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

Giới thiệu

Chromium là nguyên tố kim loại chuyển tiếp với ký hiệu Cr và số nguyên tử 24, tồn tại tự nhiên dưới nhiều dạng oxi hóa khác nhau. Vai trò của chromium trải dài từ ứng dụng công nghiệp (luyện thép không gỉ, xi mạ) đến sinh học (vi khoáng hỗ trợ chuyển hóa glucose) và môi trường (ô nhiễm kim loại nặng).

Chromium được phát hiện từ cuối thế kỷ 18, nổi bật nhờ tính chất bền vững và khả năng tạo hợp chất màu sắc rõ nét. Trong ngành sản xuất, chromium được khai thác và tinh chế từ quặng chromite (FeCr₂O₄), đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp mạ, nhuộm vải và hóa chất.

Thông qua các nghiên cứu hóa sinh và dịch tễ học, chromium đã được xác định dạng Cr(III) là vi khoáng cần thiết cho cơ thể người, trong khi Cr(VI) được liệt vào các chất gây ung thư theo Tổ chức Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC). Sự phân biệt giữa hai trạng thái oxi hóa này là yếu tố quyết định trong đánh giá tác động sức khỏe và môi trường.

Đặc điểm hóa lý

Chromium trong tự nhiên tồn tại ở dạng kim loại màu xám bạc, có độ cứng cao và khả năng chống ăn mòn nhờ lớp oxide Cr₂O₃ tan trong nước, bảo vệ bề mặt. Điểm nóng chảy của chromium là khoảng 1907 °C, sở hữu tính từ và điện dẫn tốt.

Các trạng thái oxi hóa phổ biến của chromium là +2, +3 và +6. Cr(III) ổn định trong môi trường tự nhiên và sinh học, hòa tan tốt dưới điều kiện trung tính, trong khi Cr(VI) – chẳng hạn CrO₄²⁻, Cr₂O₇²⁻ – là các oxyanion mạnh, tan tốt trong nước và có độc tính cao.

Phản ứng oxy hóa khử giữa các dạng Cr(III) và Cr(VI) đóng vai trò quan trọng trong môi trường và xử lý nước. Ví dụ, Cr(VI) có thể bị khử bởi các chất khử như sắt(II) hoặc vi sinh khử thành Cr(III), giảm độc tính.

Chromium trong cơ thể người

Cr(III) là vi khoáng thiết yếu, tham gia vào phức hợp chromodulin, hỗ trợ hoạt hóa và tăng độ nhạy của insulin – hormone điều hòa chuyển hóa glucose. Vai trò này quan trọng trong kiểm soát đường huyết, chuyển hóa lipid và protein.

Nhiều nghiên cứu cho thấy thiếu hụt chromium dẫn đến giảm nhạy insulin, tăng LDL-cholesterol, tăng nguy cơ mắc hội chứng chuyển hóa. Tuy nhiên, việc bổ sung ngoài cần cân nhắc, vì liều cao chromium không chắc mang lại lợi ích rõ rệt.

Chromium được hấp thu qua đường tiêu hóa từ thực phẩm như ngũ cốc nguyên hạt, hàu, nấm men. Mức hấp thu ~0.4–2.5 % tùy dạng. Giá trị khuyến nghị của NIH đối với chromium là 20–35 µg/ngày tùy độ tuổi và giới tính (NIH ODS Chromium Fact Sheet).

Ứng dụng trong công nghiệp

Trong luyện kim, chromium được dùng để chế tạo thép không gỉ (inox), cải thiện độ cứng, chống ăn mòn và tăng độ bền cơ học. Hàm lượng Cr trong thép không gỉ thường từ 10–30 %, giúp hình thành lớp oxide bảo vệ bề mặt kim loại.

Cr(VI) được sử dụng rộng rãi trong xi mạ điện (chrome plating) để tạo lớp phủ bền, chịu nhiệt và chịu mài mòn trên các chi tiết máy, đồ nội thất, phụ tùng ô tô. Tuy nhiên, do độc tính, quy trình xi mạ cần kiểm soát chặt chẽ để tránh ô nhiễm môi trường và nguy cơ sức khỏe (EPA Chromium Compounds).

Chromium còn ứng dụng trong da thuộc để thuộc da, tăng độ bền, mềm mại của da; ngành gốm sứ, nhuộm chất màu (pigment), hóa chất công nghiệp (chromate, dichromate) và xúc tác trong phản ứng hữu cơ như polymer hóa.

Chromium trong môi trường

Chromium tồn tại trong môi trường tự nhiên chủ yếu dưới hai dạng: Cr(III) và Cr(VI). Trong đó, Cr(III) là dạng bền và ít độc hại, thường kết tủa trong nước ở pH trung tính, trong khi Cr(VI) là dạng oxyanion (CrO₄²⁻, Cr₂O₇²⁻) hòa tan mạnh trong nước và cực kỳ độc hại.

Hoạt động công nghiệp như luyện kim, xi mạ điện, sản xuất da thuộc và thuốc nhuộm là các nguồn phát thải chính của Cr(VI) vào môi trường. Một khi thâm nhập vào đất hoặc nước ngầm, Cr(VI) khó bị phân hủy và có thể lan rộng, ảnh hưởng đến sinh vật và con người.

• Nguồn phát thải: nước thải công nghiệp, tro than, rò rỉ từ nhà máy mạ crom
• Các con đường lan truyền: dòng chảy bề mặt, ngấm vào nước ngầm, lắng trong trầm tích
• Hậu quả môi sinh: gây độc với sinh vật thủy sinh, phá hủy hệ vi sinh vật đất

Độc tính và nguy cơ sức khỏe

Cr(VI) là một chất gây ung thư đã được xếp loại nhóm I bởi Tổ chức Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC), có thể gây ung thư phổi, xoang mũi, da và gan nếu phơi nhiễm lâu dài qua đường hô hấp, tiêu hóa hoặc tiếp xúc da.

Cr(VI) thâm nhập vào tế bào qua kênh anion, sau đó bị khử dần thành Cr(III), sản sinh các gốc tự do như •OH, gây đứt gãy DNA, đột biến gen và chết tế bào. Ngoài ra, Cr(VI) gây viêm mãn tính, suy giảm chức năng gan thận, tổn thương phổi mãn tính và dị ứng da.

Cr(III) ở liều lượng phù hợp không gây hại, nhưng khi tích tụ hoặc dùng sai cách (ví dụ bổ sung không kiểm soát), vẫn có thể gây buồn nôn, tiêu chảy, rối loạn thần kinh nhẹ và phản ứng dị ứng ở người nhạy cảm.

Phản ứng khử Cr(VI) thành Cr(III) trong cơ thể hoặc môi trường có thể mô tả bằng phương trình: $\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} + 6e^- + 14H^+ \rightarrow 2\text{Cr}^{3+} + 7\text{H}_2\text{O}$

Chu trình sinh địa hóa

Chromium tham gia vào chu trình sinh địa hóa qua các quá trình hóa học và sinh học trong tự nhiên. Dưới điều kiện yếm khí, một số vi khuẩn như Pseudomonas spp., Desulfovibrio spp. có khả năng khử Cr(VI) thành Cr(III), đóng vai trò trong làm sạch sinh học (bioremediation).

Cr(III) kết tủa và tích lũy trong đất và trầm tích, nơi nó ít di động và có xu hướng gắn với vật chất hữu cơ hoặc khoáng chất sét. Tuy nhiên, dưới điều kiện oxy hóa mạnh hoặc pH cao, Cr(III) có thể bị tái oxi hóa thành Cr(VI), dẫn đến nguy cơ phát tán trở lại.

Các yếu tố ảnh hưởng đến chu trình bao gồm pH môi trường, điều kiện oxy hóa khử (Eh), hàm lượng vật chất hữu cơ, vi sinh vật và nồng độ ion kim loại khác.

Phân tích và kiểm soát ô nhiễm chromium

Xác định hàm lượng chromium trong môi trường cần đến các kỹ thuật phân tích hiện đại như quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), quang phổ phát xạ plasma ICP-OES, ICP-MS, hoặc đo huỳnh quang phân tử. Các phương pháp màu (diphenylcarbazide) được sử dụng để xác định riêng Cr(VI).

Để xử lý nước thải nhiễm chromium, các biện pháp thường dùng bao gồm:

• Phản ứng khử hóa học: sử dụng Fe(II), SO₂ hoặc NaHSO₃ để khử Cr(VI) thành Cr(III)
• Kết tủa Cr(III): ở pH 8–9, Cr(III) tạo kết tủa Cr(OH)₃
• Hấp phụ: dùng than hoạt tính, zeolit, biochar để loại bỏ cả Cr(VI) và Cr(III)
• Xử lý sinh học: sử dụng vi sinh vật khử Cr(VI) trong điều kiện kỵ khí

Các quy trình xử lý cần thiết kế phù hợp với nồng độ ô nhiễm, thể tích nước thải và điều kiện môi trường cụ thể. Trong công nghiệp, việc thay thế Cr(VI) bằng Cr(III) trong quy trình xi mạ cũng là một hướng cải tiến đáng chú ý.

Khuyến nghị dinh dưỡng và giới hạn an toàn

Theo NIH Office of Dietary Supplements, nhu cầu khuyến nghị chromium (RDA) cho người trưởng thành là 25–35 µg/ngày. Chromium có trong thực phẩm như gan, nấm men bia, trứng, ngũ cốc nguyên hạt, và rau xanh.

Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) quy định giới hạn tối đa của Cr(VI) trong nước uống là 0.1 mg/L, còn WHO đưa ra giới hạn thấp hơn, khuyến nghị không vượt quá 0.05 mg/L để đảm bảo an toàn sức khỏe cộng đồng.

Việc sử dụng thực phẩm chức năng chứa chromium (như chromium picolinate) cần thận trọng, tránh lạm dụng hoặc tự ý bổ sung nếu không có chỉ định y khoa.

Tài liệu tham khảo

• NIH Office of Dietary Supplements. Chromium Fact Sheet. https://ods.od.nih.gov/factsheets/Chromium-HealthProfessional/
• World Health Organization (WHO). Chromium in Drinking-water. https://www.who.int/publications/i/item/9241546301
• EPA. Chromium Compounds. https://www.epa.gov/dwstandardsregulations
• Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR). Toxicological Profile for Chromium. https://www.atsdr.cdc.gov/ToxProfiles/tp7.pdf
• National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH). Chromium Exposure. https://www.cdc.gov/niosh/topics/chromium/