Loại vật tư 'vô hình' ngày càng thiết yếu trong công nghệ cao

Giữa cái nóng hầm hập ở Dung Quất (Quảng Ngãi), sừng sững các bể chứa hình trụ và hình cầu to bằng cả tòa nhà 4-5 tầng của nhà máy tách khí Messer (Đức).

Nguyên liệu đầu vào của nhà máy này không phải dầu mỏ, quặng hay hóa chất đắt tiền mà là không khí - thứ có sẵn miễn phí ở khắp nơi.

Nhưng để biến thứ "miễn phí" ấy thành oxy, nitơ, argon hay những gram khí hiếm tinh khiết dùng cho sản xuất bán dẫn, nhà máy phải vận hành một hệ thống lạnh sâu ở khoảng -175°C. Như kỹ sư của Messer cho biết, "mặc dù đầu vào của các nhà máy tách khí là hoàn toàn miễn phí, nhưng quá trình tạo ra sản phẩm lại tiêu tốn rất nhiều điện năng".

Nhà máy này sản xuất thứ vật tư gần như không thể nhìn thấy được nhưng vô cùng quan trọng trong quy trình chế tạo những con chip, chiếc điện thoại hay máy bay. Đó là khí công nghiệp.

Nhu cầu đang tăng nhanh

Ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng khí công nghiệp chủ yếu đến từ các ngành ôtô, chế biến thực phẩm, đồ uống và gia công kim loại - vốn sử dụng ngày càng nhiều khí oxy, nitơ và argon.

Trong đó, oxy được sử dụng nhiều nhất, hiện chiếm khoảng 40% thị trường khí công nghiệp Việt Nam. Oxy thổi vào lò luyện thép giúp oxy hóa tạp chất (như carbon, silic, photpho), rút ngắn thời gian luyện và tăng năng suất lò thép. Khí này cũng làm tăng nhiệt độ ngọn lửa, cho phép cắt và hàn kim loại dày nhanh và sạch hơn. Ngoài ra, các công ty cũng dùng oxy trong xử lý nước thải, thanh trùng hoặc hỗ trợ quá trình lên men có kiểm soát trong một số dây chuyền thực phẩm và đồ uống.

Nitơ là khí trơ, không phản ứng dễ dàng, nên được dùng để tạo môi trường bảo vệ, ngăn oxy hóa và hư hỏng. Các ngành chế biến thực phẩm và đồ uống thường bơm khí nitơ vào bao bì giúp kéo dài thời hạn sử dụng, ngăn vi sinh vật. Nitơ lỏng còn dùng để làm lạnh nhanh thịt, hải sản, trái cây. Trong sản xuất và ô tô, nitơ được dùng để tẩy rửa, xả đường ống, bảo vệ bề mặt kim loại trong nhiệt luyện, và tạo môi trường trơ trong sản xuất linh kiện điện tử, bán dẫn.

Argon cũng là khí trơ nhưng nặng hơn và bền hơn, đóng vai trò then chốt trong hàn TIG/MIG để bảo vệ mối hàn khỏi tạp chất, đồng thời được dùng để khuấy, làm sạch thép lỏng và tạo môi trường cực kỳ sạch trong sản xuất chip, màn hình, và các linh kiện điện tử nhạy cảm.

Cùng với đà tăng trưởng của các ngành công nghiệp truyền thống, lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe ngày càng mở rộng cũng đòi hỏi chuỗi cung ứng nhất quán cho các loại khí công nghiệp cấp y tế như oxy, không khí y tế, nitơ oxit, nitơ, carbon dioxide, helium, nitric oxide và argon. Những loại khí này dùng trong hỗ trợ hô hấp, hồi sức cấp cứu, giảm đau, gây mê, đông lạnh mô và hỗ trợ chẩn đoán.

Đặc biệt, dòng vốn FDI đổ vào sản xuất và mở rộng các ngành công nghiệp cao như điện tử, bán dẫn đang tạo thêm nhu cầu đối với các loại khí hiếm (nhóm các nguyên tố hóa học có 8 electron lớp ngoài cùng trong bảng tuần hoàn hóa học, có hoạt động hóa học cực kỳ yếu) như neon, krypton, xenon, heli, agron.

Các loại khí này thường dùng làm môi trường cho tia laser quang khắc hoặc bảo vệ các tinh thể silicon khỏi bị oxy hóa. Chẳng hạn, Samsung, gã khổng lồ công nghiệp điện tử hiện có 6 nhà máy ở Việt Nam, là một trong những nguồn tiêu thụ khí hiếm lớn, phục vụ cho quy trình sản xuất màn hình và chất bán dẫn.

Hiện nay, nhu cầu khí công nghiệp ở Việt Nam đang tăng nhanh cùng với đà mở rộng sản xuất công nghiệp. Theo 6Wresearch, thị trường khí công nghiệp trong nước đạt khoảng 152 triệu USD năm 2025, với tốc độ tăng trưởng 8,2% mỗi năm, tính đến năm 2032.

Theo số liệu của Cục Hóa chất (Bộ Công Thương) năm 2021, Việt Nam có khoảng 500 doanh nghiệp liên quan đến hoạt động sản xuất khí công nghiệp. Tuy nhiên, hầu hết các công ty này chỉ đóng vai trò phân phối, kinh doanh, chiết nạp. Các công ty sản xuất khí công nghiệp, như Messer, chỉ đếm trên đầu ngón tay. Trên cả nước hiện chỉ có khoảng 10 công ty có hoạt động sản xuất khí công nghiệp.

Vì sao sản xuất khí công nghiệp không dễ?

Công việc của một nhà máy tách khí thoạt nghe tưởng chừng rất đơn giản: hút không khí xung quanh, nén lại, làm lạnh đến nhiệt độ cực thấp rồi tách thành những thành phần riêng biệt. Nhưng đằng sau quy trình ấy là một ngành công nghiệp cao, tiêu tốn nhiều năng lượng và kiểm soát chính xác từng công đoạn.

Trong không khí (đã loại trừ hơi nước khi tính thành phần) có 78% là nitơ, 21% là oxy và 0,9% là argon; phần còn lại chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ là CO2 và các khí hiếm như neon, heli, krypton và xenon.

Đối với các nhà máy tách khí dùng công nghệ chủ đạo là chưng cất lạnh sâu (cryogenic distillation) như của Messer, các kỹ sư cho biết, luồng không khí trước hết được lọc bụi và nén lên khoảng áp suất 6 bar, sau đó làm lạnh sơ bộ và đi qua hệ thống sàng phân tử để loại hơi nước và CO₂ - những thành phần có thể đóng băng và gây sự cố khi hệ thống vận hành ở nhiệt độ cực thấp. Luồng khí sạch tiếp tục đi qua bộ trao đổi nhiệt chính, được hạ xuống khoảng -175°C và hóa lỏng một phần.

Đây là lúc quá trình tách khí thực sự diễn ra. Hỗn hợp không khí được đưa vào các cột chưng cất áp suất trung bình và áp suất thấp, nơi sự khác biệt về nhiệt độ sôi của từng chất được tận dụng để phân tách chúng.

Trong các cột này, hơi khí đi lên và chất lỏng chảy xuống, tạo ra sự trao đổi liên tục và mạnh mẽ về vật chất và nhiệt giữa hai pha. Oxy (O) hóa lỏng ở -183°C, trong khi nitơ (N) hóa lỏng ở -196°C, nên trong quá trình bay hơi và ngưng tụ liên tục, nitơ tinh khiết được thu ở phía trên cột áp suất thấp, còn oxy tinh khiết được thu ở phía dưới.

Argon (Ar) khó tách hơn do nhiệt độ sôi -185,85°C rất gần với oxy. Vì vậy, sau quá trình tách chính, dòng khí chứa argon và oxy được đưa qua các cột chưng cất bổ sung để tiếp tục tách và tinh chế thêm nhiều lần để tăng dần độ tinh khiết của argon.

Các nhà máy tách khí có thể đồng thời tạo ra những loại khí hiếm như neon (Ne), krypton (Kr), xenon (Xe) và helium (He), nhưng đây là những thành phần cực nhỏ trong không khí nên việc thu hồi chúng khó hơn nhiều. Các khí Kr-Xe được thu từ oxy lỏng, còn He thường đi qua tuyến hỗn hợp neon-helium rồi được tinh chế bằng các công đoạn tách sâu riêng nhiều lần.

Sau khi tách, các loại khí có thể được đưa trực tiếp qua đường ống tới khách hàng hoặc hóa lỏng, chứa trong các bồn lạnh sâu rồi vận chuyển bằng xe chuyên dụng.

Giá trị kinh tế lớn nằm ở khí hiếm

Khác với các loại khí thông thường vốn khá dồi dào, khí hiếm có hàm lượng rất thấp trong không khí.

Chẳng hạn, neon, helium, krypton và xenon chỉ chiếm 0,0001% - 0,0018% không khí, tức chỉ vài phần triệu thể tích. Chính vì vậy, để tách chiết và thu hồi được các loại khí này, các nhà máy phải bỏ ra rất nhiều thời gian và công sức. Messer hiện có 12 nhà máy tách khí ở Việt Nam, nhưng chỉ có nhà máy ở Dung Quất đủ khả năng sản xuất ra neon, helium, krypton và xenon tinh khiết.

Các loại khí hiếm này khó tách không chỉ vì chúng ít, mà còn vì phải tách chúng ra khỏi một hỗn hợp gồm nhiều loại khí có tính chất tương tự. Với những khí chỉ tồn tại ở mức vài phần triệu, nhà máy phải xử lý hàng chục nghìn tấn không khí mỗi ngày để thu được vài kg khí hiếm.

Càng đi sâu vào các ngành công nghệ cao, yêu cầu tinh khiết càng khắt khe. Với ngành thép, oxy tinh khiết 99,5% có thể đã đủ cho một ứng dụng. Nhưng với sản xuất bán dẫn, một lượng tạp chất cực nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình chế tạo. Do vậy, độ tinh khiết đòi hỏi của các loại khí có thể lên tới 99,999% (5N) hoặc cao hơn.

Rào cản công nghệ khiến phần lớn khí hiếm công nghiệp Việt Nam đang dùng phải nhập khẩu từ nước ngoài, chủ yếu từ Trung Quốc, Singapore, Hàn Quốc, Nhật Bản, Mỹ và Trung Đông. Theo số liệu của WITS, mỗi năm nước ta nhập khoảng 4 triệu mét khối khí hiếm, tương đương 9 triệu USD (khoảng 230 tỷ đồng).

Giá cả là một vấn đề lớn. Chi phí sản xuất argon nội địa tại Việt Nam hiện ở mức tương đối cao, ước tính khoảng 1.200 USD/tấn. Trong khi đó, giá nhập khẩu và giao dịch thương mại loại khí này dao động từ 450 – 700 USD/tấn tùy thuộc vào khối lượng, độ tinh khiết và phương thức vận chuyển (xe bồn hoặc bồn chuyên dụng ISO tank). Sự chênh lệch chi phí khiến các doanh nghiệp nội địa ưu tiên lựa chọn nguồn nhập khẩu để tối ưu hóa bài toán kinh tế.

Các loại khí hiếm đắt đỏ hơn như neon, helium, krypton và xenon gần như phải nhập khẩu 100%. Ngay cả Messer, dù bắt đầu sản xuất các loại khí này ở Việt Nam, cũng lựa chọn "bán cho những khách hàng lớn như NASA và Airbus" thay vì bán cho các khách hàng trong nước.

Công ty lý giải, một phần vì xuất khẩu đem lại giá trị lợi nhuận cao hơn, phần khác vì quy mô hệ sinh thái của các ngành công nghiệp sử dụng những loại khí này ở Việt Nam chưa đủ lớn.

Đòi hỏi mới của nền công nghiệp đang thay đổi về chất

Nếu trước đây, nhu cầu lớn khí công nghiệp của Việt Nam đến từ các ngành công nghiệp truyền thống như thép, cơ khí, thực phẩm hay y tế, thì sự xuất hiện ngày càng nhiều của những khách hàng điện tử, bán dẫn và công nghệ cao đang tạo ra một lớp nhu cầu khác nhỏ hơn về khối lượng nhưng cao hơn về yêu cầu kỹ thuật.

Ông Anthony Grandpierre, Giám đốc điều hành Messer tại Đông Nam Á, cho biết công ty đang tăng cường các khoản đầu tư mở rộng cơ sở sản xuất khí ở Việt Nam.

Messer vừa bắt tay với Petrovietnam để khởi động một dự án công suất 200.000 tấn/năm với tổng mức đầu tư khoảng 37 triệu USD tại khu công nghiệp Cái Mép, TP.HCM. Những mẻ nitơ, oxy và argon đầu tiên của nhà máy sẽ có mặt trên thị trường vào năm 2028 để cung cấp "cho các khách hàng nội địa". Messer cũng tuyên bố hai khoản đầu tư trị giá 40 triệu USD để mở rộng hai nhà máy tách khí tại Thái Nguyên, qua đó tăng thêm khoảng 900 tấn nitơ, oxy và argon mỗi ngày.

Ông Grandpierre cho biết, công ty có kế hoạch tiếp tục đầu tư lớn ở Việt Nam trong hai năm tới, tuy không tiết lộ con số cụ thể. Lý do là Việt Nam đang dần bứt khỏi vị thế của một cứ điểm gia công, lắp ráp hàng loạt ở cuối chuỗi giá trị, và tiến tới những khâu sản xuất công nghệ cao, đòi hỏi độ chính xác cao, kèm nhu cầu về những loại khí hiếm tinh khiết hơn.

Nhà máy ở Dung Quất của Messer chỉ tạo ra vài kilôgam khí hiếm mỗi ngày, nhưng "giá trị của chúng tương đương cả tấn oxy hay nitơ", một kỹ sư của nhà máy cho biết.

Trong bối cảnh Việt Nam muốn trở thành trung tâm sản xuất bán dẫn của khu vực, đồng thời thu hút ngày càng nhiều dự án công nghệ cao, những vật liệu vô hình này ngày càng trở thành một phần quan trọng của nền công nghiệp mới.