Nõudepesuvahend ja pindaktiivsed ained

1.Sissejuhatus

Keemiatööstuse arenguga on inimeste elatustase pidevalt paranenud. Kuigi elu on oluliselt paranenud, on see põhjustanud ka tõsiseid keskkonnaprobleeme, mis on isegi ohustanud inimeste tervist ja ohutust. Kuna inimeste nõudmised tervise suhtes pidevalt kasvavad, on igapäevaelus kõikjal esinevate keemiatoodete ohutus pälvinud laialdast avalikkuse tähelepanu. Detergendid kui igapäevaelus ja tööstuslikus tootmises laialdaselt kasutatavad keemilised ained on tekitanud avalikkuses eriti suurt muret oma ohutuse pärast.

Keemiatoodete ohutus on kunagi sattunud usaldusväärsuse kriisi. See olukord tuleneb ühelt poolt pesuvahendite tootmise suurest sõltuvusest traditsioonilistest toorainetest ja teiselt poolt avalikkuse erialaste teadmiste puudumisest keemiliste tootmisprotsesside kohta.

Selle taustal, juhindudes rohelise keemia põhikontseptsioonist – „keskkonnareostuse vähendamine ja kõrvaldamine selle tekkekohas” –, kavandab ja arendab see uuring uusipesuvahendkoostised. Keskkonnasõbralikpindaktiivsed ainedJa selles pesuvahendi koostises on kasutatud keemilisi reagente, mis on võimelised vees mikroorganisme pärssima.

2.Praegune arendusstaatusPesuvahendid

Sellest ajast peale, kui inimkond sisenes tsiviliseeritud ühiskonda, on pesemine olnud lahutamatu osa inimelust. Umbes 5000 aastat tagasi hakkasid inimesed pesemiseks koguma looduslikke pesemissõbralikke aineid, nagu Hiina mesipuu viljad ja taimetuha aluselised komponendid. Kolmsada aastat hiljem tootsid inimesed kunstlikult pindaktiivseid aineid. Rohkem kui sajand tagasi leiutati seep. Sellest ajast alates on rasvast, leelistest, soolast, vürtsidest ja pigmentidest valmistatud seebist saanud traditsiooniline pesuvahend. Esimene kunstlikult sünteetiline pesuvahend, alküülnaftaleensulfonaat, tekkis Esimese maailmasõja ajal. Selle töötas välja Saksamaa BASF 1917. aastal ja ametlikult hakati tootmisse 1925. aastal. Sünteetiliste pesuvahendite populariseerumine toimus pärast naatriumalküülbenseensulfonaadi ja tetrapropüleenalküülbenseeni avastamist ja ametlikku tootmisse minekut aastatel 1935–1939.

3.Tõhusad koostisosad ja toimemehhanismPesuvahendid

3.1PeseminePõhimõte

Üldiselt viitab pesemine protsessile, mille käigus eemaldatakse mustus alusmaterjali pinnalt. Pesemise ajal nõrgestab või kõrvaldab pesuvahendi toime mustuse ja alusmaterjali vahelist vastastikmõju, muutes mustuse ja alusmaterjali vahelise sideme mustuse ja pesuvahendi omavaheliseks sidemeks. Lõpuks eraldatakse mustus alusmaterjalist loputamise ja muude meetodite abil. Pesemise põhiprotsessi saab väljendada järgmise lihtsa seosega:

Kandja·Mustus + Pesuvahend → Kandja +Mustus·Pesuvahend

Mustuse nakkumine esemetega jaguneb füüsikaliseks ja keemiliseks adhesiooniks. Füüsikaline adhesioon hõlmab lisaks mehaanilist adhesiooni ja elektrostaatilist adhesiooni.

Keemiline adhesioon viitab peamiselt keemiliste sidemete abil saavutatud adhesioonile. Näiteks kiudtoodetele kleepunud valguplekid ja rooste kuuluvad keemilise adhesiooni alla. Kuna seda tüüpi adhesiooni keemiline interaktsioon on üldiselt tugev, kleepub mustus tihedalt aluspinnaga ja seda on äärmiselt raske eemaldada, mis nõuab spetsiaalseid töötlusmeetodeid.

Füüsikalise adhesiooni teel kinnitunud mustuse ja aluspinna vaheline vastastikmõjujõud on suhteliselt nõrk, mistõttu on seda keemilise adhesiooniga võrreldes lihtsam eemaldada. Mehaaniliselt adhesiooniga mustust on lihtne eemaldada; seda on raske eemaldada ainult siis, kui mustuseosakesed on väikesed (<0,1 μm). Elektrostaatiline adhesioon avaldub laetud mustuseosakeste ja vastaslaengute vahelise vastastikmõjuna. See jõud on tugevam kui mehaaniline jõud, mistõttu on mustuse eemaldamine suhteliselt keeruline.

Mustuse eemaldamise pesemisprotsessi peetakse üldiselt järgmisteks etappideks:

A. Adsorptsioon: Detergentide pindaktiivsed ained adsorptsioonivad suunatud teel mustuse ja kandja vahelisel piiril.

B. Märgamine ja tungimine: Pindaktiivsete ainete suunatud adsorptsiooni tõttu pinnale tungib pesuvahend mustuse ja kandja vahele, niisutab kandjat ja vähendab mustuse ja kandja vahelist adhesioonijõudu.

C. Mustuse hajutamine ja stabiliseerimine: Kandja pinnalt eraldunud mustus hajutatakse, emulgeeritakse või lahustatakse pesuvahendi lahuses, tagades, et eraldunud mustus ei kleepu puhastatud pinnale uuesti kinni.

3.1.1 Pinnasetüübid

Muld viitab kandeainete külge kleepunud rasvastele ainetele ja selliste rasvaste ainete liimidele, millel on äärmiselt keeruline koostis. Erinevate vormide põhjal saab seda laias laastus liigitada tahkeks mullaks, vedelaks mullaks ja spetsiaalseks mullaks.

Tavaliste tahkete plekkide hulka kuuluvad rooste, tolm, süsinikmust osakesed ja muu sarnane. Nende ainete pindadel on tavaliselt negatiivsed laengud, mistõttu nad kipuvad aluspindadele kleepuma. Enamik tahketest osakestest koosnevaid plekke on vees lahustumatud, kuid neid saab kergesti dispergeerida pesuvahendeid sisaldavates vesilahustes; suuremaid tahkeid osakesi on lihtsam eemaldada. Enamik tavalisi vedelaid plekke on õlis lahustuvad ja võivad aluseliste lahustega seebistuda, mis selgitab, miks enamik pesuvahendeid on aluselised. Spetsiifilised plekkide hulka kuuluvad peamiselt kangekaelsed plekid, nagu vereplekid, taimemahl ja inimeritised. Seda tüüpi plekke eemaldavad peamiselt pleegitusvahendid, kuna pleegitusvahendite tugev oksüdeeriv omadus võib hävitada nende kromofoorsed rühmad.

3.2 Pesuainete toimeained

Pindaktiivsed ained, tuntud ka kui pindaktiivsed ained, on pesuvahendite peamised funktsionaalsed komponendid. Need lahustuvad vees kiiresti ja omavad suurepäraseid omadusi, sealhulgas dekontaminatsioon, vahustamine, lahustumine, emulgeerimine, märgamine ja dispergeerimine.

3.2.1 Pindaktiivsed ained: päritolu ja areng

Katsed on näidanud, et teatud ainete lisamine vette võib muuta selle pindpinevust ning erinevad ained avaldavad vee pindpinevusele erinevat mõju.

Pindpinevuse vähendamise omaduse seisukohast nimetatakse lahusti pindpinevust alandavat võimet pindaktiivsuseks ja pindaktiivseid aineid nimetatakse pindaktiivseteks aineteks. Aineid, mis väikestes kogustes lisades võivad lahussüsteemi faasidevahelist olekut oluliselt muuta, nimetatakse pindaktiivseteks aineteks.

Pindaktiivne aine on aine, mis väikeses annuses lahustile lisatuna võib märkimisväärselt vähendada lahusti pindpinevust ja muuta süsteemi faasidevahelist olekut. See annab tulemuseks rea funktsioone, nagu niisutamine või niiskuse eemaldamine, emulgeerimine või deemulgeerimine, dispergeerimine või flokuleerimine, vahustamine või vahu eemaldamine, solubiliseerimine, niisutamine, steriliseerimine, pehmendamine, vetthülgavus, antistaatiline omadus ja korrosioonikindlus, et rahuldada praktilisi rakendusvajadusi.

Seebipõhised pindaktiivsed ained ilmusid esmakordselt Vana-Egiptuses umbes 2500 eKr, kus muistsed egiptlased valmistasid puhastusvahendeid lambarasva ja taimetuha segust. Umbes 70. aastal pKr lõi Rooma impeeriumi valitseja Plinius esimese lambarasvast seebitüki. Seep ei saavutanud laialdast populaarsust enne 1791. aastat, kui prantsuse keemik Nicolas Leblanc avastas meetodi naatriumhüdroksiidi elektrolüüsi teel naatriumhüdroksiidi tootmiseks. Pindaktiivsete ainete väljatöötamise teise etapi produkt on kalkunipunane õli, tuntud ka kui sulfoonitud kastoorõli. See sünteesitakse kastoorõli reageerimisel kontsentreeritud väävelhappega madalal temperatuuril, millele järgneb neutraliseerimine naatriumhüdroksiidiga. Kalkunipunane õli uhkeldab suurepärase emulgeeriva võime, läbilaskvuse, märguvuse ja hajutatavusega ning ületab seepi vastupidavuse poolest karedale veele, hapetele ja metallisooladele.

3.2.2 Pindaktiivsuse struktuur

Pindaktiivsete ainete ainulaadsed omadused tulenevad nende erilisest molekulaarstruktuurist. Pindaktiivsed ained on üldiselt lineaarsed molekulid, mis sisaldavad nii hüdrofiilseid polaarseid rühmi kui ka lipofiilseid mittepolaarseid hüdrofoobseid rühmi.

Hüdrofoobsetel rühmadel on mitmekesine struktuur, näiteks sirged ahelad, hargnenud ahelad ja tsüklilised struktuurid. Kõige levinumad on süsivesinikahelad, sealhulgas alkaanid, alkeenid, tsükloalkaanid ja aromaatsed süsivesinikud, mille süsinikuaatomite arv on enamasti vahemikus 8 kuni 20. Teiste hüdrofoobsete rühmade hulka kuuluvad rasvalkoholid, alküülfenoolid ja aatomirühmad, mis sisaldavad fluori, räni ja muid elemente. Hüdrofiilsed rühmad liigitatakse anioonseteks, katioonseteks, amfoteerseteks, ioonseteks ja mitteioonseteks tüüpideks. Ioonsed pindaktiivsed ained võivad vees ioniseeruda, kandes elektrilaenguid, samas kui mitteioonsed pindaktiivsed ained ei saa vees ioniseeruda, kuid neil on polaarsus ja vees lahustuvus.

3.2.3 Levinumad kahjulikud pindaktiivsed ained

Pindaktiivseid aineid kasutatakse inimeste igapäevaelus laialdaselt, kuid need on vaieldamatult keemilised ained. Paljudel pindaktiivsete ainete toorainetel on teatud toksilisuse ja saaste omadused. Paratamatult kahjustavad need keskkonda; inimestega kokkupuutel võivad need ärritada nahka ning mõned on isegi väga mürgised ja söövitavad, põhjustades inimkehale tõsist kahju. Järgnevalt tutvustatakse mitmeid levinud kahjulikke pindaktiivseid aineid:

A. APEO

APEO on levinud mitteioonsete pindaktiivsete ainete tüüp, mis koosneb alküülosast ja etoksüosast. Alküülosa süsinikuahela pikkuse varieeruvus ja etoksüosa lisamise erinevad kogused põhjustavad arvukalt APEO vorme, millel on eri vormide vahel märkimisväärsed toimivuse erinevused. APEO sünteesiprotsessis ei ole põhiprodukt kantserogeenne, kuid selle kõrvalsaadused on nahale ja silmadele söövitavad ning mõned võivad rasketel juhtudel isegi vähki põhjustada. Kuigi see ei kahjusta organisme otseselt, kujutab APEO endast keskkonnahormoonide ohtu. Sellised keemilised ained sisenevad inimkehasse erinevatel viisidel, avaldavad östrogeenilaadset toimet, häirivad normaalset inimese hormoonide sekretsiooni ja vähendavad veelgi meeste spermatosoidide arvu. See ei ole kahjulik mitte ainult inimestele; aruanded näitavad, et selle sünteetiline tooraine NPEO põhjustab olulist kahju ka kaladele.

B. PFOSid

PFOS, täisnimega perfluorooktaansulfonaat, on üldnimetus perfluoritud pindaktiivsete ainete klassi kohta. Sellel on keskkonda võimendav toime. Oma eriliste füüsikaliste ja keemiliste omaduste tõttu on PFOS-i äärmiselt raske lagundada ning seda peetakse üheks kõige raskemini lagunevaks aineks. Pärast toiduahela kaudu loomade ja inimkehasse sattumist akumuleerub see suurtes kogustes ja ohustab tõsiselt bioloogilist tervist.

C. LAS

LAS on peamine orgaaniline saasteaine, mis põhjustab keskkonnale suurt kahju. See võib muuta mulla füüsikalisi ja keemilisi omadusi, näiteks mulla pH väärtust ja veesisaldust, pärssides seeläbi taimede kasvu. Lisaks võib LAS veekogudesse sattudes teiste saasteainetega kombineeruda, moodustades hajutatud kolloidseid osakesi ja avaldades mürgisust nii kõrgematele kui ka madalamatele organismidele.

D. Fluorosüsiniku pindaktiivsed ained

PFOA ja PFOS on kaks peamist traditsioonilist fluorosüsiniku pindaktiivset ainet. Vastavad uuringud on näidanud, et sellised ühendid on väga toksilisusega, põhjustavad püsivat keskkonnareostust ja akumuleeruvad massiliselt organismides. Seetõttu kandis ÜRO need 2009. aastal püsivate orgaaniliste saasteainete (POP) nimekirja.

4 rohelist ja uut tüüpi pindaktiivset ainet

A. Aminohapete baasil valmistatud pindaktiivsed ained

Aminohapete baasil valmistatud pindaktiivsed ained on peamiselt valmistatud biomassi toorainest, mida leidub rohkelt. Neil on madal toksilisus ja kõrvalmõjud, nad on leebetoimelised, ärritavad organisme vähe ja neil on suurepärane biolagunevus. Hüdrofiilsete rühmade laenguomaduste järgi pärast vees ioniseerimist saab neid jagada nelja kategooriasse: katioonsed, anioonsed, mitteioonsed ja amfoteersed. Levinumad tüübid on N-alküülaminohappe tüüpi, aminohappe estri tüüpi ja N-atsüülaminohappe tüüpi.

B. Ananassi ensüümi pindaktiivsed ained

Ananassi ensüümipindaktiivseid aineid toodetakse kameelia seemnejahu ja õlikoogi kääritamisel, mis jääb järele pärast õli ekstraheerimist, ananassikoore kääritamisel koos pärmipulbri, pektinaasi ja teiste mikroorganismidega. Kuigi nende toimeainete molekulaarstruktuur on ebaselge, näitavad eksperimentaalsed andmed, et neil on soodne pesuvõime.

C. SAA

SAA on palmiõli derivaat. Taastuvatest taimsetest toorainetest valmistatud tootena on see pälvinud laialdast tähelepanu. Selle tootmisprotsess on keskkonnasõbralik. Lisaks sadestab see kaltsiumisooli kõvas vees, milles on palju kaltsiumi- ja magneesiumiooni, palju aeglasemalt kui tavaliselt kasutatavad pindaktiivsed ained, näiteks LAS ja AS, mis tähendab, et see pakub praktilises rakenduses suurepärast pesuvõimet.

5 Pesuvahendi arendamise väljavaade

Ülemaailmsel pesuvahendite turul erinevad riigid oma arenguprioriteetide ja -suundumuste poolest, kuid pesuvahendite üldine uurimissuund jääb samaks. Pesuvahendite kontsentreerimine ja vedeldamine on muutunud peavoolu trendideks, samas kui vee säästmine, ohutus, energiasääst, professionaalsus, keskkonnasõbralikkus ja multifunktsionaalsus on muutunud populaarseteks arendussuundadeks. Pindaktiivsed ained, pesuvahendite põhitoorained, arenevad pehmuse, ühendite koostise ja keskkonnasõbralikkuse suunas. Ensüümpreparaadid, millel on kõrge tõhusus, spetsiifilisus ja keskkonnasõbralikkus, on muutunud pesuvahendite väljatöötamise uurimisvaldkonnaks. Üldiselt võib pesuvahendite tööstuse arengusuundumusi kokku võtta järgmiselt:

Pesuvahendite mitmekesistamine, spetsialiseerumine ja segmenteerimine. Pesuvahendeid saab jagada tahketeks, pulbrilisteks, vedelateks ja geelilisteks vormideks; toimeaine sisalduse järgi kontsentreeritud ja tavalisteks; ning pakendi, värvi ja lõhna järgi erinevatesse kategooriatesse.

Vedelpesuvahenditest saab kõige paljutõotavam tootekategooria. Võrreldes tahkete pesuvahenditega toimivad vedelpesuvahendid paremini madalal temperatuuril pesemisel, neil on paindlikum koostis ja lihtsamad tootmisprotsessid. Samuti nõuavad need väiksemaid investeeringuid seadmetesse ja tarbivad tootmise ajal vähem energiat.

Pesuvahendite järkjärguline kontsentreerimine. Alates 2009. aastast on kontsentreeritud pesuvahendid arenenud kolmeks põhikategooriaks: kontsentreeritud pesupulber, kontsentreeritud pesukapslid ja kontsentreeritud vedel pesuvahend. Kontsentreeritud pesuvahenditel on traditsiooniliste toodete ees märkimisväärsed eelised, sealhulgas kõrge toimeainete sisaldus, tugev pesuvõime ja energiasäästlikkus. Lisaks säästavad need pakkematerjale, vähendavad transpordikulusid ja võtavad tänu oma kontsentreeritud koostisele vähem laopinda.

Inimeste ohutusele orienteeritus. Elustandardi paranemisega ei hinda inimesed pesuvahendeid enam pelgalt plekieemalduse võimekuse järgi. Inimeste ohutus, mittetoksilisus ja kerge ärrituse puudumine on pesuvahendi valikul muutunud olulisteks kriteeriumiteks.

Keskkonnasõbralik tootearendus. Fosforit sisaldavate pesuvahendite põhjustatud eutrofeerumine ja pleegitusainete kahjulik keskkonnamõju on tekitanud avalikkuses laialdast muret. Rohelise keemia nõuetele vastates nihkub pesuvahendite tooraine valik järk-järgult keskkonnasõbralike ja õrnade variantide poole.

Mitmeotstarbelisus. Mitmeotstarbelisus on valdav arengusuund mitmesuguste sotsiaalsete toodete puhul ning mitmeotstarbelised igapäevased vajadused on muutunud elus tavaliseks. Tulevikus integreerivad pesuvahendid plekieemalduse selliste funktsioonidega nagu steriliseerimine, desinfitseerimine ja pleegitamine.