Phần lớn những bột màu vô cơ truyền thống sử dụng trong công nghiệp, đời sống đều có chứa các thành phần kim loại nặng, độc hại như cadmium, chì, chrom, selenium hay cobalt… Bài viết này sẽ giới thiệu đến bạn đọc một xu hướng mới: nghiên cứu tổng hợp bột màu thân thiện với môi trường để thay thế các loại bột màu có chứa các nguyên tố độc hại, một nhu cầu vốn dĩ ngày càng trở nên cần thiết và thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới
Các ứng dụng của bột màu vô cơ
Bột màu vô cơ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau chẳng hạn như sơn, mực, nhựa, cao su, gốm sứ, men và thủy tinh [1, 2]. Những bột màu này dựa trên cơ sở các oxit, sulfur, phosphate của các kim loại chuyển tiếp và không chuyển tiếp, được thêm vào trong thành phần các vật liệu trên để tạo ra màu sắc. Các hợp chất này thường không tan, rắn, mịn, có thể hấp thu chọn lọc ánh sáng, nhờ đó khi ánh sáng chiếu vào, chúng ta sẽ quan sát được một phần ánh sáng không hấp thu, cũng chính là màu phụ với màu bị hấp thu. Các bột màu dùng trong gốm sứ, thủy tinh thường là bột màu vô cơ được tạo bởi các oxit kim loại hoặc các hợp chất hình thành từ các oxit kim loại nền, phải có khả năng bền nhiệt và trơ hóa học ở nhiệt độ cao, cũng như không phản ứng với các chất tạo men [3]
1. Tính độc hại của bột màu vô cơ
Tuy nhiên đa số chất màu vô cơ cho các ứng dụng trên đều có nguồn gốc từ các kim loại độc hại như cadmium, chì, chrom hoặc cobalt… Những nguyên tố này không chỉ độc hại với sức khỏe con người mà còn gây ô nhiễm môi trường đáng kể [4].
Bột màu có chứa chì hoặc asen từ lâu đã được công nhận là nguy hiểm. Nhóm này bao gồm màu trắng hoặc Cremnitz vảy trắng (làm bằng cacbonat chì), Naples vàng (từ các bột màu chì antimoniate), các màu vàng chrome (làm bằng chromate chì), chrome xanh (làm bằng hỗn hợp có chứa chromat chì), (tím cobalt khi nó chứa cobalt) asenat và xanh như Schweinfurt xanh lá cây, xanh ngọc lục, xanh Paul Veronese hoặc xanh Paris (màu xanh được làm từ hợp chất của asenic như là đồng acetoarsenite).
Từ năm 1975 nhiều báo cáo đã kêu gọi chú ý đến những tác động nguy hiểm có thể có của các bột màu có chứa cadmium, chromium, manganese, và thủy ngân. Những màu này bao gồm các màu đỏ cadmium, vàng cadmium, cam cadmium, chrom xanh và oxit chrom màu đục, manganese xanh, tím manganese, phẩm màu nâu đen cháy thô, và màu đỏ son (thủy ngân sulfide). Khi kẽm, chì, hoặc cadmium kim loại được đun nóng ở nhiệt độ cao, hơi của nó bay ra có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe nếu liên tục hít phải hơi đó [5, 6].
Bột màu xanh Schweinfurt và Bột màu chrome vàng
Nhiều người cảm thấy việc tiếp xúc với các chất màu độc hại với số lượng nhỏ như vậy sẽ không có nguy hiểm cho sức khỏe của họ. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải hiểu rằng liều lượng nhỏ các chất độc hại có thể tích tụ lại gây ảnh hưởng tới sức khỏe của con người thường xuyên tiếp xúc với nó về sau. Cơ thể có thể loại bỏ chất độc, nhưng cần một thời gian dài để quá trình loại bỏ được hoàn thành. Nếu vật liệu độc hại được hấp thu với tốc độ nhanh hơn nó có thể bài tiết, sự tích lũy đó có thể gây bệnh nghiêm trọng tùy theo tuổi tác, hoặc tình trạng cơ thể hay yếu tố khác như việc sử dụng thuốc lá, uống rượu… Do đó, những bột màu chứa các kim loại nặng cần phải được loại bỏ hoặc hạn chế sử dụng trong công nghiệp.
2. Xu hướng nghiên cứu bột màu thế hệ mới, thân thiện với môi trường dựa trên cơ sở các nguyên tố đất hiếm
Phần lớn những bột màu vô cơ truyền thống đều chứa các thành phần kim loại nặng như cadmium, chì, chrom, selenium hay cobalt… Vì vậy, xu hướng nghiên cứu tổng hợp bột màu thân thiện với môi trường để thay thế các loại bột màu có chứa các nguyên tố độc hại ngày càng trở nên cần thiết và thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới.
Gần đây, các nguyên tố đất hiếm như Scandium, Yttrium, Lanthanum, Cerium, Praseodymium được nhận thấy có thể tạo ra các bột màu thân thiện với môi trường, không độc hại hoặc ít độc hại hơn so với các bột màu vô cơ truyền thống [7]. Nhờ vào cấu trúc điện tử đặc biệt với các orbital f chỉ được điền điện tử một phần, các nguyên tố đất hiếm này sỡ hữu các tính chất từ và quang học đặc biệt [8].
Các nguyên tố đất hiếm
Praseodymium vàng (ZrSiO4/Pr) được nhận thấy là một trong những bột màu vô cơ cho màu vàng rất đẹp, thân thiện với môi trường và bền nhiệt, có thể sử dụng trong chế tạo cao su, thủy tinh, gốm sứ…[9]. Tuy nhiên, quá trình điều chế bột màu này cần phải được tiến hành ở nhiệt độ cao (trên 1000°C) và vì vậy, kéo theo sự phát triển kích thước tinh thể hạt màu. Điều này làm cho praseodymium vàng khó phân tán tốt trong các môi trường phân tán như sơn, mực…
Praseodymium vàng( ZrSiO4/Pr)
Ngược lại, có rất nhiều phương pháp để điều chế CeO2 và những bột màu liên quan ở kích thước hạt nhỏ [10]. Các bột màu xuất phát từ oxit CeO2 có độ bền nhiệt và hóa học rất cao. Người ta hy vọng có thể điều khiển màu sắc của CeO2 bằng cách doping các nguyên tố khác vào cấu trúc mạng của oxit này, do cơ chế tạo màu của CeO2 dựa trên việc chuyển dời điện tích từ O 2p đến Ce 4f trong cấu trúc điện từ của CeO2. Cấu trúc này có thể bị thay đổi bằng cách tạo ra một mức năng lượng trung gian ở giữa O 2p và Ce 4f, từ đó ảnh hưởng lên màu sắc của bột màu.
Những nghiên cứu gần đây đều cho rằng cường độ màu sắc mạnh mẽ của các vật liệu dựa trên nguyên tố đất hiếm dường như xuất phát từ tương tác trao đổi điện tích giữa những thành phần cho và nhận điện tử, trong đó, nguyên tử kim loại đóng vai trò là tiểu phân nhận điện tử. Như vậy, việc thêm các ion kim loại doping vào cấu trúc oxit của các nguyên tố đất hiếm hoặc doping các nguyên tố đất hiếm vào cấu trúc khung mạng của các oxit kim loại chuyển tiếp sẽ cho phép điều chỉnh band gap của vật liệu, từ đó điều chỉnh màu sắc theo ý muốn. Ý tưởng này đã mở ra một hướng nghiên cứu mới: nghiên cứu các bột màu oxit kết hợp giữa oxit nguyên tố đất hiếm và oxit kim loại chuyển tiếp (RExTM)Oy (RE: nguyên tố đất hiếm và TM: kim loại chuyển tiếp).
Nguyễn Thị Bích Hồng
Lê Tiến Khoa (nhóm Ichem)
Tài liệu tham khảo
[1] M. Jansen, H.P. Letschert, Nature 404 (2000) 980
[2] W.D. Kingrey, H.K. Bowen, D.R. Uhlmann, Introduction to ceramics, 2nd ed. New York: John Wiley & Sons (1976)
[3] M. Trojan, Z. Solc, M. Novotny, Pigments in Kirk-Othmer encyclopedia of chemical technology, New York: Wiley and Sons Inc. (1995)
[4] Cadmium”. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 5 (4-th edition ed.). New York: John Wiley & Sons (1994)
[5] Hayes, Andrew Wallace, Principles and Methods of Toxicology (2007)
[6] Casarett and Doull’s Essentials of Toxicology (2003)
[7] D.R. Swilver, J.D. Terry, Axtell, A. Enos, U.S. Patent 6 (2003) 814
[8] S. Petoud, S.M. Cohen, J.C.G. Bunzil, K.N. Raymond, J. Am. Chem. Soc. 125 (2003) 13324
[9] G.D. Nero, G. Cappelletti, S. Ardizzonne, P. Fermo, S. Gilardoni, J. Eur. Ceram. Soc. 24 (2004) 3603
[10] G. Adachi, N. Imanaka, Chem. Rev. 98 (1998) 1479
Hoahocngaynay.com
<
p style=”text-align: justify;”>Nguồn Cyberchemvn.com
