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

1. Selenium là gì?

Selenium (ký hiệu: Se, số nguyên tử: 34) là một 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 nghiên cứu các tạp chất trong axit sulfuric.

Trạng thái tự nhiên:

• Selenium không tồn tại nhiều ở dạng đơn chất mà chủ yếu nằm trong các quặng sulfide 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 vật lý và hóa học của Selenium

Tính chất nổi bật:

• Tính bán dẫn nhạy sáng: khả năng dẫn điện tăng lên khi tiếp xúc ánh sáng – nền tảng cho các ứng dụng trong quang điện.

• Có thể tạo hợp chất ở nhiều trạng thái oxy hóa: -2 (selenide), 0, +4 (selenite), +6 (selenate).

• Tạo liên kết dễ dàng với kim loại, chất hữu cơ và ion halogen – tính linh hoạt trong hóa học cao.

3. Nguồn gốc và trữ lượng toàn cầu

Selenium là nguyên tố hiếm, với nồng độ trung bình trong vỏ Trái Đất khoảng 0.05 ppm. Nó không được khai thác trực tiếp mà thu được như sản phẩm phụ từ tinh luyện đồng, chì, kẽm – đặc biệt từ bùn anod trong điện phân đồng.

Các quốc gia sản xuất chính:

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

• Mỹ: phần lớn sử dụng selenium nhập khẩu từ các nguồn tinh chế

Tổng sản lượng selenium toàn cầu ước tính vào 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 một nguyên tố có tính linh hoạt cao, ứng 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 selenium lại đóng vai trò thiết yếu trong chuỗi sản xuất của nhiều ngành chủ lực, 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

Trong ngành sản xuất thủy tinh và gốm, selenium là thành phần chủ chốt giúp điều chỉnh màu sắc và chất lượng sản phẩm. Các ion selen được thêm vào để khử màu xanh lục do tạp chất sắt gây ra trong kính, từ đó tạo nên thủy tinh màu trắng trong hơn hoặc màu hổ phách, đỏ ruby hấp dẫn. Điều này rất quan trọng trong ngành sản xuất chai lọ thực phẩm, bóng đèn, kính trang trí và vật liệu xây dựng cao cấp. Ngoài ra, selenium còn được dùng trong men gốm và gốm màu để tạo sắc đỏ, hồng hoặc cam ổn định, khó phai màu ở nhiệt độ cao – điều mà các chất tạo màu truyền thống thường không đảm bảo được.

4.2. Trong điện tử và thiết bị quang điện

Trong lĩnh vực điện tử và công nghệ quang điện, selenium tinh thể (dạng xám) được biết đến với tính chất bán dẫn đặc trưng và độ nhạy ánh sáng cao. Từ giữa thế kỷ 20, selenium từng 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 hiệu quả. Mặc dù ngày nay nhiều công nghệ đã chuyển sang dùng silicon hoặc vật liệu phức hợp khác, selenium vẫn giữ vai trò quan trọng trong một số lĩnh vực đặc thù như pin mặt trời màng mỏng công nghệ CIGS (Copper Indium Gallium Selenide). Pin mặt trời CIGS sử dụng selenium để tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng, đặc biệt ở điều kiện ánh sáng thấp và nhiệt độ cao, đồng thời mang lại sự linh hoạt về thiết kế do có thể được phủ lên nhiều bề mặt khác nhau như mái nhà, kính hoặc vật liệu cong. Chính nhờ vai trò này, selenium trở thành một trong những vật 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, selenium được thêm vào hợp kim chì, đồng, sắt nhằm cải thiện tính cơ học và tính gia công. Hợp kim chì – selenium có độ bền kéo và khả năng chống ăn mòn vượt trội, thường được ứng dụng trong chế tạo vỏ ắc quy axit-chì, bộ phận máy móc công nghiệp và thiết bị làm việc trong môi trường hóa chất. Hợp kim thép có bổ sung selenium được sử dụng để tăng độ chính xác khi gia công cơ khí và giảm hiện tượng nứt gãy trong quá trình làm nguội, từ đó tăng tuổi thọ và độ tin cậy của linh kiện. Đặc biệt trong ngành ô tô, máy bay và thiết bị nặng, các hợp kim có chứa selenium đã được chứng minh 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 thực phẩm chăn nuôi

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

4.5. Trong công nghiệp hóa chất và dược phẩm

Bên cạnh đó, selenium còn có mặt trong ngành hóa chất, xúc tác và dược phẩm. Dưới dạng oxit (SeO₂), selenium đóng vai trò xúc tác trong các phản ứng oxy hóa hữu cơ như tổng hợp axit cacboxylic, aldehyde và ketone – đặc biệt hiệu quả trong sản xuất hóa chất trung gian cho ngành dược. Một số hợp chất selenium hữu cơ như ebselen, diphenyl diselenide đang được nghiên cứu như những chất chống oxy hóa có tiềm năng điều trị các bệnh lý viêm mãn tính, thoái hóa thần kinh và thậm chí là nhiễm virus. Gần đây, trong lĩnh vực dược phẩm tái tạo và cá thể hóa, selenium còn được sử dụng để phát triển các loại vật liệu nano sinh học tự phân hủy có khả năng dẫn thuốc chính xác vào khối u hoặc mô tổn thương.

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

Selenium là một nguyên tố vi lượng thiết yếu đối với 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 loại enzyme và protein selen (selenoproteins)

• Chống oxy hóa, giảm viêm

• Điều hòa chức năng tuyến giáp

• Tăng cường hệ miễn dịch

Thiếu hụt selenium có thể gây:

• 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

Quá liều selenium gây:

• 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 selenium là điều kiện bắt buộc để duy trì sức khỏe lâu dài – cả thiếu và thừa đều nguy hiểm.

6. Tác động môi trường và an toàn

Selenium dư thừa từ phân bón, thức ăn chăn nuôi hoặc chất thải công nghiệp có thể gây ô nhiễm đất và nguồn nước.
Tích lũy selenium trong thủy sinh vật có thể gây ảnh hưởng đến sinh sản của cá và chim nước ngọt.
Yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt trong xử lý rác thải selenium tại các cơ sở luyện kim và sản xuất hóa chất.

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

Tuy nhiên, với đặc điểm "vừa là thuốc – vừa là độc", selenium cần được sử dụng một cách kiểm soát và bền vững, nhằm khai thác tối đa tiềm năng mà vẫn bảo vệ sức khỏe và môi trường sống của con người.