Carbon disulfide là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu

Carbon disulfide (CS₂) là hợp chất vô cơ đơn giản bao gồm một nguyên tử cacbon liên kết đôi với hai nguyên tử lưu huỳnh. Ở điều kiện thường, CS₂ tồn tại dưới dạng chất lỏng không màu, dễ bay hơi, với mùi hắc đặc trưng. Khả năng hòa tan cao trong dung môi hữu cơ và tính dễ cháy khiến CS₂ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp.

CS₂ được sản xuất quy mô lớn và sử dụng chủ yếu làm dung môi chiết xuất tinh dầu, chế tạo xơ rayon, cellulose acetate, tổng hợp cao su lưu hóa và điều chế thuốc trừ sâu. Tiềm năng ứng dụng lớn kéo theo rủi ro về an toàn lao động và ô nhiễm môi trường, do CS₂ có độc tính cao với hệ thần kinh và khả năng gây cháy nổ ở nhiệt độ thấp.

Việc tìm hiểu chi tiết về cấu trúc phân tử, tính chất lý–hóa, quy trình điều chế, cũng như các biện pháp an toàn khi sử dụng CS₂ là cần thiết để phát triển công nghiệp bền vững, đồng thời công tác phòng ngừa và giảm thiểu tác động độc hại được triển khai hiệu quả.

Cấu trúc và tính chất vật lý–hóa học

Phân tử CS₂ có cấu trúc thẳng với góc liên kết S–C–S là 180°, chiều dài liên kết C=S khoảng 1.55 Å. Độ phân cực thấp do đối xứng phân tử, dẫn đến khả năng hòa tan kém trong nước nhưng hòa tan tốt trong các dung môi hữu cơ như benzen, toluen và etanol.

Ở áp suất khí quyển, CS₂ sôi ở 46.3 °C và đông đặc ở –111.6 °C. Áp suất hơi ở 20 °C đạt khoảng 400 mmHg, cho thấy tính dễ bay hơi cao. Độ nhớt thấp và hệ số khuếch tán lớn khiến CS₂ dễ lan tỏa trong không khí, gia tăng nguy cơ nhiễm độc hô hấp.

Tính chất	Giá trị
Công thức phân tử	CS₂
Khối lượng phân tử	76.13 g/mol
Nhiệt độ sôi	46.3 °C
Nhiệt độ đông đặc	–111.6 °C
Độ hòa tan trong nước	0.32 g/L (20 °C)
Điểm chớp cháy	–30 °C

CS₂ là chất dễ cháy, có phạm vi nổ trong không khí từ 1.3% đến 50% thể tích. Khi tiếp xúc với nguồn lửa hoặc tia lửa, CS₂ có thể bùng cháy mạnh, gây nguy hiểm cho công nhân và cơ sở sản xuất.

Tổng hợp và điều chế

Quy trình công nghiệp truyền thống sản xuất CS₂ là phản ứng trực tiếp giữa methane (CH₄) và lưu huỳnh rắn (S) ở nhiệt độ cao (600–700 °C) trên xúc tác kim loại bạch kim hoặc than hoạt tính:

$CH_4 + 4S \;\xrightarrow{\Delta}\; CS_2 + 2H_2S$

Phương pháp này cho hiệu suất khoảng 70–80% và tạo ra khí H₂S làm sản phẩm phụ cần xử lý. Để giảm phát thải H₂S, nhiều nghiên cứu tập trung vào quá trình khí CO + S₂ hoặc CS₂ tách từ khí thải công nghiệp qua hấp phụ và chưng cất.

Các cải tiến gần đây áp dụng xúc tác mới như oxit kim loại chuyển tiếp (Fe, Cu) và vật liệu nano giúp hạ nhiệt độ phản ứng, tăng độ chọn lọc CS₂ và giảm tiêu hao năng lượng. Quy trình tái sinh xúc tác và thu hồi H₂S cũng được triển khai nhằm giảm ô nhiễm và chi phí vận hành.

Ứng dụng công nghiệp

CS₂ là dung môi lý tưởng trong quy trình Viscose để sản xuất xơ rayon từ cellulose. Cellulose được xử lý với CS₂ và dung dịch NaOH, tạo thành cellulose xanthate hòa tan, sau đó chưng cất và tái sinh thành sợi xơ tổng hợp có tính dẻo và đàn hồi tốt.

• Chế tạo xơ rayon và cellulose acetate trong dệt may.
• Dung môi chiết xuất tinh dầu thực vật, cao su thiên nhiên.
• Chất trung gian tổng hợp thuốc trừ sâu (carbon disulfide thiuram) và một số dược phẩm.

Trong công nghiệp cao su, CS₂ được sử dụng để điều chế các chất lưu hóa như thiuram sulfide, hỗ trợ quá trình tạo mạng lưới polyme, tăng độ bền cơ học của sản phẩm cao su. Ứng dụng này giúp giảm thời gian lưu hóa và cải thiện đồng nhất cấu trúc vật liệu.

Ngoài ra, CS₂ còn được sử dụng trong sản xuất chất tẩy gỉ, mực in, dung môi chiết xuất hợp chất hữu cơ trong phòng thí nghiệm và công nghiệp hóa chất. Tuy nhiên, do tính độc và nguy hiểm, nhiều ngành đang nghiên cứu thay thế CS₂ bằng dung môi xanh thân thiện hơn.

Độc tính và tác động sinh học

Carbon disulfide (CS₂) có độc tính cao với hệ thần kinh trung ương và ngoại vi. Tiếp xúc cấp tính qua đường hô hấp ở nồng độ ≥500 ppm có thể gây kích ứng niêm mạc, đau đầu, chóng mặt, buồn nôn và lú lẫn. Ở liều rất cao, CS₂ có thể gây suy hô hấp và hôn mê cấp (ATSDR TP-15).

Tiếp xúc mạn tính với CS₂ với nồng độ nghề nghiệp 10–30 ppm liên tục trong nhiều năm dẫn đến tổn thương thần kinh ngoại vi, triệu chứng bao gồm tê bì, yếu cơ, giảm chức năng vận động và thay đổi tâm lý như trầm cảm, mất tập trung. Nghiên cứu dịch tễ tại các nhà máy sản xuất rayon cho thấy tỷ lệ mất thính lực và rối loạn chức năng nhận thức tăng lên 20–30% so với nhóm chứng (PubChem).

• Độc tính thần kinh: viêm dây thần kinh ngoại vi, rối loạn cảm giác.
• Độc tính gan-thận: tăng men gan ALT/AST, suy giảm độ lọc cầu thận.
• Độc tính sinh sản: giảm khả năng sinh tinh, kinh nguyệt không đều ở phụ nữ.

Định lượng và phân tích

Định lượng CS₂ trong mẫu không khí thường sử dụng khí sắc ký (GC) kết hợp detector ion hóa ngọn lửa (FID) hoặc khối phổ (MS), đạt ngưỡng phát hiện 0.5 ppb với GC–MS. Phương pháp FTIR cho phép phân tích nhanh tại hiện trường với độ nhạy 1 ppm.

Trong mẫu nước và dịch cơ thể, kỹ thuật sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) sau bước chiết xuất lỏng-lỏng với dung môi hữu cơ cho phép phát hiện CS₂ ở nồng độ ≤0.1 µg/L. Phương pháp GC–MS đơn giản hóa quy trình chuẩn bị mẫu và cho độ lặp lại cao (RSD <5%).

Phương pháp	Mẫu	Giới hạn phát hiện	Ưu điểm
GC–FID	Không khí	1 ppb	Đơn giản, chi phí thấp
GC–MS	Không khí, nước	0.5 ppb	Độ chính xác cao
FTIR	Không khí	1 ppm	Phân tích nhanh
HPLC	Nước, dịch sinh học	0.1 µg/L	Độ lặp lại tốt

Xử lý, an toàn và môi trường

Kiểm soát phát thải CS₂ tại nguồn bao gồm hấp phụ lên than hoạt tính, hấp thu trong dung dịch kiềm để chuyển CS₂ thành thiocarbonat và sulfide, sau đó xử lý bằng quá trình oxi hóa sinh học. Hệ thống hấp thụ ướt (wet scrubber) kết hợp màng lọc sợi rỗng (hollow fiber) giúp thu hồi >95% CS₂ từ khí thải.

Trong xử lý nước thải, công nghệ oxy hóa nâng cao (AOPs) sử dụng ozon hoặc hydrogen peroxide với xúc tác UV/Cu²⁺ cho phép phân hủy CS₂ thành CO₂ và sulfates, đạt loại bỏ >90% trong 2 giờ xử lý (NIOSH). Các quy trình sinh học sử dụng vi sinh cố định trên màng biofilm cũng cho kết quả khả quan trong xử lý nồng độ thấp.

• Biện pháp kỹ thuật: than hoạt tính, scrubber, AOPs.
• Bảo hộ cá nhân: khẩu trang lọc hơi hữu cơ (OV), kính kín, găng tay neoprene.
• Giám sát: đo CS₂ liên tục bằng cảm biến quang phổ Raman hoặc PID.

Hướng nghiên cứu và phát triển

Phát triển xúc tác hiệu năng cao dựa trên vật liệu nano vàng-bạc (Au–Ag) hoặc zeolite biến tính nhằm hạ nhiệt độ phản ứng tổng hợp CS₂, giảm tiêu hao năng lượng và phát thải H₂S. Mô phỏng DFT cho thấy hỗn hợp Au–Ag/ZSM-5 có tính chọn lọc >90% với hoạt tính gấp 2 lần xúc tác truyền thống.

Nghiên cứu vật liệu hấp phụ thế hệ mới như COF (covalent organic frameworks) và MOF (metal-organic frameworks) cho khả năng thu hồi CS₂ trực tiếp từ không khí, với dung lượng hấp phụ 150 mg/g và khả năng tái sinh >5 chu kỳ mà không mất hiệu năng.

Kết hợp công nghệ xanh thay thế CS₂ bằng dung môi sinh học như D-limonene, ionic liquids và deep eutectic solvents trong quy trình chiết xuất sinh khối và sản xuất xơ rayon, giảm đáng kể độc tính và biến đổi khí hậu.

Tài liệu tham khảo

• Agency for Toxic Substances and Disease Registry. “Toxicological Profile for Carbon Disulfide.” ATSDR TP-15, 2016. https://www.atsdr.cdc.gov/ToxProfiles/tp15.pdf.
• PubChem. “Carbon disulfide.” NCBI, 2025. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Carbon-disulfide.
• International Agency for Research on Cancer. “IARC Monographs Volume 63: Carbon Disulfide.” IARC, 2006. https://www.iarc.who.int.
• U.S. Centers for Disease Control and Prevention. “NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards – Carbon disulfide.” NIOSH, 2025. https://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0194.html.
• Smith R.L., Zhang Y., Lee J. “Nano-catalysts for energy-efficient carbon disulfide synthesis.” Catalysis Today. 2021;361:45–56.
• Wang H., Zhao X., Liu Q. “MOF-based adsorbents for volatile organic compounds: CS₂ removal from air.” Chem Eng J. 2022;433:134672.