Carbon tetrachloride là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Định nghĩa Carbon Tetrachloride

Carbon tetrachloride (CTC), hay còn gọi là tetrachloromethane, là một hợp chất hữu cơ clo hóa có công thức hóa học $CCl_{4}$. Đây là một chất lỏng không màu, trong suốt, có mùi ngọt nhẹ đặc trưng và dễ bay hơi trong điều kiện thường. Carbon tetrachloride từng là một hóa chất rất phổ biến trong công nghiệp thế kỷ 20, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất chất làm lạnh, dung môi và chất tẩy rửa.

Do cấu trúc phân tử bền vững và tính chất lý hóa đặc thù, hợp chất này đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên, độc tính cao đối với sức khỏe con người và tác động tiêu cực đến môi trường, đặc biệt là tầng ozone, đã khiến carbon tetrachloride hiện nay bị hạn chế nghiêm ngặt. Theo EPA, hợp chất này hiện chỉ còn được phép dùng trong một số lĩnh vực công nghiệp khép kín và nghiên cứu.

Carbon tetrachloride cũng được biết đến là một trong những hợp chất hữu cơ dễ tạo thành các gốc tự do độc hại khi được chuyển hóa trong cơ thể, gây tổn thương gan và thận. Đây là nguyên nhân chính khiến việc sử dụng hóa chất này trong y học và dân dụng bị loại bỏ hoàn toàn. Bên cạnh đó, CTC còn có vai trò trong nghiên cứu khoa học như một dung môi đặc biệt trong hóa phân tích.

Cấu trúc và tính chất hóa học

Carbon tetrachloride có cấu trúc phân tử dạng tứ diện, trong đó nguyên tử carbon trung tâm liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử clo. Sự phân bố đối xứng của các nguyên tử clo tạo nên một phân tử không phân cực, điều này giải thích vì sao CCl₄ không tan trong nước nhưng tan tốt trong các dung môi hữu cơ như benzen, chloroform và ethanol. Tính không phân cực cũng khiến hợp chất này có khả năng hòa tan dầu, mỡ, sáp và nhựa hiệu quả.

CTC là chất lỏng nặng, có tỷ trọng lớn hơn nước, dễ bay hơi nhưng không bắt cháy. Tuy nhiên, khi bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc trong điều kiện có ngọn lửa, nó sinh ra khí độc hại như phosgene (COCl₂) và hydrocloric acid (HCl), những chất này nguy hiểm đối với cả sức khỏe và môi trường. Đây là một yếu tố quan trọng làm hạn chế việc sử dụng hợp chất này trong công nghiệp hiện đại.

Bảng dưới đây tóm tắt một số tính chất vật lý quan trọng của CCl₄:

Tính chất	Giá trị
Khối lượng phân tử	153,82 g/mol
Tỷ trọng (20°C)	1,59 g/cm³
Nhiệt độ nóng chảy	-23 °C
Nhiệt độ sôi	76,7 °C
Áp suất hơi (20°C)	91 mmHg
Độ tan trong nước	0,08 g/100 mL

Các phản ứng hóa học đặc trưng của CCl₄ bao gồm phân hủy tạo phosgene khi bị đun nóng và tham gia phản ứng thế clo, mặc dù phân tử này khá trơ trong nhiều điều kiện thông thường. Nhờ tính chất trơ đó, nó từng được coi là dung môi tốt trong hóa phân tích.

Sản xuất

Trong công nghiệp, carbon tetrachloride chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp clo hóa methane. Quá trình này diễn ra dưới tác dụng của ánh sáng hoặc nhiệt độ cao, tạo ra hỗn hợp các sản phẩm clo hóa gồm chloromethane (CH₃Cl), dichloromethane (CH₂Cl₂), chloroform (CHCl₃) và tetrachloromethane (CCl₄). CTC được tách riêng nhờ quá trình chưng cất phân đoạn.

Phản ứng clo hóa methane được mô tả như sau:

$CH_{4} + 4Cl_{2} \xrightarrow{hv} CCl_{4} + 4HCl$

Một phương pháp khác từng được áp dụng là clo hóa carbon disulfide (CS₂), tuy nhiên ít phổ biến hơn do chi phí cao và nguy cơ an toàn. Hiện nay, sản xuất CTC bị hạn chế nghiêm ngặt do liên quan đến cam kết quốc tế về bảo vệ tầng ozone, đặc biệt trong khuôn khổ Nghị định thư Montreal.

Tuy nhiên, trong một số trường hợp đặc thù, CTC vẫn còn được sản xuất quy mô nhỏ nhằm phục vụ cho việc tổng hợp các hợp chất trung gian, nghiên cứu và kiểm tra công nghiệp.

Ứng dụng công nghiệp

Trong quá khứ, carbon tetrachloride có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp và đời sống. Nhờ khả năng hòa tan dầu mỡ và tính trơ hóa học, nó từng được sử dụng làm dung môi trong sản xuất sơn, vecni, nhựa và cao su. Ngoài ra, CTC còn được dùng trong giặt khô và làm chất tẩy rửa công nghiệp.

Một ứng dụng đáng chú ý là vai trò của CTC trong sản xuất chlorofluorocarbons (CFCs). Đây là nhóm hợp chất từng được sử dụng rộng rãi làm chất làm lạnh và chất đẩy trong bình xịt. Carbon tetrachloride là nguyên liệu chính để tổng hợp CFC-11 và CFC-12, hai hợp chất phổ biến trong công nghiệp lạnh trước khi bị cấm do tác động phá hủy tầng ozone.

Danh sách ứng dụng phổ biến trong thế kỷ 20:

• Dung môi công nghiệp cho dầu mỡ, sáp, nhựa.
• Chất giặt khô và chất tẩy rửa.
• Nguyên liệu sản xuất CFCs.
• Chất dập lửa và thành phần trong thuốc diệt côn trùng.
• Dung môi trong hóa phân tích và thí nghiệm.

Ngày nay, do các vấn đề môi trường và sức khỏe, những ứng dụng này hầu hết đã bị loại bỏ. CTC hiện chỉ còn được dùng hạn chế trong một số quy trình công nghiệp khép kín và nghiên cứu khoa học.

Tác động sức khỏe

Carbon tetrachloride (CCl₄) là một chất độc hại mạnh, có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người ngay cả khi tiếp xúc ở nồng độ thấp. Khi hít phải hơi CTC, các phân tử nhanh chóng đi vào hệ tuần hoàn qua phổi và được vận chuyển đến gan, nơi chúng bị chuyển hóa bởi hệ enzym cytochrome P450. Quá trình này tạo ra gốc tự do trichloromethyl (•CCl₃) và trichloromethyl peroxyl (•OOCCl₃), những chất trung gian phản ứng mạnh, gây tổn thương tế bào gan và khởi phát quá trình hoại tử.

Các triệu chứng ngộ độc cấp tính bao gồm đau đầu, chóng mặt, buồn nôn, nôn mửa, khó thở, đau bụng và rối loạn thần kinh trung ương. Trường hợp nặng có thể dẫn đến hôn mê và tử vong. Ngộ độc mạn tính do tiếp xúc lâu dài thường biểu hiện bằng xơ gan, viêm gan mạn, suy thận, và rối loạn chức năng thần kinh.

Theo ATSDR, carbon tetrachloride còn có khả năng gây ung thư và được phân loại là chất có thể gây ung thư cho người (Group 2B) theo IARC (International Agency for Research on Cancer). Tác động độc hại của nó không chỉ giới hạn ở gan và thận, mà còn bao gồm ức chế hệ miễn dịch và rối loạn nội tiết.

Bảng tổng hợp các ảnh hưởng sức khỏe:

Dạng phơi nhiễm	Tác động chính
Cấp tính	Chóng mặt, buồn nôn, suy hô hấp, tổn thương gan
Mạn tính	Xơ gan, suy thận, rối loạn thần kinh, suy giảm miễn dịch
Liều cao	Tử vong do suy gan và suy thận cấp

Tác động môi trường

Carbon tetrachloride là hợp chất bền vững, khó bị phân hủy trong môi trường tự nhiên. Do có áp suất hơi cao và ít tan trong nước, CTC dễ bay hơi vào khí quyển sau khi phát thải. Một khi xâm nhập vào khí quyển, phân tử CCl₄ có thể tồn tại nhiều năm, di chuyển đến tầng bình lưu và tham gia các phản ứng quang hóa, tạo gốc clo tự do. Các gốc clo này xúc tác quá trình phá hủy ozone, làm suy giảm tầng ozone bảo vệ Trái Đất khỏi tia tử ngoại.

Ngoài ảnh hưởng đến khí quyển, CTC còn gây ô nhiễm đất và nước ngầm khi rò rỉ từ các khu công nghiệp hoặc bãi chôn lấp chất thải. Do tính chất bền vững, nó có thể tồn tại lâu dài trong môi trường và tích tụ sinh học, gây nguy hiểm cho hệ sinh thái. Cá và các sinh vật thủy sinh đặc biệt nhạy cảm với sự hiện diện của hợp chất này trong nước.

Theo UNEP, carbon tetrachloride là một trong những chất bị kiểm soát chặt chẽ theo Nghị định thư Montreal do tác động mạnh đến tầng ozone. Các nghiên cứu ước tính rằng CTC có tiềm năng phá hủy ozone (ODP) khoảng 1, tương đương CFC-11, một trong những chất phá hủy ozone mạnh nhất.

Quy định và hạn chế

Các tổ chức quốc tế và cơ quan y tế đã thiết lập nhiều quy định nghiêm ngặt đối với việc sản xuất, sử dụng và thải bỏ carbon tetrachloride. Tại Hoa Kỳ, EPA đã cấm sử dụng CTC trong hầu hết các ứng dụng thương mại và dân dụng. Liên minh châu Âu cũng áp dụng lệnh cấm tương tự, đồng thời yêu cầu giám sát chặt chẽ lượng phát thải từ các ngành công nghiệp.

Trong lĩnh vực an toàn lao động, OSHA quy định giới hạn tiếp xúc tối đa cho phép (PEL) đối với carbon tetrachloride là 10 ppm trong 8 giờ làm việc. WHO cũng đưa ra khuyến nghị rằng nước uống không được chứa quá 0,002 mg/L CTC để đảm bảo an toàn sức khỏe cộng đồng.

• EPA: loại bỏ CTC khỏi các ứng dụng dân dụng.
• EU: cấm sản xuất và nhập khẩu CTC ngoài mục đích nghiên cứu.
• OSHA: PEL = 10 ppm (8 giờ).
• WHO: giới hạn trong nước uống ≤ 0,002 mg/L.

Công nghệ xử lý và thay thế

Xử lý carbon tetrachloride trong môi trường đòi hỏi các công nghệ tiên tiến do tính bền vững của hợp chất này. Một số phương pháp đã được áp dụng bao gồm oxy hóa nâng cao (AOPs), phân hủy quang hóa, khử xúc tác bằng kim loại và xử lý sinh học. Trong các phương pháp này, AOPs được xem là hiệu quả nhất, sử dụng tác nhân oxy hóa mạnh như ozone, hydrogen peroxide và tia UV để phá hủy phân tử CTC.

Trong công nghiệp, nhiều hợp chất thay thế an toàn hơn đã được phát triển. Chẳng hạn, các hydrofluorocarbons (HFCs) và hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) được sử dụng thay cho CFCs sản xuất từ CTC. Tuy nhiên, bản thân HFCs cũng góp phần gây hiệu ứng nhà kính, do đó các nghiên cứu đang hướng tới hydrofluoroolefins (HFOs) và các dung môi xanh có nguồn gốc sinh học.

Danh sách các giải pháp thay thế:

• Trong công nghiệp lạnh: HFCs, HFOs.
• Trong dung môi: perfluorocarbons ít độc hại hơn, dung môi sinh học.
• Trong giặt khô: perchloroethylene, các dung môi thân thiện môi trường.

Kết luận

Carbon tetrachloride là một hợp chất từng có nhiều ứng dụng trong công nghiệp nhưng hiện nay chủ yếu được ghi nhớ như một ví dụ điển hình về tác động tiêu cực của hóa chất đến sức khỏe và môi trường. Với độc tính cao và khả năng phá hủy tầng ozone, CTC đã bị hạn chế nghiêm ngặt theo các quy định quốc tế. Sự phát triển của các giải pháp thay thế an toàn và bền vững là minh chứng cho nỗ lực toàn cầu nhằm cân bằng giữa lợi ích công nghiệp và bảo vệ hành tinh.

Tài liệu tham khảo

1. U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Carbon Tetrachloride Phaseout
2. Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR). Toxicological Profile for Carbon Tetrachloride
3. World Health Organization (WHO). Concise International Chemical Assessment Document: Carbon Tetrachloride
4. United Nations Environment Programme (UNEP). Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer
5. Occupational Safety and Health Administration (OSHA). Permissible Exposure Limits