Biến bụi lò luyện thép thành tài nguyên bằng công nghệ vi sóng

Từ một loại chất thải nguy hại của ngành luyện thép, các nhà khoa học Việt Nam đã tìm ra giải pháp biến tro bụi nghèo kẽm thành nguồn nguyên liệu có giá trị. Tháng 6/2026, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Công nghệ - HaUI (Đại học Công nghiệp Hà Nội) đã đăng ký đề nghị xét công nhận sáng kiến "Giải pháp thu hồi kẽm, sắt từ tro bụi nghèo kẽm của nhà máy luyện thép bằng kỹ thuật vi sóng" cấp cơ sở. Sáng kiến được phát triển từ đề tài khoa học cấp Bộ triển khai từ năm 2023 và đã được áp dụng thử nghiệm tại Công ty Cổ phần Công nghệ Sharetech (Hà Nội), cho thấy hiệu quả tích cực về kinh tế, môi trường và xã hội.

Từ chất thải nguy hại thành nguồn nguyên liệu có giá trị

Trong quá trình luyện thép bằng lò điện hồ quang (EAF), hàng nghìn tấn bụi lò phát sinh mỗi năm đang trở thành bài toán nan giải đối với nhiều doanh nghiệp luyện kim. Loại chất thải này không chỉ chứa các kim loại nặng có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường mà còn là "mỏ tài nguyên thứ cấp" với hàm lượng kẽm và sắt đáng kể. Tuy nhiên, phần lớn lượng bụi lò hiện vẫn được lưu giữ, chôn lấp hoặc bán với giá trị thấp do chưa có công nghệ xử lý phù hợp.

Xuất phát từ thực tiễn đó, nhóm các nhà khoa học của Viện Công nghệ - HaUI, Đại học Công nghiệp Hà Nội đã phát triển giải pháp "Thu hồi kẽm, sắt từ tro bụi nghèo kẽm của nhà máy luyện thép bằng kỹ thuật vi sóng", mở ra hướng tiếp cận mới trong xử lý chất thải công nghiệp theo mô hình kinh tế tuần hoàn. Theo nghiên cứu, bụi lò điện hồ quang chứa nhiều oxit kim loại như ZnO, ZnFe₂O₄, Fe₂O₃ và Fe₃O₄. Trong đó, kẽm và sắt đều là những kim loại có giá trị kinh tế cao nếu được thu hồi hiệu quả.

Thực tế tại Việt Nam, các nhà máy luyện thép như Gang thép Thái Nguyên mỗi năm phát sinh hàng nghìn tấn bụi lò có hàm lượng kẽm khoảng 6-17%. Phần lớn lượng bụi này mới chỉ được lưu giữ hoặc xử lý như chất thải nguy hại, gây lãng phí tài nguyên và phát sinh chi phí xử lý lớn. Trong khi đó, nhu cầu sử dụng kẽm trong nước vẫn ở mức cao, chủ yếu phải bổ sung từ nguồn nguyên liệu sơ cấp.

Trên thế giới, nhiều công nghệ đã được áp dụng để thu hồi kim loại từ bụi lò như công nghệ Waelz, ISP hay thủy luyện. Tuy nhiên, các giải pháp này thường có nhược điểm là tiêu hao nhiều năng lượng, phát sinh khí thải hoặc sử dụng lượng lớn hóa chất axit, kiềm. Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu lựa chọn hướng đi hoàn toàn khác: ứng dụng năng lượng vi sóng để gia nhiệt trực tiếp vật liệu, từ đó tách đồng thời kẽm và sắt với hiệu suất cao hơn, thời gian xử lý ngắn hơn và giảm đáng kể tác động môi trường.

Điểm nổi bật của đề tài là không chỉ nghiên cứu nguyên lý mà còn thiết kế, chế tạo và vận hành thành công hệ thống thiết bị xử lý thực nghiệm. Hệ thống được xây dựng với tổng công suất 10 kW, hoạt động ở tần số 2,45 GHz, gồm bốn nguồn phát magnetron bố trí xung quanh buồng phản ứng hình trụ nhằm phân bố đồng đều năng lượng vi sóng. Buồng phản ứng được chế tạo bằng thép không gỉ SUS304, bên ngoài bọc lớp cách nhiệt dày 20 cm nhằm hạn chế thất thoát nhiệt.

Thiết bị còn được tích hợp hệ thống cấp khí N₂ và O₂ độc lập, cơ cấu quay mẫu giúp vật liệu được gia nhiệt đồng đều, cùng hệ thống điều khiển PLC và giao diện HMI theo dõi toàn bộ quá trình vận hành.

Đặc biệt, nhóm nghiên cứu đã tối ưu kết cấu kín của buồng phản ứng với khe hở dưới 1 mm, kết hợp lớp gioăng chịu nhiệt nhằm ngăn chặn hoàn toàn hiện tượng rò rỉ vi sóng, bảo đảm an toàn cho người vận hành.

PGS.TS Phạm Hương Quỳnh, Trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: Sau quá trình thử nghiệm, nhóm nghiên cứu xác định được các thông số vận hành tối ưu. Theo đó, bụi lò luyện thép được xử lý ở nhiệt độ khoảng 950°C trong thời gian 50-60 phút, với công suất vi sóng 2.500W cho mỗi nguồn phát và sử dụng khoảng 5% than hoạt tính làm chất hoàn nguyên.

Khác với phương pháp gia nhiệt truyền thống truyền nhiệt từ ngoài vào trong vật liệu, công nghệ vi sóng tạo nhiệt trực tiếp trong lòng mẫu nhờ dao động của điện trường, giúp tốc độ tăng nhiệt nhanh hơn và phân bố nhiệt đồng đều hơn.

Nhờ vậy, thời gian xử lý chỉ còn khoảng 50-60 phút, trong khi nhiều công nghệ luyện kim truyền thống cần từ 1 đến 6 giờ để đạt hiệu quả tương đương. Đồng thời, quá trình cũng vận hành ở mức nhiệt thấp hơn, khoảng 850-950°C so với mức 1.000-1.200°C của nhiều công nghệ hiện hành, góp phần giảm tiêu hao năng lượng.

Lợi ích kinh tế và môi trường

Đánh giá sau quá trình thử nghiệm, kết quả cho thấy công nghệ có thể thu hồi kẽm dưới dạng ZnO với hiệu suất đạt từ 84–86% và thu hồi sắt đạt từ 95–97%. Với hàm lượng kẽm trong bụi lò khoảng 15–17%, mỗi tấn bụi lò có thể thu hồi khoảng 157–182 kg ZnO, góp phần biến chất thải luyện kim thành nguồn nguyên liệu thứ cấp có giá trị, giảm chi phí xử lý chất thải và mở ra khả năng phát triển các sản phẩm có giá trị gia tăng từ bụi lò luyện thép. Đồng thời, lượng sắt thu hồi cũng có thể được tái sử dụng trong quá trình sản xuất thép, góp phần tận dụng tối đa nguồn tài nguyên thứ cấp.

Theo Công ty Cổ phần Công nghệ Sharetech, giải pháp còn góp phần thúc đẩy nghiên cứu, phát triển công nghệ xử lý chất thải theo hướng kinh tế tuần hoàn, tận dụng tài nguyên từ chất thải công nghiệp và giảm tác động môi trường do bụi lò chứa kim loại.

Cụ thể, lượng sắt thu hồi cũng có thể được tái sử dụng trong quá trình sản xuất thép, góp phần tận dụng tối đa nguồn tài nguyên thứ cấp. Do thu hồi trực tiếp kẽm dưới dạng ZnO, công nghệ không cần sử dụng các dung dịch axit hoặc kiềm như phương pháp thủy luyện, từ đó giảm phát sinh nước thải hóa chất và không tạo ra bùn thải nguy hại.Việc xử lý ngay tại nguồn phát sinh cũng giúp giảm chi phí vận chuyển, lưu giữ và chôn lấp chất thải nguy hại.

Theo đánh giá của nhóm nghiên cứu, công nghệ còn có khả năng giảm phát thải CO₂ so với nhiều quy trình hỏa luyện truyền thống nhờ giảm nhiệt độ vận hành và rút ngắn thời gian gia nhiệt.

Ở góc độ kinh tế, việc chuyển đổi bụi lò từ chất thải phải xử lý thành nguồn nguyên liệu thứ cấp chứa kẽm và sắt không chỉ giúp doanh nghiệp giảm chi phí xử lý mà còn tạo thêm nguồn doanh thu từ các sản phẩm thu hồi. Điều này phù hợp với định hướng phát triển kinh tế tuần hoàn và sử dụng hiệu quả tài nguyên trong ngành luyện kim.

Một trong những vấn đề được quan tâm khi ứng dụng vi sóng công suất lớn là mức độ an toàn đối với người vận hành. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành đánh giá rò rỉ vi sóng theo tiêu chuẩn IEC 60335-2-25:2020 và TCVN 5699-2-25:2017. Kết quả đo cho thấy mức rò rỉ cực đại chỉ khoảng 4,1 mW/cm² khi không tải và 0,8 mW/cm² khi có tải, đều nằm trong giới hạn cho phép của các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Điều này chứng minh thiết bị có thể vận hành ổn định, an toàn và đáp ứng yêu cầu mở rộng quy mô nghiên cứu trong giai đoạn tiếp theo.

PGS.TS Phạm Hương Quỳnh cho biết, trong thời gian tới cần tiếp tục tối ưu thiết kế thiết bị, triển khai thử nghiệm ở quy mô pilot và đánh giá đầy đủ hiệu quả kinh tế trong điều kiện sản xuất thực tế. Tuy nhiên, theo PGS.TS Phạm Hương Quỳnh, việc mở rộng hợp tác với các doanh nghiệp luyện kim, tái chế kim loại và xử lý chất thải công nghiệp sẽ là bước quan trọng để thương mại hóa công nghệ.

Theo đánh giá của nhóm nghiên cứu: Giải pháp không chỉ giới hạn ở bụi lò luyện thép, nguyên lý xử lý bằng vi sóng còn có tiềm năng mở rộng sang nhiều loại chất thải công nghiệp chứa kim loại khác như bùn luyện kim, bụi lò luyện màu hoặc các nguồn chất thải giàu kim loại có giá trị. Đây được kỳ vọng sẽ là một hướng công nghệ mới góp phần thúc đẩy ngành luyện kim xanh, nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và giảm thiểu ô nhiễm môi trường tại Việt Nam.