Ethylene glycol là gì? Các nghiên cứu về Ethylene glycol

Ethylene glycol là gì?

Ethylene glycol (C₂H₆O₂) là một hợp chất hữu cơ thuộc nhóm alcohol hai chức, tồn tại ở dạng lỏng không màu, không mùi và có vị ngọt. Ethylene glycol chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp như chất chống đông, chất truyền nhiệt trong hệ thống làm mát và là nguyên liệu thô trong sản xuất polymer, đặc biệt là polyethylene terephthalate (PET). Do tính chất vật lý đặc biệt và khả năng tương tác với nước, ethylene glycol giữ vai trò quan trọng trong nhiều quy trình công nghiệp hiện đại.

Theo dữ liệu từ PubChem, ethylene glycol có số CAS 107-21-1, với sản lượng tiêu thụ toàn cầu lên tới hơn 20 triệu tấn mỗi năm, phần lớn dành cho sản xuất chất dẻo và sản phẩm chống đông.

Cấu trúc hóa học và tính chất

Công thức phân tử của ethylene glycol là:

$C_2H_6O_2$

Cấu trúc chi tiết gồm hai nhóm hydroxyl (-OH) gắn vào hai nguyên tử carbon liền kề:

• Khối lượng phân tử: 62,07 g/mol
• Nhiệt độ nóng chảy: -12,9°C
• Nhiệt độ sôi: 197,6°C
• Khả năng hòa tan: Hoàn toàn hòa tan trong nước, ethanol, acetone.
• Độ nhớt: 16,1 mPa.s ở 25°C, cao hơn nước nhiều lần.
• Áp suất hơi: Thấp (~0,06 mmHg tại 20°C).

Do có hai nhóm hydroxyl, ethylene glycol có khả năng tạo liên kết hydrogen mạnh, dẫn đến điểm sôi cao và khả năng hấp thụ ẩm tốt.

Phương pháp sản xuất ethylene glycol

Ethylene glycol được sản xuất chủ yếu qua hai bước chính:

1. Oxy hóa ethylene thành ethylene oxide

Ethylene (C₂H₄) phản ứng với oxy (O₂) trong sự hiện diện của chất xúc tác bạc ở nhiệt độ khoảng 200–300°C:

$C_2H_4 + \frac{1}{2} O_2 \rightarrow C_2H_4O$

2. Thủy phân ethylene oxide

Ethylene oxide sau đó phản ứng với nước để tạo thành ethylene glycol:

$C_2H_4O + H_2O \rightarrow C_2H_6O_2$

Theo ScienceDirect, để tối ưu hóa hiệu suất và giảm sản phẩm phụ như diethylene glycol (DEG) hoặc triethylene glycol (TEG), tỷ lệ nước so với ethylene oxide được kiểm soát rất cao (thường từ 10:1 đến 20:1).

Ứng dụng chính của ethylene glycol

• Chất chống đông: Trộn ethylene glycol với nước làm hạ điểm đóng băng và tăng điểm sôi, bảo vệ động cơ ô tô và hệ thống HVAC trong điều kiện khắc nghiệt.
• Chất truyền nhiệt: Sử dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời, hệ thống lạnh công nghiệp và bộ trao đổi nhiệt.
• Sản xuất polyester: Ethylene glycol là nguyên liệu chính để sản xuất PET, dùng trong chai nước, màng nhựa và sợi polyester.
• Chất trung gian tổng hợp hóa chất: Sử dụng để sản xuất dung môi, nhựa alkyd, và nhựa epoxy.
• Ứng dụng trong mỹ phẩm: Ở hàm lượng thấp, ethylene glycol có thể được sử dụng làm chất giữ ẩm trong một số sản phẩm chăm sóc cá nhân.

Độc tính và tác động đến sức khỏe

Theo CDC NIOSH, ethylene glycol rất độc nếu nuốt phải, và quá trình chuyển hóa trong cơ thể sẽ tạo thành các sản phẩm phụ gây tổn thương nghiêm trọng:

• Giai đoạn đầu (0–12 giờ): Tác động thần kinh trung ương, buồn nôn, nôn, chóng mặt, hôn mê.
• Giai đoạn giữa (12–24 giờ): Tổn thương tim mạch, hạ huyết áp, rối loạn nhịp tim.
• Giai đoạn muộn (24–72 giờ): Suy thận cấp do kết tủa calcium oxalate trong ống thận.

Liều gây tử vong cho người trưởng thành được ước tính khoảng 100 mL ethylene glycol nguyên chất nếu không được điều trị.

Cơ chế chuyển hóa ethylene glycol trong cơ thể

Sau khi hấp thu, ethylene glycol trải qua quá trình oxy hóa thông qua enzym alcohol dehydrogenase (ADH):

$\text{Ethylene glycol} \xrightarrow{ADH} \text{Glycoaldehyde} \xrightarrow{ALDH} \text{Glycolic acid} \rightarrow \text{Glyoxylic acid} \rightarrow \text{Oxalic acid}$

Oxalic acid kết tủa với ion calcium trong máu, hình thành tinh thể calcium oxalate gây tổn thương mô và suy đa cơ quan.

So sánh ethylene glycol và propylene glycol

Tiêu chí	Ethylene Glycol	Propylene Glycol
Công thức hóa học	C2H6O2	C3H8O2
Độc tính	Độc cao	Độc thấp, an toàn cho thực phẩm
Ứng dụng chính	Chống đông, sản xuất polyester	Chất giữ ẩm trong thực phẩm, mỹ phẩm
Khả năng phân hủy sinh học	Thấp	Cao hơn

Biện pháp an toàn khi làm việc với ethylene glycol

Các biện pháp an toàn cơ bản khi làm việc với ethylene glycol bao gồm:

• Sử dụng thiết bị bảo hộ cá nhân (PPE) đầy đủ: găng tay chống hóa chất, kính bảo hộ, mặt nạ phòng độc nếu cần thiết.
• Làm việc tại khu vực thông gió tốt, tránh hít phải hơi hoặc tiếp xúc lâu dài với da.
• Bảo quản ethylene glycol trong thùng kín, tránh xa nguồn nhiệt và ánh sáng trực tiếp.
• Trang bị thiết bị phòng ngừa sự cố tràn đổ hóa chất như bộ kit hấp thụ hóa chất.

Tác động môi trường của ethylene glycol

Theo EPA, mặc dù ethylene glycol có thể bị phân hủy sinh học trong điều kiện tự nhiên, khi thải ra môi trường với lượng lớn, nó có thể gây:

• Giảm oxy hòa tan trong nước, ảnh hưởng đến đời sống thủy sinh.
• Gây độc trực tiếp cho cá và các sinh vật nước ngọt ở nồng độ cao.
• Tăng tải lượng hữu cơ trong hệ sinh thái nước.

Xu hướng phát triển chất thay thế ethylene glycol

Do mối quan ngại về an toàn và môi trường, các nghiên cứu hiện nay đang tập trung phát triển:

• Chất chống đông sinh học dựa trên glycerol hoặc propylene glycol.
• Công nghệ sản xuất ethylene glycol sinh học từ nguyên liệu tái tạo như cellulose.
• Phương pháp tái chế ethylene glycol từ chất thải công nghiệp và dung dịch cũ.

Kết luận

Ethylene glycol là hóa chất quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại, đặc biệt trong sản xuất chất chống đông và nhựa polyester. Tuy nhiên, với độc tính cao và nguy cơ môi trường, việc sử dụng ethylene glycol đòi hỏi quản lý chặt chẽ, áp dụng công nghệ sạch và tìm kiếm các giải pháp thay thế bền vững để đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người và hệ sinh thái tự nhiên.