CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG hợp NANO VÀNG và ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH OXY hóa sâu hợp CHẤT hữu cơ MẠCH VÒNG TRONG PHA KHÍ

TỔNG QUAN

Tổng quan về kim loại vàng và hạt nano vàng

1.1.1.Giới thiệu về kim loại vàng

Vàng, với ký hiệu Au và số hiệu nguyên tử 79, là một nguyên tố kim loại quý giá đã được các nghệ nhân sử dụng từ thời kỳ Chalcolithic Có cấu hình electron là [Xe] 4f145d10 6s1 và khối lượng nguyên tử 197 g/mol, vàng thuộc phân nhóm IB và chu kỳ 6, với bán kính nguyên tử 166 pm (bán kính liên kết Van Der Waals).

Vàng là một kim loại mềm, có màu vàng và tính dẻo cao Nó dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, chỉ kém bạc và đồng, với khối lượng riêng đạt 19,3 g/cm3 và nhiệt độ nóng chảy là 1063 °C.

Vàng là kim loại quý với tính khử yếu, không bị oxi hóa trong không khí ở mọi nhiệt độ và không hòa tan trong axit, kể cả axit nitric (HNO3) Tuy nhiên, vàng có thể hòa tan trong một số trường hợp đặc biệt.

 Nước cường toan (hỗn hợp 1 thể tích HNO3 và 3 thể tích HCl đặc).

Au + HNO3 (đặc) + 4HCl (đặc) → H[AuCl4] + NO + 2H2O

 Dung dịch muối xianua của kim loại kiềm, như NaCN tạo thành ion phức [Au(CN)2]

4Au + 8NaCN (đặc) + O2 + H2O → 4Na[Au(CN)2] + 4NaOH

 Thủy ngân, vì tạo thành hỗn hống với Au (chất rắn, màu trắng), đốt nóng hỗn hống, thủy ngân bay hơi còn lại vàng.

Hạt vàng tự do thường được tìm thấy trong quặng vàng gốc, có nguồn gốc từ đá với các phần tử vàng rất nhỏ Quặng vàng thường đi kèm với thạch anh và các khoáng chất sunfit, hoặc lẫn trong quặng đồng và các loại quặng kim loại khác Vàng tự nhiên chứa khoảng 8 đến 10% bạc, nhưng có thể cao hơn, trong khi hợp kim có thành phần bạc trên 20% được gọi là electrum Sự gia tăng lượng bạc làm cho màu vàng trở nên trắng hơn và khối lượng riêng giảm Trên thế giới, các quốc gia sản xuất vàng lớn bao gồm Nam Phi, Mỹ, Australia, Trung Quốc và Nga, trong khi tại Việt Nam, hai mỏ vàng nổi bật là Păc Lạng (Bắc Cạn) và Bồng Miêu (Quảng Nam).

 Ứng dụng của kim loại vàng:

Vàng, với những tính chất cơ lý hóa quý giá và màu sắc đặc trưng, đã được sử dụng từ xa xưa để chế tác trang sức và đồ dùng trong các cung điện như cốc, chén, và ấm Ngày nay, vàng còn được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghệ hiện đại như vô tuyến, điện tử, thông tin, máy tính và hàng không Nhờ khả năng phản chiếu tốt bức xạ hồng ngoại, vàng được dùng để mạ các bộ phận trong máy hồng ngoại và vỏ vệ tinh nhân tạo Vàng vẫn giữ vai trò quan trọng trong việc đảm bảo giá trị tiền tệ của các quốc gia trên toàn thế giới.

Một số loại muối có tính chất chống viêm và được sử dụng trong y tế để điều trị viêm khớp và các bệnh tương tự Chỉ muối và đồng vị của vàng mới có giá trị y tế, trong khi vàng nguyên tố không phản ứng với các hóa chất trong cơ thể Hiện nay, việc tiêm vàng đã được chứng minh là giúp giảm đau và sưng do thấp khớp và lao.

Hợp kim vàng được ứng dụng rộng rãi trong phục hồi nha khoa, đặc biệt là cho thân răng và cầu răng vĩnh viễn Với tính chất dễ uốn, các hợp kim này giúp tạo ra bề mặt kết nối răng hiệu quả, mang lại kết quả phục hồi tốt hơn so với các vật liệu sứ khác.

Kỹ thuật miễn dịch vàng (immunogold) sử dụng các phần tử vàng để hấp thụ và phát hiện các phân tử protein trên bề mặt tế bào Các hạt vàng keo được phủ bằng các kháng thể đặc hiệu, cho phép xác định sự hiện diện và vị trí của các kháng nguyên Đồng vị vàng-198 cũng được ứng dụng trong một số phương pháp điều trị ung thư và các loại bệnh khác.

Kim loại vàng có cấu trúc tinh thể dạng lập phương tâm diện, trong đó các nguyên tử vàng được sắp xếp tại 8 đỉnh của hình lập phương với tọa độ (000), (100), (110), (010), (001), (101), (011) Ngoài ra, có 6 nguyên tử nằm ở tâm của 6 mặt của ô cơ sở với tọa độ (1/2 0 1/2), (1 1/2 1/2), (1/2 1 1/2), (0 1/2 1/2), (1/2 1/2 0), và (1/2 1/2 1).

Hình 1 1: Cấu trúc tinh thể của kim loại vàng

Ngày nay, nhờ vào sự tiến bộ trong khoa học Nano, chúng ta có thể khám phá nhiều đặc tính mới của kim loại vàng Khi công nghệ phát triển và nhu cầu trong lĩnh vực sinh – y học gia tăng, vàng đã được ứng dụng mới dưới dạng hạt nano vàng, mở ra nhiều tiềm năng trong thực tiễn.

1.1.2.Giới thiệu về hạt nano vàng

Các hạt vàng nano có kích thước từ 1 nm đến hơn 100 nm sở hữu các tính chất quang và điện độc đáo, khác biệt rõ rệt so với vật liệu vàng dạng khối Một trong những điểm khác biệt nổi bật là sự thay đổi màu sắc của hạt vàng nano, từ màu vàng sang màu đỏ tía, tím hoặc xanh, tùy thuộc vào kích thước của chúng Sự biến đổi màu sắc này là kết quả của hiệu ứng plasmon bề mặt.

Nano vàng hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xúc tác, điện hóa, và khả năng chống oxy hóa trong mỹ phẩm Ngoài ra, nó còn có tính năng kháng khuẩn và được sử dụng trong phát hiện cũng như điều trị ung thư.

Tính chất quan trọng nhất của hạt nano vàng là hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt.

1.1.3.Tính chất của hạt nano vàng

Khi kích thước vật liệu giảm xuống, tỷ lệ giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu tăng lên Chẳng hạn, trong trường hợp vật liệu được cấu thành từ các hạt nano hình cầu, hiện tượng này càng rõ rệt.

Nếu gọi n s là số nguyên tử nằm trên bề mặt, n là tổng số nguyên tử thì mối liên hệ giữa hai con số trên sẽ là: ns = 4n 2/3

Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử, được ký hiệu là f, có công thức f = 4 (r0/r), trong đó r0 là bán kính của nguyên tử và r là bán kính của hạt nano Khi kích thước vật liệu giảm (r giảm), tỉ số f tăng lên, dẫn đến sự gia tăng hiệu ứng bề mặt do các nguyên tử trên bề mặt có tính chất khác biệt so với các nguyên tử bên trong Khi kích thước vật liệu giảm đến nanomet, giá trị f này tăng lên đáng kể, tuy nhiên sự thay đổi về tính chất liên quan đến hiệu ứng bề mặt không xảy ra đột ngột mà diễn ra liên tục do f tỉ lệ nghịch với r Hiệu ứng bề mặt luôn tồn tại ở tất cả các kích thước, với hạt càng nhỏ thì hiệu ứng càng mạnh, ngay cả trong vật liệu khối truyền thống, mặc dù thường bị bỏ qua do hiệu ứng này nhỏ Do đó, ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano trở nên tương đối dễ dàng.

Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) xảy ra khi ánh sáng kích thích làm cho các điện tử tự do ở bề mặt kim loại dao động, dẫn đến sự phân cực do electron dồn về một phía Dưới tác dụng của lực phục hồi Coulombic, các electron sẽ trở lại vị trí ban đầu, tạo ra dao động điện trường Sự dao động này được gọi là "plasmon".

Hình 1 2: Giản đồ thể hiện sự dao động Plasmon của hạt nano dạng cầu

Tổng hợp nano vàng bằng phương pháp hóa học xanh

1.2.1 Tổng hợp nano vàng bằng phương pháp hóa học xanh

Tổng hợp nano vàng bằng phương pháp hóa học xanh đang ngày càng phổ biến nhờ vào việc sử dụng chất khử tự nhiên từ dịch chiết thực vật như vỏ, thân, lá, với các thành phần sinh học như peptide, acid sobic, acid citric và flavonoid Các hạt nano kim loại có những đặc tính riêng biệt phụ thuộc vào phân bố, kích thước và hình thái Việc sử dụng tài nguyên thực vật trong tổng hợp nano kim loại mang lại hiệu quả cao, thân thiện với môi trường và không độc hại Phương pháp hóa học xanh có nhiều ưu điểm như dễ thực hiện, tiết kiệm thời gian, chi phí thấp và năng suất cao, đồng thời không ảnh hưởng đến sức khỏe con người Kích thước hạt nano cũng dễ dàng được kiểm soát qua các thông số như độ pH và nhiệt độ, khác với các phương pháp vật lý và hóa học truyền thống yêu cầu điều kiện khắc nghiệt Trong số các hạt nano kim loại, nano vàng được ứng dụng rộng rãi trong y học, hóa học và mỹ phẩm.

Trong những năm gần đây, tổng hợp hạt nano vàng (AuNPs) bằng phương pháp hóa học xanh đã đạt được nhiều thành tựu nổi bật, chủ yếu thông qua việc sử dụng các nguồn thực vật và vi sinh vật làm chất khử Các phân tử sinh học trong dịch chiết thực vật như protein, enzym, và phenol có khả năng khử ion vàng thành AuNPs Việt Nam, với nền nông nghiệp phát triển, cung cấp nhiều phế phẩm nông nghiệp trong các vụ thu hoạch, cho phép tận dụng chúng để giảm chi phí nguyên liệu và bảo vệ môi trường Việc sử dụng các chất chiết xuất từ thực vật không chỉ chứng minh tính khả thi trong tổng hợp AuNPs mà còn tạo ra các hạt nano phân tán cao với hoạt tính vượt trội AuNPs được ứng dụng trong y học để giảm thiểu sự hình thành vi khuẩn và phát hiện tế bào ung thư, đồng thời được đánh giá cao về khả năng oxy hóa ở nhiệt độ thường Các phương pháp thay thế để tổng hợp AuNPs đang được phát triển nhằm mở rộng ứng dụng của chúng trong y học và hóa học.

Trong đề tài này, em sử dụng phương pháp hóa học xanh để tổng hợp nano vàng.

Phương pháp tổng hợp nano vàng bằng hóa học xanh mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm tính an toàn cho sức khỏe con người và bảo vệ môi trường Phương pháp này không chỉ ít tốn chi phí mà còn cho ra kích thước hạt nhỏ hơn và hình dạng chủ yếu là dạng cầu, giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng.

1.2.2 Một số nghiên cứu tổng hợp nano vàng bằng phương pháp hóa học xanh

Một số công trình nghiên cứu tổng hợp nano vàng bằng phương pháp hóa học xanh có thể kể đến như sau:

Nghiên cứu của Đỗ Thị Hiền Trang về tổng hợp nano vàng từ dung dịch HAuCl4 sử dụng dịch chiết nước cây lô hội đã chỉ ra rằng dịch chiết này không chỉ là tác nhân khử mà còn là chất làm bền cho quá trình tạo nano vàng Các điều kiện tối ưu để tổng hợp nano vàng bao gồm nồng độ HAuCl4 là 200ppm, tỉ lệ VDC/VDD là 5/20 (mL), pH 5 và nhiệt độ 35°C Sản phẩm nano vàng được phân tích bằng các phương pháp HR-TEM, EDX, XRD và phổ UV-VIS, cho thấy đỉnh hấp thu nằm trong khoảng 520-555nm, kích thước hạt nano từ 5nm đến 10nm và cấu trúc tinh thể vàng hình thành là lập phương tâm mặt Dung dịch nano vàng này thể hiện khả năng kháng khuẩn hiệu quả đối với vi khuẩn Escherichia coli với đường kính vòng kháng khuẩn đạt 22mm.

Nghiên cứu của Nguyễn Ngọc Khánh Anh, Nguyễn Thị Diễm Hương và Nguyễn Thị Tuyết Nhung về điều chế nano vàng từ lá trà nhằm ứng dụng trong mỹ phẩm đã xác định điều kiện tối ưu cho quá trình tạo nano vàng Cụ thể, nồng độ dịch trà là 20% với thể tích HAuCl4 cố định ở 40 µL, tốc độ khuấy là 400 vòng/phút, thời gian phản ứng là 15 phút và thực hiện ở nhiệt độ phòng Các đặc tính của nano vàng được khảo sát bằng các phương pháp như phổ UV-VIS, XRD, TEM Hàm lượng vàng trong kem được phân tích theo phương pháp Ref ASS-TOME II và kiểm tra độ kích ứng theo DĐVN.

Kết quả đo XRD cho thấy AuNPs có bốn đỉnh nhiễu xạ đặc trưng ở các góc 2Ɵ là 38,25; 44,28; 64,81; 78,00, tương ứng với mạng {111}, {200}, {220} và {311} của tinh thể vàng, không có mũi nhiễu xạ phụ, chứng tỏ AuNPs thu được không bị lẫn tạp chất Phân tích TEM chỉ ra rằng nano vàng có hình dạng cầu với kích thước trung bình 13,78 ± 3,08 nm, chủ yếu tập trung trong khoảng 10 – 15 nm Hàm lượng vàng được phối trộn vào kem là 7,55 ppm để đảm bảo không gây kích ứng da.

Nghiên cứu của Đoàn Văn Hồng Thiện và các cộng sự về việc sử dụng nước ép chanh để tổng hợp nano vàng đã xác định các điều kiện tối ưu, bao gồm tỉ lệ dịch chiết chanh và HAuCl4 là 1:1, thời gian phản ứng 45 phút, và nhiệt độ 65 o C Sự hình thành nano vàng được đánh giá thông qua các phương pháp FTIR, TEM, imageJ và UV – VIS, cho thấy hạt nano vàng có kích thước trung bình là 13,60 ± 5,48nm, chủ yếu tập trung trong khoảng 12nm đến 16nm.

Trong nghiên cứu này, nano vàng được sử dụng làm chất xúc tác để xử lý các hợp chất hữu cơ mạch vòng trong pha khí, bao gồm benzene, toluen, ethylbenzene và xylene Với diện tích bề mặt lớn và hoạt tính cao, nano vàng có khả năng oxy hóa hiệu quả dưới điều kiện thường, giúp chuyển hóa các hợp chất BTEX thành các hợp chất khí ít độc hoặc không độc hại cho môi trường.

ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH OXY HÓA SÂU HỢP CHẤT HỮU CƠ MẠCH VÒNG TRONG PHA KHÍ BẰNG NANO VÀNG

Giới thiệu nhóm chất hữu cơ mạch vòng pha khí BTEX

BTEX là viết tắt của benzene, toluen, ethylbenzene và xylene, là các hợp chất thơm dễ bay hơi chủ yếu có trong dầu mỏ, khí tự nhiên và sản phẩm dầu khí như xăng và dầu diesel Chúng có mặt trong nhiên liệu cho động cơ đốt trong và là những chất nguy hiểm, tham gia vào các phản ứng quang hóa, tạo ra các sản phẩm phụ như ozon, peroxyaxetyl nitrat, gốc tự do và nitơ oxit Nghiên cứu cho thấy BTEX có khả năng kích thích và gây hại cho hệ thần kinh.

Ethybenzene o, m, p-Xylene hình 2 1: Công thức cấu tạo của BTEX[20].

Benzene là một hydrocacbon thơm, tồn tại dưới dạng lỏng không màu, có mùi dịu ngọt và dễ cháy Nó tan kém trong nước và rượu nhưng dễ hòa tan trong các dung môi hữu cơ Trong ngành công nghiệp, benzene được sử dụng làm dung môi và chất trung gian hóa học để tổng hợp nhiều loại hóa chất Tuy nhiên, tiếp xúc với benzene có thể gây ra các triệu chứng thần kinh và ảnh hưởng đến xương tủy, dẫn đến thiếu máu bất sản, chảy máu quá nhiều và tổn thương hệ miễn dịch Đặc biệt, benzene được biết đến là một chất gây ung thư ở người, làm tăng nguy cơ phát triển các bệnh như ung thư hệ bạch huyết, bệnh bạch cầu nguyên bào tủy cấp tính và bệnh bạch cầu lympho mãn tính.

Toluene là một chất lỏng trong suốt, không màu, có mùi tương tự như benzene, không hòa tan trong nước và dễ cháy Chất này được sử dụng rộng rãi trong sản xuất sơn, pha loãng sơn, nước làm bóng móng tay, sơn mài, kéo dính, cao su, in ấn, thuộc da và làm dung môi hòa tan nhiều loại vật liệu khác nhau.

Ethylbenzene là chất lỏng không màu, có mùi giống xăng dầu, bay hơi ở nhiệt độ thường, dễ cháy nổ[22].

Xylene là một chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng của dung môi thơm, không tan trong nước nhưng hòa tan tốt trong dung môi không phân cực và dễ cháy Chất này được sử dụng rộng rãi làm dung môi trong các ngành công nghiệp như in, cao su, da, pha loãng sơn và sản xuất xơ sợi tổng hợp, đồng thời cũng có mặt trong lớp ủ ngoài của vải và giấy Tính chất vật lý của xylene, cùng với các thành phần BTEX, được trình bày chi tiết trong bảng.

Bảng 1: Tính chất vật lý của BTEX[20].

STT Đặc tính Benzene Toluen Ethylbenzene Xylene

2 Khối lượng phân tử (g/mol)

7 Tính trộn lẫn với nước

9 Một số tính chất chung của các chất nhóm

Là hợp chất không màu, ở điều kiện bình thường tồn tại dạng thể lỏng, dễ cháy, có mùi đặc trưng của hydrocacbon thơm, tan trong ancol, chloroform, ete,…

Ghi chú: “-” : không có số liệu

Nguồn phát sinh BTEX trong môi trường

Benzene, một hợp chất hữu cơ tự nhiên, được phát hiện và phân lập từ hắc ín vào những năm 1800 Nó chiếm khoảng 1-4% trong dầu thô và có mặt trong nước biển với nồng độ khoảng 0,8 µg/L Ngoài ra, benzene còn tồn tại trong các lớp trầm tích của dầu và khí thiên nhiên, cũng như phát sinh từ hoạt động núi lửa, các đám cháy rừng và rò rỉ từ các túi chứa dầu thô tự nhiên.

Toluen có trong dầu thô và cây tolu[21].

Ethylbenzne và xylene có trong dầu thô[22].

Xylene trong tự nhiên có trong dầu mỏ, nhựa than đá và hình thành trong quá trình cháy rừng ở mức độ nhỏ[23].

Dung môi hữu cơ, đặc biệt là các hydrocacbon thơm nhóm BTEX, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất sơn, giày da, dệt vải, thuốc bảo vệ thực vật và hóa chất Chúng thường được sử dụng với hàm lượng lớn để phân tán các hóa chất chính Tuy nhiên, quá trình sản xuất và sử dụng dung môi dẫn đến sự phát tán vào môi trường sống như nước, không khí và đất Con người và động vật có thể tiếp xúc và hấp thụ các hợp chất này qua nhiều con đường như hô hấp, ăn uống và tiếp xúc qua da Bên cạnh đó, sự phát triển của khoa học kỹ thuật và việc sử dụng động cơ đốt trong cũng góp phần vào việc phát thải mạnh mẽ các hydrocacbon thơm.

BTEX là nhóm hợp chất hữu cơ dễ bay hơi có mặt trong môi trường sống do quá trình đốt cháy không hoàn toàn trong động cơ và hiệu suất kém của hệ thống xử lý khí thải Xăng và dầu chứa một lượng hydrocacbon thơm, bao gồm BTEX, và trong quá trình khai thác, vận chuyển, sử dụng, chúng dễ dàng phân tán vào môi trường Benzene, một thành phần trong BTEX, chủ yếu xuất phát từ hoạt động của con người như khói thải từ phương tiện giao thông, đốt cháy nhiên liệu, công nghiệp và khói thuốc lá Khói thải từ phương tiện giao thông được xem là nguồn phát thải benzene lớn nhất, trong khi khói thuốc lá cũng đóng góp đáng kể, với mỗi điếu thuốc thải ra từ 6-73 µg benzene Nồng độ benzene trong các gia đình có người hút thuốc là 16 µg/m³, cao hơn so với 9,2 µg/m³ ở các gia đình không có người hút thuốc Tại các địa điểm tập trung người hút thuốc như quầy bar ở Mỹ, nồng độ benzene có thể đạt từ 26 đến 36 µg/m³.

Toluen là một hợp chất quan trọng trong sản xuất than cốc từ than đá và là sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất styren Tuy nhiên, tolun có thể gây ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm do các sự cố như tràn dầu, rò rỉ từ kho dung môi, và các bể chứa xăng dầu tại các trạm xăng.

Xylen được phát sinh chủ yếu từ các hoạt động sản xuất công nghiệp như làm bao bì, đóng tàu và các ngành sử dụng xylen Môi trường tiếp nhận một lượng lớn xylen từ sự rò rỉ tại các kho chứa và bãi chôn lấp chất thải công nghiệp Ngoài ra, một phần nhỏ xylen cũng có mặt trong nhiên liệu cho máy bay và xăng dầu, trong khi khí thải từ phương tiện giao thông cũng góp phần làm tăng nồng độ xylen trong không khí.

Tác động của BTEX đến môi trường và con người

2.3.1 Tác động của BTEX đến môi trường

BTEX là các hợp chất dễ bay hơi, dễ dàng phát tán trong không khí Mặc dù ở nồng độ cho phép, BTEX không gây hại cho môi trường, nhưng khi nồng độ cao, chúng có thể gây tác động nghiêm trọng Sự rò rỉ hoặc đổ vỡ của BTEX từ các thùng chứa có thể gây hại đến hệ sinh thái Khi hiện diện trong không khí, BTEX tương tác với các chất ô nhiễm khác, làm tăng tính độc hại cho môi trường Đặc biệt, BTEX có liên quan đến sự hình thành ozon, một chất oxy hóa mạnh, dẫn đến sự gia tăng hàm lượng ozon trong không khí và tham gia vào các phản ứng quang hóa, tạo ra sương mù quang hóa Ngoài ra, BTEX cũng tham gia vào các phản ứng tạo gốc tự do trong không khí.

NO 2 hình 2 2: Phản ứng tạo gốc tự do của Toluen với các chất gây ô nhiễm khác trong không khí

2.3.2.Tác động của BTEX đến con người

Mọi người hàng ngày đều tiếp xúc với một lượng nhỏ benzen từ môi trường sống, nơi làm việc và trong nhà Benzen có thể xâm nhập vào cơ thể qua hít thở không khí ô nhiễm hoặc tiêu thụ thực phẩm nhiễm bẩn Các nguồn phơi nhiễm chính bao gồm khói thuốc lá, trạm xăng, bình chứa nhiên liệu của xe cộ, cũng như khí thải từ phương tiện giao thông và hoạt động công nghiệp Một người hút thuốc lá trung bình (32 điếu/ngày) có thể hấp thụ khoảng 1,8 mg benzen mỗi ngày Những người sống gần các nhà máy lọc dầu, sản xuất hóa chất hay khí đốt thường có nguy cơ phơi nhiễm cao hơn Mặc dù mức độ phơi nhiễm benzen qua thực phẩm và nước uống không cao bằng qua không khí, nhưng những người làm việc trong các ngành công nghiệp liên quan đến sản xuất hoặc sử dụng benzen, như sản xuất cao su, giày dép, hóa chất và khí đốt, thường chịu mức phơi nhiễm cao hơn.

Benzene xâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp, tiêu hóa và da, với khoảng một nửa lượng benzene hít vào đi qua màng phổi vào máu khi phơi nhiễm ở liều cao Khi tiếp xúc qua thực phẩm, hầu hết benzene sẽ vào máu qua đường tiêu hóa, trong khi chỉ một lượng nhỏ có thể thẩm thấu qua da Benzene di chuyển trong máu, tích tụ tại tủy xương và mỡ, và được chuyển hóa thành các dẫn xuất như phenol và muconic axit trong gan và tủy xương Các chất chuyển hóa này có thể được phát hiện trong nước tiểu của người bị nhiễm sau 48 giờ Phơi nhiễm benzene ở nồng độ cao từ 10.000-20.000 ppm trong 5-10 phút có thể dẫn đến tử vong, trong khi nồng độ 700-3.000 ppm gây ra triệu chứng như chóng mặt, nhức đầu và bất tỉnh Hầu hết các triệu chứng này sẽ giảm dần sau khi không còn phơi nhiễm và hít thở không khí trong lành.

Benzene tiếp xúc với da có thể gây bỏng đỏ và đau rát, trong khi tiếp xúc với mắt gây kích ứng và tổn hại giác mạc Hít thở benzen trong thời gian dài có thể gây tác hại cho mô, ảnh hưởng đến sự hình thành tế bào máu và đặc biệt là xương tủy, dẫn đến giảm sản xuất máu bình thường và giảm các thành phần quan trọng trong máu Sự giảm lượng hồng cầu có thể gây ra bệnh thiếu máu và chảy máu quá mức Phơi nhiễm benzene quá mức cũng có thể làm suy yếu hệ thống miễn dịch, tăng nguy cơ nhiễm trùng và giảm khả năng phòng chống ung thư Ngoài ra, phơi nhiễm lâu dài với benzene có thể dẫn đến ung thư các bộ phận hình thành máu, đặc biệt là bệnh bạch cầu và ung thư tủy cấp Cả Tổ chức Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IACR) và USEPA đã xác nhận benzene là chất gây ung thư đối với con người.

Phơi nhiễm benzene có thể gây hại nghiêm trọng cho bộ phận sinh sản, đặc biệt là ở phụ nữ làm việc trong môi trường có nồng độ benzene cao, dẫn đến giảm kích thước buồng trứng Ngoài ra, sự phơi nhiễm này cũng ảnh hưởng đến thai nhi ở phụ nữ mang thai và khả năng làm cha ở nam giới Tuy nhiên, ngưỡng gây hại và cơ chế tác động của benzene vẫn chưa được xác định rõ ràng.

Con người có thể bị phơi nhiễm toluen từ nhiều nguồn như nước uống, thực phẩm, không khí và các sản phẩm tiêu dùng chứa toluen Hít thở không khí tại nơi làm việc và tiếp xúc với các chất như xăng dầu, sơn, và dung môi cũng làm tăng nguy cơ phơi nhiễm Khí thải từ động cơ xe là một nguồn thải toluen đáng kể Những sản phẩm tiêu dùng như mỹ phẩm, chất làm bóng móng tay, cao su, xi măng, và chất tẩy rửa sơn cũng chứa toluen, khiến chúng ta có thể tiếp xúc cả trong nhà lẫn ngoài trời Người hút thuốc lá cũng hấp thụ một lượng nhỏ toluen từ khói thuốc, với một người hút một gói thuốc mỗi ngày có thể tiếp nhận khoảng 1000 µg toluen Đối với những người làm việc trong môi trường có toluen, nếu nồng độ trung bình là 50 ppm, họ có thể bị nhiễm lên đến 1000 mg/ngày với tốc độ hít thở bình thường.

Toluen xâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp, tiêu hóa, da và vào máu.

- Đường hô hấp: nhiệt độ không khí càng cao toluen càng dễ bay hơi, khả năng cơ thể hấp thụ càng nhiều nên càng dễ bị nhiễm độc

- Đường miệng: đau đầu, buồn nôn, viêm dạ dày, hôn mê,… tùy theo lượng toluen nuốt vào

- Đường da: Toluen có thể hoà tan lớp mỡ bảo vệ da gây tác dụng cục bộ

- Đường mắt: gây tổn thương do tiếp xúc Tóm lại, toluen tác động mạnh nhất lên hệ thần kinh trung ương, gan, thận, da,…

- Nhiễm độc cấp tính: khả năng gây mê và nhiễm độc thần kinh là nguy cơ chính của toluen

Tiếp xúc ngắn hạn với nồng độ toluen cao có thể gây ra các triệu chứng nghiêm trọng như nhức đầu, buồn nôn, chóng mặt và hôn mê Ngoài ra, người bị ảnh hưởng có thể gặp khó khăn trong việc hô hấp, mạch yếu, và suy thoái hệ thần kinh, dẫn đến mệt mỏi, giảm ý thức, nhầm lẫn và loạn nhịp tim Trong những trường hợp nghiêm trọng, tình trạng này có thể dẫn đến tử vong do ngừng hô hấp.

Tiếp xúc với toluen có thể gây kích ứng mắt và đường hô hấp, dẫn đến triệu chứng như ho, đau ngực, khó thở hoặc thậm chí hôn mê Ngoài ra, tiếp xúc lâu dài còn có nguy cơ gây tổn thương giác mạc.

Nếu mẹ bầu tiếp xúc với toluen trong thời gian dài, trẻ sinh ra có thể bị ảnh hưởng đến hệ thần kinh và gặp vấn đề chậm phát triển.

Nghiên cứu hiện tại trên người và động vật cho thấy toluen không phải là chất gây ung thư như benzen, tuy nhiên, nồng độ 4000 ppm trong không khí có thể dẫn đến tử vong.

Con người có thể phơi nhiễm etylbenzene từ đường hô hấp, tiêu hóa và da

Nhiễm từ không khí là vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt đối với những người sống tại các thành phố, gần nhà máy hoặc quốc lộ, do ảnh hưởng từ việc đốt cháy nhiên liệu như xăng dầu, khí đốt và than đá, cũng như từ hoạt động sản xuất công nghiệp Ngoài ra, khói thuốc lá cũng góp phần làm gia tăng mức độ phơi nhiễm này.

Nhiễm etylbenzene qua nguồn nước là một vấn đề nghiêm trọng tại một số khu dân cư gần các vị trí chứa chất thải nguy hại và bể chứa nhiên liệu ngầm của trạm xăng dầu Nguồn nước tại đây có thể chứa hàm lượng etylbenzene cao, gây nguy hiểm cho sức khỏe con người Việc sử dụng vòi nước có chứa etylbenzene để uống và nấu ăn cũng là một nguyên nhân chính dẫn đến nhiễm độc.

Nhân viên tại các nhà máy sản xuất khí đốt, dầu, keo xịt tóc, thợ sơn, công nhân sơn vecni và các cơ sở sản xuất hóa chất có nguy cơ tiếp xúc với etylbenzene ở mức độ cao.

Phơi nhiễm etylbenzene ở liều lượng cao trong thời gian ngắn có thể gây tổn thương mắt, niêm mạc mũi và thanh quản, cùng với các triệu chứng như nhức đầu, choáng váng và bất tỉnh Tổ chức IACR đã chỉ ra rằng phơi nhiễm etylbenzene kéo dài có thể dẫn đến nguy cơ mắc bệnh ung thư ở con người.

Hít vào etylbenzene có thể gây ra nhiều triệu chứng khó chịu như nhức đầu, choáng váng, cảm giác uể oải, ho và co thắt, thậm chí có thể dẫn đến bất tỉnh và giảm hô hấp Ở nồng độ thấp, etylbenzene gây tổn thương cho mắt, hệ hô hấp và da, trong khi nồng độ cao có thể gây ngủ hoặc tạo ra trạng thái thờ thẫn, ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương Ngoài ra, khi etylbenzene vào dạ dày, nó có thể gây rối loạn tiêu hóa, buồn nôn và ói mửa.

Xử lý BTEX bằng phương pháp oxy hóa xúc tác

Quá trình làm sạch không khí đóng vai trò quan trọng trong xử lý môi trường, với phương pháp xử lý khí thải bằng xúc tác được xem là hiệu quả và kinh tế Phương pháp này giúp loại bỏ triệt để các khí độc như CO, VOCs, và các hợp chất lưu huỳnh, nitơ Do đó, oxy hóa xúc tác đang ngày càng được áp dụng rộng rãi và thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học.

Phương pháp xúc tác sử dụng nguyên tắc tương tác hóa học để biến đổi các chất độc hại thành các chất ít độc hơn hoặc không độc Oxy hóa xúc tác có những đặc điểm nổi bật như phản ứng tỏa nhiệt cao, trong khi các quá trình truyền nhiệt và truyền khối đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất chuyển hóa Đặc biệt, tỷ lệ không khí với CO và hydrocarbon cần được lựa chọn một cách nghiêm ngặt để tránh nguy cơ nổ.

Cơ chế phản ứng oxy hóa VOCs bằng tác nhân oxy

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về quá trình oxy hóa các hợp chất VOCs, việc xác định mối quan hệ chung và cơ chế phản ứng vẫn gặp khó khăn do tính chất đa dạng của chất ô nhiễm và các điều kiện phản ứng khác nhau Khi nhiệt độ đạt mức thích hợp, phản ứng oxy hóa các hợp chất VOCs chủ yếu dẫn đến việc tạo ra CO2.

H2O theo sơ đồ phản ứng:

Về lý thuyết, khi quá trình oxy hóa xúc tác của VOCs xảy ra, các phân tử oxy có ba khả năng tương tác:

 Quá trình phân ly hydro từ các hợp chất VOCs ở trạng thái hấp phụ tạo ra gốc tự do của VOCs;

 Quá trình hình thành dạng oxy hoạt động sau đó oxy hoạt động mới tấn công các phân tử VOCs;

 Quá trình hình thành oxy mạng lưới (O 2- ) và yêu cầu 4 electron để hoàn nguyên lại chất xúc tác.

Chất mang

Chất mang xúc tác là thành phần quan trọng trong hệ xúc tác, với bề mặt riêng lớn giúp phân bố đồng đều các thành phần hoạt tính Việc lựa chọn chất mang đóng vai trò then chốt trong thiết kế chất xúc tác hiệu quả.

Chất mang trong điều chế xúc tác hiện nay rất đa dạng, bao gồm alumina, silica, carbon hoạt tính và titan oxit CeO2 không chỉ là chất mang tăng cường khả năng phân tán của kim loại mà còn thúc đẩy các phản ứng oxy hóa nhờ khả năng thay đổi số oxy hóa giữa Ce 4+ và Ce 3+ Phản ứng 2CeO2 ↔ Ce2O3 + 1/2O2 cho phép CeO2 lưu giữ và giải phóng oxy hiệu quả, đồng thời tạo ra tính linh động cao của oxy trong cấu trúc tinh thể của nó Đặc biệt, CeO2 vẫn duy trì cấu trúc tinh thể fluorit ngay cả khi mất oxy, hình thành các lỗ trống oxy và có khả năng tái tạo thành CeO2 khi tiếp xúc với môi trường oxy hóa Điều này khiến CeO2 trở thành đối tượng nghiên cứu hấp dẫn cho các ứng dụng trong phản ứng oxy hóa dị thể sử dụng chất xúc tác.

Phương trình biểu diễn sự hình thành lỗ trống oxi trên mạng tinh thể CeO2:

Trong những năm gần đây, CeO2 và các vật liệu chứa CeO2 đã được công nhận là chất xúc tác và chất xúc tiến quan trọng trong các phản ứng xúc tác dị thể CeO2 không chỉ cải thiện hoạt tính và độ chọn lọc của xúc tác mà còn tăng cường tính ổn định của chúng Hơn nữa, CeO2 còn có khả năng điều hòa kích thước tinh thể kim loại và duy trì các ion kim loại ở dạng oxi hóa bền vững hơn.

CeO2 đang được nghiên cứu rộng rãi trong việc cải thiện quá trình oxi hóa khí thải từ động cơ Khi có dư nhiên liệu và ít oxy, CeO2 sẽ nhả oxy, giúp đốt cháy nhiên liệu hiệu quả hơn, từ đó giảm thiểu sản phẩm phụ CO.

CHx dư, nhờ đó động cơ đạt hiệu suất tối ưu

CeO2 được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp lọc-hóa dầu như một chất xúc tác hoặc chất mang, tham gia vào các phản ứng quan trọng như dehydro hóa, hydro hóa, sulfo hóa, đồng phân hóa và cracking.

Việc lựa chọn xúc tác nano vàng trên chất mang CeO2 dạng nanorods cho phản ứng oxy hóa sâu các hợp chất BTEX là khả thi và có cơ sở thực hiện, dựa trên những thông tin và phân tích đã được tìm hiểu.