Formaldehyde là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa formaldehyde

Formaldehyde là một hợp chất hữu cơ có công thức phân tử $CH_2O$, thuộc nhóm aldehyde đơn giản nhất. Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, formaldehyde tồn tại dưới dạng khí không màu, dễ cháy, có mùi hăng rất đặc trưng và tan tốt trong nước. Dung dịch formaldehyde trong nước, thường được gọi là formalin, chứa khoảng 37% formaldehyde và thường được dùng phổ biến trong công nghiệp và y học.

Hợp chất này có tính phản ứng cao do sự hiện diện của nhóm carbonyl (C=O), khiến nó dễ dàng tham gia các phản ứng cộng, oxy hóa và ngưng tụ. Chính nhờ khả năng phản ứng này, formaldehyde trở thành tiền chất quan trọng trong sản xuất hàng loạt các hóa chất công nghiệp. Tuy nhiên, tính chất độc hại của nó đối với sức khỏe con người cũng khiến formaldehyde là đối tượng được giám sát chặt chẽ trong các quy định môi trường và an toàn hóa chất.

Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), formaldehyde được phân loại là chất gây kích ứng và có khả năng gây ung thư. Nó được tìm thấy trong nhiều sản phẩm gia dụng, công nghiệp và có mặt trong không khí nội thất do bay hơi từ các vật liệu xây dựng hoặc đồ nội thất.

Cấu trúc hóa học và tính chất vật lý

Formaldehyde có cấu trúc phân tử rất đơn giản với một nguyên tử carbon trung tâm liên kết với hai nguyên tử hydro và một nhóm carbonyl. Công thức cấu tạo có thể viết là H–C(=O)–H. Nhờ cấu trúc này, formaldehyde là aldehyde đầu tiên và được dùng làm hình mẫu trong các nghiên cứu hóa học hữu cơ cơ bản.

Một số đặc tính vật lý nổi bật của formaldehyde được trình bày dưới dạng bảng dưới đây:

Thuộc tính	Giá trị
Khối lượng phân tử	30.03 g/mol
Trạng thái vật lý	Khí (ở 25 °C)
Nhiệt độ sôi	–19 °C
Nhiệt độ nóng chảy	–92 °C
Mật độ (dạng dung dịch 37%)	0.815 g/cm³ (ở 20 °C)
Độ hòa tan trong nước	Hoàn toàn

Trong công nghiệp, formaldehyde thường được lưu trữ dưới dạng dung dịch để dễ vận chuyển và kiểm soát phản ứng. Dung dịch này có thể được pha loãng hoặc ổn định bằng cách thêm methanol để hạn chế quá trình trùng hợp không mong muốn.

Ứng dụng trong công nghiệp

Formaldehyde là một trong những hóa chất công nghiệp quan trọng nhất toàn cầu với sản lượng hàng năm lên đến hàng triệu tấn. Nó được sử dụng chủ yếu như nguyên liệu trung gian trong sản xuất nhựa tổng hợp, chất kết dính, chất bảo quản và các sản phẩm xử lý gỗ.

Các ứng dụng công nghiệp tiêu biểu của formaldehyde bao gồm:

• Sản xuất nhựa nhiệt rắn như phenol-formaldehyde (PF), urea-formaldehyde (UF) và melamine-formaldehyde (MF)
• Chất kết dính trong ván ép, gỗ dán, gỗ MDF, laminate và các vật liệu xây dựng
• Nguyên liệu để tổng hợp hóa chất như 1,4-butanediol, pentaerythritol, hexamine và trioxane
• Chất bảo quản trong ngành dệt, thuộc da và sản xuất sơn

Đặc biệt, nhựa urea-formaldehyde được sử dụng rộng rãi nhờ chi phí thấp và khả năng đóng rắn nhanh, dù cũng là nguồn phát thải formaldehyde trong không khí nội thất. Các nhà sản xuất đang nghiên cứu vật liệu thay thế ít phát thải hơn nhằm đáp ứng tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt.

Vai trò trong y học và bảo quản

Trong lĩnh vực y học, formaldehyde được ứng dụng phổ biến dưới dạng dung dịch formalin trong việc cố định mô sinh học. Quá trình cố định giúp giữ nguyên cấu trúc vi mô của tế bào và mô, làm chậm quá trình phân hủy, tạo điều kiện thuận lợi cho việc nhuộm và quan sát dưới kính hiển vi.

Formalin cũng được dùng trong bảo quản mẫu mô cho nghiên cứu mô bệnh học và pháp y. Trong ngành giải phẫu, nó là dung môi truyền thống để ướp xác, nhờ khả năng khử khuẩn mạnh và tạo liên kết bền vững với protein, ngăn chặn phân hủy sinh học.

Tuy nhiên, việc tiếp xúc lâu dài với formalin có thể gây độc tính đáng kể. Nhiều bệnh viện và phòng thí nghiệm hiện đã chuyển sang các chất cố định thay thế hoặc thiết kế phòng lưu trữ có hệ thống thông khí đặc biệt nhằm giảm thiểu rủi ro cho nhân viên y tế.

Quá trình sản xuất formaldehyde

Formaldehyde được sản xuất chủ yếu thông qua quá trình oxy hóa methanol trong môi trường xúc tác. Đây là phương pháp phổ biến nhất hiện nay vì hiệu suất cao và chi phí hợp lý. Phản ứng tổng quát được mô tả như sau:

$CH_3OH + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow CH_2O + H_2O$

Phản ứng xảy ra trong pha khí, ở nhiệt độ từ 250–400 °C và áp suất thấp. Hai hệ thống xúc tác chính thường được sử dụng là:

• Ag (bạc): xúc tác đơn chất, hoạt động ở nhiệt độ cao (khoảng 650 °C), cho tốc độ phản ứng nhanh nhưng sinh ra nhiều phụ phẩm.
• Fe-Mo hoặc Fe-Mo-V oxit: hệ xúc tác hỗn hợp, hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn (~250–400 °C), ít sinh phụ phẩm, phù hợp cho quy mô công nghiệp lớn.

Hệ thống phản ứng thường là lò phản ứng lớp cố định, trong đó methanol và không khí được trộn và dẫn qua lớp xúc tác. Sản phẩm khí thu được sẽ qua hệ thống hấp thụ để tạo dung dịch formalin hoặc được làm lạnh để tách thành dạng lỏng.

Tham khảo chi tiết các quy trình sản xuất tại PubChem – Formaldehyde Production.

Tác động sinh học và độc tính

Formaldehyde là chất có độc tính cao khi tiếp xúc qua hô hấp, da hoặc đường tiêu hóa. Ở nồng độ thấp, nó gây kích ứng mắt, mũi, họng và gây chảy nước mắt, ngứa rát cổ họng hoặc ho khan. Ở nồng độ cao hơn, nó có thể gây viêm phổi, viêm da, đau đầu, chóng mặt và ảnh hưởng hệ thần kinh trung ương.

Formaldehyde được Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) xếp vào nhóm 1 – “chất gây ung thư cho người”. Các bằng chứng dịch tễ học cho thấy mối liên hệ giữa phơi nhiễm formaldehyde với nguy cơ ung thư đường hô hấp trên, đặc biệt là ung thư vòm họng, mũi và bạch cầu dòng tủy.

Nguy cơ cao hơn thường xảy ra ở những người làm việc trong ngành sản xuất gỗ, nhựa, phòng thí nghiệm giải phẫu và công nghiệp dệt nhuộm. Ngoài ra, formaldehyde có thể gây phản ứng dị ứng như hen suyễn và viêm da tiếp xúc ở người nhạy cảm.

Thông tin chi tiết về độc tính và phân loại của formaldehyde được cập nhật tại IARC Monographs.

Tiêu chuẩn an toàn và giới hạn phơi nhiễm

Do tính chất độc hại, formaldehyde nằm trong danh mục các chất được giám sát nghiêm ngặt tại nơi làm việc. Nhiều tổ chức quốc tế đã ban hành giới hạn tiếp xúc nhằm bảo vệ người lao động. Một số giá trị giới hạn được công nhận gồm:

Tổ chức	Giới hạn phơi nhiễm	Ghi chú
OSHA (Mỹ)	0.75 ppm (TWA 8 giờ)	PEL – Permissible Exposure Limit
NIOSH (Mỹ)	0.016 ppm (TWA 10 giờ)	REL – Recommended Exposure Limit
ACGIH	0.3 ppm (STEL)	TLV – Threshold Limit Value

Các biện pháp an toàn cần áp dụng gồm hệ thống thông gió cưỡng bức, sử dụng khẩu trang lọc hơi hữu cơ, găng tay chống hóa chất và đào tạo người lao động về nhận diện và xử lý sự cố hóa chất. Đọc thêm tại OSHA Formaldehyde Standard.

Sự hiện diện trong môi trường sống

Formaldehyde có thể xuất hiện trong không khí trong nhà do bay hơi từ các sản phẩm có chứa nhựa formaldehyde, keo dán, sơn, vật liệu cách âm, ván ép và các sản phẩm nội thất công nghiệp. Đặc biệt trong các căn hộ mới xây hoặc không thông gió tốt, nồng độ formaldehyde có thể vượt ngưỡng cho phép.

Ngoài ra, formaldehyde còn có mặt trong khí thải từ động cơ, khói thuốc lá, lò đốt rác, và các quá trình cháy không hoàn toàn nhiên liệu hữu cơ. Mức độ phơi nhiễm cao kéo dài có thể gây ảnh hưởng sức khỏe hô hấp và nguy cơ ung thư về lâu dài.

Để kiểm soát nồng độ formaldehyde trong không khí, nên:

• Sử dụng vật liệu nội thất đạt chứng nhận phát thải thấp
• Thông gió định kỳ, đặc biệt trong các phòng kín
• Dùng cây xanh có khả năng hấp thụ khí độc như lưỡi hổ, nha đam, trầu bà
• Đo kiểm định nồng độ formaldehyde định kỳ với thiết bị chuyên dụng

Khả năng phân hủy và tác động môi trường

Trong môi trường không khí, formaldehyde bị phân hủy bởi ánh sáng mặt trời thông qua các phản ứng quang hóa, tạo ra carbon dioxide và hơi nước. Thời gian bán hủy của formaldehyde trong khí quyển dao động từ vài giờ đến vài ngày, tùy thuộc điều kiện khí hậu và mức độ ô nhiễm nền.

Trong nước và đất, formaldehyde có khả năng phân hủy sinh học nhanh nhờ các vi sinh vật hiếu khí. Tuy nhiên, tại các điểm nóng công nghiệp hoặc nơi xả thải không kiểm soát, formaldehyde vẫn có thể tích tụ cục bộ, gây ảnh hưởng đến chất lượng nước và sinh vật thủy sinh.

Các nhà máy xử lý nước thải và khí thải công nghiệp thường áp dụng các công nghệ như hấp phụ than hoạt tính, oxy hóa nâng cao hoặc màng lọc sinh học để xử lý formaldehyde trước khi xả ra môi trường.

Hướng nghiên cứu và thay thế

Nhu cầu giảm thiểu sử dụng formaldehyde trong các sản phẩm tiêu dùng và công nghiệp đang thúc đẩy nhiều hướng nghiên cứu thay thế. Một số xu hướng nổi bật bao gồm:

• Phát triển nhựa không formaldehyde như nhựa lignin, polyurethane sinh học
• Dùng enzyme và vi sinh vật trong bảo quản mô thay cho formalin
• Sử dụng các hệ cảm biến nano phát hiện formaldehyde với độ nhạy cao

Nhiều quốc gia đã ban hành tiêu chuẩn kiểm soát nồng độ formaldehyde trong đồ nội thất, mỹ phẩm và vật liệu xây dựng nhằm bảo vệ người tiêu dùng. Các nhà sản xuất đang chuyển hướng sang quy trình “formaldehyde-free” như một tiêu chuẩn bền vững mới. Thông tin và cập nhật pháp lý chi tiết có tại ECHA – European Chemicals Agency.