Hóa học của thủy ngân trong bóng đèn huỳnh quang

Vụ cháy Công ty cổ phần bóng đèn phích nước Rạng Đông diễn ra vào ngày 28/08/2019 có lẽ cũng như nhiều vụ cháy khác nếu như người ta không để ý rõ công ty này đang sản xuất cái gì. Đó chính là bóng đèn huỳnh quang và một số thiết bị điện gia dụng khác.

Khi nói về loại bóng đèn này thì hiển nhiên phải nhắc tới một nguyên tố kim loại góp phần nên là thủy ngân. Bạn có thể tìm thấy chúng trong nhiều loại đá, bao gồm cả than.

Khi than được đốt tại một nhà máy phát điện để sản xuất điện, thủy ngân được thải ra môi trường.

Nếu được kiểm soát và có quy trình an toàn hóa chất chặt chẽ thì chúng sẽ không gây hại gì nhiều khi có sự cố xảy ra.

Tuy nhiên, việc rò rỉ một số lượng lớn thủy ngân ra ngoài môi trường có thể xem như một hiểm họa tiềm tàng cho con người và môi trường.

Vì thế trong bài viết lần này, blog sẽ giúp các bạn hiểu rõ hơn về chủ đề này nhé!

Đôi nét về sự cố

Theo báo cáo mới đây nhất của Tổng cục môi trường ngày 06/09/2019 có nêu rõ công ty này đã thừa nhận toàn bộ 480.000 bóng đèn huỳnh quang bị cháy sử dụng Hg lỏng (có độc tính cao hơn so với viên Amalgam) với khối lượng theo tính toán của các nhà khoa học là 30 mg/bóng.

Khối lượng hóa chất còn lại là: 4.510.712 viên Amalgam với trọng lượng là 41,75 kg; Hg lỏng là 108,9 kg, trong đó 34,3 kg được bảo quản an toàn cùng với viên Amalgam trong tủ cấp đông tại khu vực bị cháy. Lượng Hg đã phát tán ra ngoài môi trường do sự cố cháy nổ là 15,1 kg đến 27,2 kg.

Đồng thời, chỉ có một mẫu không khí tại điểm quan trắc trong nhà kho bị cháy có giá trị thuỷ ngân vượt 1,02 lần (giá trị đo trung bình 24 giờ) so với tiêu chuẩn của Việt Nam và vượt 1,532 lần ngưỡng khuyến cáo của WHO thay vì cao gấp 10-30 lần mức khuyến cáo của WHO.

Tại sao phải sử dụng thủy ngân?

Đèn huỳnh quang, bao gồm cả bóng đèn huỳnh quang compact (gọi tắt là CFL), là nguồn sáng phóng điện khí áp suất thấp.

Chúng có một ống thủy tinh kín có chứa thủy ngân (ở dạng hỗn hợp hơi và lỏng hoặc dạng amalgam rắn)  và một khí đệm trơ.

Bên trong cả hai đầu của ống là các điện cực làm bằng Wolfram cuộn phủ oxit kim loại. Chấn lưu CFL tạo ra một điện áp lớn trên các điện cực để bắt đầu một hồ quang giữa chúng và sau đó hạn chế sau khi hồ quang được thiết lập.

Năng lượng trong hồ quang làm bốc hơi thủy ngân có sẵn và đẩy các electron trong nguyên tử thủy ngân lên trạng thái kích thích.

Khi các electron quay trở lại trạng thái nghỉ  hay trạng thái bền của chúng, các photon được giải phóng ở bước sóng cực tím.

Các photon tia cực tím được hấp thụ bởi lớp phủ photpho bên trong, sau đó phát lại các photon trong quang phổ nhìn thấy được.

Dựa trên nguyên tắc hoạt động này, thủy ngân là thành phần cần thiết của đèn huỳnh quang.

Mục tiêu thiết kế chính của CFL là kiểm soát áp suất hơi thủy ngân để tối đa hóa sản lượng ánh sáng và do đó hiệu quả.

Thủy ngân tối ưu áp suất hơi trong CFL thường là 0,6 đến 2 Pa, nhưng có thể cao tới 4 Pa. CFL sử dụng thủy ngân nguyên chất “điều khiển cấu hình tường bóng đèn được sửa đổi” của áp suất hơi thủy ngân.

Trong đó một phần của bóng đèn được thiết kế để cách xa hơn so với phần còn lại của bóng đèn mang lại một lợi điểm mát, từ đó kiểm soát áp suất hơi.

Áp suất hơi của thủy ngân lỏng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó, khi nhiệt độ hoạt động, áp suất hơi có thể cao hơn phạm vi áp suất tốt nhất cho hiệu quả.

Để giải quyết vấn đề này, hỗn hống thủy ngân có thể được sử dụng thay vì thủy ngân lỏng để kiểm soát áp suất hơi thủy ngân trong một phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng hơn.

Một hỗn hống tương tự như một hợp kim ở chỗ nó chứa hỗn hợp từ hai kim loại trở lên.

Các hỗn hống giữ hình dạng của chúng mọi lúc, bao gồm cả trong quá trình hoạt động.

Các hỗn hống đóng vai trò là chất giữ thủy ngân, với lượng thủy ngân được giải phóng khỏi hỗn hống phụ thuộc vào nhiệt độ.

Một ý tưởng hỗn hống sẽ cung cấp áp suất hơi của thủy ngân tinh khiết ở nhiệt độ phòng, nhưng hạn chế áp suất hơi thủy ngân ở nhiệt độ hoạt động.

Bởi vì không có hỗn hống nào tồn tại với các tính chất này và vì hỗn hống tăng thời gian của CFL so với thủy ngân nguyên chất, trong hầu hết các trường hợp, hai loại hỗn hống khác nhau được sử dụng trong CFL.

Hỗn hống phụ giữ phần lớn thủy ngân khi đèn tắt và làm mát đến nhiệt độ môi trường, nhưng nó sẽ giải phóng nó nhanh chóng khi đèn được bật.

Thứ hai là hỗn hống chính, điều chỉnh áp suất hơi thủy ngân ở nhiệt độ hoạt động.

Hỗn hống phụ có áp suất hơi thủy ngân thấp hơn hỗn hống chính tại nhiệt độ bằng nhau để cho phép hấp thụ thủy ngân khi tắt CFL.

Khi CFL được bật, nhiệt độ tăng và thủy ngân trong hỗn hống phụ trợ là phát hành và kết tủa trên tường bóng đèn gần đó. Khi bức tường bóng đèn gần điện cực nóng lên, thủy ngân này sau đó bốc hơi.

Hỗn hống phụ thường được làm bằng lớp indium trên một lá cờ kim loại nằm gần một điện cực để làm nóng nhanh.

Khi CFL ở nhiệt độ hoạt động, áp suất hơi được giữ tương đối không đổi bởi hỗn hống chính hấp thụ một số thủy ngân.

Áp suất hơi thủy ngân có một trạng thái ổn định trong phạm vi nhiệt độ, khi các pha rắn và lỏng của sự hình thành hỗn hống cùng tồn tại.

Các hỗn hợp chính khác nhau có thể được sử dụng trong các sản phẩm CFL khác nhau, với các thành phần chính xác được tổ chức độc quyền cho mỗi nhà sản xuất.

Các ví dụ bao gồm indiumsilver-thủy ngân, indium-thiếc-thủy ngân, bismuth-indium-thủy ngân và bismuth-chì-silvermercury.

Áp suất hơi thủy ngân là một chức năng của hỗn hống được sử dụng, nhiệt độ điểm lạnh và nồng độ thủy ngân (trọng lượng). Một quả cầu nhỏ của hỗn hống chính thường nằm trong ống xả trong đế CFL.

Ngoài hổn hống phụ và hỗn hống chính, có thể có thêm hai hỗn hợp kim loại được sử dụng để sản xuất và kiểm soát chất lượng của CFL.

Một trong số đó là dùng hỗn hợp hỗn hống, chẳng hạn như thủy ngân titan, một khối chính xác có thể được tích hợp vào CFL trong quá trình lắp ráp.

Khi CFL được niêm phong, thủy ngân nguyên tố được giải phóng vĩnh viễn khỏi hợp kim này sử dụng hệ thống sưởi tần số vô tuyến.

Loại kia là hợp kim getter, như Zr-Al, có thể hấp thụ tạp chất trong bộ đệm trơ các loại khí như nước, hydro, carbon monoxide, nitơ, carbon dioxide và metan, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của đèn.

CFL sử dụng hỗn hống để điều chỉnh áp suất hơi thủy ngân trong quá trình hoạt động, có thể có  hoặc có thể không được dán nhãn là CFL dựa trên hỗn hống.

Nếu chỉ có hỗn hợp và / hoặc hỗn hợp getter là được sử dụng, CFL không được coi là dựa trên hỗn hống.

Khi một CFL với thủy ngân (nguyên tố) lỏng ở trạng thái tắt và đã nguội xuống đến nhiệt độ phòng, thủy ngân tạo thành nhiều giọt nhỏ trên bóng đèn bên trong tường.

Khi được bật, nhiệt từ hồ quang điện làm bốc hơi một số thủy ngân cho đến khi đạt được áp suất hơi thủy ngân cân bằng cho nhiệt độ hoạt động đó.

Trong quá trình hoạt động, phần lớn thủy ngân vẫn còn là chất lỏng ở “cold spot” đèn cung cấp trong dự đoán của một số thủy ngân bị vướng vào bức tường bóng đèn và phốt pho trong suốt vòng đời của đèn.

Sau khi tắt đèn, nhiệt độ giảm do đó áp suất hơi giảm và phần lớn thủy ngân đã ở trong dạng hơi một lần nữa ngưng tụ trên các bức tường bóng đèn bên trong.

Lượng thủy ngân trong CFL

Theo Bộ tài nguyên thiên nhiên Cannada (gọi tắt là NRCan), CFL chứa trung bình 4 mg thủy ngân. (NRCan 2011.

Vui lòng xem trang web http://oee.nrcan.gc.ca/equipment/man producurers / 15286).

Tại Hoa Kỳ, Hiệp hội các nhà sản xuất điện quốc gia (gôi tắt là Nema) đã thiết lập một lượng thủy ngân tối đa tự nguyện trong CFL dưới 25 W ở mức 4 mg.

Để cho phép sản xuất, giá trị này đại diện cho mức tối đa số lượng trung bình trên tất cả các đèn của một kiểu thiết bị cụ thể, không giới hạn cho mỗi đèn.

Mười bốn nhà sản xuất, bao gồm các nhà sản xuất lớn, đã cam kết tuân thủ giới hạn này. Tuyên bố về sự phù hợp của Nema được bán bởi nhà sản xuất phải được bảo đảm để được liệt kê trên trang web của Nema.

Hiệp hội các cơ quan quản lý chất thải vùng Đông Bắc (Northeast Waste Management Officials’ Association, gọi tắt là NEWMOA), phát hiện ra rằng tất cả các CFL được bán bởi các công ty thành viên của Nema năm 2004, 66% có 0 đến 5 mg thủy ngân, 30% có 5 đến 10 mg thủy ngân và 4% có 10 đến 50 mg thủy ngân.

Mặc dù các CFL điển hình hiện có trên thị trường có ít thủy ngân, có khả năng một số đèn được bán trong năm 2004 vẫn còn được sử dụng.

Một nghiên cứu được thực hiện vào năm 2009 tại Brazil cho thấy sáu trong số 15 mô hình CFL được thử nghiệm chứa hơn 5 mg thủy ngân, giới hạn do Liên minh Châu Âu quy định. Một mô hình chứa 27 mg thủy ngân.

Một báo cáo gần đây của ICF Marbek (2012) đã thăm dò các nhà sản xuất liên quan đến doanh số của đèn CFL, để xác định tỷ lệ phần trăm đèn sử dụng hỗn hống so với thủy ngân lỏng.

Các kết quả cho thấy 83% đèn CFL được bán trong năm 2011 là dựa trên hỗn hống, trong khi 17% còn lại là dựa trên nguyên tố thủy ngân.

(Các tác giả của nghiên cứu đã xác nhận rằng cơ sở dữ liệu trên nền tảng hỗn hợp đề cập đến CFL, sử dụng hỗn hống để điều chỉnh áp suất hơi thủy ngân thay vì dùng đèn.)

Các sản phẩm được bán phổ biến nhất có chứa hỗn hống CFLs không được phát hiện.

ICF Marbek (2012) cũng tuyên bố rằng khảo sát thủy ngân năm 2008 của Hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị Canada (EEMAC), cho thấy hàm lượng thủy ngân trung bình cho tất cả các đèn CFL là 3,7 mg.

Theo Cơ quan Môi trường Canada, hàm lượng thủy ngân trung bình trong đèn CFL là 7,6 mg cho đến năm 2011, giảm xuống 3,5 mg từ năm 2012 trở đi.

Trong khi đó, mỗi bóng đèn huỳnh quang của công ty Rạng Đông theo tính toán của các nhà khoa học lại chứa 30 mg thuỷ ngân lỏng.

Mỗi bóng đèn compact chứa một viên Amalgam (hỗn hợp của kẽm, thủy ngân và bismut) trong đó hàm lượng thủy ngân kim loại là 22-30%.

Hàm lượng này cao hơn rất nhiều so với các quốc gia tiên tiến khác trên thế giới.

Ảnh hưởng sức khỏe của thủy ngân

Thủy ngân là một nguyên tố xuất hiện tự nhiên được tìm thấy trong nước, đất và không khí.

Có ba dạng hóa học của thủy ngân – thủy ngân nguyên tố (Hg0), methylmercury (một dạng thủy ngân hữu cơ) và các hợp chất thủy ngân có thể là hữu cơ hoặc vô cơ (như clorua thủy ngân).

Theo Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ năm 2010 thì ảnh hưởng sức khỏe từ thủy ngân phụ thuộc vào dạng hóa học của thủy ngân, liều lượng, tuổi của người tiếp xúc, thời gian tiếp xúc, lộ trình và sức khỏe của người tiếp xúc.

Sự tiếp xúc chính với thủy ngân đối với những người sống ở Mỹ và một số quốc gia khác là thông qua methylmercury hữu cơ được tìm thấy trong cá và động vật có vỏ.

Thủy ngân methyl hóa trong môi trường nước được tìm thấy trong cá và hải sản cao hơn tích lũy tìm thấy lên chuỗi thức ăn.

Tiếp xúc mãn tính với hơi thủy ngân có thể cũng xảy ra do phơi nhiễm nghề nghiệp và thông qua sự phát triển từ hỗn hống nha khoa.

Theo báo cáo của Sandborgh-Englund năm 1998 thì lượng thủy ngân nguyên tố liều hít vào từ chất trám amalgam (đối với lượng chất làm đầy thông thường trên mỗi miệng) là 5.000-9.000 ng / ngày.

Độc tính của thủy ngân nguyên tố

Các chức năng độc tố mô tả cách một chất độc được hấp thụ, phân phối, chuyển hóa và bài tiết.

Độc tính của thủy ngân nguyên tố như sau: thủy ngân nguyên tô (70-85%) được hấp thụ nhiều nhất qua đường hô hấp, dưới dạng hơi thủy ngân.

Ngược lại, 7 – 10% thủy ngân nguyên tố ăn vào được hấp thụ qua đường tiêu hóa và chỉ có 1% còn lại được hấp thụ qua tiếp xúc qua da.

Hơi thủy ngân vượt qua cả hàng rào máu não và hàng rào nhau thai. Tiếp xúc mãn tính với nồng độ hơi thủy ngân cao dẫn đến rối loạn chức năng thần kinh.

Sự bài tiết thủy ngân nguyên tố xảy ra qua nước tiểu, phân, không khí thở ra, mồ hôi và nước bọt. Duy trì thủy ngân nguyên tố trong cơ thể con người phụ thuộc vào con đường trao đổi chất.

Trong một nghiên cứu, người ta thấy rằng tỷ lệ duy trì trung bình của một liều hơi thủy ngân là 70% sau 30 ngày.

Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (US EPA) chỉ ra thời gian bán hủy để bài tiết  thủy ngân nguyên tố khoảng 60 ngày.

Ảnh hưởng sức khỏe từ phơi nhiễm thủy ngân nguyên tố

Tác động bất lợi từ phơi nhiễm thủy ngân cấp tính hoặc mãn tính sẽ xảy ra đối với tất cả mọi người.

Tuy nhiên, trẻ em có nguy cơ đặc biệt cao vì chúng dễ bị tổn thương trong sự phát triển, trọng lượng cơ thể thấp hơn, các hành vi thời thơ ấu (như chơi với đất và đặt chúng đưa tay vào miệng) và vì sự hấp dẫn của chúng đối với vật chất của thủy ngân nguyên tố xuất hiện.

Tốc độ thở mỗi đơn vị trọng lượng cơ thể cao hơn ở trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ (5 tuổi trở xuống) hơn ở người lớn.

Hơi thủy ngân cũng nặng hơn không khí và trẻ em dễ bị ngộ độc thủy ngân hơn người lớn vì tầm vóc ngắn.

Trong một báo cáo của Miller và cộng sự năm 2002 lưu ý một nghiên cứu trường hợp CDC trong đó trẻ em bị ảnh hưởng bởi thủy ngân cấp tính ngộ độc trong gia đình, nhưng người lớn trong cùng một gia đình không bị ảnh hưởng.

Trẻ em cũng có đường dẫn khí nhỏ hơn, có xu hướng tăng lắng đọng hạt so với người lớn. Mô hình lắng đọng hạt cho phổi được dự đoán là có nghịch đảo mối quan hệ với kích thước cơ thể.

Thai nhi và trẻ sơ sinh cũng đặc biệt dễ bị tổn thương khi tiếp xúc với thủy ngân. Cho các quần thể, tiếp xúc với thủy ngân có thể gây ra thiệt hại vĩnh viễn cho hệ thần kinh.

Việc tiếp xúc cấp tính với một lượng lớn hơi thủy ngân dẫn đến suy hô hấp, mà có thể gây tử vong. Ngừng tiếp xúc có thể dẫn đến các triệu chứng biến mất nhưng triệu chứng thần kinh dai dẳng là phổ biến.

Phơi nhiễm mãn tính ở mức độ thấp dẫn đến các triệu chứng không trị liệu khác nhau bao gồm mệt mỏi, sụt cân, yếu và tiêu hóa rối loạn.

Một triệu chứng khác của phơi nhiễm thủy ngân nguyên tố là acrodynia – có nghĩa là “đau đớn tứ chi “. Các triệu chứng của acrodynia là bàn tay và bàn chân sưng húp, đỏ với da bong tróc.

Các triệu chứng hôn mê phổ biến khác với acrodynia bao gồm chán ăn, mất ngủ, khó chịu, đổ mồ hôi nhiều và dẫn đến phát ban giống như sốt rét, cũng như chứng sợ ánh sáng.

So sánh phơi nhiễm từ methylmercury trong cá với hơi thủy ngân nguyên tố

90% methylmercury ăn vào được hấp thụ nhanh chóng và hiệu quả qua đường tiêu hóa, so với chỉ 7-10% đối với thủy ngân nguyên tố.

Cả methylmercury và thủy ngân nguyên tố vượt qua cả hàng rào máu não và hàng rào nhau thai.

Khoảng 80% hơi methylmercury là được hấp thụ qua đường hô hấp, tương tự như thủy ngân nguyên tố (70-80%).

Không giống như thủy ngân nguyên tố, methylmercury là hấp thụ hiệu quả qua da.

Bài tiết methylmercury xảy ra qua nước tiểu, phân và sữa mẹ, nhưng không có mồ hôi, nước bọt hoặc không khí thở ra như với thủy ngân nguyên tố.

Thời gian bán hủy mãn tính để bài tiết methylmercury là khoảng 75 ngày, so với khoảng 60 ngày đối với thủy ngân nguyên tố. (Điều này dựa trên giả định rằng thủy ngân tồn tại trong trạng thái ổn định trong cơ thể.

Nói cách khác, những người này là những người thường xuyên ăn cá. Dành cho một bột cá chứa methylmercury, thời gian bán hủy cấp tính là 48 giờ.)

Độc tính và hiệu ứng hệ thống thần kinh trung ương (CNS) là khác nhau. Ngay cả đối với cùng một đầu vào, có các tuyến khác nhau cho các loại thủy ngân qua cơ thể, các triệu chứng khác nhau và điểm cuối khác nhau.

Ngoài những khác biệt về sinh lý, những tác động khác nhau đối với cơ thể con người được sử dụng để thiết lập giới hạn phơi nhiễm cho mỗi người.

Đối với methylmercury, giới hạn phơi nhiễm dựa trên tác dụng thần kinh ở con cái của phụ nữ mang thai, trong khi đối với giới hạn thủy ngân nguyên tố được dựa trên các hiệu ứng thần kinh trong đối tượng anh ta hoặc chính cô ta.

Do tất cả những khác biệt giữa thủy ngân methyl và thủy ngân nguyên tố, nó là không chính xác để so sánh trực tiếp phơi nhiễm methylmercury với phơi nhiễm thủy ngân nguyên tố.

Cách dọn dẹp khi bóng đèn huỳnh quang bị hỏng

Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA) khuyến nghị bốn bước đơn giản sau: