bài tiểu luận độc học môi trường

Không chỉ ảnh hưởng tới sức khỏe và sự sống các sinh vật, một số ứng dụng trong chất làm lạnh của flo như dẫn xuất hiđrocacbon có chứa flo CFC là nguyên nhân gây ra các lỗ thủng tầng ozo

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-o0o -TIỂU LUẬN PHÂN TÍCH ĐỘC HỌC, CÁC TÁC ĐỘNG CỦA FLO ĐỐI

VỚI MÔI TRƯỜNG VÀ CON NGƯỜI

Học viên: Trịnh Thị Thủy

Mã học viên: 19812025 Lớp: Kỹ thuật Môi trường 2020A Khoa: Công nghệ Môi trường

Hà Nội, năm 2021

Mục lục

Mở đầu 1

I Nguồn gốc, tính chất và ứng dụng của Flo 2

1.1 Nguồn gốc tự nhiên 2

1.2 Nguồn gốc nhân tạo 3

1.3 Tính chất vật lý và hóa học 5

1.4 Ứng dụng trong đời sống, sản xuất 7

II Tính độc của Flo đối với môi trường 10

III Tính độc của Flo đối với sức khỏe con người và sinh vật 11

IV Sử dụng Flo đúng cách và xử lý tác hại của Flo trong nước 14

Mở đầu

Hiện nay khoảng 5,7% dân số thế giới sử dụng nước flo hóa, trong đó có 62,5% dân

Mỹ, 12 triệu dân Tây Âu, bao gồm Anh, Tây Ban Nha, Ireland, Pháp và Đức; một vài nước châu Âu khác dùng muối fluor hóa như Hà lan, Thụy điển Trung Quốc, Nhật, Philippines và Ấn độ không dùng nước flo hóa Với vai trò ngăn ngừa sâu răng của flo đưa vào nước sinh hoạt hay vào trong thuốc đánh răng, Trung tâm Kiểm soát và Phòng bệnh Hoa kỳ coi đây là "một trong top 10 những thành tựu của y tế cộng đồng thế kỷ 20" Tuy flo có nhiều ứng dụng trong đời sống, nhất là vai trò bảo vệ răng, nhưng đã có những cảnh báo về sự nhiễm độc của flo Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) thì mức florit trên 1,5 mg/lít nước sẽ gây nguy cơ ngộ độc flo ở răng (gọi là fluorosis răng), nếu tiêu thụ nước có mức trên 10 mg/lít thì gây biến đổi bệnh lý trong cấu trúc xương Nhiều nhà khoa học lập luận rằng không thể xác định liều lượng an toàn hàng ngày đối với flo Sự lưu giữ flo trong cơ thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố, kể cả chế độ ăn uống Điều đó có nghĩa là một số người có thể không bị ảnh hưởng bởi flo trong nước hoặc thực phẩm, nhưng những người khác lại có thể bị ngộ độc vì lượng flo đó Các công ty hoặc các nhà máy nước của các thành phố thường bổ sung flo vào nước sinh hoạt mà không cảnh báo

về tác hại nguy hiểm của flo trong nước Bên cạnh đó bệnh nghề nghiệp do tiếp xúc với các chất chứa flo cũng gây nguy hiểm lớn đối với con người

Không chỉ ảnh hưởng tới sức khỏe và sự sống các sinh vật, một số ứng dụng trong chất làm lạnh của flo như dẫn xuất hiđrocacbon có chứa flo CFC là nguyên nhân gây ra các lỗ thủng tầng ozone

Như vậy, flo với nhiều lợi ích trong các ứng dụng sản xuất công nghiệp, sản xuất thuốc, dược phẩm …nhưng cũng gây nguy hiểm đối với môi trường và sức khỏe con người nếu không có những kiểm soát trong liều lượng sử dụng và cách ứng dụng trong sản xuất thực tiễn

I Nguồn gốc, tính chất và ứng dụng của Flo

I.1 Nguồn gốc tự nhiên

Trong tự nhiên flo gặp chủ yếu ở dạng ion florua hoá trị một, flo trên khí quyển Trái Đất có thể phản ứng dễ dàng với hơi nước, dẫn đến nó không phổ biến trong tự nhiên; nó chỉ được tìm thấy dưới dạng khoáng vật hỗn hợp như Florapatit [Ca5(PO4)3F], Criolit (Na3AlF6) và Fluorit (CaF2) Nó là một thành phần chung của đất, trung bình 200 mg/Lkg trên toàn thế giới Tính chung flo là nguyên tố phổ biến thứ 24 trong vũ trụ và là nguyên

tố có độ giàu thứ mười ba trên trái đất, chiếm 0,03% vỏ trái đất Fluorit (CaF2), một khoáng vật đa dạng về màu sắc và phổ biến trên thế giới, là nguồn chủ yếu dùng để sản xuất flo Mặc dù florapatit (Ca5(PO4)3F) chiếm tỷ lệ flo nhiều nhất trên toàn thế giới, nhưng flo chỉ chiếm 3,5% khối lượng phân tử, nghĩa là nó phần lớn được sử dụng dưới dạng photphat Tại Hoa Kỳ một lượng nhỏ hợp chất của flo được tạo ra qua axit hexaflorosilixic(IV), một sản phẩm phụ của công nghiệp photphat Criolit (Na3AlF6), một khoáng vật từng được sử dụng trực tiếp trong sản xuất nhôm, là loại hiếm và đặc nhất trong ba loại khoáng vật Mỏ khai thác thương mại chính ở bờ Tây Greenland đóng cửa vào năm 1987, và hiện tại phần lớn criolit đều được tạo ra bằng phương pháp tổng hợp

Một số khoáng vật khác như topaz có chứa flo Florua, khác với các halogenua khác, không tan và không tồn tại ở nồng độ thích hợp trong nước muối để có thể được thương

mại hóa Một lượng nhỏ organofluorine có nguồn gốc không rõ ràng đã được phát hiện trong các vụ phun trào núi lửa và trong các suối nước nóng

Florua cũng có ở trong nước tự nhiên Nước mặt thường có hàm lượng flo thấp khoảng 0,2 mg/l, trong nước biển nồng độ florua vào khoảng 1,2 mg/L Đối với nước ngầm, khi chảy qua các tầng đá vôi, dolomit, đất sét, hàm lượng flo trong nước có thể cao đến 8-9 mg/l

I.2 Nguồn gốc nhân tạo

Flo được thải vào môi trường từ nhiều nguồn khác nhau Khí florua (phần lớn là HF) được phát ra qua hoạt động của núi lửa và bởi một số ngành công nghiệp khác nhau Flo

ở dạng khí và dạng hạt là sản phẩm phụ của sự đốt than (than chứa 10 480 mg/1 kg flo, trung bình 80 mg/kg) và được giải phóng ra trong quá trình sản xuất thép và luyện các kim loại không chứa sắt Sự sản xuất nhôm bao gồm việc sử dụng criolit, fluorit và nhôm florua thường là nguồn florua môi trường quan trọng Các khoáng có chứa florua thường cũng là vật liệu thô cho thuỷ tinh, gốm sứ, xi măng phân bón Chẳng hạn, sự sản xuất phân photphat bằng sự axit hoá quặng apatit với axit sunfuric giải phóng ra hiđro florua theo phương trình sau đây là một ví dụ minh hoạ:

3[Ca3(PO4)2]CaF2+ 7H2SO43[Ca(H2PO4)2] + 7CaSO4+ 2HF Axit flohydric được sử dụng trong khắc kính từ sau năm 1720 Andreas Sigismund Marggraf lần đầu tiên xác định được đặc tính của hợp chất này vào năm 1764 khi đun nóng fluorit với axit sunfuric, và dung dịch thu được làm ăn mòn bình thủy tinh chứa nó Vào năm 1810, flo lúc bấy giờ là một chất gây nguy hiểm và khó phân lập từ các hợp chất của nó, và một số nhà khoa học thời điểm đó bị thương tật hoặc tử vong khi cố gắng thực hiện thí nghiệm này Việc phân lập nguyên tố flo gặp trở ngại bởi tính ăn mòn cực mạnh của chính nguyên tố đó và hydro florua, cũng như việc thiếu đi một chất điện

ly đơn giản và thích hợp Phải đến năm 1886, nhà hóa học người Pháp Henri Moissan mới phân lập được nguyên tố flo qua điện phân ở nhiệt độ thấp, một quá trình vẫn còn được áp dụng trong sản xuất hiện đại Công cuộc sản xuất khí flo trong công nghiệp để làm giàu urani, một trong những ứng dụng lớn nhất của flo Ngành công

nghiệp hạt nhân đang phát triển nhanh chóng này về sau đã giúp đẩy mạnh sự phát triển của ngành hóa học flo sau chiến tranh

Hiện nay flo được sử dụng trong nhiều cơ sở sản xuất như hóa chất sản phẩm ngành công nghiệp hiện đại Do vấn đề về chi phí tinh chế flo tinh khiết, đa số ứng dụng thương mại chủ yếu đến từ các hợp chất của nó, trong đó khoảng một nửa fluorit khai thác được

sử dụng trong chế tạo thép Lượng fluorit còn lại được chuyển thành hydro florua ăn mòn

để sản xuất florua hữu cơ hoặc criolit, chất đóng vai trò quan trọng trong quá trình luyện nhôm Florua hữu cơ rất bền về mặt hóa học và nhiệt, thường được sử dụng làm chất làm lạnh, chất cách điện và trong chế tạo dụng cụ nhà bếp (dưới dạng PTFE hay Teflon) Một

số loại dược phẩm như atorvastatin và floxetin cũng chứa flo, và ion florua làm ức chế ổ răng, được sử dụng trong kem đánh răng và flo hóa nước

Nguồn cung cấp flo chủ yếu cho toàn thế giới nhờ vào khai thác quặng fluorit, có

ít nhất 17.000 tấn flo được sản xuất mỗi năm đạt đỉnh vào năm 1989 khi có 5,6 triệu tấn quặng được khai thác Các quy định hạn chế sử dụng cloroflorocacbon được ban hành làm con số này giảm xuống còn 3,6 triệu tấn vào năm 1994; việc sản xuất về sau tăng trưởng trở lại Khoảng 4,5 triệu tấn quặng với tổng giá trị 550 triệu USD được tạo ra vào năm 2003; các báo cáo về sau ước tính tổng doanh số ngành hóa học flo toàn cầu năm 2011 đạt 15 tỷ USD và dự báo giá trị sản xuất từ năm 2016 đến 2018 là từ 3,5 đến 5,9 triệu tấn cùng tổng doanh thu ít nhất 20 tỷ USD Lượng fluorit khai thác được chia thành hai phân khúc chính với tỷ lệ bằng nhau: fluorit có độ tinh khiết từ 60–85% (metspar) hầu hết được sử dụng trong nấu luyện sắt trong khi loại tinh khiết trên 97% (acidspar) thường được chuyển thành chất trung gian phản ứng hydro florua chủ chốt trong công nghiệp

Hợp chất florua hữu cơ chiếm khoảng 20% lượng fluorit khai thác và hơn 40% lượng axit flohydric, trong đó khí làm lạnh chiếm ưu thế và floropolyme đang tăng trưởng về thị phần Chất hoạt động bề mặt cũng là một ứng dụng nhỏ của flo Do nguy cơ gây hại từ phản ứng hydrocacbon–flo trực tiếp ở nhiệt độ trên –150 °C (–240 °F), việc sản xuất florocacbon trong công nghiệp được thực hiện gián tiếp, chủ yếu qua các phản ứng trao

đổi halogen chẳng hạn như phản ứng flo hóa Swarts, trong đó các nguyên tử clo trong clorocacbon được thay thế bằng flo bởi axit flohydric kèm xúc tác

I.3 Tính chất vật lý và hóa học

Flo (fluor) là nguyên tố hóa học phi kim thuộc nhóm 7A chu kì 2 cấu hình electron: 1s2

2s2 2p5 Nó là một halogen và là nguyên tố đặc biệt luôn có số oxi hóa -1 trong mọi hợp chất

Hợp chất của flo gồm ba loại chính:

 Axít: dung dịch của khí hiđrô florua (HF) được gọi là axít flohiđric Axít flohidric là axít yếu nhất trong các axít halogenhiđric, tuy nhiên nó có thể làm ăn mòn thủy tinh Vì thế, axít flohidric được dùng để khắc chữ lên thủy tinh

 Ôxít: diflorua ôxít (F2O) thuộc loại ôxít trung tính, không phản ứng với axít hay bazơ tạo thành muối và nước

 Muối: muối của axít flohiđric gọi là muối florua Muối florua kết hợp được với hầu hết kim loại (trừ Au và Pt) Các muối florua đều độc

 Tính chất vật lý

Ở nhiệt độ phòng, flo là một chất khí dạng phân tử hai nguyên tử; khí flo nguyên chất có màu vàng nhạt (đôi khi còn nói là màu vàng lục) Nó có mùi hắc đặc và rất độc Nhiệt độ nóng chảy -219,62 °C Nhiệt độ sôi -118,12 °C Flo ngưng tụ tạo thành chất lỏng màu vàng sáng ở −188 °C (−306 °F), là nhiệt độ chuyển tiếp gần bằng với oxy và nitơ Trong tự nhiên, flo chỉ tồn tại ở dạng hợp chất vì tính oxi hóa quá mạnh của nó Hợp chất của flo có trong men răng của người và động vật, trong lá của một

số loài cây, phần lớn tập trung trong 2 khoáng vật: Florit (CaF2CaF2),Criolit (Na3AlF6 hay AlF3.3NaF) Flo có hai dạng thù hình rắn là α- và β-flo β-flo kết tinh ở

−220 °C (−364 °F), có màu trong suốt và mềm dẻo, với cấu trúc hệ tinh thể lập phương không trật tự giống như tinh thể oxy rắn, không giống với hệ tinh thể trực

thoi trong các halogen rắn khác Khi nhiệt độ tiếp tục giảm xuống −228 °C (−378 °F), quá trình chuyển pha xảy ra tạo thành α-flo rắn đục Đồng vị ổn định 19F là đồng vị duy nhất của flo tồn tại trong tự nhiên Có 17 đồng vị phóng xạ với số khối từ 14 đến

31 đã được tổng hợp, trong đó 18F là đồng vị ổn định nhất với chu kỳ bán rã là 109,77 phút Các đồng vị phóng xạ khác có chu kỳ bán rã dưới 70 giây; trong đó, đa số bị phân rã trong vòng dưới nửa giây

Cấu trúc dạng thu gọn của nguyên tử Flo:

 Tính chất hóa học

Flo có độ âm điện lớn nhất (3,98)→ là phi kim mạnh nhất

Flo tác dụng với phi kim

Flo tác dụng với phần lớn các phi kim, trừ O2, N2 và các nguyên tố khí trơ Oxy không kết hợp với flo ở điều kiện môi trường xung quanh, nhưng có thể phản ứng được khi phóng điện ở nhiệt độ và áp suất thấp; sản phẩm tạo ra thường bị phân hủy thành các nguyên tố cấu tạo nên chúng khi đun nóng

3F2 + S → SF6

2F2 + C → CF4

5F2 + 2I2 → 2I2F5

Phản ứng với hydro

Phản ứng xảy ra ngay trong bóng tối, ở nhiệt độ rất thấp tạo ra khí hidro florua (phản ứng gây nổ mạnh): F2 + H2 → 2HF

Phản ứng với các kim loại

Flo oxi hóa hầu hết các kim loại kể cả Au và Pt Flo phản ứng với các kim loại kiềm, kiềm thổ mãnh liệt Tác dụng với các kim loại mạnh đến trung bình yếu như Al, Zn, Cr,

Ni, Ag phản ứng mạnh khi đun nóng

Khi tác dụng với các kim loại yếu như Cu, Au, Pt phản ứng khi đun nóng mạnh

3F2 + 2Au → AuF3

F2 + Cu → CuF2

2Fe + 3F2⟶ 2FeF3

Tác dụng với nước

Khí flo oxi hóa nước ngay ở nhiệt độ thường, hơi nước nóng bốc cháy khi tiếp xúc với khí flo

2F2+2H2O⟶4HF+O2

Phản ứng Trao đổi

Tương tự kim loại mạnh đẩy kim loại yếu ra khỏi dung dịch muối, flo có khả năng thế chỗ các halogen khác ra khỏi các hợp chất ion hoặc hợp chất cộng hóa trị

F2 + 2KClrắn →môi trường lạnh 2KF + Cl2

F2 + KBrdd → 2KF + Br2

Nếu dư F2 còn có phản ứng:

Br2 + 5F2 + 6H2O → 2HBrO3 + 10HF

và có một phần flo tác dụng với H2O

2F2+2H2O⟶4HF+O2

Phản ứng này giải thích vì sao F2 không đẩy Cl2, Br2, I2 ra khỏi dung dịch muối hoặc axit trong khi flo có tính oxi hóa mạnh hơn

Phản ứng với các dung dịch kiềm

Khác với các halogen khác, flo không tạo muối chứa oxi Khi phản ứng với kiềm loãng (thí dụ NaOH 2%) lạnh tạo ra Oxidiflorua và muối florua

2F2 + 2NaOH2% →lạnh 2NaF + OF2+ H2O

OF2 độc và có tính oxi hóa mạnh

OF2 + H2O → 2HF + O2

Phản ứng riêng

Có thể sử dụng F2 hoặc HF để khắc thủy tinh vì chúng có khả năng ăn mòn thủy tinh

2F2 + SiO2 → SiF4 + O2

I.4 Ứng dụng trong đời sống, sản xuất

Điều chế dẫn xuất flo để sản xuất chất dẻo: Có khoảng 180.000 tấn floropolyme

được sản xuất vào năm 2006 và 2007 Tổng doanh số thị trường floropolyme toàn cầu được ước tính là gần 6 tỷ USD vào năm 2011 và được dự báo tăng trưởng 6,5% mỗi năm đến năm 2016 Floropolyme chỉ có thể được tạo thành bằng cách polyme hóa các gốc tự

do Polytetrafloroetylen (PTFE), còn được gọi là Teflon theo tên thương hiệu của DuPont, chiếm khoảng 60–80% khối lượng floropolyme được sản xuất trên thế giới Ứng dụng lớn nhất của nó là làm chất cách điện vì PTFE là một chất điện môi rất tốt Nó cũng được sử dụng làm chất chống ăn mòn trong công nghiệp hóa học khi cần thiết, đặc biệt làm lớp tráng đường ống Một ứng dụng chủ yếu khác là trong vải sọi thủy tinh bọc bởi PTFE để làm mái che sân vận động Ứng dụng thương mại lớn nhất của nó là trong dụng

cụ nhà bếp chống dính Một số loại floropolyme khác, bao gồm etylen propylen flo hóa, cũng có các tính chất của PTFE và có thể dùng thay thế cho nó; chúng dễ dập khuôn hơn nhưng có chi phí cao hơn và tính chịu nhiệt kém hơn

Dùng trong công nghiệp hạt nhân: Ứng dụng lớn nhất của khí flo, tiêu thụ khoảng

7.000 tấn mỗi năm, là trong quá trình điều chế UF6 cho chu trình nhiên liệu hạt nhân Flo được sử dụng để flo hóa urani tetraflorua, một chất được tự tổng hợp từ urani đioxit và axit flohydric Flo là chất đơn đồng vị, nên sự khác nhau về khối lượng giữa các phân tử

UF6 là do sự tồn tại của 235U hoặc 238U, cho phép làm giàu urani qua khuếch tán dạng thể khí hoặc máy ly tâm khí Khoảng 6.000 tấn flo hàng năm được đi vào sản xuất SF6 điện môi trơ cho máy biến áp cao thế và cầu dao điện, loại bỏ yêu cầu về chất nguy hại PCB có liên quan với các thiết bị sử dụng dầu

Ứng dụng trong các sản phẩm bảo vệ rang, ngừa sâu răng: Dung dịch NaF loãng

được dùng làm thuốc chống sâu răng Người dân được biết và tiếp xúc với flo chủ yếu qua thức ăn, nước máy, kem đánh răng, các nghiên cứu từ giữa thế kỷ 20 cho thấy flo có

là lý do tại sao flo được thêm vào hầu hết các thương hiệu kem đánh răng và các sản phẩm vệ sinh răng miệng khác Natri monoflorophotphat cùng với natri hoặc thiếc(II) florua thường được tìm thấy trong các loại kem đánh răng florua, một loại sản phẩm lần đầu tiên được giới thiệu tại Hoa Kỳ vào năm 1955 và hiện rất phổ biến ở các quốc gia phát triển, cùng với nước súc miệng, gel, bọt và vecni flo hóa.Tuy nhiên flo cũng ảnh hưởng đến xương và răng sau quá trình sử dụng

Ứng dụng trong các sản phẩm nông hóa học: Khoảng 30% sản phẩm nông hóa

học có chứa flo, phần lớn trong đó là thuốc diệt cỏ và thuốc diệt nấm cùng một vài chất kích thích hoặc ức chế cây trồng Phản ứng thế bởi flo, thường là của một nguyên tử hoặc nhiều nhất là một nhóm triflorometyl, làm biến đổi mạnh các tính chất tương tự như dược phẩm flo hóa Trifluralin là một ví dụ nổi bật, được sử dụng phổ biến làm chất diệt cỏ dại, nhưng được cho là một chất gây ung thư và đã bị cấm sử dụng tại nhiều quốc gia châu Âu Natri floroacetat (1080) là một chất độc với động vật có vú, trong đó hai nguyên

tử hydro trong axit acetic được thế bằng flo và natri; nó làm phá vỡ trao đổi chất trong tế bào bằng cách thay thế axetat trong chu trình Krebs Được tổng hợp lần đầu vào thế kỷ

19, nó được xếp loại là thuốc trừ sâu vào đầu thế kỷ 20 và sau này được sản xuất và sử dụng đại trà như ngày nay New Zealand, quốc gia tiêu thụ 1080 nhiều nhất, sử dụng nó

để bảo vệ chim kiwi khỏi sự xâm lấn từ cáo túi đuôi chổi Australia Châu Âu và Hoa Kỳ

đã cấm hoặc hạn chế sử dụng 1080

Ứng dụng trong dược phẩm: Khoảng 20% dược phẩm hiện đại có chứa flo Một trong

số đó, thuốc làm giảm cholesterol atorvastatin (Lipitor); thuốc kê toa chữa hen phế

quản Seretide, trong đó fluticasone là chất đã flo hóa; kháng sinh quinolon bao

gồm ciprofloxacin và levofloxacin Flo cũng có trong một số loại steroid: fludrocortisone

là một loại mineralocorticoid làm tăng huyết áp, còn triamcinolon và dexamethason là các glucocorticoid mạnh Đa số thuốc gây mê hít vào được flo hóa mạnh, có tính trơ và hiệu nghiệm lớn hơn nhiều so với các loại khác cùng thời Ngoài ra Flo-18 thường được tìm thấy trong chất đánh dấu phóng xạ cho việc chụp cắt lớp phát xạ positron