Uppþvottalögur og yfirborðsefni

1.Inngangur

Með þróun efnaiðnaðarins hafa lífskjör fólks stöðugt batnað. Þótt lífið hafi batnað til muna hefur það einnig valdið alvarlegum umhverfisvandamálum, jafnvel í hættu heilsu og öryggi manna. Þar sem kröfur fólks um heilsu halda áfram að aukast hefur öryggi efnavara sem eru alls staðar í daglegu lífi vakið mikla athygli almennings. Þvottaefni, sem efni sem eru mikið notuð í daglegu lífi og iðnaðarframleiðslu, hafa vakið sérstakar áhyggjur almennings vegna öryggis þeirra.

Öryggi efnavara hefur eitt sinn lent í trúverðugleikakreppu. Þessi staða stafar annars vegar af því að framleiðsla þvottaefna reiða sig mjög á hefðbundin hráefni og hins vegar af skorti almennings á faglegri þekkingu á efnaframleiðsluferlum.

Með þetta að leiðarljósi, með kjarnahugtakið græn efnafræði að leiðarljósi — „að draga úr og útrýma umhverfismengun við upptökin“ — hannar og þróar þessi rannsókn nýjar aðferðir.þvottaefniformúlur. Umhverfisvænyfirborðsvirk efniog efnafræðileg hvarfefni sem geta hamlað örverum í vatni eru notuð í þessari þvottaefnisblöndu.

2.Núverandi þróunarstaðaÞvottaefni

Frá því að mannkynið gekk til liðs við siðmenntað samfélag hefur þvottur alltaf verið ómissandi hluti af mannlífinu. Fyrir um 5.000 árum fóru menn að safna náttúrulegum þvottavænum efnum eins og kínverskum hunangsgreinum og basískum efnum í ösku plöntunnar til þvotta. Þrjú hundruð árum síðar voru yfirborðsvirk efni framleidd tilbúnar af mönnum. Fyrir meira en öld var sápa fundin upp. Síðan þá hefur sápa úr fitu, basa, salti, kryddi og litarefnum orðið hefðbundið þvottaefni. Fyrsta tilbúna þvottaefnið, alkýlnaftalensúlfónat, kom fram í fyrri heimsstyrjöldinni. Það var þróað af þýska BASF árið 1917 og hóf formlega framleiðslu árið 1925. Vinsældir tilbúinna þvottaefna áttu sér stað eftir að natríumalkýlbensensúlfónat og tetraprópýlenalkýlbensen voru uppgötvuð og formlega hleypt af stokkunum á milli 1935 og 1939.

3.Virk innihaldsefni og verkunarhátturÞvottaefni

3.1ÞvotturMeginregla

Þvottur í almennum skilningi vísar til þess ferlis að fjarlægja óhreinindi af yfirborði burðarefnis. Við þvott veikir eða útilokar virkni þvottaefnisins samspil óhreininda og burðarefnis og breytir þannig bindiefni óhreininda og burðarefnis í bindiefni óhreininda og þvottaefnis. Að lokum er óhreinindin aðskilin frá burðarefninu með skolun og öðrum aðferðum. Grunnferlið við þvott má lýsa með eftirfarandi einföldu sambandi:

Burðarefni · Óhreinindi + Þvottaefni → Burðarefni + Óhreinindi · Þvottaefni

Viðloðun óhreininda við hluti skiptist í líkamlega viðloðun og efnafræðilega viðloðun. Líkamleg viðloðun felur einnig í sér vélræna viðloðun og rafstöðuvirka viðloðun.

Efnafræðileg viðloðun vísar aðallega til viðloðunar sem næst með efnatengjum. Til dæmis tilheyra próteinblettir og ryð sem festist við trefjahluti efnafræðilegri viðloðun. Þar sem efnafræðilegur víxlverkunarkraftur þessarar tegundar viðloðunar er almennt sterkur, er óhreinindin fast í undirlaginu og afar erfitt að fjarlægja þau, sem krefst sérstakrar meðhöndlunaraðferða.

Samspilskrafturinn milli óhreininda sem festast við yfirborðið er tiltölulega veikur, sem gerir það auðveldara að fjarlægja hann samanborið við efnafræðilega viðloðun. Óhreinindi með vélrænni viðloðun eru auðveld í fjarlægingu; þau eru aðeins erfið að fjarlægja þegar óhreinindaagnirnar eru litlar (<0,1 μm). Rafstöðuviðloðun birtist sem samspil milli hlaðinna óhreinindaagna og gagnstæðra hleðslna. Þessi kraftur er sterkari en vélrænn kraftur, sem leiðir til tiltölulega erfiðrar fjarlægingar á óhreinindum.

Þvottaferlið til að fjarlægja óhreinindi er almennt talið fela í sér eftirfarandi skref:

A. Adsog: Yfirborðsefni í þvottaefnum gangast undir stefnubundið adsog á snertifleti óhreininda og burðarefnis.

B. Rakun og gegndræpi: Vegna stefnubundinnar aðsogs yfirborðsvirkra efna á millifleti getur þvottaefnið komist á milli óhreininda og burðarefnis, væt burðarefnið og dregið úr viðloðunarkrafti milli óhreininda og burðarefnis.

C. Dreifing og stöðugleiki óhreininda: Óhreinindi sem losna af burðaryfirborðinu eru dreift, fleytt eða leyst upp í þvottaefnislausninni, sem tryggir að losnuðu óhreinindin festist ekki aftur við hreinsaða yfirborðið.

3.1.1 Tegundir jarðvegs

Jarðvegur vísar til feita efna sem festast við burðarefni sem og líma slíkra feita efna, með afar flókna samsetningu. Byggt á mismunandi formi má gróflega flokka hann í fastan jarðveg, fljótandi jarðveg og sérstakan jarðveg.

Algeng föst óhreinindi eru meðal annars ryð, ryk, kolsvört og þess háttar. Yfirborð þessara efna bera yfirleitt neikvæða hleðslu, sem gerir þau líkleg til að festast við undirlag. Flest föst óhreinindi eru vatnsóleysanleg, en þau geta auðveldlega dreifast í vatnslausnum sem innihalda þvottaefni; stærri föst óhreinindi eru auðveldari að fjarlægja. Algengustu fljótandi óhreinindin eru olíuleysanleg og geta gengist undir sápun með basískum lausnum, sem skýrir hvers vegna flest þvottaefni eru basísk. Sérstök óhreinindi vísa aðallega til þrjóskra bletta eins og blóðbletta, plöntusafa og seytla frá mönnum. Þessi tegund óhreininda er aðallega fjarlægð með bleikiefnum, þar sem sterk oxunareiginleikar bleikiefna geta eyðilagt litahópa þeirra.

3.2 Virk innihaldsefni í þvottaefnum

Yfirborðsvirk efni, einnig þekkt sem yfirborðsvirk efni, eru helstu virku efnin í þvottaefnum. Þau leysast hratt upp í vatni og sýna framúrskarandi eiginleika, þar á meðal afmengun, froðumyndun, uppleysni, fleyti, vætingu og dreifingu.

3.2.1 Yfirborðsefni: Uppruni og þróun

Tilraunir hafa sýnt að það að bæta ákveðnum efnum út í vatn getur breytt yfirborðsspennu þess og mismunandi efni hafa mismunandi áhrif á yfirborðsspennu vatnsins.

Hvað varðar eiginleikann til að draga úr yfirborðsspennu er hæfni leysiefnis til að lækka yfirborðsspennu skilgreind sem yfirborðsvirkni, og efni með yfirborðsvirkni eru kölluð yfirborðsvirk efni. Efni sem geta breytt yfirborðsástandi lausnarkerfis verulega þegar þeim er bætt við í litlu magni eru kölluð yfirborðsvirk efni.

Yfirborðsvirkt efni er efni sem, þegar því er bætt út í leysiefni í litlum skömmtum, getur dregið verulega úr yfirborðsspennu leysiefnisins og breytt yfirborðsástandi kerfisins. Þetta leiðir til ýmissa aðgerða eins og vætingar eða vætingarleysingar, fleyti- eða afvætingar, dreifingar eða flokkunar, froðumyndunar eða froðumyndunar, uppleysni, rakagefandi eiginleika, sótthreinsunar, mýkingar, vatnsfráhrindandi eiginleika, stöðurafstöðueiginleika og tæringarþols, til að uppfylla kröfur um hagnýta notkun.

Sápubundin yfirborðsvirk efni komu fyrst fram í Forn-Egyptalandi um 2500 f.Kr., þar sem Forn-Egyptar bjuggu til hreinsiefni úr blöndu af lambakjötsfitu og jurtaösku. Um árið 70 e.Kr. bjó Plinius frá Rómaveldi til fyrsta stykkið af lambakjötsfitusápu. Sápa náði ekki mikilli vinsældum fyrr en árið 1791, þegar franski efnafræðingurinn Nicolas Leblanc uppgötvaði aðferðina til að framleiða vítissóda með rafgreiningu natríumklóríðs. Afurð annars stigs þróunar yfirborðsvirkra efna er rauð kalkúnaolía, einnig þekkt sem súlfónuð ricinusolía. Hún er mynduð með því að hvarfa ricinusolíu við einbeitta brennisteinssýru við lágt hitastig, og síðan hlutleysuð með natríumhýdroxíði. Rauð kalkúnaolía státar af framúrskarandi fleytikrafti, gegndræpi, vætu og dreifingarhæfni og er betri en sápa hvað varðar þol gegn hörðu vatni, sýru og málmsöltum.

3.2.2 Uppbygging yfirborðsvirkni

Sérstakir eiginleikar yfirborðsvirkra efna stafa af sérstakri sameindabyggingu þeirra. Yfirborðsvirk efni eru almennt línulegar sameindir sem innihalda bæði vatnssækna pólhópa og fitusykra ópólhópa, vatnsfælna hópa.

Vatnsfælnir hópar hafa fjölbreytta uppbyggingu eins og beinar keðjur, greinóttar keðjur og hringlaga uppbyggingu. Algengustu eru kolvetniskeðjur, þar á meðal alkanar, alkenar, sýklóalkanar og arómatísk kolvetni, þar sem flest kolefnisatóm eru á bilinu 8 til 20. Aðrir vatnsfælnir hópar eru meðal annars fitualkóhólar, alkýlfenól og atómhópar sem innihalda flúor, kísill og önnur frumefni. Vatnssæknir hópar eru flokkaðir í anjónískar, katjónískar, amfóterískar jónískar og ójónískar gerðir. Jónísk yfirborðsvirk efni geta jónast í vatni til að bera rafhleðslur, en ójónísk yfirborðsvirk efni geta ekki jónast í vatni en hafa pólun og vatnsleysni.

3.2.3 Algeng skaðleg yfirborðsefni

Yfirborðsefni eru mikið notuð í daglegu lífi manna, en þau eru óneitanlega efnafræðileg efni. Mörg hráefni fyrir yfirborðsefni hafa ákveðna eituráhrif og mengunareiginleika. Óhjákvæmilega valda þau skaða á umhverfinu; við snertingu við menn geta þau ert húðina og sum eru jafnvel mjög eitruð og ætandi, sem veldur alvarlegum skaða á mannslíkamanum. Eftirfarandi kynnir nokkur algeng skaðleg yfirborðsefni:

A. APEO

APEO er algeng tegund ójónísks yfirborðsvirks efnis, sem samanstendur af alkýlhluta og etoxýhluta. Mismunandi kolefniskeðjulengdir alkýlhlutans og mismunandi magn af etoxýhlutanum sem bætt er við leiða til fjölmargra núverandi mynda af APEO með verulegum mun á virkni milli mismunandi mynda. Í myndunarferli APEO er aðalafurðin ekki krabbameinsvaldandi, en aukaafurðir þess eru ætandi fyrir húð og augu og sumar geta jafnvel valdið krabbameini í alvarlegum tilfellum. Þótt það skaði ekki lífverur beint, þá er APEO hættulegt fyrir umhverfið. Slík efni komast inn í mannslíkamann eftir ýmsum leiðum, hafa estrógenlík áhrif, trufla eðlilega seytingu hormóna hjá mönnum og draga enn frekar úr fjölda karlkyns sæðisfrumna. Það er ekki aðeins skaðlegt fyrir menn; skýrslur benda til þess að tilbúið hráefni þess, NPEO, valdi einnig verulegum skaða á fiskum.

B. PFOS

PFOS, fullu nefnt perflúoroktansúlfónat, er almennt hugtak yfir flokk perflúoreraðra yfirborðsvirkra efna. Það hefur áhrif á umhverfið. Vegna sérstakra eðlis- og efnafræðilegra eiginleika sinna er PFOS afar erfitt að brjóta niður og er talið eitt af þrjóskustu efnunum. Eftir að það hefur komist inn í dýra- og mannslíkamann í gegnum fæðukeðjuna safnast það fyrir í miklu magni og ógnar líffræðilegri heilsu alvarlega.

C. LAS

LAS er stórt lífrænt mengunarefni sem veldur miklum skaða á umhverfinu. Það getur breytt eðlis- og efnafræðilegum eiginleikum jarðvegs, svo sem breytingum á pH-gildi jarðvegs og vatnsinnihaldi, og þar með hamlað vexti plantna. Þar að auki, þegar LAS kemst í vatnasvæði, getur það sameinast öðrum mengunarefnum og myndað dreifðar kolloidal agnir og hefur eituráhrif á ungar, bæði há- og lág-lífverur.

D. Flúorkolefnis yfirborðsefni

PFOA og PFOS eru tvö helstu hefðbundnu flúorkolefnis yfirborðsvirku efnin. Viðeigandi rannsóknir hafa sýnt að slík efnasambönd eru mjög eitruð, valda viðvarandi umhverfismengun og safnast fyrir í miklu magni í lífverum. Þar af leiðandi voru þau skráð sem þrávirk lífræn mengunarefni (POPs) af Sameinuðu þjóðunum árið 2009.

4 Græn og ný tegund yfirborðsefna

A. Yfirborðsefni sem byggjast á amínósýrum

Yfirborðsvirk efni sem byggja á amínósýrum eru aðallega unnin úr hráefnum úr lífmassa sem eru ríkuleg. Þau eru með litla eituráhrif og aukaverkanir, væga eiginleika, litla ertingu fyrir lífverur og framúrskarandi lífbrjótanleika. Samkvæmt hleðslueiginleikum vatnssækinna hópa eftir jónun í vatni má einnig flokka þau í fjóra flokka: katjóníska, anjóníska, ójóníska og amfótera. Algengar gerðir eru meðal annars N-alkýl amínósýrugerð, amínósýruestergerð og N-asýl amínósýrugerð.

B. Yfirborðsefni með ananasensími

Ananasensím yfirborðsvirk efni eru framleidd með gerjun á kamellíufræmjöli og olíuköku sem eftir er eftir olíuútdrátt, ananasberki, ásamt gerdufti, pektínasa og öðrum örverum. Þó að sameindabygging virku innihaldsefnanna sé enn óljós, sýna tilraunagögn að þau hafa góða þvottaeiginleika.

C. SAA

SAA er afleiða af pálmaolíu. Sem vara úr endurnýjanlegum hráefnum úr plöntum hefur það vakið mikla athygli. Framleiðsluferli þess er umhverfisvænt. Þar að auki, í hörðu vatni með hátt kalsíum- og magnesíumjónainnihald, fellur það kalsíumsölt mun hægar út en algeng yfirborðsvirk efni eins og LAS og AS, sem þýðir að það skilar framúrskarandi þvottaeiginleikum í reynd.

5 Horfur á þróun þvottaefna

Á heimsmarkaði þvottaefna eru þróunarforgangsröðun og þróun ólíkra landa, en almenna rannsóknarstefnan fyrir þvottaefni er samt sem áður sú sama. Styrkur og fljótandi gerð þvottaefna hefur orðið aðalstraumur, en vatnssparnaður, öryggi, orkusparnaður, fagmennska, umhverfisvænni og fjölhæfni hafa orðið vinsælar þróunarstefnur. Yfirborðsefni, helstu hráefni þvottaefna, eru að þróast í átt að mildi, efnasamsetningu og umhverfissamrýmanleika. Ensímblöndur, sem státa af mikilli skilvirkni, sértækni og umhverfisvænni, hafa orðið rannsóknarefni í þróun þvottaefna. Almennt eru þróunarþróanir þvottaefnaiðnaðarins teknar saman sem hér segir:

Fjölbreytni, sérhæfing og flokkun þvottaefna. Þvottaefni má skipta í föst efni, duft, fljótandi efni og gel eftir formi; þykkni og venjulega efnasamsetningu eftir virku innihaldsefnunum; og ýmsa flokka eftir umbúðum, lit og ilm.

Fljótandi þvottaefni verða efnilegasti vöruflokkurinn. Í samanburði við föst þvottaefni virka fljótandi þvottaefni betur í lághitaþvotti, eru með sveigjanlegri formúluhönnun og einfaldari framleiðsluferlum. Þau krefjast einnig minni fjárfestingar í búnaði og nota minni orku við framleiðslu.

Stigvaxandi þétting þvottaefna. Frá árinu 2009 hafa þétt þvottaefni þróast í þrjá meginflokka: þétt þvottaefni, þétt þvottaefni og þétt fljótandi þvottaefni. Þétt þvottaefni hafa mikla kosti umfram hefðbundnar vörur, þar á meðal hátt innihald virkra efna, sterka þvottaeiginleika og orkusparnað. Að auki spara þau umbúðaefni, lækka flutningskostnað og taka minna geymslurými vegna þéttrar formúlu sinnar.

Öryggissjónarmið fyrir fólk. Með bættum lífskjörum meta menn ekki lengur eingöngu þvottaefni eftir blettahreinsunargetu. Öryggi fyrir fólk, eiturefnaleysi og væg ertingarleysi hafa orðið lykilatriði við val á þvottaefni.

Þróun umhverfisvænnar vöru. Ofauðgun af völdum fosfór-innihaldandi þvottaefna og skaðleg umhverfisáhrif bleikiefna hafa vakið miklar áhyggjur almennings. Til að bregðast við kröfum um græna efnafræði er val á hráefnum fyrir þvottaefni smám saman að færast í átt að umhverfisvænum og mildum valkostum.

Fjölnota. Fjölnota er ríkjandi þróunarstefna fyrir ýmsar samfélagsvörur og fjölnota daglegar nauðsynjar eru orðnar algengar í lífinu. Í framtíðinni munu þvottaefni samþætta blettahreinsun með aðgerðum eins og sótthreinsun, sótthreinsun og bleikingu.