Cadmium là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Cadmium

Cadmium (Cd) là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp trong bảng tuần hoàn, có số hiệu nguyên tử là 48. Nó được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1817 bởi Friedrich Stromeyer khi ông đang nghiên cứu kẽm cacbonat. Cadmium có màu trắng bạc, mềm và dễ dát mỏng, bề ngoài sáng bóng giống như thiếc. Kim loại này thường không được tìm thấy dưới dạng nguyên chất trong tự nhiên mà đi kèm với các khoáng chất chứa kẽm, chì và đồng. Mặc dù hiếm gặp trong vỏ Trái Đất, cadmium lại được khai thác rộng rãi như một sản phẩm phụ trong luyện kim, đặc biệt là trong quá trình sản xuất kẽm.

Cadmium có một vị trí đặc biệt trong công nghiệp vì vừa có nhiều ứng dụng quan trọng, vừa được xếp vào nhóm chất độc nguy hiểm đối với sức khỏe con người. Theo ATSDR, cadmium là một trong những kim loại nặng cần được quản lý chặt chẽ nhất do khả năng tích lũy sinh học cao và thời gian bán thải kéo dài trong cơ thể. Khi tiếp xúc, cadmium không dễ bị đào thải mà có thể lưu lại trong gan, thận và xương hàng thập kỷ, gây ảnh hưởng lâu dài.

Tầm quan trọng của cadmium không chỉ nằm ở lĩnh vực công nghiệp mà còn ở khía cạnh y tế công cộng. Các vụ nhiễm độc cadmium trong lịch sử, tiêu biểu là thảm họa “Itai-Itai” ở Nhật Bản, cho thấy tác động nghiêm trọng của nó đến sức khỏe cộng đồng và sự cần thiết phải kiểm soát chặt chẽ việc khai thác, sử dụng và thải bỏ cadmium trong các hoạt động công nghiệp.

Tính chất hóa lý

Cadmium có các đặc tính vật lý điển hình của một kim loại nặng: mềm, dễ dát mỏng, dễ cắt và dễ uốn. Điểm nóng chảy của cadmium là 321°C, điểm sôi 767°C, thấp hơn nhiều so với nhiều kim loại khác như sắt hay đồng. Tỷ trọng của nó đạt 8,65 g/cm³, nhẹ hơn thủy ngân nhưng nặng hơn kẽm. Cadmium có độ dẫn điện và dẫn nhiệt vừa phải, không nổi bật so với các kim loại công nghiệp thông dụng.

Trong không khí ẩm, cadmium dễ dàng bị oxy hóa, hình thành lớp cadmium oxit (CdO) màu nâu. Các hợp chất phổ biến khác bao gồm cadmium sulfide (CdS) – một chất bán dẫn được dùng trong công nghệ quang điện tử, cadmium chloride (CdCl₂) thường dùng trong tổng hợp hóa học, và cadmium telluride (CdTe) ứng dụng trong pin mặt trời. Các hợp chất này có tính chất hóa học và độc tính khác nhau, song đều cần được xử lý cẩn trọng do nguy cơ độc hại.

Sự tích lũy cadmium trong cơ thể có thể được biểu diễn bằng một mô hình toán học đơn giản:

$U_{Cd} = k \times C_{env} \times t$

Trong đó $U_{Cd}$ là lượng cadmium tích lũy, $C_{env}$ là nồng độ cadmium trong môi trường, $t$ là thời gian phơi nhiễm, và $k$ là hệ số hấp thụ. Công thức này nhấn mạnh mối quan hệ trực tiếp giữa mức độ ô nhiễm môi trường và rủi ro sức khỏe do cadmium.

• Điểm nóng chảy: 321°C
• Điểm sôi: 767°C
• Tỷ trọng: 8,65 g/cm³
• Trạng thái: kim loại mềm, màu trắng bạc

Hợp chất cadmium	Ứng dụng	Đặc điểm
CdO	Gốm, thủy tinh	Màu nâu, dễ bay hơi khi nung nóng
CdS	Sơn màu, pin mặt trời	Bán dẫn, màu vàng/đỏ
CdTe	Quang điện tử	Vật liệu pin mặt trời

Nguồn gốc và phân bố trong tự nhiên

Cadmium không tồn tại ở dạng nguyên chất mà thường liên kết trong khoáng vật sulfide, chủ yếu là sphalerite (ZnS). Khi khai thác và luyện kẽm, cadmium thường được thu hồi như một sản phẩm phụ. Ngoài ra, cadmium còn được tìm thấy trong khoáng greenockite (CdS), mặc dù trữ lượng rất hiếm và không có giá trị thương mại lớn.

Nồng độ cadmium trong vỏ Trái Đất khá thấp, trung bình khoảng 0,1–0,5 ppm. Tuy nhiên, thông qua hoạt động công nghiệp, đặc biệt là khai thác mỏ, luyện kim và sản xuất phân bón phosphate, lượng cadmium thải ra môi trường có thể tăng đáng kể. Sự tích tụ cadmium trong đất và nước có thể kéo dài nhiều thập kỷ do kim loại này khó bị phân hủy.

Sự phân bố cadmium trong môi trường có thể được tổng hợp như sau:

Môi trường	Nguồn cadmium	Đặc điểm tích lũy
Đất	Phân bón phosphate, chất thải công nghiệp	Dễ hấp thụ vào cây trồng
Nước	Nước thải mỏ, luyện kim	Tích lũy trong thủy sinh
Không khí	Khí thải công nghiệp, đốt than	Phát tán xa, lắng đọng vào đất/nước

Ứng dụng công nghiệp

Bất chấp độc tính, cadmium vẫn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ những đặc tính riêng biệt. Pin niken-cadmium (Ni-Cd) là ứng dụng phổ biến nhất, chiếm tỷ lệ lớn trong nhu cầu cadmium toàn cầu trước khi bị hạn chế do nguy cơ môi trường. Các hợp kim chứa cadmium được dùng để tăng khả năng chống ăn mòn, đặc biệt trong ngành hàng không và quốc phòng.

Trong lĩnh vực vật liệu, cadmium sulfide (CdS) và cadmium selenide (CdSe) được sử dụng làm chất màu trong sơn, nhựa và gốm do độ bền màu cao. Tuy nhiên, xu hướng hiện nay là thay thế bằng chất màu ít độc hại hơn. Trong công nghệ quang điện tử, cadmium telluride (CdTe) là một vật liệu bán dẫn quan trọng trong sản xuất pin mặt trời màng mỏng, được đánh giá cao vì hiệu suất và chi phí sản xuất thấp.

• Pin Ni-Cd: thiết bị điện tử, dụng cụ cầm tay
• Hợp kim: tăng cường tính chống ăn mòn
• Sơn màu: bền màu, đa dạng sắc thái
• Quang điện tử: CdTe trong pin mặt trời

Do tính độc hại, nhiều quốc gia đã ban hành lệnh cấm hoặc giới hạn nghiêm ngặt việc sử dụng cadmium trong sản phẩm tiêu dùng. Liên minh châu Âu, chẳng hạn, đã cấm cadmium trong hầu hết các loại nhựa, sơn và pin dân dụng. Các biện pháp này nhằm giảm thiểu nguy cơ cadmium xâm nhập vào môi trường và chuỗi thức ăn.

Tác động sức khỏe

Cadmium là một chất độc kim loại nặng có khả năng tích lũy sinh học lâu dài trong cơ thể con người. Con đường xâm nhập chủ yếu là qua hít phải bụi hoặc khói chứa cadmium từ hoạt động công nghiệp, và qua đường tiêu hóa khi ăn thực phẩm nhiễm cadmium. Khi đã đi vào cơ thể, cadmium chủ yếu gắn với protein metallothionein trong gan, sau đó được vận chuyển đến thận và tích lũy tại đây trong nhiều năm. Thời gian bán thải sinh học của cadmium có thể kéo dài từ 10 đến 30 năm, khiến nó trở thành một trong những kim loại độc hại khó đào thải nhất.

Phơi nhiễm cadmium lâu dài gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng đối với sức khỏe. Thận là cơ quan bị ảnh hưởng nhiều nhất, đặc biệt là ống thận, dẫn đến rối loạn chức năng lọc và tái hấp thu. Ngoài ra, cadmium còn gây tác động đến xương, dẫn đến bệnh lý nhuyễn xương và loãng xương do mất canxi và phosphate. Các nghiên cứu dịch tễ đã chứng minh cadmium liên quan đến ung thư phổi, ung thư tuyến tiền liệt và có thể ảnh hưởng đến hệ miễn dịch, hệ sinh sản.

Theo American Cancer Society, cadmium được xếp vào nhóm chất gây ung thư cho người (Group 1) bởi Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC). Tổ chức này cũng ghi nhận rằng những công nhân trong ngành khai thác, luyện kim và sản xuất pin có nguy cơ cao mắc các bệnh ung thư liên quan đến cadmium.

• Bệnh thận mạn tính (tổn thương ống thận, protein niệu)
• Nhuyễn xương, loãng xương, gãy xương tự phát
• Tăng nguy cơ ung thư phổi, tuyến tiền liệt
• Rối loạn nội tiết và hệ sinh sản

Tác động môi trường

Cadmium là một chất ô nhiễm môi trường bền vững, khó bị phân hủy và dễ tích lũy trong đất, nước và sinh vật. Khi được thải ra từ công nghiệp luyện kim, sản xuất pin, hoặc sử dụng phân bón phosphate, cadmium lắng đọng trong đất và có thể tồn tại nhiều thập kỷ. Cây trồng dễ hấp thụ cadmium qua rễ, đặc biệt là các loại ngũ cốc như gạo, lúa mì và rau xanh. Điều này dẫn đến việc cadmium đi vào chuỗi thức ăn của con người và động vật.

Trong môi trường nước, cadmium tồn tại ở dạng hòa tan hoặc gắn với các hạt lơ lửng. Thủy sinh vật, đặc biệt là cá và động vật có vỏ, có khả năng tích lũy cadmium cao, dẫn đến nguy cơ lan truyền qua chuỗi thực phẩm thủy sản. Hậu quả là đa dạng sinh học bị đe dọa, nhiều loài bị suy giảm số lượng và chất lượng sinh sản.

Môi trường	Tác động cadmium
Đất	Tích lũy trong cây trồng, giảm năng suất, ảnh hưởng chuỗi thực phẩm
Nước	Tích lũy trong cá, động vật thủy sinh, suy thoái hệ sinh thái
Không khí	Khí thải công nghiệp, gây ô nhiễm khu vực lân cận

Do tính chất độc hại và bền vững trong môi trường, cadmium được liệt kê vào nhóm “ưu tiên cần kiểm soát” trong nhiều công ước quốc tế về bảo vệ môi trường.

Quy định và giới hạn an toàn

Nhận thức được tác hại của cadmium, nhiều tổ chức quốc tế và cơ quan quản lý đã đưa ra các giới hạn phơi nhiễm nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Theo EFSA, mức dung nạp hàng tuần có thể chấp nhận được (TWI) cho cadmium là 2,5 µg/kg thể trọng. Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) quy định nồng độ cadmium tối đa trong nước uống là 0,005 mg/L, trong khi Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đặt mức thấp hơn, 0,003 mg/L.

Các giới hạn này phản ánh sự đồng thuận toàn cầu về mức phơi nhiễm an toàn, đồng thời là căn cứ pháp lý để kiểm soát sản xuất, nhập khẩu và sử dụng cadmium trong công nghiệp.

• WHO: 0,003 mg/L trong nước uống
• EPA: 0,005 mg/L trong nước uống
• EFSA: 2,5 µg/kg thể trọng/tuần

Các sự kiện nhiễm độc nổi bật

Thảm họa “Itai-Itai” ở Nhật Bản là một minh chứng rõ ràng về tác động khủng khiếp của cadmium. Trong nửa đầu thế kỷ 20, người dân vùng Toyama đã bị phơi nhiễm cadmium qua gạo trồng trên ruộng tưới bằng nước thải khai thác mỏ. Hàng trăm người mắc bệnh nhuyễn xương nghiêm trọng, với triệu chứng đau đớn xương khớp dữ dội (“itai-itai” nghĩa là “đau quá đau quá”), loãng xương và gãy xương tự phát. Đây là một trong những thảm họa ô nhiễm môi trường đầu tiên được ghi nhận liên quan trực tiếp đến cadmium.

Sự kiện này đã dẫn đến thay đổi lớn trong luật môi trường Nhật Bản và tạo tiền đề cho việc kiểm soát nghiêm ngặt cadmium trên toàn thế giới. Nó cũng trở thành ví dụ điển hình trong các nghiên cứu dịch tễ về kim loại nặng và sức khỏe cộng đồng.

Biện pháp kiểm soát và xử lý

Kiểm soát cadmium đòi hỏi một chiến lược đa ngành, kết hợp chính sách, công nghệ và giáo dục cộng đồng. Ở cấp độ công nghiệp, cần quản lý chặt chẽ nguồn thải cadmium, áp dụng các công nghệ xử lý tiên tiến để giảm phát thải ra môi trường. Các công nghệ như hấp phụ sinh học, xử lý bằng vật liệu nano và phytoremediation (sử dụng thực vật hấp thụ cadmium trong đất) đang được nghiên cứu và ứng dụng.

Ở cấp độ cộng đồng, việc giám sát nồng độ cadmium trong thực phẩm và nước uống là cần thiết để ngăn chặn nguy cơ phơi nhiễm. Ngoài ra, việc thay thế cadmium bằng các vật liệu ít độc hại hơn trong pin, hợp kim và chất màu là hướng đi quan trọng nhằm giảm thiểu rủi ro.

• Quản lý nguồn thải công nghiệp chứa cadmium
• Phát triển công nghệ xử lý tiên tiến (nano, sinh học, thực vật)
• Giám sát cadmium trong thực phẩm và nước
• Thay thế cadmium bằng vật liệu an toàn hơn

Kết luận

Cadmium là một kim loại có ứng dụng công nghiệp quan trọng nhưng cũng là một chất độc hại đáng lo ngại đối với sức khỏe con người và môi trường. Với đặc tính tích lũy sinh học lâu dài và khó phân hủy, cadmium đã gây ra nhiều vấn đề y tế công cộng và thảm họa môi trường. Quản lý nghiêm ngặt, áp dụng công nghệ thay thế, tăng cường giám sát và nâng cao nhận thức cộng đồng là những yếu tố then chốt để giảm thiểu rủi ro từ cadmium trong tương lai.

Tài liệu tham khảo

1. ATSDR. Cadmium ToxFAQs
2. American Cancer Society. Cadmium and Cancer Risk
3. World Health Organization (WHO). Guidelines for Drinking-water Quality. WHO 2017
4. European Food Safety Authority (EFSA). Scientific Opinion on Cadmium in Food. EFSA Journal 2009;7(10):1975. DOI:10.2903/j.efsa.2009.1975
5. Nordberg GF, Fowler BA, Nordberg M. Handbook on the Toxicology of Metals. Academic Press; 2014.
6. Rogers JT, Richards JG, Wood CM. Ionoregulatory disruption as the acute toxic mechanism for cadmium in rainbow trout. Environ Toxicol Chem. 2003;22(6):141-152. DOI:10.1897/1551-5028(2003)022<0141:IDATAT>2.0.CO;2