مایع ظرفشویی و سورفکتانت‌ها

1.مقدمه

با توسعه صنایع شیمیایی، استانداردهای زندگی مردم به طور مداوم بهبود یافته است. در حالی که زندگی به میزان قابل توجهی بهبود یافته است، مشکلات زیست محیطی شدیدی نیز ایجاد شده است که حتی سلامت و ایمنی انسان را به خطر می‌اندازد. با افزایش تقاضای مردم برای سلامتی، ایمنی محصولات شیمیایی که در زندگی روزمره رایج هستند، توجه گسترده مردم را به خود جلب کرده است. مواد شوینده، به عنوان مواد شیمیایی که به طور گسترده در زندگی روزمره و تولیدات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند، نگرانی عمومی زیادی را در مورد ایمنی خود به وجود آورده‌اند.

ایمنی محصولات شیمیایی دچار بحران اعتبار شده است. این وضعیت از یک سو ناشی از وابستگی شدید تولید مواد شوینده به مواد اولیه سنتی و از سوی دیگر ناشی از فقدان دانش حرفه‌ای عموم مردم در مورد فرآیندهای تولید مواد شیمیایی است.

در این زمینه، با هدایت مفهوم اصلی شیمی سبز - "کاهش و حذف آلودگی محیط زیست در منبع" - این مطالعه طرح‌های جدیدی را طراحی و توسعه می‌دهد.مواد شویندهفرمولاسیون‌ها. سازگار با محیط زیستسورفکتانت‌هاو واکنشگرهای شیمیایی که قادر به مهار میکروارگانیسم‌های موجود در آب هستند، در فرمولاسیون این شوینده به کار گرفته شده‌اند.

2.وضعیت توسعه فعلیمواد شوینده

از زمانی که بشریت وارد جامعه متمدن شد، فعالیت‌های شستشو همواره بخش جدایی‌ناپذیر زندگی بشر بوده است. حدود ۵۰۰۰ سال پیش، انسان‌ها شروع به جمع‌آوری مواد طبیعی مناسب برای شستشو مانند میوه‌های خرنوب چینی و اجزای قلیایی موجود در خاکستر گیاهان برای اهداف شستشو کردند. سیصد سال بعد، سورفکتانت‌ها به صورت مصنوعی توسط انسان‌ها تولید شدند. بیش از یک قرن پیش، صابون اختراع شد. از آن زمان، صابون ساخته شده از گریس، قلیا، نمک، ادویه‌ها و رنگدانه‌ها به یک شوینده سنتی تبدیل شده است. اولین شوینده مصنوعی، آلکیل نفتالین سولفونات، در طول جنگ جهانی اول پدیدار شد. این ماده توسط شرکت BASF آلمان در سال ۱۹۱۷ توسعه یافت و رسماً در سال ۱۹۲۵ به تولید رسید. محبوبیت شوینده‌های مصنوعی پس از کشف سدیم آلکیل بنزن سولفونات و تتراپروپیلن آلکیل بنزن و راه‌اندازی رسمی تولید آنها بین سال‌های ۱۹۳۵ تا ۱۹۳۹ رخ داد.

3.ترکیبات مؤثر و مکانیسم اثرمواد شوینده

۳.۱شستشواصل

شستشو به معنای کلی به فرآیند زدودن آلودگی از سطح یک حامل اشاره دارد. در طول شستشو، عمل شوینده، برهمکنش بین آلودگی و حامل را تضعیف یا از بین می‌برد و حالت پیوند آلودگی و حامل را به حالت پیوند آلودگی و شوینده تبدیل می‌کند. در نهایت، آلودگی از طریق آبکشی و روش‌های دیگر از حامل جدا می‌شود. فرآیند اساسی عمل شستشو را می‌توان با رابطه ساده زیر بیان کرد:

حامل · کثیفی + شوینده → حامل + کثیفی · شوینده

چسبندگی آلودگی به اجسام به چسبندگی فیزیکی و چسبندگی شیمیایی تقسیم می‌شود. چسبندگی فیزیکی خود شامل چسبندگی مکانیکی و چسبندگی الکترواستاتیکی است.

چسبندگی شیمیایی عمدتاً به چسبندگی حاصل از پیوندهای شیمیایی اشاره دارد. به عنوان مثال، لکه‌های پروتئینی و زنگ‌زدگی چسبیده به الیاف، چسبندگی شیمیایی محسوب می‌شوند. از آنجایی که نیروی برهمکنش شیمیایی این نوع چسبندگی عموماً قوی است، آلودگی به طور محکم با سطح ترکیب شده و حذف آن بسیار دشوار است و نیاز به روش‌های خاص دارد.

نیروی برهمکنش بین کثیفی متصل شده توسط چسبندگی فیزیکی و زیرلایه نسبتاً ضعیف است و در مقایسه با چسبندگی شیمیایی، حذف آن را آسان‌تر می‌کند. کثیفی با چسبندگی مکانیکی به راحتی حذف می‌شود؛ حذف آن تنها زمانی دشوار است که ذرات کثیفی کوچک باشند (<0.1 میکرومتر). چسبندگی الکترواستاتیک به صورت برهمکنش بین ذرات کثیفی باردار و بارهای مخالف ظاهر می‌شود. این نیرو از نیروی مکانیکی قوی‌تر است و در نتیجه حذف کثیفی نسبتاً دشوار است.

فرآیند شستشوی حذف آلودگی به طور کلی شامل مراحل زیر در نظر گرفته می‌شود:

الف. جذب سطحی: سورفکتانت‌های موجود در شوینده‌ها در سطح مشترک بین آلودگی و حامل، جذب جهت‌دار می‌شوند.

ب. خیساندن و نفوذ: به دلیل جذب سطحی جهت‌دار سورفکتانت‌ها، شوینده می‌تواند بین آلودگی و حامل نفوذ کند، حامل را خیس کند و نیروی چسبندگی بین آلودگی و حامل را کاهش دهد.

ج. پراکندگی و تثبیت آلودگی: آلودگی جدا شده از سطح حامل، در محلول شوینده پراکنده، امولسیون یا حل می‌شود و اطمینان حاصل می‌شود که آلودگی جدا شده دوباره به سطح تمیز شده متصل نمی‌شود.

۳.۱.۱ انواع خاک

خاک به مواد چرب چسبیده به حامل‌ها و همچنین چسب‌های این مواد چرب اشاره دارد که دارای ترکیب بسیار پیچیده‌ای هستند. بر اساس اشکال مختلف، می‌توان آن را تقریباً به خاک جامد، خاک مایع و خاک ویژه طبقه‌بندی کرد.

خاک‌های جامد رایج شامل زنگ‌زدگی، گرد و غبار، ذرات کربن سیاه و موارد مشابه هستند. سطوح این مواد معمولاً بارهای منفی دارند و همین امر آنها را مستعد چسبیدن به زیرلایه‌ها می‌کند. اکثر خاک‌های جامد ذره‌ای در آب نامحلول هستند، با این حال می‌توانند به راحتی در محلول‌های آبی حاوی مواد شوینده پراکنده شوند. ذرات جامد بزرگتر راحت‌تر حذف می‌شوند. اکثر خاک‌های مایع رایج در روغن محلول هستند و می‌توانند با محلول‌های قلیایی صابونی شوند، که توضیح می‌دهد چرا اکثر مواد شوینده قلیایی هستند. خاک‌های ویژه عمدتاً به لکه‌های سرسختی مانند لکه‌های خون، شیره گیاهان و ترشحات انسانی اشاره دارند. این نوع خاک در درجه اول توسط سفیدکننده‌ها حذف می‌شود، زیرا خاصیت اکسیدکنندگی قوی سفیدکننده‌ها می‌تواند گروه‌های کروموفوریک آنها را از بین ببرد.

۳.۲ مواد تشکیل دهنده فعال در مواد شوینده

سورفکتانت‌ها، که به عنوان مواد فعال سطحی نیز شناخته می‌شوند، اجزای اصلی عملکردی در شوینده‌ها هستند. آن‌ها به سرعت در آب حل می‌شوند و خواص عالی از جمله رفع آلودگی، کف کردن، انحلال، امولسیون‌سازی، مرطوب‌کنندگی و پراکندگی را از خود نشان می‌دهند.

۳.۲.۱ سورفکتانت‌ها: منشأ و توسعه

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که افزودن مواد خاص به آب می‌تواند کشش سطحی آن را تغییر دهد و مواد مختلف اثرات متفاوتی بر کشش سطحی آب دارند.

از نظر خاصیت کاهش کشش سطحی، توانایی کاهش کشش سطحی یک حلال به عنوان فعالیت سطحی تعریف می‌شود و موادی که فعالیت سطحی دارند، مواد فعال سطحی نامیده می‌شوند. موادی که می‌توانند حالت بین سطحی یک سیستم محلول را هنگام افزودن به مقدار کم به طور قابل توجهی تغییر دهند، سورفکتانت نامیده می‌شوند.

سورفکتانت ماده‌ای است که وقتی با دوز کمی به یک حلال اضافه می‌شود، می‌تواند کشش سطحی حلال را به طور قابل توجهی کاهش داده و حالت بین سطحی سیستم را تغییر دهد. این امر منجر به مجموعه‌ای از عملکردها مانند تر کردن یا آب کردن، امولسیون‌سازی یا امولسیون‌زدایی، پراکندگی یا لخته‌سازی، کف کردن یا کف‌زدایی، انحلال‌پذیری، مرطوب‌کنندگی، استریلیزاسیون، نرم‌کنندگی، دفع آب، خاصیت آنتی‌استاتیک و مقاومت در برابر خوردگی می‌شود تا نیازهای کاربردی عملی را برآورده کند.

سورفکتانت‌های صابونی برای اولین بار در مصر باستان حدود ۲۵۰۰ سال قبل از میلاد مسیح ظاهر شدند، جایی که مصریان باستان محصولات پاک‌کننده را از مخلوطی از چربی گوسفند و خاکستر گیاهان می‌ساختند. حدود ۷۰ میلادی، پلینی از امپراتوری روم اولین قالب صابون چربی گوسفند را ساخت. صابون تا سال ۱۷۹۱ محبوبیت گسترده‌ای پیدا نکرد، زمانی که شیمیدان فرانسوی نیکولاس لبلانک روش تولید سود سوزآور را از طریق الکترولیز کلرید سدیم کشف کرد. محصول مرحله دوم توسعه سورفکتانت، روغن قرمز ترکیه است که به روغن کرچک سولفونه شده نیز معروف است. این روغن با واکنش روغن کرچک با اسید سولفوریک غلیظ در دمای پایین و به دنبال آن خنثی‌سازی با هیدروکسید سدیم سنتز می‌شود. روغن قرمز ترکیه دارای قدرت امولسیون‌کنندگی، نفوذپذیری، ترشوندگی و انتشارپذیری فوق‌العاده‌ای است و در مقاومت در برابر آب سخت، اسید و نمک‌های فلزی از صابون بهتر عمل می‌کند.

۳.۲.۲ ساختار فعالیت سطحی

خواص منحصر به فرد سورفکتانت‌ها از ساختار مولکولی ویژه آنها ناشی می‌شود. سورفکتانت‌ها عموماً مولکول‌های خطی هستند که هم شامل گروه‌های قطبی آبدوست و هم گروه‌های آبگریز غیرقطبی چربی‌دوست می‌باشند.

گروه‌های آبگریز ساختارهای متنوعی مانند زنجیره‌های مستقیم، زنجیره‌های شاخه‌دار و ساختارهای حلقوی دارند. رایج‌ترین آنها زنجیره‌های هیدروکربنی شامل آلکان‌ها، آلکن‌ها، سیکلوآلکان‌ها و هیدروکربن‌های آروماتیک هستند که اکثر تعداد اتم‌های کربن آنها بین ۸ تا ۲۰ است. سایر گروه‌های آبگریز شامل الکل‌های چرب، آلکیل فنول‌ها و گروه‌های اتمی حاوی فلوئور، سیلیکون و سایر عناصر هستند. گروه‌های آبدوست به انواع آنیونی، کاتیونی، آمفوتریک، یونی و غیر یونی طبقه‌بندی می‌شوند. سورفکتانت‌های یونی می‌توانند در آب یونیزه شوند تا بارهای الکتریکی را حمل کنند، در حالی که سورفکتانت‌های غیر یونی نمی‌توانند در آب یونیزه شوند اما قطبیت و حلالیت در آب دارند.

۳.۲.۳ سورفکتانت‌های مضر رایج

سورفکتانت‌ها به طور گسترده در زندگی روزمره انسان مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما بدون شک مواد شیمیایی هستند. بسیاری از مواد اولیه برای سورفکتانت‌ها دارای سمیت و خواص آلودگی خاصی هستند. ناگزیر، آنها به محیط زیست آسیب می‌رسانند. در صورت تماس با انسان، می‌توانند پوست را تحریک کنند و برخی حتی دارای سمیت و خورندگی قوی هستند و آسیب‌های شدیدی به بدن انسان وارد می‌کنند. در ادامه چندین سورفکتانت مضر رایج معرفی می‌شوند:

الف. APEO

APEO نوع رایجی از سورفکتانت غیر یونی است که از یک بخش آلکیل و یک بخش اتوکسی تشکیل شده است. طول زنجیره کربنی متغیر بخش آلکیل و مقادیر مختلف افزودن بخش اتوکسی منجر به اشکال مختلف APEO با تفاوت‌های عملکردی قابل توجه در بین اشکال مختلف می‌شود. در فرآیند سنتز APEO، محصول اصلی غیر سرطان‌زا است، اما محصولات جانبی آن برای پوست و چشم خورنده هستند و برخی حتی در موارد شدید می‌توانند باعث سرطان شوند. اگرچه APEO به طور مستقیم به موجودات زنده آسیب نمی‌رساند، اما خطر هورمونی محیطی را ایجاد می‌کند. چنین مواد شیمیایی از طریق مسیرهای مختلف وارد بدن انسان می‌شوند، اثرات شبه استروژنی اعمال می‌کنند، ترشح طبیعی هورمون انسان را مختل می‌کنند و تعداد اسپرم مردان را بیشتر کاهش می‌دهند. این ماده نه تنها برای انسان مضر است؛ گزارش‌ها نشان می‌دهد که ماده اولیه مصنوعی آن، NPEO، آسیب قابل توجهی به ماهی‌ها نیز وارد می‌کند.

ب. PFOS

PFOS که با نام کامل پرفلوئورواکتان سولفونات شناخته می‌شود، یک اصطلاح عمومی برای دسته‌ای از سورفکتانت‌های پرفلوئوره است. این ماده دارای اثر تقویت‌کننده محیطی است. به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی خاص خود، تجزیه PFOS بسیار دشوار است و به عنوان یکی از سرسخت‌ترین مواد در نظر گرفته می‌شود. پس از ورود به حیوانات و بدن انسان از طریق زنجیره غذایی، در مقادیر زیادی تجمع می‌یابد و سلامت بیولوژیکی را به شدت تهدید می‌کند.

سی. لاس

LAS یک آلاینده آلی اصلی است که آسیب زیادی به محیط زیست وارد می‌کند. این ماده می‌تواند خواص فیزیکی و شیمیایی خاک، مانند تغییر مقدار pH خاک و محتوای آب را تغییر دهد و در نتیجه رشد گیاهان را مهار کند. علاوه بر این، LAS هنگام ورود به آب‌ها می‌تواند با سایر آلاینده‌ها ترکیب شود و ذرات کلوئیدی پراکنده تشکیل دهد و برای موجودات زنده جوان و موجودات زنده پست‌تر سمیت ایجاد کند.

د. سورفکتانت‌های فلوروکربن

PFOA و PFOS دو سورفکتانت فلوروکربن سنتی اصلی هستند. مطالعات مرتبط نشان داده‌اند که چنین ترکیباتی سمیت بالایی دارند، باعث آلودگی پایدار محیط زیست می‌شوند و به طور گسترده در موجودات زنده تجمع می‌یابند. در نتیجه، آنها در سال ۲۰۰۹ توسط سازمان ملل متحد به عنوان آلاینده‌های آلی پایدار (POPs) فهرست شدند.

۴ سورفکتانت سبز و جدید

الف. سورفکتانت‌های مبتنی بر اسید آمینه

سورفکتانت‌های مبتنی بر اسید آمینه عمدتاً از مواد اولیه زیست‌توده با منابع فراوان ساخته می‌شوند. آن‌ها دارای سمیت و عوارض جانبی کم، خواص ملایم، تحریک کم برای موجودات زنده و زیست‌تخریب‌پذیری عالی هستند. بر اساس خواص بار گروه‌های آبدوست پس از یونیزاسیون در آب، می‌توان آن‌ها را به چهار دسته کاتیونی، آنیونی، غیر یونی و آمفوتریک نیز طبقه‌بندی کرد. انواع رایج شامل نوع اسید آمینه N-آلکیل، نوع استر اسید آمینه و نوع اسید آمینه N-آسیل است.

ب. سورفکتانت‌های آنزیمی آناناس

سورفکتانت‌های آنزیمی آناناس با تخمیر کنجاله دانه کاملیا و کنجاله روغنی باقی مانده پس از استخراج روغن، پوست آناناس، همراه با پودر مخمر، پکتیناز و سایر میکروارگانیسم‌ها تولید می‌شوند. اگرچه ساختار مولکولی مواد فعال آنها هنوز مشخص نیست، اما داده‌های تجربی ثابت می‌کند که عملکرد شستشوی مطلوبی دارند.

ج. SAA

SAA یکی از مشتقات روغن پالم است. به عنوان محصولی که از مواد اولیه گیاهی تجدیدپذیر ساخته شده است، توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده است. فرآیند تولید آن سازگار با محیط زیست است. علاوه بر این، در آب سخت با محتوای بالای یون کلسیم و منیزیم، نمک‌های کلسیم را بسیار کندتر از سورفکتانت‌های رایج مانند LAS و AS رسوب می‌دهد، به این معنی که در کاربردهای عملی، شویندگی فوق‌العاده‌ای ارائه می‌دهد.

۵ چشم‌انداز توسعه مواد شوینده

در بازار جهانی مواد شوینده، کشورها از نظر اولویت‌ها و روندهای توسعه متفاوت هستند، با این حال جهت‌گیری کلی تحقیقات برای محصولات شوینده ثابت مانده است. تمرکز و مایع‌سازی مواد شوینده به روندهای اصلی تبدیل شده‌اند، در حالی که صرفه‌جویی در مصرف آب، ایمنی، صرفه‌جویی در مصرف انرژی، حرفه‌ای بودن، سازگاری با محیط زیست و چندمنظوره بودن به عنوان جهت‌گیری‌های توسعه محبوب ظهور کرده‌اند. سورفکتانت‌ها، مواد اولیه اصلی مواد شوینده، به سمت ملایمت، فرمولاسیون ترکیبی و سازگاری با محیط زیست در حال تکامل هستند. آماده‌سازی آنزیم‌ها، با داشتن راندمان بالا، ویژگی و سازگاری با محیط زیست، به یک کانون تحقیقاتی در توسعه مواد شوینده تبدیل شده‌اند. به طور کلی، روندهای توسعه صنعت شوینده به شرح زیر خلاصه می‌شود:

تنوع، تخصص و تقسیم‌بندی محصولات شوینده. شوینده‌ها را می‌توان بر اساس شکل به انواع جامد، پودر، مایع و ژل؛ بر اساس محتوای ماده مؤثر به نوع غلیظ و نوع معمولی؛ و بر اساس بسته‌بندی، رنگ و عطر به دسته‌های مختلف تقسیم کرد.

مواد شوینده مایع به امیدوارکننده‌ترین دسته محصولات تبدیل خواهند شد. در مقایسه با مواد شوینده جامد، مواد شوینده مایع در شستشو در دمای پایین عملکرد بهتری دارند، از طراحی فرمول انعطاف‌پذیرتر و فرآیندهای تولید ساده‌تری برخوردارند. آنها همچنین به سرمایه‌گذاری تجهیزات کمتری نیاز دارند و در طول تولید انرژی کمتری مصرف می‌کنند.

غلظت تدریجی محصولات شوینده. از سال ۲۰۰۹، شوینده‌های غلیظ به سه دسته اصلی تقسیم شده‌اند: پودر لباسشویی غلیظ، پودر لباسشویی غلیظ و شوینده مایع غلیظ. شوینده‌های غلیظ مزایای قابل توجهی نسبت به محصولات سنتی دارند، از جمله محتوای بالای ماده فعال، شویندگی قوی و صرفه‌جویی در انرژی. علاوه بر این، به دلیل فرمول غلیظ خود، در مواد بسته‌بندی صرفه‌جویی می‌کنند، هزینه‌های حمل و نقل را کاهش می‌دهند و فضای انبارداری کمتری را اشغال می‌کنند.

جهت‌گیری ایمنی انسان. با بهبود استانداردهای زندگی، مردم دیگر صرفاً شوینده‌ها را بر اساس عملکرد لکه‌بری ارزیابی نمی‌کنند. ایمنی انسان، عدم سمیت و عدم تحریک خفیف به معیارهای حیاتی برای انتخاب شوینده تبدیل شده‌اند.

توسعه محصولات سازگار با محیط زیست. پدیده اوتروفیکاسیون ناشی از شوینده‌های حاوی فسفر و اثرات نامطلوب زیست‌محیطی سفیدکننده‌ها، نگرانی‌های عمومی گسترده‌ای را برانگیخته است. در پاسخ به الزامات شیمی سبز، انتخاب مواد اولیه برای شوینده‌ها به تدریج به سمت گزینه‌های سازگار با محیط زیست و ملایم تغییر می‌کند.

چندکاره‌سازی. چندکاره‌سازی یک روند توسعه غالب برای محصولات مختلف اجتماعی است و نیازهای روزمره چندمنظوره در زندگی رایج شده‌اند. در آینده، شوینده‌ها، لکه‌بری را با عملکردهایی مانند استریلیزاسیون، ضدعفونی و سفیدکنندگی ادغام خواهند کرد.