nhân phải cực kỳ tinh khiết, không được trộn lẫn với hafnium, vì hafnium hấp thụ mạnh neutron – điều cấm kỵ trong môi trường hạt nhân.

4. Ứng dụng công nghiệp của zirconi

4.1. Năng lượng hạt nhân

Đây là lĩnh vực ứng dụng chiến lược và độc quyền của zirconium. Nhờ đặc tính không hấp thụ neutron nhiệt, zirconi được dùng để chế tạo:

• Tấm ốp nhiên liệu
• Đường ống trong lò phản ứng
• Cấu trúc chịu nhiệt và bức xạ cao

Vật liệu zircaloy – hợp kim zirconium với thiếc, sắt, niken và crom – là vật liệu tiêu chuẩn trong các lò phản ứng nước nhẹ (LWR), bao gồm PWR và BWR. Trong một nhà máy điện hạt nhân trung bình, zirconium có thể chiếm 1–2 tấn cấu trúc lõi lò phản ứng.

4.2. Luyện kim và hợp kim chịu nhiệt

Zirconium được thêm vào hợp kim nhôm, magiê và thép để tăng khả năng chống ăn mòn, chịu nhiệt và độ bền cơ học ở nhiệt độ cao. Hợp kim chứa zirconium thường được sử dụng trong: Cánh tuabin phản lực, van nhiệt độ cao; dụng cụ khoan dầu khí; lò nung, gạch chịu lửa, buồng phản ứng hóa học

Ngoài ra, zirconium còn được dùng để khử oxy và nitơ trong thép và các hợp kim đặc biệt – giúp nâng cao độ tinh khiết và tính chất cơ học của vật liệu.

4.3. Chất liệu gốm công nghệ cao

Zirconium dioxide (ZrO₂), còn được gọi là zirconia, là một trong những vật liệu gốm chịu nhiệt và mài mòn tốt nhất. Với điểm nóng chảy cao và độ cứng vượt trội, zirconia được dùng để chế tạo: Dao gốm, vòng bi gốm, cảm biến oxy; màng lọc nhiệt độ cao, đường ống trong lò luyện kim; Lớp phủ cách điện trong động cơ phản lực

Zirconia còn là vật liệu gốm ổn định trong môi trường y tế, được sử dụng rộng rãi trong nha khoa (răng sứ zirconia), khớp gối, khớp háng nhân tạo và cấy ghép y tế.

4.4. Hóa chất và chất xúc tác

Một số muối và oxit zirconi được dùng trong: Chất xúc tác Cracking dầu mỏ; chất ổn định trùng hợp; tổng hợp dược phẩm và hóa chất tinh khiết.

Zirconium còn hoạt động như chất hấp phụ và chất xúc tác trong ngành xử lý khí thải, lọc không khí và hóa dầu.

5. An toàn sinh học và môi trường

Zirconium không độc hại đối với con người và được cơ thể dung nạp ở mức độ vết, điều này mở rộng ứng dụng của nó trong y học và công nghệ sinh học. Tuy nhiên, quá trình khai thác và tinh chế zirconium nếu không được kiểm soát tốt có thể để lại dư lượng phóng xạ hoặc gây ô nhiễm kim loại nặng tại nơi sản xuất.

Một vấn đề khác là tách hafnium khỏi zirconium – đòi hỏi công nghệ tách đồng vị phức tạp, làm tăng chi phí sản xuất nếu nó được sử dụng trong ngành công nghiệp hạt nhân.

6. Vai trò chiến lược và tiềm năng trong tương lai

Zirconium hiện nằm trong danh mục nguyên tố chiến lược của nhiều nước như Mỹ, Nhật Bản, EU, do:

• Không thể thay thế trong ngành công nghiệp hạt nhân
• Những ứng dụng quan trọng trong vật liệu siêu bền và y học
• Nguồn cung tập trung ở một số nước (Úc, Trung Quốc, Nam Phi)

Trong bối cảnh thế giới thúc đẩy phát triển năng lượng sạch, điện hạt nhân và vật liệu siêu nhẹ chịu nhiệt, zirconi được coi là một trong những kim loại chủ chốt của thế kỷ 21. Nhu cầu về zirconi nguyên chất được dự báo sẽ tăng mạnh song song với việc mở rộng các lò phản ứng thế hệ mới, đặc biệt là SMR (Small module Reactor) và hệ thống điện hạt nhân di động.

Zirconium – từ lâu đã vượt ra khỏi khuôn khổ của một kim loại thông thường để trở thành vật liệu xương sống cho ngành công nghiệp hạt nhân, vật liệu công nghệ cao và y học hiện đại. Khả năng chống ăn mòn, chịu nhiệt, an toàn sinh học và độ bền vượt trội giúp zirconium có một vị trí không thể thay thế trong các ứng dụng công nghệ cốt lõi. Khi thế giới chuyển sang giai đoạn mới của tăng trưởng xanh và chuyển đổi năng lượng, zirconi không chỉ là kim loại mà còn là yếu tố then chốt của tương lai công nghiệp bền vững.