Indų ploviklis ir paviršinio aktyvumo medžiagos

1.Įvadas

Tobulėjant chemijos pramonei, žmonių gyvenimo lygis nuolat gerėjo. Nors gyvenimas labai pagerėjo, tai taip pat sukėlė rimtų aplinkosaugos problemų, netgi kėlė pavojų žmonių sveikatai ir saugumui. Kadangi žmonių sveikatos poreikiai nuolat auga, cheminių produktų, plačiai naudojamų kasdieniame gyvenime, saugumas sulaukė didelio visuomenės dėmesio. Plovikliai, kaip cheminės medžiagos, plačiai naudojamos kasdieniame gyvenime ir pramoninėje gamyboje, sukėlė ypač didelį visuomenės susirūpinimą dėl jų saugumo.

Cheminių produktų sauga kartą pateko į patikimumo krizę. Ši situacija susidarė, viena vertus, dėl didelio ploviklių gamybos priklausomybės nuo tradicinių žaliavų, kita vertus, dėl visuomenės profesinių žinių apie cheminės gamybos procesus stokos.

Atsižvelgiant į tai, vadovaujantis pagrindine žaliosios chemijos koncepcija – „aplinkos taršos mažinimas ir panaikinimas jos šaltinyje“ – šiame tyrime kuriami ir plėtojami naujiploviklisformulės. Draugiškos aplinkaipaviršinio aktyvumo medžiagosŠioje ploviklio formulėje naudojami cheminiai reagentai, galintys slopinti mikroorganizmus vandenyje.

2.Dabartinė plėtros būsenaPlovikliai

Nuo tada, kai žmonija įžengė į civilizuotą visuomenę, skalbimas visada buvo neatsiejama žmogaus gyvenimo dalis. Maždaug prieš 5000 metų žmonės pradėjo rinkti natūralias skalbimui palankias medžiagas, tokias kaip kininio medaus agurko vaisiai ir šarminiai augalų pelenų komponentai, skalbimui. Po trijų šimtų metų žmonės dirbtinai gamino paviršinio aktyvumo medžiagas. Daugiau nei prieš šimtmetį buvo išrastas muilas. Nuo tada muilas, pagamintas iš riebalų, šarmų, druskos, prieskonių ir pigmentų, tapo tradiciniu plovikliu. Pirmasis dirbtinai sintetinis ploviklis – alkilnaftalensulfonatas – atsirado per Pirmąjį pasaulinį karą. Jį 1917 m. sukūrė Vokietijos įmonė BASF, o oficialiai pradėjo gaminti 1925 m. Sintetiniai ploviklių populiarumas kilo po to, kai 1935–1939 m. buvo atrasti ir oficialiai pradėti gaminti natrio alkilbenzensulfonatas ir tetrapropilenalkilbenzenas.

3.Veiksmingi ingredientai ir veikimo mechanizmasPlovikliai

3.1SkalbimasPrincipas

Plovimas bendrąja prasme reiškia nešvarumų pašalinimo nuo nešiklio paviršiaus procesą. Plovimo metu ploviklio veikimas susilpnina arba panaikina nešvarumų ir nešiklio sąveiką, pakeisdamas nešvarumų ir nešiklio sukibimo būseną į nešvarumų ir ploviklio sukibimo būseną. Galiausiai nešvarumai nuo nešiklio atskiriami skalaujant ir kitais metodais. Pagrindinį plovimo procesą galima išreikšti šiuo paprastu ryšiu:

Nešiklis · Nešvarumai + Ploviklis → Nešiklis + Nešvarumai · Ploviklis

Nešvarumų sukibimas su objektais skirstomas į fizinį ir cheminį sukibimą. Fizinis sukibimas taip pat apima mechaninį ir elektrostatinį sukibimą.

Cheminis sukibimas daugiausia reiškia sukibimą, pasiektą cheminių jungčių būdu. Pavyzdžiui, prie pluošto gaminių prilipusios baltymų dėmės ir rūdys priklauso cheminiam sukibimui. Kadangi šio tipo sukibimo cheminė sąveikos jėga paprastai yra stipri, nešvarumai tvirtai prilimpa prie pagrindo ir juos labai sunku pašalinti, todėl reikalingi specialūs apdorojimo metodai.

Sąveikos jėga tarp fiziniu sukibimu prilipusių nešvarumų ir pagrindo yra santykinai silpna, todėl juos pašalinti lengviau, palyginti su cheminiu sukibimu. Mechaniškai sukibę nešvarumai yra lengvai pašalinami; juos pašalinti sunku tik tada, kai nešvarumų dalelės yra mažos (<0,1 μm). Elektrostatinė sukibimas pasireiškia kaip įkrautų nešvarumų dalelių ir priešingų krūvių sąveika. Ši jėga yra stipresnė nei mechaninė jėga, todėl nešvarumus pašalinti gana sunku.

Paprastai nešvarumų šalinimo plovimo procesas apima šiuos etapus:

A. Adsorbcija: Ploviklių paviršinio aktyvumo medžiagos yra tiesiogiai adsorbuojamos purvo ir nešiklio sąlyčio vietoje.

B. Drėkinimas ir įsiskverbimas: Dėl paviršinio aktyvumo medžiagų kryptingos adsorbcijos tarp paviršių, ploviklis gali prasiskverbti tarp nešvarumų ir nešiklio, sudrėkinti nešiklį ir sumažinti sukibimo jėgą tarp nešvarumų ir nešiklio.

C. Nešvarumų dispergavimas ir stabilizavimas: Nuo nešiklio paviršiaus atsiskyrę nešvarumai disperguojami, emulsuojami arba tirpinami ploviklio tirpale, užtikrinant, kad atsiskyrę nešvarumai vėl nepriliptų prie išvalyto paviršiaus.

3.1.1 Dirvožemio tipai

Dirvožemis – tai prie nešiklių prilipusios riebios medžiagos, taip pat tokių riebių medžiagų klijai, pasižymintys itin sudėtinga sudėtimi. Remiantis skirtingomis formomis, jį galima grubiai suskirstyti į kietą dirvožemį, skystą dirvožemį ir specialųjį dirvožemį.

Įprasti kieti nešvarumai yra rūdys, dulkės, juodosios anglies dalelės ir panašiai. Šių medžiagų paviršiai paprastai turi neigiamą krūvį, todėl jie linkę prilipti prie substratų. Dauguma kietųjų dalelių pavidalo nešvarumų netirpsta vandenyje, tačiau juos galima lengvai išsklaidyti vandeniniuose tirpaluose, kuriuose yra ploviklių; didesnes kietąsias daleles lengviau pašalinti. Dauguma įprastų skystų nešvarumų tirpsta aliejuje ir gali būti muilinami šarminiais tirpalais, todėl dauguma ploviklių yra šarminiai. Ypatingos dėmės daugiausia yra sunkiai įveikiamos dėmės, tokios kaip kraujo dėmės, augalų sultys ir žmonių išskyros. Šio tipo nešvarumus daugiausia pašalina balikliai, nes stiprios baliklių oksidacinės savybės gali sunaikinti jų chromoforines grupes.

3.2 Veikliosios ploviklių sudedamosios dalys

Paviršinio aktyvumo medžiagos, dar žinomos kaip paviršinio aktyvumo medžiagos, yra pagrindiniai funkciniai ploviklių komponentai. Jos greitai ištirpsta vandenyje ir pasižymi puikiomis savybėmis, įskaitant dezaktyvavimą, putojimą, tirpinimą, emulsinimą, drėkinimą ir dispergavimą.

3.2.1 Paviršinio aktyvumo medžiagos: kilmė ir raida

Eksperimentai parodė, kad į vandenį įdėjus tam tikrų medžiagų, galima pakeisti jo paviršiaus įtempimą, o skirtingos medžiagos daro skirtingą poveikį vandens paviršiaus įtempimui.

Kalbant apie paviršiaus įtempimo mažinimo savybę, tirpiklio gebėjimas sumažinti paviršiaus įtempimą apibrėžiamas kaip paviršiaus aktyvumas, o medžiagos, turinčios paviršiaus aktyvumą, vadinamos paviršiaus aktyviosiomis medžiagomis. Medžiagos, kurios, įpilamos nedideliais kiekiais, gali reikšmingai pakeisti tirpalo sistemos tarpfazinę būseną, vadinamos paviršiaus aktyviosiomis medžiagomis.

Paviršinio aktyvumo medžiaga – tai medžiaga, kuri, įdėta į tirpiklį labai maža doze, gali žymiai sumažinti tirpiklio paviršiaus įtempimą ir pakeisti sistemos tarpsluoksninę būseną. Tai suteikia daug funkcijų, tokių kaip drėkinimas arba nusausinimas, emulsifikacija arba deemulsifikacija, dispersija arba flokuliacija, putojimas arba putų šalinimas, tirpinimas, drėkinimas, sterilizavimas, minkštinimas, atsparumas vandeniui, antistatinės savybės ir atsparumas korozijai, kad būtų patenkinti praktinio pritaikymo poreikiai.

Muilo pagrindo paviršinio aktyvumo medžiagos pirmą kartą pasirodė senovės Egipte apie 2500 m. pr. Kr., kur senovės egiptiečiai gamino valymo priemones iš avienos riebalų ir augalų pelenų mišinio. Apie 70 m. po Kr. Romos imperijos Plinijus sukūrė pirmąjį avienos riebalų muilo gabalėlį. Muilas plačiai išpopuliarėjo tik 1791 m., kai prancūzų chemikas Nicolas Leblanc atrado kaustinės sodos gamybos būdą elektrolizuojant natrio chloridą. Antrojo paviršinio aktyvumo medžiagų kūrimo etapo produktas yra raudonasis kalakutienos aliejus, dar žinomas kaip sulfonintas ricinos aliejus. Jis sintetinamas ricinos aliejui reaguojant su koncentruota sieros rūgštimi žemoje temperatūroje, o po to neutralizuojant natrio hidroksidu. Raudonasis kalakutienos aliejus pasižymi išskirtine emulsinimo galia, pralaidumu, drėkinamumu ir difuzija, o atsparumu kietam vandeniui, rūgštims ir metalų druskoms lenkia muilą.

3.2.2 Paviršiaus aktyvumo struktūra

Unikalios paviršinio aktyvumo medžiagų savybės kyla dėl jų ypatingos molekulinės struktūros. Paviršinio aktyvumo medžiagos paprastai yra linijinės molekulės, turinčios ir hidrofilinių polinių grupių, ir lipofilinių nepolinių hidrofobinių grupių.

Hidrofobinės grupės turi įvairias struktūras, tokias kaip tiesios grandinės, šakotos grandinės ir ciklinės struktūros. Dažniausiai pasitaiko angliavandenilių grandinės, įskaitant alkanus, alkenus, cikloalkanus ir aromatinius angliavandenilius, kurių anglies atomų skaičius svyruoja nuo 8 iki 20. Kitos hidrofobinės grupės apima riebalų alkoholius, alkilfenolius ir atomines grupes, kuriose yra fluoro, silicio ir kitų elementų. Hidrofilinės grupės skirstomos į anijonines, katijonines, amfoterines, jonines ir nejonines. Joninės paviršinio aktyvumo medžiagos gali jonizuotis vandenyje ir pernešti elektros krūvius, o nejoninės paviršinio aktyvumo medžiagos negali jonizuotis vandenyje, tačiau pasižymi poliškumu ir tirpumu vandenyje.

3.2.3 Dažniausios kenksmingos paviršinio aktyvumo medžiagos

Paviršinio aktyvumo medžiagos yra plačiai naudojamos žmonių kasdieniame gyvenime, tačiau neabejotinai jos yra cheminės medžiagos. Daugelis paviršinio aktyvumo medžiagų žaliavų pasižymi tam tikromis toksiškumo ir taršos savybėmis. Jos neišvengiamai kenkia aplinkai; patekusios į sąlytį su žmonėmis, jos gali dirginti odą, o kai kurios netgi pasižymi stipriu toksiškumu ir ėsdinančiomis savybėmis, padarydamos didelę žalą žmogaus organizmui. Toliau pateikiamos kelios dažniausiai pasitaikančios kenksmingos paviršinio aktyvumo medžiagos:

A. APEO

APEO yra įprastas nejoninių paviršinio aktyvumo medžiagų tipas, sudarytas iš alkilinės ir etoksinės dalių. Skirtingas alkilinės dalies anglies grandinės ilgis ir skirtingas etoksinės dalies pridėjimo kiekis lemia daugybę egzistuojančių APEO formų, kurių veiksmingumas labai skiriasi. APEO sintezės procese pagrindinis produktas nėra kancerogeninis, tačiau jo šalutiniai produktai yra ėsdinantis odą ir akis, o kai kurie sunkiais atvejais gali sukelti vėžį. Nors APEO tiesiogiai nekenkia organizmams, jis kelia pavojų aplinkos hormonams. Tokios cheminės medžiagos patenka į žmogaus organizmą įvairiais būdais, sukelia estrogenų poveikį, sutrikdo normalią žmogaus hormonų sekreciją ir dar labiau sumažina vyrų spermatozoidų skaičių. Jis kenkia ne tik žmonėms; ataskaitos rodo, kad jo sintetinė žaliava NPEO taip pat daro didelę žalą žuvims.

B. PFOS

PFOS, pilnai vadinamas perfluoroktano sulfonatu, yra bendrinis perfluorintų paviršinio aktyvumo medžiagų klasės terminas. Ji turi aplinkos stiprinimo efektą. Dėl savo ypatingų fizikinių ir cheminių savybių PFOS yra itin sunkiai skaidoma ir laikoma viena iš labiausiai pažeidžiamų medžiagų. Patekusi į gyvūnų ir žmonių organizmą per maisto grandinę, ji kaupiasi dideliais kiekiais ir kelia didelę grėsmę biologinei sveikatai.

C. LAS

LAS yra pagrindinis organinis teršalas, darantis didelę žalą aplinkai. Jis gali pakeisti dirvožemio fizines ir chemines savybes, pavyzdžiui, pakeisti dirvožemio pH vertę ir vandens kiekį, taip slopindamas augalų augimą. Be to, patekęs į vandens telkinius, LAS gali jungtis su kitais teršalais ir sudaryti dispersines koloidines daleles, kurios yra toksiškos aukštesniųjų ir žemesniųjų organizmų jaunikliams.

D. Fluorokarboninės paviršinio aktyvumo medžiagos

PFOA ir PFOS yra dvi pagrindinės tradicinės fluorokarboninės paviršinio aktyvumo medžiagos. Atitinkami tyrimai parodė, kad tokie junginiai yra labai toksiški, sukelia nuolatinę aplinkos taršą ir labai kaupiasi organizmuose. Todėl 2009 m. Jungtinės Tautos juos įtraukė į patvariųjų organinių teršalų (POP) sąrašą.

4 Žalios ir naujo tipo paviršinio aktyvumo medžiagos

A. Aminorūgščių pagrindu pagamintos paviršinio aktyvumo medžiagos

Aminorūgščių pagrindu pagamintos paviršinio aktyvumo medžiagos daugiausia gaminamos iš biomasės žaliavų, kurių šaltiniai yra gausūs. Jos pasižymi mažu toksiškumu ir šalutiniu poveikiu, švelniomis savybėmis, mažai dirgina organizmus ir puikiai biologiškai skaidomos. Pagal hidrofilinių grupių krūvio savybes po jonizacijos vandenyje jas taip pat galima suskirstyti į keturias kategorijas: katijonines, anijonines, nejonines ir amfoterines. Įprasti tipai yra N-alkilamino rūgščių tipo, aminorūgščių esterių tipo ir N-acilamino rūgščių tipo.

B. Ananasų fermentinės paviršinio aktyvumo medžiagos

Ananasų fermentinės paviršinio aktyvumo medžiagos gaminamos fermentuojant kamelijų sėklų miltus ir aliejaus pyragus, likusius po aliejaus ekstrakcijos, ananasų žievelę kartu su mielių milteliais, pektinaze ir kitais mikroorganizmais. Nors jų veikliųjų medžiagų molekulinė struktūra nėra aiški, eksperimentiniai duomenys įrodo, kad jos pasižymi palankiomis skalbimo savybėmis.

C. SAA

SAA yra palmių aliejaus darinys. Kaip produktas, pagamintas iš atsinaujinančių augalinių žaliavų, jis sulaukė didelio dėmesio. Jo gamybos procesas yra ekologiškas. Be to, kietame vandenyje, kuriame yra daug kalcio ir magnio jonų, jis nusodina kalcio druskas daug lėčiau nei įprastai naudojamos paviršinio aktyvumo medžiagos, tokios kaip LAS ir AS, todėl praktiškai pasižymi išskirtinėmis skalbimo savybėmis.

5 Skalbimo priemonių kūrimo perspektyva

Pasaulinėje ploviklių rinkoje šalys skirtingai vertina plėtros prioritetus ir tendencijas, tačiau bendra ploviklių produktų tyrimų kryptis išlieka ta pati. Ploviklių koncentracija ir skystinimas tapo pagrindinėmis tendencijomis, o vandens taupymas, saugumas, energijos taupymas, profesionalumas, ekologiškumas ir daugiafunkcionalumas tapo populiariomis plėtros kryptimis. Paviršinio aktyvumo medžiagos, pagrindinės ploviklių žaliavos, vystosi švelnumo, sudėtingesnės formulės ir suderinamumo su aplinka link. Fermentų preparatai, pasižymintys dideliu efektyvumu, specifiškumu ir ekologiškumu, tapo tyrimų centru ploviklių kūrimo srityje. Apskritai ploviklių pramonės plėtros tendencijas galima apibendrinti taip:

Ploviklių produktų diversifikavimas, specializacija ir segmentavimas. Ploviklius galima suskirstyti į kietos, miltelių, skystos ir gelio pavidalo pagal formą; koncentruotus ir įprastus pagal veikliosios medžiagos kiekį; ir įvairias kategorijas pagal pakuotę, spalvą ir kvapą.

Skystos skalbimo priemonės taps perspektyviausia produktų kategorija. Palyginti su kietomis skalbimo priemonėmis, skystos skalbimo priemonės geriau skalbiant žemoje temperatūroje, pasižymi lankstesne formule ir paprastesniais gamybos procesais. Be to, joms reikia mažiau investicijų į įrangą ir jos sunaudoja mažiau energijos gamybos metu.

Progresyvi skalbimo priemonių koncentracija. Nuo 2009 m. koncentruoti skalbimo milteliai išsiplėtė į tris pagrindines kategorijas: koncentruotus skalbimo miltelius, koncentruotas skalbimo kapsules ir koncentruotą skystą skalbimo priemonę. Koncentruoti skalbimo priemonės turi didelių pranašumų, palyginti su tradiciniais produktais, įskaitant didelį veikliųjų medžiagų kiekį, stiprų skalbimą ir energijos taupymą. Be to, dėl koncentruotos formulės jos taupo pakavimo medžiagas, sumažina transportavimo išlaidas ir užima mažiau sandėliavimo vietos.

Orientacija į žmonių saugumą. Gerėjant gyvenimo lygiui, žmonės nebevertina ploviklių vien pagal dėmių šalinimo efektyvumą. Žmonių saugumas, netoksiškumas ir nedidelis odos dirginimo nebuvimas tapo svarbiausiais ploviklio pasirinkimo kriterijais.

Ekologiškų produktų kūrimas. Fosforo turinčių ploviklių sukelta eutrofikacija ir neigiamas baliklių poveikis aplinkai sukėlė didelį visuomenės susirūpinimą. Reaguojant į žaliosios chemijos reikalavimus, ploviklių žaliavų pasirinkimas pamažu keičiasi link aplinkai nekenksmingų ir švelnių variantų.

Daugiafunkcionalumas. Daugiafunkcionalumas yra vyraujanti įvairių socialinių produktų vystymosi tendencija, o daugiafunkciniai kasdieniai poreikiai tapo įprastu dalyku gyvenime. Ateityje plovikliai integruos dėmių šalinimą su tokiomis funkcijomis kaip sterilizavimas, dezinfekavimas ir balinimas.