Astianpesuaine ja pinta-aktiiviset aineet

1.Johdanto

Kemianteollisuuden kehityksen myötä ihmisten elintaso on jatkuvasti parantunut. Vaikka elämä on parantunut huomattavasti, se on myös aiheuttanut vakavia ympäristöongelmia, jopa vaarantaen ihmisten terveyden ja turvallisuuden. Ihmisten terveysvaatimusten jatkuvasti kasvaessa jokapäiväisessä elämässä läsnä olevien kemikaalien turvallisuus on herättänyt laajaa yleisön huomiota. Pesuaineet, jotka ovat laajalti käytettyjä kemiallisia aineita jokapäiväisessä elämässä ja teollisessa tuotannossa, ovat herättäneet erityisen suurta yleisön huolta turvallisuudestaan.

Kemikaalien turvallisuus on kerran ajautunut uskottavuuskriisiin. Tämä tilanne johtuu yhtäältä pesuaineiden tuotannon voimakkaasta riippuvuudesta perinteisistä raaka-aineista ja toisaalta yleisön ammattitaidon puutteesta kemiallisten tuotantoprosessien alalla.

Tätä taustaa vasten, vihreän kemian ydinajatuksen – ”ympäristön saastumisen vähentäminen ja poistaminen sen lähteellä” – ohjaamana, tämä tutkimus suunnittelee ja kehittää uusiapesuainekoostumukset. Ympäristöystävällinenpinta-aktiiviset aineetja tässä pesuaineformulaatiossa käytetään kemiallisia reagensseja, jotka kykenevät estämään mikro-organismeja vedessä.

2.Nykyinen kehitystilaPesuaineet

Ihmiskunnan sivistyneeseen yhteiskuntaan astumisesta lähtien peseminen on aina ollut välttämätön osa ihmisen elämää. Noin 5 000 vuotta sitten ihmiset alkoivat kerätä luonnollisia pesuaineita, kuten kiinalaisia ​​johanneksenleipäpuun hedelmiä ja kasvituhkan emäksisiä komponentteja pesutarkoituksiin. Kolmesataa vuotta myöhemmin ihmiset alkoivat tuottaa keinotekoisesti pinta-aktiivisia aineita. Yli vuosisata sitten keksittiin saippua. Siitä lähtien rasvasta, emäksestä, suolasta, mausteista ja pigmenteistä valmistetusta saippuasta on tullut perinteinen pesuaine. Ensimmäinen keinotekoisesti synteettinen pesuaine, alkyylinaftaleenisulfonaatti, syntyi ensimmäisen maailmansodan aikana. Saksalainen BASF kehitti sen vuonna 1917, ja se otettiin virallisesti tuotantoon vuonna 1925. Synteettisten pesuaineiden suosio kasvoi sen jälkeen, kun natriumalkyylibentseenisulfonaatti ja tetrapropeenialkyylibentseeni löydettiin ja niiden tuotanto aloitettiin virallisesti vuosina 1935–1939.

3.Tehokkaat ainesosat ja vaikutusmekanismiPesuaineet

3.1PesuPeriaate

Yleisesti ottaen pesulla tarkoitetaan lian poistamista kantoaineen pinnalta. Pesun aikana pesuaineen vaikutus heikentää tai poistaa lian ja kantoaineen välisen vuorovaikutuksen, jolloin lian ja kantoaineen välinen sitoutumistila muuttuu lian ja pesuaineen sitoutumistilaksi. Lopulta lika erotetaan kantoaineesta huuhtelemalla ja muilla menetelmillä. Pesun perusprosessi voidaan ilmaista seuraavalla yksinkertaisella suhteella:

Kantaja·Lika + Pesuaine → Kantaja + Lika·Pesuaine

Lian tarttuminen esineisiin jaetaan fyysiseen tarttumiseen ja kemialliseen tarttumiseen. Fysikaaliseen tarttumiseen kuuluvat lisäksi mekaaninen tarttuminen ja sähköstaattinen tarttuminen.

Kemiallinen tarttuvuus viittaa pääasiassa kemiallisten sidosten avulla saavutettuun tarttuvuuteen. Esimerkiksi kuitutuotteisiin tarttuneet proteiinitahrat ja ruoste kuuluvat kemialliseen tarttuvuuteen. Koska tämän tyyppisen tarttuvuuden kemiallinen vuorovaikutusvoima on yleensä voimakas, lika tarttuu tiukasti alustaan ​​ja on erittäin vaikea poistaa, mikä vaatii erityisiä käsittelymenetelmiä.

Fysikaalisesti tarttuneen lian ja alustan välinen vuorovaikutusvoima on suhteellisen heikko, minkä ansiosta se on helpompi poistaa verrattuna kemialliseen tarttuvuuteen. Mekaanisesti tarttuva lika on helppo poistaa; sitä on vaikea poistaa vain, kun likahiukkaset ovat pieniä (<0,1 μm). Sähköstaattinen tarttuvuus ilmenee varautuneiden likahiukkasten ja vastakkaisten varausten välisenä vuorovaikutuksena. Tämä voima on voimakkaampi kuin mekaaninen voima, minkä vuoksi lian poistaminen on suhteellisen vaikeaa.

Lian poiston pesuprosessin katsotaan yleensä sisältävän seuraavat vaiheet:

A. Adsorptio: Pesuaineiden pinta-aktiiviset aineet adsorboituvat suunnatusti lian ja kantaja-aineen rajapinnassa.

B. Kostutus ja tunkeutuminen: Pinta-aktiivisten aineiden rajapinnan suuntaaman adsorboitumisen vuoksi pesuaine voi tunkeutua lian ja kantajan väliin, kastella kantajan ja vähentää lian ja kantajan välistä tarttumisvoimaa.

C. Lian dispersio ja stabilointi: Kantajapinnalta irronnut lika dispergoidaan, emulgoidaan tai liuotetaan pesuaineliuokseen, mikä varmistaa, että irronnut lika ei tartu uudelleen puhdistettuun pintaan.

3.1.1 Maaperätyypit

Maaperällä tarkoitetaan kantaja-aineisiin tarttuneita rasvaisia ​​aineita sekä tällaisten rasvaisten aineiden liimoja, joilla on erittäin monimutkainen koostumus. Erilaisten olomuotojen perusteella se voidaan karkeasti luokitella kiinteäksi maa-ainekseksi, nestemäiseksi maa-ainekseksi ja erikoismaa-ainekseksi.

Yleisiä kiinteitä tahroja ovat ruoste, pöly, hiilimustan hiukkaset ja vastaavat. Näiden aineiden pinnoilla on yleensä negatiivisia varauksia, minkä vuoksi ne tarttuvat helposti alustoihin. Useimmat hiukkasmaiset kiinteät tahrat ovat veteen liukenemattomia, mutta ne voidaan helposti dispergoida pesuaineita sisältäviin vesiliuoksiin; suuremmat kiinteät hiukkaset on helpompi poistaa. Useimmat yleiset nestemäiset tahrat ovat öljyliukoisia ja voivat saippuoitua emäksisten liuosten kanssa, mikä selittää, miksi useimmat pesuaineet ovat emäksisiä. Erikoistahrat viittaavat pääasiassa pinttyneisiin tahroihin, kuten veritahroihin, kasvinesteeseen ja ihmisen eritteisiin. Tämän tyyppinen lika poistetaan ensisijaisesti valkaisuaineilla, koska valkaisuaineiden voimakas hapettava ominaisuus voi tuhota niiden kromoforiset ryhmät.

3.2 Pesuaineiden vaikuttavat aineosat

Pinta-aktiiviset aineet, jotka tunnetaan myös pinta-aktiivisina aineina, ovat pesuaineiden tärkeimpiä toiminnallisia komponentteja. Ne liukenevat nopeasti veteen ja niillä on erinomaiset ominaisuudet, kuten puhdistus, vaahtoaminen, liuottaminen, emulgointi, kostutus ja dispergointi.

3.2.1 Pinta-aktiiviset aineet: alkuperä ja kehitys

Kokeet ovat osoittaneet, että tiettyjen aineiden lisääminen veteen voi muuttaa sen pintajännitystä, ja eri aineilla on vaihteleva vaikutus veden pintajännitykseen.

Pintajännityksen alentamisen ominaisuuden kannalta liuottimen kykyä alentaa pintajännitystä määritellään pinta-aktiivisuudeksi, ja pinta-aktiivisia aineita kutsutaan pinta-aktiivisiksi aineiksi. Aineita, jotka voivat merkittävästi muuttaa liuosjärjestelmän rajapintatilaa pieninä määrinä lisättynä, kutsutaan pinta-aktiivisiksi aineiksi.

Pinta-aktiivinen aine on aine, joka liuottimeen lisättynä pienenä annoksena voi merkittävästi vähentää liuottimen pintajännitystä ja muuttaa järjestelmän rajapintatilaa. Tämä johtaa useisiin toimintoihin, kuten kostutus tai kosteudenpoisto, emulgointi tai emulsioiden poisto, dispersio tai flokkulaatio, vaahtoaminen tai vaahdonesto, liuottaminen, kosteuttaminen, sterilointi, pehmentäminen, vedenhylkivyys, antistaattinen ominaisuus ja korroosionkestävyys, käytännön sovellusvaatimusten täyttämiseksi.

Saippuapohjaiset pinta-aktiiviset aineet ilmestyivät ensimmäisen kerran muinaisessa Egyptissä noin vuonna 2500 eaa., missä muinaiset egyptiläiset valmistivat puhdistusaineita lampaanrasvan ja kasvituhkan seoksesta. Noin vuonna 70 jKr. Rooman valtakunnan Plinius loi ensimmäisen lampaanrasvasta tehdyn saippuapalan. Saippua ei saavuttanut laajaa suosiota ennen vuotta 1791, kun ranskalainen kemisti Nicolas Leblanc löysi menetelmän lipeän valmistamiseksi natriumkloridin elektrolyysin avulla. Pinta-aktiivisten aineiden kehityksen toisen vaiheen tuote on kalkkunanpunainen öljy, joka tunnetaan myös nimellä sulfonoitu risiiniöljy. Se syntetisoidaan saattamalla risiiniöljy reagoimaan väkevän rikkihapon kanssa alhaisessa lämpötilassa, minkä jälkeen se neutraloidaan natriumhydroksidilla. Kalkkunanpunaisella öljyllä on erinomainen emulgointikyky, läpäisevyys, kostuvuus ja diffuusiokyky, ja se on saippuaa parempi kovan veden, happojen ja metallisuolojen kestävyydessä.

3.2.2 Pinta-aktiivisuuden rakenne

Pinta-aktiivisten aineiden ainutlaatuiset ominaisuudet johtuvat niiden erityisestä molekyylirakenteesta. Pinta-aktiiviset aineet ovat yleensä lineaarisia molekyylejä, jotka sisältävät sekä hydrofiilisiä polaarisia ryhmiä että lipofiilisiä ei-polaarisia hydrofobisia ryhmiä.

Hydrofobisilla ryhmillä on erilaisia ​​rakenteita, kuten suorat ketjut, haarautuneet ketjut ja sykliset rakenteet. Yleisimpiä ovat hiilivetyketjut, mukaan lukien alkaanit, alkeenit, sykloalkaanit ja aromaattiset hiilivedyt, joiden hiiliatomien lukumäärä vaihtelee useimpien välillä 8-20. Muita hydrofobisia ryhmiä ovat rasva-alkoholit, alkyylifenolit ja atomiryhmät, jotka sisältävät fluoria, piitä ja muita alkuaineita. Hydrofiiliset ryhmät luokitellaan anionisiin, kationisiin, amfoteerisiin, ionisiin ja ionittomiin tyyppeihin. Ioniset pinta-aktiiviset aineet voivat ionisoitua vedessä ja kuljettaa sähkövarauksia, kun taas ionittomat pinta-aktiiviset aineet eivät voi ionisoitua vedessä, mutta niillä on polaarisuus ja vesiliukoisuus.

3.2.3 Yleisiä haitallisia pinta-aktiivisia aineita

Pinta-aktiivisia aineita käytetään laajalti ihmisten jokapäiväisessä elämässä, mutta ne ovat kiistatta kemiallisia aineita. Monilla pinta-aktiivisten aineiden raaka-aineilla on tiettyjä myrkyllisiä ja saastuttavia ominaisuuksia. Ne aiheuttavat väistämättä haittaa ympäristölle; ihmisen kanssa kosketuksissa ne voivat ärsyttää ihoa, ja jotkut ovat jopa erittäin myrkyllisiä ja syövyttäviä, aiheuttaen vakavia vaurioita ihmiskeholle. Seuraavassa esitellään useita yleisiä haitallisia pinta-aktiivisia aineita:

A. APEO

APEO on yleinen ioniton pinta-aktiivinen aine, joka koostuu alkyyliosasta ja etoksiosasta. Alkyyliosan hiiliketjun vaihtelevat pituudet ja etoksiosan lisäysmäärät johtavat lukuisiin APEO:n muotoihin, joiden suorituskyvyssä on merkittäviä eroja eri muotojen välillä. APEO:n synteesiprosessissa päätuote ei ole karsinogeeninen, mutta sen sivutuotteet ovat syövyttäviä iholle ja silmille, ja jotkut voivat jopa aiheuttaa syöpää vakavissa tapauksissa. Vaikka APEO ei vahingoita organismeja suoraan, se aiheuttaa ympäristöhormoniriskin. Tällaiset kemikaalit pääsevät ihmiskehoon eri reittejä pitkin, aiheuttavat estrogeenin kaltaisia ​​vaikutuksia, häiritsevät normaalia ihmisen hormonien eritystä ja vähentävät entisestään miesten siittiöiden määrää. Se ei ole haitallista vain ihmisille; raportit osoittavat, että sen synteettinen raaka-aine, NPEO, aiheuttaa myös merkittäviä vahinkoja kaloille.

B. PFOS-yhdisteet

PFOS, kokonaan nimeltään perfluorooktaanisulfonaatti, on yleisnimitys perfluorattujen pinta-aktiivisten aineiden luokalle. Sillä on ympäristöä vahvistava vaikutus. Erityisten fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksiensa vuoksi PFOS:a on erittäin vaikea hajottaa, ja sitä pidetään yhtenä vaikeimmista hajoamisprosesseista. Jouduttuaan eläimiin ja ihmiskehoon ravintoketjun kautta se kertyy suurina määrinä ja uhkaa vakavasti biologista terveyttä.

C. LAS

LAS on merkittävä orgaaninen saaste, joka aiheuttaa suurta haittaa ympäristölle. Se voi muuttaa maaperän fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia, kuten muuttaa maaperän pH-arvoa ja vesipitoisuutta, estäen siten kasvien kasvua. Lisäksi vesistöihin joutuessaan LAS voi yhdistyä muiden saasteiden kanssa muodostaen hajallaan olevia kolloidisia hiukkasia ja olla myrkyllinen nuorille korkeammille ja alemmille organismeille.

D. Fluorihiilivetypinta-aktiiviset aineet

PFOA ja PFOS ovat kaksi tärkeintä perinteistä fluorihiilipinta-aktiivista ainetta. Asiaankuuluvat tutkimukset ovat osoittaneet, että tällaiset yhdisteet ovat erittäin myrkyllisiä, aiheuttavat pysyvää ympäristön saastumista ja kertyvät valtavasti eliöihin. Tämän vuoksi Yhdistyneet Kansakunnat listasi ne pysyviksi orgaanisiksi yhdisteiksi (POP) vuonna 2009.

4 vihreää ja uudentyyppistä pinta-aktiivista ainetta

A. Aminohappopohjaiset pinta-aktiiviset aineet

Aminohappopohjaiset pinta-aktiiviset aineet valmistetaan pääasiassa biomassaraaka-aineista, joita on runsaasti saatavilla. Niille on ominaista vähäinen myrkyllisyys ja sivuvaikutukset, lievät ominaisuudet, vähäinen ärsytys eliöille ja erinomainen biohajoavuus. Hydrofiilisten ryhmien varausominaisuuksien mukaan vedessä ionisaation jälkeen ne voidaan luokitella neljään luokkaan: kationiset, anioniset, ionittomat ja amfoteeriset. Yleisiä tyyppejä ovat N-alkyyliaminohappotyyppi, aminohappoesterityyppi ja N-asyyliaminohappotyyppi.

B. Ananasentsyymien pinta-aktiiviset aineet

Ananasentsyymien pinta-aktiiviset aineet tuotetaan fermentoimalla kameliansiemenrouhetta ja öljyn uuttamisesta jäljelle jäävää öljykakkua, ananaksen kuorta sekä hiivajauhetta, pektinaasia ja muita mikro-organismeja. Vaikka niiden aktiivisten ainesosien molekyylirakenne on edelleen epäselvä, kokeelliset tiedot osoittavat, että niillä on suotuisa pesuteho.

C. SAA

SAA on palmuöljystä peräisin oleva johdannainen. Uusiutuvista kasviraaka-aineista valmistettuna tuotteena se on herättänyt laajaa huomiota. Sen tuotantoprosessi on ympäristöystävällinen. Lisäksi kovassa vedessä, jossa on paljon kalsium- ja magnesiumionipitoisuutta, se saostaa kalsiumsuoloja paljon hitaammin kuin yleisesti käytetyt pinta-aktiiviset aineet, kuten LAS ja AS, mikä tarkoittaa, että se tarjoaa erinomaisen pesukyvyn käytännön sovelluksissa.

5 Pesuaineen kehityksen näkymät

Maailmanlaajuisilla pesuainemarkkinoilla eri maiden kehitysprioriteetit ja -trendit vaihtelevat, mutta pesuainetuotteiden yleinen tutkimussuunta on pysynyt samana. Pesuaineiden väkevöimisestä ja nesteyttämisestä on tullut valtavirtatrendejä, kun taas veden säästämisestä, turvallisuudesta, energiansäästöstä, ammattimaisuudesta, ympäristöystävällisyydestä ja monitoimisuudesta on tullut suosittuja kehityssuuntia. Pinta-aktiiviset aineet, pesuaineiden keskeiset raaka-aineet, kehittyvät kohti mietoa, koostumuksellisempaa ja ympäristöystävällisempää käyttöä. Entsyymivalmisteista, joilla on korkea tehokkuus, spesifisyys ja ympäristöystävällisyys, on tullut tutkimuskohde pesuaineiden kehittämisessä. Yleisesti ottaen pesuaineteollisuuden kehitystrendit voidaan tiivistetysti esittää seuraavasti:

Pesuaineiden monipuolistaminen, erikoistuminen ja segmentointi. Pesuaineet voidaan jakaa kiinteisiin, jauhemaisiin, nestemäisiin ja geelimäisiin tyyppeihin muodon mukaan; tiivistettyihin ja tavallisiin tyyppeihin vaikuttavien aineiden sisällön mukaan; ja eri luokkiin pakkauksen, värin ja tuoksun mukaan.

Nestemäisistä pesuaineista tulee lupaavin tuotekategoria. Kiinteisiin pesuaineisiin verrattuna nestemäiset pesuaineet toimivat paremmin matalan lämpötilan pesussa, niillä on joustavampi koostumus ja yksinkertaisemmat tuotantoprosessit. Ne vaativat myös vähemmän laiteinvestointeja ja kuluttavat vähemmän energiaa tuotannon aikana.

Pesuaineiden asteittainen tiivistyminen. Vuodesta 2009 lähtien tiivistetyt pesuaineet ovat kehittyneet kolmeen pääluokkaan: tiivistetty pyykinpesujauhe, tiivistetyt pyykinpesukapselit ja tiivistetty nestemäinen pesuaine. Tiivistetyillä pesuaineilla on huomattavia etuja perinteisiin tuotteisiin verrattuna, mukaan lukien korkea aktiiviainepitoisuus, tehokas pesuteho ja energiansäästö. Lisäksi ne säästävät pakkausmateriaaleja, vähentävät kuljetuskustannuksia ja vievät vähemmän varastotilaa tiivistetyn koostumuksensa ansiosta.

Ihmisten turvallisuus. Elintason parantuessa ihmiset eivät enää arvioi pesuaineita pelkästään tahranpoistokyvyn perusteella. Ihmisten turvallisuus, myrkyttömyys ja lievä ärsyttämättömyys ovat tulleet ratkaiseviksi kriteereiksi pesuaineiden valinnassa.

Ympäristöystävällinen tuotekehitys. Fosforia sisältävien pesuaineiden aiheuttama rehevöityminen ja valkaisuaineiden haitalliset ympäristövaikutukset ovat herättäneet laajaa huolta julkisuudessa. Vihreän kemian vaatimusten mukaisesti pesuaineiden raaka-ainevalikoima on vähitellen siirtymässä ympäristöystävällisiin ja mietoon vaihtoehtoon.

Monitoiminnallisuus. Monitoiminnallisuus on vallitseva kehitystrendi erilaisissa sosiaalisissa tuotteissa, ja monikäyttöisistä päivittäisistä välttämättömyyksistä on tullut arkipäivää. Tulevaisuudessa pesuaineet yhdistävät tahranpoiston toimintoihin, kuten sterilointiin, desinfiointiin ja valkaisuun.