Afwasmiddel en oppervlakteactieve stoffen

1.Invoering

Door de ontwikkeling van de chemische industrie is de levensstandaard van mensen voortdurend verbeterd. Hoewel dit de levenskwaliteit aanzienlijk heeft verbeterd, heeft het ook ernstige milieuproblemen veroorzaakt, die zelfs de menselijke gezondheid en veiligheid in gevaar brengen. Naarmate de eisen aan de gezondheid toenemen, heeft de veiligheid van chemische producten die alomtegenwoordig zijn in het dagelijks leven, brede publieke aandacht gekregen. Wasmiddelen, als chemische stoffen die veelvuldig worden gebruikt in het dagelijks leven en de industriële productie, hebben met name veel publieke bezorgdheid gewekt over hun veiligheid.

De veiligheid van chemische producten is ooit in een geloofwaardigheidscrisis terechtgekomen. Deze situatie is enerzijds ontstaan ​​door de grote afhankelijkheid van de wasmiddelenproductie van traditionele grondstoffen, en anderzijds door het gebrek aan professionele kennis bij het publiek over chemische productieprocessen.

Tegen deze achtergrond, en geleid door het kernconcept van groene chemie — "het verminderen en elimineren van milieuvervuiling bij de bron" — ontwerpt en ontwikkelt deze studie nieuwewasmiddelformuleringen. Milieuvriendelijkoppervlakteactieve stoffenEn in deze wasmiddelformule worden chemische reagentia gebruikt die in staat zijn micro-organismen in water te remmen.

2.Huidige ontwikkelingsstatus vanWasmiddelen

Sinds de mensheid een beschaafde samenleving betrad, zijn wasactiviteiten altijd een onmisbaar onderdeel van het menselijk leven geweest. Zo'n 5000 jaar geleden begonnen mensen natuurlijke, wasvriendelijke stoffen te verzamelen, zoals de vruchten van de Chinese honingklaver en alkalische bestanddelen in plantenas, om zich mee te wassen. Driehonderd jaar later werden oppervlakteactieve stoffen kunstmatig geproduceerd. Meer dan een eeuw geleden werd zeep uitgevonden. Sindsdien is zeep, gemaakt van vet, alkali, zout, specerijen en pigmenten, een traditioneel wasmiddel geworden. Het eerste kunstmatig geproduceerde wasmiddel, alkylnaftaleensulfonaat, ontstond tijdens de Eerste Wereldoorlog. Het werd in 1917 ontwikkeld door het Duitse BASF en officieel in productie genomen in 1925. De popularisering van synthetische wasmiddelen vond plaats na de ontdekking van natriumalkylbenzeensulfonaat en tetrapropyleenalkylbenzeen, die tussen 1935 en 1939 officieel in productie werden genomen.

3.Effectieve ingrediënten en werkingsmechanisme vanWasmiddelen

3.1WassenBeginsel

Wassen verwijst in algemene zin naar het proces waarbij vuil van het oppervlak van een drager wordt verwijderd. Tijdens het wassen verzwakt of verbreekt het wasmiddel de interactie tussen het vuil en de drager, waardoor de binding tussen vuil en drager verandert in een binding tussen vuil en wasmiddel. Uiteindelijk wordt het vuil door middel van spoelen en andere methoden van de drager gescheiden. Het basisproces van het wassen kan worden weergegeven door de volgende eenvoudige relatie:

Drager·Vuil + Wasmiddel → Drager + Vuil·Wasmiddel

De hechting van vuil aan objecten wordt onderverdeeld in fysieke hechting en chemische hechting. Fysieke hechting omvat verder mechanische hechting en elektrostatische hechting.

Chemische hechting verwijst voornamelijk naar hechting die tot stand komt door chemische bindingen. Eiwitvlekken en roest die aan vezelmaterialen hechten, vallen bijvoorbeeld onder chemische hechting. Omdat de chemische interactiekracht van dit type hechting over het algemeen sterk is, hecht het vuil zich stevig aan het substraat en is het extreem moeilijk te verwijderen, waardoor speciale behandelingsmethoden nodig zijn.

De interactiekracht tussen vuil dat door fysieke hechting aan het substraat vastzit, is relatief zwak, waardoor het gemakkelijker te verwijderen is dan vuil dat door chemische hechting vastzit. Vuil dat mechanisch vastzit, is gemakkelijk te verwijderen; het is alleen moeilijk te verwijderen als de vuildeeltjes klein zijn (<0,1 μm). Elektrostatische hechting manifesteert zich als de interactie tussen geladen vuildeeltjes en tegengestelde ladingen. Deze kracht is sterker dan de mechanische kracht, waardoor het relatief moeilijk is om vuil te verwijderen.

Het wasproces voor het verwijderen van vuil omvat over het algemeen de volgende fasen:

A. Adsorptie: Oppervlakteactieve stoffen in detergenten ondergaan gerichte adsorptie aan het grensvlak tussen vuil en de drager.

B. Bevochtiging en penetratie: Door de gerichte adsorptie van oppervlakteactieve stoffen aan het grensvlak kan het reinigingsmiddel tussen het vuil en de drager doordringen, de drager bevochtigen en de hechtkracht tussen het vuil en de drager verminderen.

C. Verspreiding en stabilisatie van vuil: Het van het drageroppervlak losgekomen vuil wordt verspreid, geëmulgeerd of opgelost in de reinigingsoplossing, waardoor wordt gegarandeerd dat het losgekomen vuil zich niet opnieuw aan het gereinigde oppervlak hecht.

3.1.1 Bodemsoorten

Bodem verwijst naar vettige substanties die aan dragers hechten, evenals naar kleefstoffen van dergelijke vettige substanties, met een uiterst complexe samenstelling. Op basis van de verschillende vormen kan bodem grofweg worden ingedeeld in vaste bodem, vloeibare bodem en speciale bodem.

Veelvoorkomende vaste vervuilingen zijn onder andere roest, stof, roetdeeltjes en dergelijke. De oppervlakken van deze stoffen hebben meestal een negatieve lading, waardoor ze zich gemakkelijk aan ondergronden hechten. De meeste vaste deeltjes zijn onoplosbaar in water, maar kunnen gemakkelijk worden opgelost in waterige oplossingen met detergenten; grotere vaste deeltjes zijn gemakkelijker te verwijderen. De meeste vloeibare vervuilingen zijn oplosbaar in olie en kunnen verzepen worden met alkalische oplossingen, wat verklaart waarom de meeste detergenten alkalisch zijn. Speciale vervuilingen verwijzen voornamelijk naar hardnekkige vlekken zoals bloedvlekken, plantensap en menselijke lichaamsvloeistoffen. Dit type vervuiling wordt voornamelijk verwijderd met bleekmiddelen, omdat de sterke oxiderende werking van bleekmiddelen de chromofore groepen kan vernietigen.

3.2 Actieve ingrediënten in wasmiddelen

Oppervlakteactieve stoffen, ook wel oppervlakteactieve stoffen genoemd, zijn de belangrijkste functionele componenten in wasmiddelen. Ze lossen snel op in water en vertonen uitstekende eigenschappen, waaronder ontsmetting, schuimvorming, oplossen, emulgering, bevochtiging en dispersie.

3.2.1 Oppervlakteactieve stoffen: Oorsprong en ontwikkeling

Uit experimenten is gebleken dat het toevoegen van bepaalde stoffen aan water de oppervlaktespanning kan veranderen, en dat verschillende stoffen een verschillend effect hebben op de oppervlaktespanning van water.

Wat betreft de eigenschap om de oppervlaktespanning te verlagen, wordt het vermogen om de oppervlaktespanning van een oplosmiddel te verlagen gedefinieerd als oppervlakteactiviteit, en stoffen met oppervlakteactiviteit worden oppervlakteactieve stoffen genoemd. Stoffen die de grensvlaktoestand van een oplossingssysteem significant kunnen veranderen wanneer ze in kleine hoeveelheden worden toegevoegd, worden oppervlakteactieve stoffen genoemd.

Een oppervlakteactieve stof is een substantie die, wanneer in een zeer kleine hoeveelheid aan een oplosmiddel toegevoegd, de oppervlaktespanning van het oplosmiddel aanzienlijk kan verlagen en de grensvlaktoestand van het systeem kan veranderen. Dit geeft aanleiding tot een reeks functies zoals bevochtiging of ontvochtiging, emulgering of demulgering, dispersie of flocculatie, schuimvorming of ontschuiming, oplossen, bevochtiging, sterilisatie, verzachting, waterafstotendheid, antistatische eigenschappen en corrosiebestendigheid, om te voldoen aan de eisen van praktische toepassingen.

Oppervlakteactieve stoffen op basis van zeep verschenen voor het eerst in het oude Egypte rond 2500 voor Christus, waar de Egyptenaren schoonmaakproducten maakten van een mengsel van schapenvet en plantenas. Rond 70 na Christus creëerde Plinius van het Romeinse Rijk het eerste stuk zeep van schapenvet. Zeep werd pas echt populair in 1791, toen de Franse chemicus Nicolas Leblanc de methode ontdekte om bijtende soda te produceren via elektrolyse van natriumchloride. Een product uit de tweede fase van de ontwikkeling van oppervlakteactieve stoffen is Turkse rode olie, ook wel bekend als gesulfoneerde ricinusolie. Deze wordt gesynthetiseerd door ricinusolie te laten reageren met geconcentreerd zwavelzuur bij een lage temperatuur, gevolgd door neutralisatie met natriumhydroxide. Turkse rode olie heeft een uitstekend emulgerend vermogen, doorlaatbaarheid, bevochtigbaarheid en diffusievermogen, en is beter bestand tegen hard water, zuren en metaalzouten dan zeep.

3.2.2 Structuur van oppervlakteactiviteit

De unieke eigenschappen van oppervlakteactieve stoffen vloeien voort uit hun bijzondere moleculaire structuur. Oppervlakteactieve stoffen zijn over het algemeen lineaire moleculen die zowel hydrofiele polaire groepen als lipofiele niet-polaire hydrofobe groepen bevatten.

Hydrofobe groepen hebben diverse structuren, zoals rechte ketens, vertakte ketens en cyclische structuren. De meest voorkomende zijn koolwaterstofketens, waaronder alkanen, alkenen, cycloalkanen en aromatische koolwaterstoffen, met meestal 8 tot 20 koolstofatomen. Andere hydrofobe groepen zijn onder andere vetalcoholen, alkylfenolen en atoomgroepen die fluor, silicium en andere elementen bevatten. Hydrofiele groepen worden onderverdeeld in anionische, kationische, amfotere ionische en niet-ionische typen. Ionische oppervlakteactieve stoffen kunnen in water ioniseren en elektrische ladingen dragen, terwijl niet-ionische oppervlakteactieve stoffen niet in water kunnen ioniseren, maar wel polariteit en wateroplosbaarheid bezitten.

3.2.3 Veelvoorkomende schadelijke oppervlakteactieve stoffen

Oppervlakteactieve stoffen worden veelvuldig gebruikt in het dagelijks leven, maar het zijn onmiskenbaar chemische stoffen. Veel grondstoffen voor oppervlakteactieve stoffen bezitten bepaalde giftige en vervuilende eigenschappen. Onvermijdelijk veroorzaken ze schade aan het milieu; bij contact met de mens kunnen ze de huid irriteren en sommige zijn zelfs zeer giftig en corrosief, waardoor ze ernstige schade aan het menselijk lichaam kunnen toebrengen. Hieronder worden enkele veelvoorkomende schadelijke oppervlakteactieve stoffen beschreven:

A. APEO

APEO is een veelvoorkomend type niet-ionische oppervlakteactieve stof, samengesteld uit een alkylgroep en een ethoxygroep. Variaties in de lengte van de koolstofketen van het alkylgedeelte en verschillende toevoegingshoeveelheden van het ethoxygedeelte resulteren in talrijke bestaande vormen van APEO met aanzienlijke prestatieverschillen. Het hoofdproduct van APEO is niet kankerverwekkend, maar de bijproducten zijn corrosief voor de huid en ogen en kunnen in ernstige gevallen zelfs kanker veroorzaken. Hoewel APEO organismen niet direct schaadt, vormt het een risico voor het milieu door hormoonvergiftiging. Dergelijke chemische stoffen komen via verschillende routes in het menselijk lichaam terecht, hebben oestrogeenachtige effecten, verstoren de normale hormoonafscheiding en verminderen bovendien het aantal zaadcellen bij mannen. Het is niet alleen schadelijk voor mensen; rapporten geven aan dat de synthetische grondstof NPEO ook aanzienlijke schade toebrengt aan vissen.

B. PFOS

PFOS, voluit perfluoroctaansulfonaat, is een algemene term voor een klasse van perfluorhoudende oppervlakteactieve stoffen. Het heeft een versterkend effect op het milieu. Door zijn bijzondere fysische en chemische eigenschappen is PFOS extreem moeilijk afbreekbaar en wordt het beschouwd als een van de meest hardnekkige stoffen. Nadat het via de voedselketen in dieren en het menselijk lichaam terechtkomt, hoopt het zich in grote hoeveelheden op en vormt het een ernstige bedreiging voor de biologische gezondheid.

C. LAS

LAS is een belangrijke organische verontreinigende stof die grote schade aan het milieu toebrengt. Het kan de fysische en chemische eigenschappen van de bodem veranderen, zoals de pH-waarde en het watergehalte, waardoor de plantengroei wordt belemmerd. Bovendien kan LAS, wanneer het in waterlichamen terechtkomt, zich binden aan andere verontreinigende stoffen en verspreide colloïdale deeltjes vormen die giftig zijn voor jonge hogere en lagere organismen.

D. Fluorkoolstof-oppervlakteactieve stoffen

PFOA en PFOS zijn de twee belangrijkste traditionele fluorkoolwaterstof-oppervlakteactieve stoffen. Uit relevant onderzoek is gebleken dat deze verbindingen zeer giftig zijn, aanhoudende milieuvervuiling veroorzaken en zich massaal in organismen ophopen. Daarom werden ze in 2009 door de Verenigde Naties aangemerkt als persistente organische verontreinigende stoffen (POP's).

4 Groene en nieuwe soorten oppervlakteactieve stoffen

A. Oppervlakteactieve stoffen op basis van aminozuren

Oppervlakteactieve stoffen op basis van aminozuren worden voornamelijk gemaakt van biomassa, waarvan de grondstoffen ruim voorhanden zijn. Ze kenmerken zich door een lage toxiciteit en geringe bijwerkingen, milde eigenschappen, geringe irritatie voor organismen en een uitstekende biologische afbreekbaarheid. Afhankelijk van de ladingseigenschappen van de hydrofiele groepen na ionisatie in water, kunnen ze worden ingedeeld in vier categorieën: kationisch, anionisch, niet-ionisch en amfotere. Veelvoorkomende typen zijn onder andere N-alkylaminozuurtypen, aminozuurestertypen en N-acylaminozuurtypen.

B. Ananasenzym-oppervlakteactieve stoffen

Ananasenzym-oppervlakteactieve stoffen worden geproduceerd door fermentatie van cameliazaadmeel en oliekoek die overblijft na olie-extractie, ananasschillen, samen met gistpoeder, pectinase en andere micro-organismen. Hoewel de moleculaire structuur van hun actieve bestanddelen nog onduidelijk is, tonen experimentele gegevens aan dat ze gunstige waseigenschappen hebben.

C. SAA

SAA is een derivaat van palmolie. Omdat het gemaakt is van hernieuwbare plantaardige grondstoffen, heeft het veel aandacht gekregen. Het productieproces is milieuvriendelijk. Bovendien slaat het in hard water met een hoog gehalte aan calcium- en magnesiumionen calciumzouten veel langzamer neer dan veelgebruikte oppervlakteactieve stoffen zoals LAS en AS, waardoor het in de praktijk een uitstekende reinigende werking heeft.

5. Toekomstperspectief voor de ontwikkeling van wasmiddelen

Binnen de wereldwijde wasmiddelenmarkt verschillen landen in ontwikkelingsprioriteiten en -trends, maar de algemene onderzoeksrichting voor wasmiddelen blijft consistent. De concentratie en vloeibaarmaking van wasmiddelen zijn gangbare trends geworden, terwijl waterbesparing, veiligheid, energiebesparing, professionaliteit, milieuvriendelijkheid en multifunctionaliteit populaire ontwikkelingsrichtingen zijn geworden. Oppervlakteactieve stoffen, de belangrijkste grondstoffen voor wasmiddelen, evolueren naar mildheid, samengestelde formuleringen en milieuvriendelijkheid. Enzympreparaten, die zich onderscheiden door hun hoge efficiëntie, specificiteit en milieuvriendelijkheid, zijn een belangrijk onderzoeksthema in de wasmiddelenontwikkeling. Over het algemeen kunnen de ontwikkelingstrends van de wasmiddelenindustrie als volgt worden samengevat:

Diversificatie, specialisatie en segmentatie van wasmiddelen. Wasmiddelen kunnen worden onderverdeeld in vaste, poeder-, vloeibare en gelvarianten op basis van vorm; geconcentreerde en reguliere varianten op basis van het gehalte aan actieve ingrediënten; en diverse categorieën op basis van verpakking, kleur en geur.

Vloeibare wasmiddelen zullen de meest veelbelovende productcategorie worden. In vergelijking met vaste wasmiddelen presteren vloeibare wasmiddelen beter bij wassen op lage temperaturen, hebben ze een flexibelere formule en eenvoudigere productieprocessen. Bovendien vereisen ze minder investeringen in apparatuur en verbruiken ze minder energie tijdens de productie.

Geleidelijke concentratie van wasmiddelen. Sinds 2009 zijn geconcentreerde wasmiddelen geëvolueerd naar drie hoofdcategorieën: geconcentreerd waspoeder, geconcentreerde wascapsules en geconcentreerd vloeibaar wasmiddel. Geconcentreerde wasmiddelen hebben opmerkelijke voordelen ten opzichte van traditionele producten, waaronder een hoog gehalte aan werkzame stoffen, een sterke reinigende werking en energiebesparing. Bovendien besparen ze op verpakkingsmateriaal, verlagen ze de transportkosten en nemen ze minder opslagruimte in beslag dankzij hun geconcentreerde formule.

Mensveiligheid staat centraal. Door de verbetering van de levensstandaard beoordelen mensen wasmiddelen niet langer alleen op hun vermogen om vlekken te verwijderen. Mensveiligheid, niet-toxiciteit en milde, niet-irriterende eigenschappen zijn cruciale criteria geworden bij de keuze van een wasmiddel.

Milieuvriendelijke productontwikkeling. Eutrofiëring veroorzaakt door fosforhoudende wasmiddelen en de negatieve milieueffecten van bleekmiddelen hebben tot grote publieke bezorgdheid geleid. Als reactie op de eisen van groene chemie verschuift de grondstoffenkeuze voor wasmiddelen geleidelijk naar milieuvriendelijke en milde alternatieven.

Multifunctionaliteit. Multifunctionaliteit is een dominante ontwikkelingstrend voor diverse maatschappelijke producten, en multifunctionele dagelijkse benodigdheden zijn gemeengoed geworden. In de toekomst zullen wasmiddelen vlekverwijdering combineren met functies zoals sterilisatie, desinfectie en bleken.