סבון כלים וחומרים פעילי שטח

1.מָבוֹא

עם התפתחות התעשייה הכימית, רמת החיים של האנשים השתפרה ללא הרף. בעוד שהחיים השתפרו במידה ניכרת, הדבר גם גרם לבעיות סביבתיות חמורות, ואף סיכנו את בריאותם ובטיחותם של בני האדם. ככל שדרישותיהם של אנשים לבריאות ממשיכות לעלות, בטיחותם של מוצרים כימיים הנפוצים בחיי היומיום משכה תשומת לב ציבורית נרחבת. חומרי ניקוי, כחומרים כימיים הנמצאים בשימוש נרחב בחיי היומיום ובייצור התעשייתי, עוררו דאגה ציבורית גבוהה במיוחד בנוגע לבטיחותם.

בטיחותם של מוצרים כימיים נקלעה פעם למשבר אמינות. מצב זה נובע מצד אחד מההסתמכות הרבה של ייצור חומרי ניקוי על חומרי גלם מסורתיים, ומצד שני מחוסר ידע מקצועי של הציבור בנוגע לתהליכי ייצור כימיים.

על רקע זה, בהנחיית תפיסת הליבה של כימיה ירוקה - "הפחתה וסילוק זיהום סביבתי במקור" - מחקר זה מתכנן ומפתח פתרונות חדשיםחומר ניקויפורמולציות. ידידותי לסביבהחומרים פעילי שטחוריאגנטים כימיים המסוגלים לעכב מיקרואורגניזמים במים משמשים בניסוח חומר ניקוי זה.

2.מצב הפיתוח הנוכחי שלחומרי ניקוי

מאז שהאנושות נכנסה לחברה המתורבתת, פעילויות כביסה תמיד היו חלק בלתי נפרד מחיי האדם. לפני כ-5,000 שנה, בני האדם החלו לאסוף חומרים טבעיים ידידותיים לכביסה כמו פירות ארבה סיני ורכיבים אלקליים באפר צמחים למטרות כביסה. שלוש מאות שנה מאוחר יותר, חומרים פעילי שטח יוצרו באופן מלאכותי על ידי בני אדם. לפני יותר ממאה שנה הומצא סבון. מאז, סבון העשוי משומן, אלקלי, מלח, תבלינים ופיגמנטים הפך לחומר ניקוי מסורתי. חומר הניקוי הסינתטי המלאכותי הראשון, אלקיל נפתלין סולפונט, הופיע במהלך מלחמת העולם הראשונה. הוא פותח על ידי BASF הגרמנית בשנת 1917 והוכנס רשמית לייצור בשנת 1925. הפופולריות של חומרי ניקוי סינתטיים התרחשה לאחר שנתגלו נתרן אלקיל בנזן סולפונט וטטרפרופילן אלקיל בנזן והושקו רשמית לייצור בין השנים 1935 ו-1939.

3.רכיבים יעילים ומנגנון פעולה שלחומרי ניקוי

3.1כְּבָסִיםעִקָרוֹן

כביסה במובן הכללי מתייחסת לתהליך של הסרת לכלוך מפני השטח של חומר נשיאה. במהלך הכביסה, פעולת חומר הניקוי מחלישה או מבטלת את האינטראקציה בין הלכלוך לסוג הנשא, וממירה את מצב ההיקשרות של הלכלוך והסוג הנשא למצב קישור של לכלוך וחומר הניקוי. בסופו של דבר, הלכלוך מופרד מהסוג הנשא באמצעות שטיפה ושיטות אחרות. ניתן לבטא את התהליך הבסיסי של פעולת הכביסה באמצעות הקשר הפשוט הבא:

נשא·לכלוך + חומר ניקוי → נשא + לכלוך·חומר ניקוי

הידבקות של לכלוך לחפצים מחולקת להידבקות פיזיקלית והידבקות כימית. הידבקות פיזיקלית כוללת גם הידבקות מכנית והידבקות אלקטרוסטטית.

הידבקות כימית מתייחסת בעיקר להידבקות המושגת באמצעות קשרים כימיים. לדוגמה, כתמי חלבון וחלודה הנדבקים למוצרי סיבים שייכים להידבקות כימית. מכיוון שכוח האינטראקציה הכימית של סוג זה של הידבקות הוא בדרך כלל חזק, הלכלוך מחובר היטב למצע וקשה ביותר להסרה, מה שמצריך שיטות טיפול מיוחדות.

כוח האינטראקציה בין לכלוך המודבק באמצעות הידבקות פיזית לבין המצע חלש יחסית, מה שמקל על הסרתו בהשוואה להידבקות כימית. לכלוך עם הידבקות מכנית קל להסרה; קשה להסירו רק כאשר חלקיקי הלכלוך קטנים (<0.1 מיקרומטר). הידבקות אלקטרוסטטית מתבטאת באינטראקציה בין חלקיקי לכלוך טעונים למטענים מנוגדים. כוח זה חזק יותר מכוח מכני, וכתוצאה מכך קשה יחסית להסיר לכלוך.

תהליך השטיפה להסרת לכלוך נחשב בדרך כלל ככולל את השלבים הבאים:

א. ספיחה: חומרים פעילי שטח בדטרגנטים עוברים ספיחה כיוונית בממשק שבין לכלוך לנשא.

ב. הרטבה וחדירה: עקב ספיחה כיוונית של חומרים פעילי שטח בממשק, חומר הניקוי יכול לחדור בין הלכלוך לנשא, להרטיב את הנשא ולהפחית את כוח ההידבקות בין הלכלוך לנשא.

ג. פיזור וייצוב לכלוך: לכלוך שהתנתק מפני השטח של המנשא מפוזר, מתחלב או מומס בתמיסת הדטרגנט, מה שמבטיח שהלכלוך שהתנתק לא ידבק מחדש למשטח שניקה.

3.1.1 סוגי קרקע

אדמה מתייחסת לחומרים שומניים הנדבקים לנשאים וכן לדבקים של חומרים שומניים כאלה, בעלי הרכב מורכב ביותר. בהתבסס על צורות שונות, ניתן לסווג אותה באופן גס לאדמה מוצקה, אדמה נוזלית ואדמה מיוחדת.

לכלוך מוצק נפוצ כולל חלודה, אבק, חלקיקי פחמן שחור וכדומה. פני השטח של חומרים אלה נושאים בדרך כלל מטענים שליליים, מה שהופך אותם נוטים להידבק למצעים. רוב הלכלוך המוצק החלקיקי אינו מסיס במים, אך ניתן לפזר אותו בקלות בתמיסות מימיות המכילות דטרגנטים; חלקיקים מוצקים גדולים יותר קלים יותר להסרה. רוב הלכלוך הנוזלי הנפוצ הוא מסיס בשמן ויכול לעבור ספוניפיקציה עם תמיסות אלקליות, מה שמסביר מדוע רוב דטרגנטים הם אלקליים. לכלוך מיוחד מתייחס בעיקר לכתמים עקשניים כמו כתמי דם, מוהל צמחים והפרשות אנושיות. סוג זה של לכלוך מוסר בעיקר על ידי אקונומיקה, מכיוון שתכונת החמצון החזקה של האקונומיקה יכולה להרוס את הקבוצות הכרומופוריות שלהן.

3.2 רכיבים פעילים בדטרגנטים

חומרים פעילי שטח, הידועים גם כחומרים פעילי שטח, הם המרכיבים הפונקציונליים העיקריים בחומרי ניקוי. הם מתמוססים במהירות במים ומציגים תכונות מצוינות, כולל ניקוי, הקצפה, מסיסות, אמולסיה, הרטבה ופיזור.

3.2.1 חומרים פעילי שטח: מקור והתפתחות

ניסויים הראו כי הוספת חומרים מסוימים למים יכולה לשנות את מתח הפנים שלהם, וחומרים שונים מפעילים השפעות שונות על מתח פני המים.

מבחינת התכונה של הפחתת מתח פנים, היכולת להוריד את מתח הפנים של ממס מוגדרת כפעילות פנים, וחומרים בעלי פעילות פנים נקראים חומרים פעילי שטח. חומרים שיכולים לשנות באופן משמעותי את מצב הפנים של מערכת תמיסה כאשר מוסיפים אותם בכמויות קטנות מכונים חומרים פעילי שטח.

חומר פעיל שטח הוא חומר אשר, כאשר מוסיפים אותו לממס במינון זעיר, יכול להפחית באופן משמעותי את מתח הפנים של הממס ולשנות את מצב הפנים-ממשקי של המערכת. זה יוצר סדרה של פונקציות כגון הרטבה או הסרת הרטבה, אמולסיפיקציה או הסרת אמולסיפיקציה, פיזור או פלוקולציה, הקצפה או הסרת הקצפה, מסיסות, לחות, עיקור, ריכוך, דחיית מים, תכונות אנטי-סטטיות ועמידות בפני קורוזיה, כדי לעמוד בדרישות היישום המעשי.

חומרים פעילי שטח מבוססי סבון הופיעו לראשונה במצרים העתיקה בסביבות שנת 2500 לפני הספירה, שם המצרים הקדמונים ייצרו מוצרי ניקוי מתערובת של שומן כבש ואפר צמחים. בסביבות שנת 70 לספירה, פליניוס מהאימפריה הרומית יצר את חתיכת הסבון הראשונה משומן כבש. סבון לא צבר פופולריות רחבה עד 1791, כאשר הכימאי הצרפתי ניקולא לבלאן גילה את השיטה לייצור סודה קאוסטית באמצעות אלקטרוליזה של נתרן כלורי. תוצר של השלב השני של פיתוח חומרים פעילי שטח הוא שמן אדום טורקיה, המכונה גם שמן קיק סולפונט. הוא מסונתז על ידי תגובה של שמן קיק עם חומצה גופרתית מרוכזת בטמפרטורה נמוכה, ולאחר מכן ניטרול עם נתרן הידרוקסידי. שמן אדום טורקיה מתגאה בכוח מתחלב יוצא דופן, חדירות, הרטבה ויכולת דיפוזיה, ועולה על סבון בעמידות למים קשים, חומצה ומלחי מתכת.

3.2.2 מבנה פעילות פני השטח

התכונות הייחודיות של חומרים פעילי שטח נובעות מהמבנה המולקולרי המיוחד שלהם. חומרים פעילי שטח הם בדרך כלל מולקולות ליניאריות המכילות גם קבוצות פולריות הידרופיליות וגם קבוצות הידרופוביות לא פולריות ליפופיליות.

לקבוצות הידרופוביות יש מבנים מגוונים כגון שרשראות ישרות, שרשראות מסועפות ומבנים מחזוריים. הנפוצות ביותר הן שרשראות פחמימנים הכוללות אלקאנים, אלקנים, ציקלואלקאנים ופחמימנים ארומטיים, כאשר רוב אטומי הפחמן נעים בין 8 ל-20. קבוצות הידרופוביות אחרות כוללות אלכוהולים שומניים, אלקילפנולים וקבוצות אטומיות המכילות פלואור, סיליקון ויסודות אחרים. קבוצות הידרופיליות מסווגות לסוגים אניוניים, קטיוניים, יוניים אמפוטריים ולא יוניים. חומרים פעילי שטח יוניים יכולים ליינן במים ולשאת מטענים חשמליים, בעוד שחומרים פעילי שטח לא יוניים אינם יכולים ליינן במים אך בעלי קוטביות ומסיסות במים.

3.2.3 חומרים פעילי שטח מזיקים נפוצים

חומרים פעילי שטח נמצאים בשימוש נרחב בחיי היומיום של בני אדם, אך הם ללא ספק חומרים כימיים. חומרי גלם רבים לחומרים פעילי שטח הם בעלי תכונות רעילות וזיהום מסוימות. באופן בלתי נמנע, הם גורמים נזק לסביבה; במגע עם בני אדם, הם עלולים לגרות את העור, וחלקם אף בעלי רעילות חזקה וקורוזיביות, ולגרום נזק חמור לגוף האדם. להלן מספר חומרים פעילי שטח מזיקים נפוצים:

א. APEO

APEO הוא סוג נפוץ של חומר פעיל שטח לא יוני, המורכב מחלק אלקיל ומחלק אתוקסי. אורכי שרשרת פחמן משתנים של החלק האלקיל וכמויות שונות של החלק האתוקסי יוצרים צורות קיימות רבות של APEO עם הבדלים משמעותיים בביצועים בין צורות שונות. בתהליך הסינתזה של APEO, התוצר העיקרי אינו מסרטן, אך תוצרי הלוואי שלו קורוזיביים לעור ולעיניים, וחלקם אף עלולים לגרום לסרטן במקרים חמורים. למרות שהוא אינו פוגע ישירות באורגניזמים, APEO מהווה סיכון הורמונלי סביבתי. חומרים כימיים כאלה חודרים לגוף האדם בדרכים שונות, מפעילים השפעות דמויות אסטרוגן, משבשים הפרשת הורמונים אנושית תקינה ומפחיתים עוד יותר את ספירת הזרע הגברית. הוא לא רק מזיק לבני אדם; דיווחים מצביעים על כך שחומר הגלם הסינתטי שלו, NPEO, גורם גם נזק משמעותי לדגים.

ב. PFOS

PFOS, ששמו המלא פרפלואורואוקטן סולפונט, הוא מונח כללי לסוג של חומרים פעילי שטח פרפלואוריים. יש לו אפקט הגברה סביבתי. בשל תכונותיו הפיזיקליות והכימיות המיוחדות, PFOS קשה ביותר לפירוק והוא נחשב לאחד החומרים העקשניים ביותר. לאחר שהוא נכנס לבעלי חיים ולגוף האדם דרך שרשרת המזון, הוא מצטבר בכמויות גדולות ומאיים קשות על הבריאות הביולוגית.

ג. לאס

LAS הוא מזהם אורגני עיקרי הגורם נזק רב לסביבה. הוא יכול לשנות את התכונות הפיזיקליות והכימיות של הקרקע, כגון שינוי ערך ה-pH של הקרקע ותכולת המים, ובכך לעכב את צמיחת הצמחים. בנוסף, כאשר הוא נכנס לגופי מים, LAS יכול להשתלב עם מזהמים אחרים וליצור חלקיקים קולואידים מפוזרים ולהפגין רעילות לאורגניזמים צעירים, גבוהים יותר ואורגניזמים נמוכים יותר.

ד. חומרים פעילי שטח פלואורו-פחמניים

PFOA ו-PFOS הם שני חומרים פעילי שטח פלואור-פחמניים מסורתיים עיקריים. מחקרים רלוונטיים הראו כי תרכובות כאלה בעלות רעילות גבוהה, גורמות לזיהום סביבתי מתמשך ומצטברות באופן מסיבי באורגניזמים. כתוצאה מכך, הם נרשמו כמזהמים אורגניים מתמשכים (POPs) על ידי האומות המאוחדות בשנת 2009.

4 חומרים פעילי שטח ירוקים וחדשים

א. חומרים פעילי שטח מבוססי חומצות אמינו

חומרים פעילי שטח מבוססי חומצות אמינו עשויים בעיקר מחומרי גלם מביומסה בעלי מקורות רבים. הם מתאפיינים בתופעות לוואי ותופעות רעילות נמוכות, תכונות קלות, גירוי נמוך לאורגניזמים ופירוק ביולוגי מעולה. בהתאם לתכונות המטען של קבוצות הידרופיליות לאחר יינון במים, ניתן לסווג אותן גם לארבע קטגוריות: קטיוניות, אניוניות, לא יוניות ואמפוטריות. סוגים נפוצים כוללים חומצות אמינו מסוג N-אלקיל, חומצות אמינו מסוג אסטר וחומצות אמינו מסוג N-אציל.

ב. חומרים פעילי שטח של אננזים אננס

חומרים פעילי שטח של אננזים אננס מיוצרים על ידי תסיסה של קמח זרעי קמליה ועוגת שמן שנותרה לאחר מיצוי שמן, קליפת אננס, יחד עם אבקת שמרים, פקטינאז ומיקרואורגניזמים אחרים. למרות שהמבנה המולקולרי של המרכיבים הפעילים שלהם נותר לא ברור, נתונים ניסויים מוכיחים שיש להם ביצועי שטיפה חיוביים.

ג. SAA

SAA הוא נגזרת של שמן דקלים. כמוצר העשוי מחומרי גלם צמחיים מתחדשים, הוא משך תשומת לב רבה. תהליך הייצור שלו ידידותי לסביבה. יתר על כן, במים קשים עם תכולת יוני סידן ומגנזיום גבוהה, הוא משקע מלחי סידן לאט הרבה יותר מאשר חומרים פעילי שטח נפוצים כמו LAS ו-AS, מה שאומר שהוא מספק יכולת דטרגנט יוצאת דופן ביישומים מעשיים.

5 סיכוי לפיתוח חומרי ניקוי

ברחבי שוק חומרי הניקוי העולמי, מדינות שונות זו מזו מבחינת סדרי עדיפויות ומגמות פיתוח, אך כיוון המחקר הכללי למוצרי ניקוי נותר עקבי. ריכוז והנזלה של חומרי ניקוי הפכו למגמות מרכזיות, בעוד שחיסכון במים, בטיחות, חיסכון באנרגיה, מקצועיות, ידידותיות לסביבה ורב-פונקציונליות צצו ככיווני פיתוח פופולריים. חומרים פעילי שטח, חומרי הגלם העיקריים של חומרי ניקוי, מתפתחים לכיוון עדינות, ניסוח תרכובות ותאימות סביבתית. תכשירי אנזים, המתגאים ביעילות גבוהה, ספציפיות וידידותיות לסביבה, הפכו למוקד מחקר בפיתוח חומרי ניקוי. בסך הכל, מגמות הפיתוח של תעשיית חומרי הניקוי מסוכמות כדלקמן:

גיוון, התמחות ופילוח של מוצרי דטרגנט. ניתן לחלק את חומרי הניקוי לסוגים מוצקים, אבקה, נוזלים וג'ל לפי צורה; סוג מרוכז וסוג רגיל לפי תכולת החומר הפעיל; וקטגוריות שונות לפי אריזה, צבע וניחוח.

דטרגנטים נוזליים יהפכו לקטגוריית המוצרים המבטיחה ביותר. בהשוואה לדטרגנטים מוצקים, דטרגנטים נוזליים מתפקדים טוב יותר בכביסה בטמפרטורה נמוכה, כוללים עיצוב נוסחה גמיש יותר ותהליכי ייצור פשוטים יותר. הם גם דורשים פחות השקעה בציוד וצורכים פחות אנרגיה במהלך הייצור.

ריכוז מתקדם של מוצרי דטרגנט. מאז 2009, דטרגנטים מרוכזים התפתחו לשלוש קטגוריות עיקריות: אבקת כביסה מרוכזת, תרמילי כביסה מרוכזים ודטרגנט נוזלי מרוכז. לדטרגנטים מרוכזים יתרונות ניכרים על פני מוצרים מסורתיים, כולל תכולת חומרים פעילים גבוהה, יכולת דטרגנט חזקה וחיסכון באנרגיה. בנוסף, הם חוסכים בחומרי אריזה, מפחיתים עלויות הובלה ותופסים פחות מקום במחסן הודות לנוסחה המרוכזת שלהם.

אוריינטציה לבטיחות אנושית. עם שיפור רמת החיים, אנשים כבר לא רק מעריכים חומרי ניקוי לפי ביצועי הסרת כתמים. בטיחות אנושית, אי-רעילות וחוסר גירוי קל הפכו לקריטריונים מכריעים בבחירת חומרי ניקוי.

פיתוח מוצרים ידידותיים לסביבה. איטרופיקציה הנגרמת על ידי דטרגנטים המכילים זרחן והשפעות סביבתיות שליליות של חומרי הלבנה עוררו דאגה ציבורית נרחבת. בתגובה לדרישות הכימיה הירוקה, בחירת חומרי הגלם לדטרגנטים עוברת בהדרגה לכיוון אפשרויות ידידותיות לסביבה ועדינות.

רב-פונקציונליות. רב-פונקציונליות היא מגמת פיתוח רווחת עבור מוצרים חברתיים שונים, ומוצרים חיוניים יומיומיים רב-תכליתיים הפכו נפוצים בחיים. בעתיד, חומרי ניקוי ישלבו הסרת כתמים עם פונקציות כגון עיקור, חיטוי והלבנה.