سائل غسيل الأطباق والمواد الفعالة سطحياً

1.مقدمة

مع تطور الصناعات الكيميائية، تحسّنت مستويات معيشة الناس باستمرار. ورغم هذا التحسّن الكبير، فقد تسبب أيضاً في مشاكل بيئية خطيرة، بل وهدد صحة الإنسان وسلامته. ومع تزايد اهتمام الناس بالصحة، باتت سلامة المنتجات الكيميائية المنتشرة في الحياة اليومية محط اهتمام عام واسع. وقد حظيت المنظفات، باعتبارها مواد كيميائية شائعة الاستخدام في الحياة اليومية والإنتاج الصناعي، باهتمام عام بالغ بشأن سلامتها.

لقد تعرضت سلامة المنتجات الكيميائية لأزمة مصداقية في وقت من الأوقات. ويعود هذا الوضع من جهة إلى الاعتماد الكبير في إنتاج المنظفات على المواد الخام التقليدية، ومن جهة أخرى إلى افتقار الجمهور للمعرفة المتخصصة بعمليات الإنتاج الكيميائي.

في هذا السياق، واسترشادًا بالمفهوم الأساسي للكيمياء الخضراء - "الحد من التلوث البيئي والقضاء عليه من مصدره" - تقوم هذه الدراسة بتصميم وتطوير منتجات جديدةمنظفتركيبات صديقة للبيئةالمواد الخافضة للتوتر السطحيوتم اعتماد الكواشف الكيميائية القادرة على تثبيط الكائنات الحية الدقيقة في الماء في تركيبة هذا المنظف.

2.الوضع الحالي لتطويرالمنظفات

منذ أن دخل الإنسان في الحضارة، كانت أنشطة الغسيل جزءًا لا يتجزأ من حياته. قبل حوالي 5000 عام، بدأ الإنسان بجمع مواد طبيعية مناسبة للغسيل، مثل ثمار الخروب الصيني والمكونات القلوية الموجودة في رماد النباتات. وبعد 300 عام، تمكن الإنسان من إنتاج المواد الفعالة سطحيًا صناعيًا. ومنذ أكثر من قرن، تم اختراع الصابون. ومنذ ذلك الحين، أصبح الصابون المصنوع من الشحوم والقلويات والملح والتوابل والأصباغ منظفًا تقليديًا. ظهر أول منظف صناعي، وهو ألكيل نفثالين سلفونات، خلال الحرب العالمية الأولى. طورته شركة BASF الألمانية عام 1917 وبدأ إنتاجه رسميًا عام 1925. وانتشر استخدام المنظفات الصناعية على نطاق واسع بعد اكتشاف ألكيل بنزين سلفونات الصوديوم وتترا بروبيلين ألكيل بنزين، وبدأ إنتاجهما رسميًا بين عامي 1935 و1939.

3.المكونات الفعالة وآلية عملالمنظفات

3.1غسلمبدأ

يشير الغسيل، بمعناه العام، إلى عملية إزالة الأوساخ من سطح الحامل. أثناء الغسيل، يُضعف مفعول المنظف أو يُزيل التفاعل بين الأوساخ والحامل، مُحوّلاً حالة ارتباط الأوساخ بالحامل إلى حالة ارتباط الأوساخ بالمنظف. في النهاية، تُفصل الأوساخ عن الحامل عن طريق الشطف وغيره من الطرق. يمكن التعبير عن عملية الغسيل الأساسية بالعلاقة البسيطة التالية:

حامل·أوساخ + منظف → حامل + أوساخ·منظف

ينقسم التصاق الأوساخ بالأجسام إلى نوعين: الالتصاق الفيزيائي والالتصاق الكيميائي. ويشمل الالتصاق الفيزيائي بدوره الالتصاق الميكانيكي والالتصاق الكهروستاتيكي.

يشير الالتصاق الكيميائي بشكل أساسي إلى الالتصاق الناتج عن الروابط الكيميائية. على سبيل المثال، تُعدّ بقع البروتين والصدأ الملتصقة بالألياف مثالاً على الالتصاق الكيميائي. ونظرًا لقوة التفاعل الكيميائي لهذا النوع من الالتصاق، فإن الأوساخ تلتصق بقوة بالسطح ويصعب إزالتها للغاية، مما يستدعي استخدام أساليب معالجة خاصة.

تكون قوة التفاعل بين الأوساخ الملتصقة بالسطح بفعل الالتصاق الفيزيائي ضعيفة نسبيًا، مما يسهل إزالتها مقارنةً بالالتصاق الكيميائي. يسهل إزالة الأوساخ الملتصقة ميكانيكيًا، ولا يصعب التخلص منها إلا إذا كانت جزيئات الأوساخ صغيرة جدًا (أقل من 0.1 ميكرومتر). أما الالتصاق الكهروستاتيكي فيتجلى في التفاعل بين جزيئات الأوساخ المشحونة بشحنات معاكسة. هذه القوة أقوى من القوة الميكانيكية، مما يجعل إزالة الأوساخ منها أكثر صعوبة.

تعتبر عملية غسل الأوساخ بشكل عام أنها تشمل المراحل التالية:

أ. الامتزاز: تخضع المواد الفعالة بالسطح في المنظفات للامتزاز الاتجاهي عند السطح الفاصل بين الأوساخ والمادة الحاملة.

ب. التبلل والاختراق: نظرًا للامتصاص الاتجاهي بين الأسطح للمواد الخافضة للتوتر السطحي، يمكن للمنظف أن يخترق بين الأوساخ والحامل، ويبلل الحامل، ويقلل من قوة الالتصاق بين الأوساخ والحامل.

ج. تشتيت الأوساخ وتثبيتها: يتم تشتيت الأوساخ المنفصلة عن سطح الحامل أو استحلابها أو إذابتها في محلول المنظف، مما يضمن عدم إعادة التصاق الأوساخ المنفصلة بالسطح النظيف.

3.1.1 أنواع التربة

يشير مصطلح التربة إلى المواد الدهنية الملتصقة بحواملها، بالإضافة إلى المواد اللاصقة لهذه المواد الدهنية، وتتميز بتركيب معقد للغاية. وبناءً على أشكالها المختلفة، يمكن تصنيفها تقريبًا إلى تربة صلبة، وتربة سائلة، وتربة خاصة.

تشمل الأوساخ الصلبة الشائعة الصدأ والغبار وجزيئات الكربون الأسود وما شابهها. تحمل أسطح هذه المواد عادةً شحنات سالبة، مما يجعلها عرضة للالتصاق بالأسطح. معظم الأوساخ الصلبة الجزيئية غير قابلة للذوبان في الماء، ومع ذلك يمكن تشتيتها بسهولة في المحاليل المائية التي تحتوي على المنظفات؛ فالجزيئات الصلبة الأكبر حجمًا أسهل في الإزالة. معظم الأوساخ السائلة الشائعة قابلة للذوبان في الزيت ويمكن أن تخضع لعملية التصبن مع المحاليل القلوية، مما يفسر سبب كون معظم المنظفات قلوية. تشير الأوساخ الخاصة بشكل أساسي إلى البقع المستعصية مثل بقع الدم وعصارة النبات والإفرازات البشرية. تتم إزالة هذا النوع من الأوساخ بشكل أساسي بواسطة المبيضات، حيث أن خاصية الأكسدة القوية للمبيضات يمكن أن تدمر مجموعاتها الكروموفورية.

3.2 المكونات الفعالة في المنظفات

المواد الفعالة سطحياً، والمعروفة أيضاً باسم المواد النشطة سطحياً، هي المكونات الوظيفية الأساسية في المنظفات. تذوب هذه المواد بسرعة في الماء وتتميز بخصائص ممتازة تشمل إزالة التلوث، وتكوين الرغوة، والإذابة، والاستحلاب، والترطيب، والتشتيت.

3.2.1 المواد الفعالة بالسطح: الأصل والتطور

أظهرت التجارب أن إضافة مواد معينة إلى الماء يمكن أن تغير توتره السطحي، وأن المواد المختلفة تمارس تأثيرات متفاوتة على التوتر السطحي للماء.

فيما يتعلق بخاصية خفض التوتر السطحي، تُعرف القدرة على خفض التوتر السطحي للمذيب بالنشاط السطحي، وتُسمى المواد ذات النشاط السطحي بالمواد الفعالة سطحياً. أما المواد التي تُحدث تغييراً ملحوظاً في حالة السطح البيني لنظام محلول عند إضافتها بكميات صغيرة، فتُعرف بالمواد الفعالة سطحياً.

المادة الفعالة سطحياً هي مادة، عند إضافتها إلى مذيب بجرعة ضئيلة، تُقلل بشكل ملحوظ من التوتر السطحي للمذيب وتُغير حالة السطح البيني للنظام. وهذا يُؤدي إلى سلسلة من الوظائف مثل التبلل أو عدم التبلل، والاستحلاب أو فصل الاستحلاب، والتشتيت أو التلبد، والتكوين الرغوي أو إزالة الرغوة، والإذابة، والترطيب، والتعقيم، والتليين، وطرد الماء، ومقاومة الكهرباء الساكنة، ومقاومة التآكل، لتلبية متطلبات التطبيقات العملية.

ظهرت المواد الخافضة للتوتر السطحي المصنوعة من الصابون لأول مرة في مصر القديمة حوالي عام 2500 قبل الميلاد، حيث كان المصريون القدماء يصنعون منتجات التنظيف من خليط من دهن الضأن ورماد النباتات. وفي حوالي عام 70 ميلادي، ابتكر بليني الروماني أول قالب صابون من دهن الضأن. لم يكتسب الصابون شعبية واسعة حتى عام 1791، عندما اكتشف الكيميائي الفرنسي نيكولا لوبلان طريقة إنتاج الصودا الكاوية عن طريق التحليل الكهربائي لكلوريد الصوديوم. ومن منتجات المرحلة الثانية لتطوير المواد الخافضة للتوتر السطحي زيت الخروع الأحمر، المعروف أيضًا باسم زيت الخروع المُسلفن. يُصنع هذا الزيت عن طريق تفاعل زيت الخروع مع حمض الكبريتيك المركز في درجة حرارة منخفضة، ثم معادلته بهيدروكسيد الصوديوم. يتميز زيت الخروع الأحمر بقدرة استحلاب فائقة، ونفاذية عالية، وقابلية ترطيب وانتشار ممتازة، ويتفوق على الصابون في مقاومته للماء العسر والأحماض وأملاح المعادن.

3.2.2 بنية النشاط السطحي

تنبع الخصائص الفريدة للمواد الفعالة سطحياً من بنيتها الجزيئية الخاصة. وهي عموماً جزيئات خطية تحتوي على مجموعات قطبية محبة للماء ومجموعات كارهة للماء غير قطبية محبة للدهون.

تتنوع بنى المجموعات الكارهة للماء، فتشمل السلاسل المستقيمة والمتفرعة والحلقية. وأكثرها شيوعًا سلاسل الهيدروكربونات، بما فيها الألكانات والألكينات والألكانات الحلقية والهيدروكربونات العطرية، حيث يتراوح عدد ذرات الكربون في معظمها بين 8 و20 ذرة. وتشمل المجموعات الكارهة للماء الأخرى الكحولات الدهنية، والألكيل فينولات، والمجموعات الذرية التي تحتوي على الفلور والسيليكون وعناصر أخرى. أما المجموعات المحبة للماء، فتُصنف إلى أنواع أنيونية وكاتيونية وأيونية مذبذبة وغير أيونية. وتستطيع المواد الفعالة بالسطح الأيونية التأين في الماء حاملةً الشحنات الكهربائية، بينما لا تستطيع المواد الفعالة بالسطح غير الأيونية التأين في الماء، ولكنها تتميز بقطبية وذوبان في الماء.

3.2.3 المواد الخافضة للتوتر السطحي الضارة الشائعة

تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي على نطاق واسع في الحياة اليومية، ومع ذلك فهي مواد كيميائية بلا شك. تتميز العديد من المواد الخام المستخدمة في تصنيعها بخصائص سامة وملوثة. ولا شك أنها تُلحق الضرر بالبيئة؛ فعند ملامستها للبشر، قد تُسبب تهيجًا للجلد، بل إن بعضها يتميز بسمية عالية وقدرة على التآكل، مما يُلحق أضرارًا جسيمة بالجسم. فيما يلي عرض لبعض المواد الخافضة للتوتر السطحي الضارة الشائعة:

أ. أبيو

يُعدّ APEO نوعًا شائعًا من المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية، ويتكون من جزء ألكيلي وجزء إيثوكسي. وتؤدي الاختلافات في أطوال السلاسل الكربونية للجزء الألكيلي وكميات إضافة الجزء الإيثوكسي إلى ظهور أشكال عديدة من APEO، تتفاوت في أدائها بشكل ملحوظ. في عملية تصنيع APEO، يكون المنتج الرئيسي غير مسرطن، لكن منتجاته الثانوية تُسبب تآكلًا للجلد والعينين، وقد يُسبب بعضها السرطان في الحالات الشديدة. ورغم أنه لا يُلحق ضررًا مباشرًا بالكائنات الحية، إلا أن APEO يُشكل خطرًا على الهرمونات البيئية. إذ تدخل هذه المواد الكيميائية إلى جسم الإنسان عبر مسارات مختلفة، وتُمارس تأثيرات شبيهة بالإستروجين، وتُخلّ بتوازن الهرمونات الطبيعية، وتُقلل من عدد الحيوانات المنوية لدى الذكور. ولا يقتصر ضرره على الإنسان فحسب، بل تُشير التقارير إلى أن مادته الخام الاصطناعية NPEO تُسبب أيضًا أضرارًا جسيمة للأسماك.

ب. PFOS

مادة PFOS، واسمها الكامل بيرفلوروكتان سلفونات، هي مصطلح عام يُطلق على فئة من المواد الخافضة للتوتر السطحي المشبعة بالفلور. ولها تأثير مُضخِّم على البيئة. ونظرًا لخصائصها الفيزيائية والكيميائية الخاصة، يصعب تحلل PFOS للغاية، وتُعتبر من أكثر المواد مقاومةً للتحلل. وبعد دخولها إلى أجسام الحيوانات والإنسان عبر السلسلة الغذائية، تتراكم بكميات كبيرة، مما يُهدد الصحة العامة بشكلٍ خطير.

ج. لاس

يُعدّ مركب LAS من الملوثات العضوية الرئيسية التي تُلحق ضرراً بالغاً بالبيئة. فهو يُغيّر الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة، مثل درجة حموضتها ومحتواها المائي، مما يُعيق نمو النباتات. إضافةً إلى ذلك، عند دخوله المسطحات المائية، يتحد LAS مع ملوثات أخرى مُشكّلاً جزيئات غروانية مُنتشرة، ويُظهر سميةً للكائنات الحية الصغيرة والكبيرة.

د. المواد الخافضة للتوتر السطحي الفلوروكربونية

يُعدّ كلٌّ من حمض البيرفلوروكتانويك (PFOA) وحمض البيرفلوروكتان سلفونيك (PFOS) من أبرز المواد الخافضة للتوتر السطحي الفلوروكربونية التقليدية. وقد أظهرت الدراسات ذات الصلة أن هذه المركبات شديدة السمية، وتسبب تلوثًا بيئيًا مستمرًا، وتتراكم بكميات هائلة في الكائنات الحية. ونتيجةً لذلك، أدرجتها الأمم المتحدة ضمن قائمة الملوثات العضوية الثابتة (POPs) في عام 2009.

4. المواد الخافضة للتوتر السطحي الخضراء والجديدة

أ. المواد الخافضة للتوتر السطحي القائمة على الأحماض الأمينية

تُصنع المواد الخافضة للتوتر السطحي القائمة على الأحماض الأمينية بشكل أساسي من مواد خام حيوية وفيرة المصدر. وتتميز بانخفاض سميتها وآثارها الجانبية، وخصائصها اللطيفة، وقلة تهيجها للكائنات الحية، وقابليتها الممتازة للتحلل الحيوي. وبناءً على خصائص شحنة المجموعات المحبة للماء بعد تأينها في الماء، يمكن تصنيفها إلى أربع فئات: كاتيونية، وأنيونية، وغير أيونية، ومذبذبة. ومن الأنواع الشائعة: نوع N-ألكيل الأحماض الأمينية، ونوع إسترات الأحماض الأمينية، ونوع N-أسيل الأحماض الأمينية.

ب. المواد الخافضة للتوتر السطحي من إنزيمات الأناناس

تُنتَج المواد الخافضة للتوتر السطحي المُستخلصة من إنزيمات الأناناس عن طريق تخمير مسحوق بذور الكاميليا وكسب الزيت المتبقي بعد استخلاص الزيت، وقشر الأناناس، بالإضافة إلى مسحوق الخميرة والبكتيناز وكائنات دقيقة أخرى. ورغم أن التركيب الجزيئي لمكوناتها النشطة لا يزال غير واضح، إلا أن البيانات التجريبية تُثبت فعاليتها في عمليات التنظيف.

ج. إس إيه إيه

مادة SAA مشتقة من زيت النخيل. وباعتبارها منتجًا مصنوعًا من مواد نباتية خام متجددة، فقد حظيت باهتمام واسع. وتتميز عملية إنتاجها بأنها صديقة للبيئة. علاوة على ذلك، في الماء العسر ذي المحتوى العالي من أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم، فإنها ترسب أملاح الكالسيوم ببطء شديد مقارنةً بالمواد الخافضة للتوتر السطحي الشائعة الاستخدام مثل LAS وAS، مما يعني أنها توفر فعالية تنظيف فائقة في التطبيقات العملية.

5. آفاق تطوير المنظفات

تختلف الدول في أولوياتها واتجاهاتها التنموية في سوق المنظفات العالمي، إلا أن التوجه البحثي العام لمنتجات المنظفات يظل ثابتًا. وقد أصبح تركيز المنظفات وتسييلها من الاتجاهات السائدة، بينما برزت ترشيد استهلاك المياه، والسلامة، وتوفير الطاقة، والاحترافية، والملاءمة البيئية، وتعدد الوظائف كاتجاهات تطويرية شائعة. وتتطور المواد الفعالة بالسطح، وهي المواد الخام الأساسية للمنظفات، نحو مزيد من اللطف، وتركيبات أكثر فعالية، وملاءمة بيئية. أما مستحضرات الإنزيمات، التي تتميز بكفاءة عالية، وتخصص دقيق، وملاءمة بيئية، فقد أصبحت محورًا رئيسيًا للبحث في تطوير المنظفات. وبشكل عام، يمكن تلخيص اتجاهات تطوير صناعة المنظفات على النحو التالي:

تنويع منتجات المنظفات وتخصصها وتقسيمها إلى فئات. يمكن تقسيم المنظفات إلى أنواع صلبة ومسحوقة وسائلة وجل حسب الشكل؛ وأنواع مركزة وعادية حسب محتوى المكونات الفعالة؛ وفئات مختلفة حسب التعبئة واللون والرائحة.

ستصبح المنظفات السائلة الفئة الأكثر واعدة من بين المنتجات. فمقارنةً بالمنظفات الصلبة، تتفوق المنظفات السائلة في أداء الغسيل بدرجات حرارة منخفضة، وتتميز بتركيبة أكثر مرونة وعمليات إنتاج أبسط. كما أنها تتطلب استثمارات أقل في المعدات وتستهلك طاقة أقل أثناء الإنتاج.

تطورت منتجات المنظفات المركزة منذ عام ٢٠٠٩ لتشمل ثلاث فئات رئيسية: مسحوق الغسيل المركز، وكبسولات الغسيل المركزة، وسائل الغسيل المركز. تتميز المنظفات المركزة بمزايا ملحوظة مقارنةً بالمنتجات التقليدية، بما في ذلك محتواها العالي من المواد الفعالة، وقوة تنظيفها الفائقة، وكفاءتها في استهلاك الطاقة. إضافةً إلى ذلك، فهي توفر مواد التعبئة والتغليف، وتقلل تكاليف النقل، وتشغل مساحة تخزين أقل بفضل تركيبتها المركزة.

مراعاة سلامة الإنسان. مع تحسن مستويات المعيشة، لم يعد الناس يقيمون المنظفات بناءً على قدرتها على إزالة البقع فقط. فقد أصبحت سلامة الإنسان، وعدم سميتها، ولطفها على البشرة معايير أساسية لاختيار المنظفات.

تطوير منتجات صديقة للبيئة. أثارت ظاهرة التخثث الناتجة عن المنظفات المحتوية على الفوسفور، والآثار البيئية السلبية لمواد التبييض، قلقًا عامًا واسع النطاق. واستجابةً لمتطلبات الكيمياء الخضراء، يتجه اختيار المواد الخام للمنظفات تدريجيًا نحو خيارات صديقة للبيئة ولطيفة على البشرة.

تعد تعددية الوظائف اتجاهاً تطويرياً سائداً في مختلف المنتجات الاجتماعية، وأصبحت المستلزمات اليومية متعددة الأغراض شائعة في حياتنا. في المستقبل، ستدمج المنظفات إزالة البقع مع وظائف أخرى مثل التعقيم والتطهير والتبييض.