Silica là gì? Các công bố nghiên cứu khoa học về Silica

Định nghĩa và công thức hóa học

Silica, hay silic dioxide, là một hợp chất vô cơ với công thức hóa học $SiO_2$, tồn tại dưới dạng tinh thể hoặc vô định hình. Trong tự nhiên, silica chiếm khoảng 59 % thành phần vỏ Trái Đất và là thành phần chính của cát biển, sa mạc (cát silic), đá thạch anh và sa thạch. Hợp chất này thường xuất hiện dưới nhiều đồng dạng tinh thể như thạch anh (quartz), cristobalite, tridymite, và dưới dạng vô định hình như silica keo (colloidal silica) hoặc thủy tinh (glass).

Tính chất hóa học của silica rất ổn định: không tan trong nước, chịu nhiệt độ cao (nhiệt độ nóng chảy khoảng 1.650 °C), không phản ứng với acid yếu, chỉ phản ứng với kiềm mạnh theo phương trình:

• $SiO_2 + 2\,NaOH \rightarrow Na_2SiO_3 + H_2O$
• $SiO_2 + 2\,KOH \rightarrow K_2SiO_3 + H_2O$

Silica có vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp nhờ tính chất cách điện, chịu nhiệt và khả năng tạo gel, hấp phụ cao của dạng keo. Trong dược phẩm và mỹ phẩm, silica keo được dùng làm chất độn và chất làm đặc; trong thực phẩm, nó xuất hiện dưới dạng chất chống đông vón (E551).

Cấu trúc tinh thể và tính chất vật lý

Thạch anh (α-quartz) là đồng dạng tinh thể phổ biến nhất của silica, có cấu trúc tinh thể lục giác với mỗi nguyên tử silic liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử oxy, tạo thành mạng lưới ba chiều bền vững. Liên kết Si–O có độ bền cao (~799 kJ/mol), khiến silica thạch anh có độ cứng Mohs đạt 7 và khối lượng riêng khoảng 2,65 g/cm³.

Các đồng dạng cao nhiệt độ như cristobalite và tridymite hình thành khi thạch anh chịu nung ở nhiệt độ >1.470 °C, có cấu trúc tinh thể khác nhau nhưng đều giữ liên kết SiO₄ tetrahedron. Dạng vô định hình (amorphous silica) không có trật tự dài, thường được sản xuất bằng quá trình thủy phân tetraethyl orthosilicate (TEOS) hoặc trichlorosilane.

Đồng dạng	Nhiệt độ ổn định	Phân bố
α-Quartz	≤573 °C	Phổ biến nhất, vỏ Trái Đất
β-Quartz	573–867 °C	Chuyển pha từ α-quartz
Cristobalite	>1.470 °C	Mạch nhiệt dịch, núi lửa
Tridymite	867–1.470 °C	Đặc trưng đá núi lửa
Amorphous	Không ổn định tinh thể	Silica keo, thủy tinh

Chỉ số khúc xạ của silica tinh thể vào khoảng 1,544–1,553 ở bước sóng 589 nm, độ dẫn nhiệt thấp (~1,3 W/m·K) và điện môi cao (~3,8), phù hợp cho ứng dụng trong quang học và điện tử (thấu kính, wafer silicon).

Nguồn gốc và phân bố tự nhiên

Silica tồn tại rộng khắp trong tự nhiên, phân bố chủ yếu ở các dạng sau:

• Cát và sa mạc: cát silic (>90 % SiO₂) ven biển, sa mạc Sahara, miền Tây Hoa Kỳ.
• Đá thạch anh và sa thạch: trầm tích cổ đại, lòng sông, vỏ núi lửa.
• Mạch nhiệt dịch: tinh thể thạch anh lớn trong khối đá trầm tích nhiệt dịch.

Các mỏ silica công nghiệp tập trung ở Hoa Kỳ (ngành cát thủy tinh), Trung Quốc (đá thạch anh), Úc và Brazil (khoáng sản thạch anh). Theo báo cáo của U.S. Geological Survey, sản lượng khai thác silica toàn cầu năm 2023 đạt hơn 220 triệu tấn, trong đó Trung Quốc chiếm trên 60 % .

Sự phân bố rộng rãi giúp đảm bảo nguồn cung nguyên liệu cho các ngành sản xuất kính, gốm sứ, xi măng bền cao (silica fume), và các vật liệu xây dựng khác như bê tông siêu tính năng.

Phương pháp khai thác và chế biến

Khai thác silica thường thực hiện theo phương pháp hở (open-pit mining) với các bước:

1. Khoan nổ mìn, phá vỡ lớp đá bề mặt.
2. Máy xúc và máy tải vận chuyển vật liệu thô về trạm nghiền.
3. Nghiền mịn và sàng kích thước qua các cấp sàng từ thô đến mịn.
4. Rửa loại bỏ tạp chất như sắt, alumin và khoáng vụn.

Sau khi có cát silica tinh khiết (~95–99 % SiO₂), người ta có thể chế biến thêm để tạo silica hoạt tính (silica fume) hoặc silica keo:

• Silica fume: sản phẩm phụ của sản xuất ferrosilicon, chứa hạt SiO₂ siêu mịn (<1 µm), dùng trộn bê tông để tăng độ bền và giảm xốp.
• Silica keo: sản xuất bằng phương pháp thủy phân acid/base từ dung dịch natri silicat, có kích thước hạt 5–50 nm, ứng dụng trong polymer, keo, giấy và lọc.

Quá trình xử lý hóa học tinh chế silica bằng cách hòa tan SiO₂ trong kiềm, kết tủa lại bằng acid hoặc khí CO₂ để kiểm soát kích thước và độ tinh khiết, áp dụng trong sản xuất silicon điện tử và y sinh.

Tác động môi trường và sức khỏe

Bụi silica tinh thể dạng hô hấpable (particles ≤10 µm) khi hít phải sẽ xâm nhập sâu vào phổi, gây viêm phổi silic (silicosis) với các thể cấp, bán cấp và mạn. Tổ chức Y tế Thế giới xếp silica tinh thể vào nhóm 1 chất gây ung thư phổi ở người (WHO).

Quá trình xâm nhập bụi kích hoạt đại thực bào phổi phóng thích cytokine viêm (TNF-α, IL-1β), dẫn đến xơ hóa mô kẽ và mất chức năng trao đổi khí. Trong trường hợp nặng, bệnh nhân có thể phát triển suy hô hấp tiến triển và tăng áp động mạch phổi.

Tiêu chuẩn OSHA (Hoa Kỳ) giới hạn nồng độ bụi silica tinh thể trong không khí làm việc ở mức 50 μg/m³ trung bình 8 giờ (OSHA Silica Standard). Để phòng ngừa, yêu cầu dùng hệ thống hút bụi tại nguồn, đeo khẩu trang lọc P2/P3 và theo dõi chức năng hô hấp định kỳ.

Ứng dụng công nghiệp

Silica là vật liệu quan trọng trong sản xuất thủy tinh, gốm sứ và bê tông siêu tính năng. Silica fume, hay silica khói, dùng làm phụ gia bê tông tăng độ bền nén lên 20–30% và giảm độ thấm nước nhờ tính trám khe hở siêu mịn.

Trong ngành điện tử, silica tinh khiết cao (99,999 %) được sử dụng làm wafer silicon cho mạch tích hợp, nhờ độ tinh khiết và cấu trúc tinh thể đồng nhất. Thủy tinh quang học từ silica vô định hình có độ truyền quang cao, ứng dụng trong cáp quang và thấu kính chiếu sáng.

• Silica gel: chất hút ẩm trong dược phẩm và bảo quản thực phẩm.
• Silica keo: chất làm đặc, chất độn trong mỹ phẩm và dược phẩm.
• Vật liệu composite: tăng độ bền kéo và chống mài mòn cho nhựa và cao su.

Phương pháp phân tích và xác định

Để phân biệt các đồng dạng tinh thể của silica, phổ X-ray diffraction (XRD) là tiêu chuẩn vàng, cho phép xác định phổ đặc trưng của thạch anh, cristobalite và tridymite. Phổ XRD của silica thạch anh cho peak chính ở góc 26,6° 2θ (Cu Kα).

Phổ hồng ngoại Fourier-transform (FTIR) xác định liên kết Si–O–Si và Si–OH qua các dải hấp thụ ở 1.100–1.000 cm^–1 và 3.700–3.500 cm^–1. Phương pháp SEM/EDX quan sát hình thái bề mặt và xác định thành phần nguyên tố, đảm bảo độ tinh khiết >99,5%.

Kỹ thuật	Ứng dụng	Giới hạn phát hiện
XRD	Phân loại đồng dạng tinh thể	≥1 % tinh thể
FTIR	Định tính liên kết hóa học	≥0,5 % thành phần
SEM/EDX	Quan sát hình thái, xác định nguyên tố	ngưỡng ppm

Tiêu chuẩn và quy định

Pháp luật nhiều nước quy định nghiêm ngặt về khai thác và xử lý silica để bảo vệ sức khỏe lao động. Liên minh châu Âu áp dụng Quy định REACH yêu cầu đăng ký silica tinh thể dạng hạt hô hấpable, đánh giá rủi ro và truyền thông an toàn (ECHA REACH).

Tiêu chuẩn ASTM C778 quy định yêu cầu về cỡ hạt, độ tinh khiết và độ ẩm cho silica dùng trong sản xuất gốm sứ và thủy tinh. ISO 13485 áp dụng cho silica y sinh, yêu cầu kiểm soát kích thước hạt sinh học và tính tương hợp sinh học.

Xu hướng nghiên cứu và triển vọng ứng dụng

Công nghệ silica mesoporous (MCM-41, SBA-15) với hệ thống lỗ rỗng có đường kính 2–50 nm đang phát triển mạnh nhờ diện tích bề mặt >700 m²/g, ứng dụng trong xúc tác, hấp phụ thuốc và giải phóng thuốc (drug delivery) có kiểm soát.

Silica nano thế hệ mới (silica bao phủ polymer, silica siêu kỵ nước) được nghiên cứu trong pin lithium-silicon thế hệ mới, tăng dung lượng và độ bền chu kỳ. Kết hợp công nghệ in 3D cho phép tạo cấu trúc silica đa chân không, ứng dụng trong vật liệu cách nhiệt và quang học.

• Silica mesoporous: nền tảng xúc tác sinh học và hấp phụ.
• Silica nano-polymer: điều biến bề mặt và chức năng hóa học.
• Silica 3D-printed: vật liệu nhẹ và cách nhiệt.

Tài liệu tham khảo

1. World Health Organization. Hazard Prevention and Control in the Work Environment: Silica. 2006. Link
2. U.S. Occupational Safety and Health Administration. Respirable Crystalline Silica Standard. 2016. Link
3. U.S. Geological Survey. Mineral Commodity Summaries: Silica. 2024. Link
4. European Chemicals Agency. Silica, Crystalline (Respirable Powder). REACH Registration Dossier, 2019. Link
5. ASTM International. Standard Specification for Reference Test Sieves (silica test sieves). ASTM E11-20, 2020.