Selenium là gì? Tính chất, ứng dụng và vai trò thiết yếu trong công nghiệp và sức khỏe

Chu Văn An

Selenium – còn gọi là Selenium – là một nguyên tố hóa học độc đáo: vừa là nguyên liệu công nghiệp quan trọng, vừa là vi chất dinh dưỡng thiết yếu cho sinh vật sống, nhưng cũng có thể trở nên độc hại nếu vượt quá liều lượng. Được sử dụng trong thủy tinh, chất bán dẫn, pin mặt trời, nông nghiệp và y học, selen có mặt khắp nơi trong cuộc sống hiện đại. Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về tính chất hóa học, nguồn gốc, ứng dụng và tác dụng của selen trong nhiều lĩnh vực.

1. Selen là gì?

Selenium (ký hiệu: Se, số nguyên tử: 34) là nguyên tố phi kim, thuộc nhóm chalcogen – cùng nhóm với oxy, lưu huỳnh và Tellurium. Nó được phát hiện vào năm 1817 bởi nhà hóa học người Thụy Điển Jöns Jakob Berzelius khi đang nghiên cứu tạp chất trong axit sulfuric.

Trạng thái tự nhiên:

• Selenium không tồn tại nhiều ở dạng đơn lẻ mà chủ yếu được tìm thấy trong các quặng sunfua kim loại như đồng, chì và kẽm.

• Có thể tồn tại ở nhiều dạng thù hình khác nhau: vô định hình (màu đỏ), tinh thể (màu xám kim loại) và đơn tà.

2. Tính chất lý hóa của Selen

Tính năng nổi bật:

• Chất bán dẫn nhạy sáng: khả năng dẫn điện tăng lên khi tiếp xúc với ánh sáng – cơ sở cho các ứng dụng trong quang điện.

• Các hợp chất có thể được hình thành ở nhiều trạng thái oxy hóa: -2 (selenide), 0, +4 (selenit), +6 (selenate).

• Dễ dàng hình thành liên kết với kim loại, chất hữu cơ và ion halogen – tính linh hoạt hóa học cao.

3. Nguồn gốc và trữ lượng toàn cầu

Selen là nguyên tố hiếm, có nồng độ trung bình trong vỏ Trái đất khoảng 0,05 ppm. Nó không được khai thác trực tiếp mà thu được dưới dạng sản phẩm phụ từ quá trình tinh chế đồng, chì và kẽm – đặc biệt là từ bùn anode trong quá trình điện phân đồng.

Các nước sản xuất chính:

• Trung Quốc, Nhật Bản, Nga, Đức, Chile, Canada

• Mỹ: chủ yếu sử dụng selen nhập khẩu từ nguồn tinh chế

Tổng sản lượng selen toàn cầu ước tính khoảng 2.000 – 2.500 tấn/năm – tương đối nhỏ nhưng đóng vai trò thiết yếu trong nhiều chuỗi cung ứng.

4. Ứng dụng công nghiệp của Selenium

Selenium là nguyên tố có tính linh hoạt cao, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp từ truyền thống đến công nghệ cao. Mặc dù sản lượng khai thác không lớn nhưng selen đóng vai trò thiết yếu trong chuỗi sản xuất của nhiều ngành công nghiệp mũi nhọn, đặc biệt là thủy tinh, điện tử, luyện kim, nông nghiệp và công nghiệp hóa chất.

4.1. Trong ngành sản xuất thủy tinh và gốm sứ

Trong ngành sản xuất thủy tinh và gốm sứ, selen là thành phần chính giúp điều hòa màu sắc và chất lượng sản phẩm. Ion Selenium được thêm vào để làm giảm màu xanh do tạp chất sắt trong thủy tinh gây ra, từ đó tạo ra thủy tinh trắng trong hơn hoặc màu hổ phách hay màu đỏ ruby ​​hấp dẫn. Điều này rất quan trọng trong sản xuất chai lọ thực phẩm, bóng đèn, kính trang trí và vật liệu xây dựng cao cấp. Ngoài ra, selen còn được sử dụng trong men gốm và gốm màu để tạo ra các màu đỏ, hồng hoặc cam ổn định, khó phai ở nhiệt độ cao – điều mà các chất tạo màu truyền thống thường không thể đảm bảo được.

4.2. Trong thiết bị điện tử và quang điện

Trong lĩnh vực điện tử và công nghệ quang điện, selen tinh thể (dạng màu xám) được biết đến với đặc tính bán dẫn đặc trưng và độ nhạy sáng cao. Từ giữa thế kỷ 20, selen đã là thành phần chính trong tế bào quang điện, cảm biến ánh sáng và máy photocopy nhờ khả năng chuyển đổi ánh sáng thành điện năng một cách hiệu quả. Mặc dù ngày nay nhiều công nghệ đã chuyển sang sử dụng silicon hoặc các vật liệu phức tạp khác nhưng selen vẫn đóng vai trò quan trọng trong một số lĩnh vực cụ thể như pin mặt trời màng mỏng với công nghệ CIGS (Copper Indium Gallium Selenide). Pin mặt trời CIGS sử dụng selen để tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng, đặc biệt trong điều kiện ánh sáng yếu và nhiệt độ cao, đồng thời mang lại sự linh hoạt trong thiết kế vì chúng có thể được phủ trên nhiều bề mặt khác nhau như mái nhà, kính hoặc vật liệu cong. Nhờ vai trò này, selen đã trở thành một trong những nguyên liệu thiết yếu phục vụ quá trình chuyển đổi năng lượng tái tạo toàn cầu.

4.3. Trong luyện kim và hợp kim đặc biệt

Trong ngành luyện kim, selen được thêm vào hợp kim chì, đồng và sắt để cải thiện tính chất cơ học và khả năng gia công. Hợp kim chì-selen có độ bền kéo và khả năng chống ăn mòn vượt trội, thường được sử dụng trong sản xuất vỏ ắc quy axit chì, các bộ phận máy móc công nghiệp và thiết bị làm việc trong môi trường hóa chất. Hợp kim thép có bổ sung selen được sử dụng để tăng độ chính xác khi gia công cơ học và giảm nứt trong quá trình làm mát, từ đó tăng tuổi thọ và độ tin cậy của các bộ phận. Đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô, máy bay và thiết bị nặng, hợp kim chứa selen đã được chứng minh là có khả năng chịu tải tốt hơn và dễ hàn – tiện – gia công hơn so với kim loại nguyên chất.

4.4. Trong nông nghiệp và thức ăn chăn nuôi

Trong lĩnh vực nông nghiệp và thức ăn chăn nuôi, selen là vi chất dinh dưỡng không thể thiếu đối với vật nuôi. Ở nhiều vùng đất thiếu selen – đặc biệt là vùng núi cao, đất chua – thực vật và động vật dễ gặp các vấn đề về tăng trưởng, sinh sản và miễn dịch. Bổ sung selen vào thức ăn chăn nuôi dưới dạng selenite hoặc selenomethionine giúp cải thiện đáng kể sức đề kháng, tăng cường sinh trưởng, giảm tỷ lệ mắc các bệnh về đường ruột và viêm nhiễm. Đồng thời, selen còn giúp nâng cao chất lượng thịt, sữa, kéo dài thời gian bảo quản và giảm quá trình oxy hóa lipid. Các nước có ngành chăn nuôi phát triển như Mỹ, Canada, Brazil, Trung Quốc đều có quy định bắt buộc bổ sung selen vào khẩu phần thức ăn ở những vùng đất nghèo selen.

4.5. Trong ngành hóa chất và dược phẩm

Ngoài ra, selen còn có mặt trong các ngành công nghiệp hóa chất, xúc tác và dược phẩm. Ở dạng oxit (SeO₂), selen đóng vai trò xúc tác trong các phản ứng oxy hóa hữu cơ như tổng hợp axit cacboxylic, aldehyd và xeton – đặc biệt có hiệu quả trong sản xuất các chất trung gian hóa học cho ngành dược phẩm. Một số hợp chất selen hữu cơ như ebselen và diphenyl diselenide đang được nghiên cứu như chất chống oxy hóa có khả năng điều trị các bệnh viêm mãn tính, thoái hóa thần kinh và thậm chí cả nhiễm virus. Gần đây, trong lĩnh vực y học tái tạo và cá nhân hóa, selen còn được sử dụng để phát triển vật liệu nano có khả năng phân hủy sinh học có khả năng đưa thuốc chính xác vào khối u hoặc các mô bị tổn thương.

5. Vai trò của Selenium trong sinh học và y học

Selenium là nguyên tố vi lượng thiết yếu cho con người và động vật, tham gia vào nhiều quá trình sinh học quan trọng:

Vai trò sinh học:

• Là thành phần cấu trúc của hơn 25 enzyme và protein selen (selenoprotein)

• Chống oxy hóa, giảm viêm

• Điều chỉnh chức năng tuyến giáp

• Tăng cường hệ thống miễn dịch

Thiếu selen có thể gây ra:

• Bệnh Keshan (viêm cơ tim – thường thấy ở vùng núi Trung Quốc)

• Suy giảm miễn dịch, rối loạn sinh sản, tăng nguy cơ ung thư

Nguyên nhân quá liều Selen:

• Ngộ độc selen (selenosis): rụng tóc, hôi miệng, tổn thương thần kinh

• Ngưỡng an toàn cho người lớn: ~55 mcg/ngày (tối đa 400 mcg/ngày)

Cân bằng selen là điều cần thiết để duy trì sức khỏe lâu dài – cả thiếu và thừa đều nguy hiểm.

6. Tác động và an toàn môi trường

Selen dư thừa từ phân bón, thức ăn chăn nuôi hoặc chất thải công nghiệp có thể gây ô nhiễm nguồn đất và nước. Sự tích lũy selen trong sinh vật dưới nước có thể ảnh hưởng đến sự sinh sản của cá và chim nước ngọt. Cần phải kiểm soát chặt chẽ việc xử lý chất thải selen tại các cơ sở sản xuất luyện kim và hóa chất.

Selenium – với tính chất và ứng dụng đa dạng – là một yếu tố đa nhiệm của thế kỷ 21. Từ các ứng dụng công nghiệp nặng như thủy tinh, điện tử và năng lượng mặt trời cho đến vai trò thiết yếu của nó đối với sức khỏe con người và động vật, selen là một phần không thể thiếu trong chuỗi giá trị sản xuất và sinh học toàn cầu.

Tuy nhiên, với đặc tính “vừa là thuốc, vừa là thuốc độc”, selen cần được sử dụng một cách có kiểm soát và bền vững, để phát huy tối đa tiềm năng mà vẫn bảo vệ được sức khỏe con người và môi trường sống.