Nước rửa chén và chất hoạt động bề mặt

1.Giới thiệu

Với sự phát triển của ngành công nghiệp hóa chất, mức sống của người dân đã liên tục được cải thiện. Tuy nhiên, bên cạnh đó, cuộc sống cũng được nâng cao đáng kể, gây ra những vấn đề nghiêm trọng về môi trường, thậm chí đe dọa sức khỏe và sự an toàn của con người. Khi nhu cầu về sức khỏe của người dân ngày càng tăng cao, sự an toàn của các sản phẩm hóa học phổ biến trong cuộc sống hàng ngày đã thu hút sự quan tâm rộng rãi của công chúng. Chất tẩy rửa, với tư cách là các chất hóa học được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày và sản xuất công nghiệp, đặc biệt gây ra mối quan tâm cao của công chúng về vấn đề an toàn.

Độ an toàn của các sản phẩm hóa học đã từng rơi vào khủng hoảng uy tín. Tình trạng này phát sinh một phần do sản xuất chất tẩy rửa phụ thuộc quá nhiều vào các nguyên liệu thô truyền thống, và mặt khác do công chúng thiếu kiến ​​thức chuyên môn về quy trình sản xuất hóa chất.

Trong bối cảnh đó, được dẫn dắt bởi khái niệm cốt lõi của hóa học xanh — “giảm thiểu và loại bỏ ô nhiễm môi trường ngay tại nguồn” — nghiên cứu này thiết kế và phát triển các giải pháp mới.chất tẩy rửacông thức. Thân thiện với môi trườngchất hoạt động bề mặtvà các chất hóa học có khả năng ức chế vi sinh vật trong nước được sử dụng trong công thức chất tẩy rửa này.

2.Tình trạng phát triển hiện tại củaChất tẩy rửa

Từ khi nhân loại bước vào xã hội văn minh, hoạt động giặt giũ luôn là một phần không thể thiếu trong cuộc sống con người. Khoảng 5.000 năm trước, con người bắt đầu thu thập các chất tự nhiên có lợi cho việc giặt giũ như quả keo mật Trung Quốc và các thành phần kiềm trong tro thực vật để phục vụ mục đích giặt giũ. Ba trăm năm sau, chất hoạt động bề mặt được con người sản xuất nhân tạo. Hơn một thế kỷ trước, xà phòng được phát minh. Từ đó, xà phòng làm từ mỡ, kiềm, muối, gia vị và chất tạo màu đã trở thành chất tẩy rửa truyền thống. Chất tẩy rửa tổng hợp nhân tạo đầu tiên, alkyl naphthalene sulfonate, xuất hiện trong Thế chiến I. Nó được phát triển bởi BASF của Đức vào năm 1917 và chính thức đưa vào sản xuất năm 1925. Sự phổ biến của chất tẩy rửa tổng hợp diễn ra sau khi sodium alkyl benzene sulfonate và tetrapropylene alkyl benzene được phát hiện và chính thức đưa vào sản xuất từ ​​năm 1935 đến năm 1939.

3.Các thành phần hiệu quả và cơ chế hoạt động củaChất tẩy rửa

3.1Giặt giũNguyên tắc

Giặt giũ theo nghĩa rộng đề cập đến quá trình loại bỏ bụi bẩn khỏi bề mặt của vật liệu. Trong quá trình giặt, tác dụng của chất tẩy rửa làm suy yếu hoặc loại bỏ sự tương tác giữa bụi bẩn và vật liệu, chuyển trạng thái liên kết giữa bụi bẩn và vật liệu thành trạng thái liên kết giữa bụi bẩn và chất tẩy rửa. Cuối cùng, bụi bẩn được tách ra khỏi vật liệu thông qua việc xả và các phương pháp khác. Quá trình cơ bản của hoạt động giặt giũ có thể được biểu diễn bằng mối quan hệ đơn giản sau:

Chất mang·Bụi bẩn + Chất tẩy rửa → Chất mang + Bụi bẩn·Chất tẩy rửa

Sự bám dính của bụi bẩn lên các vật thể được chia thành bám dính vật lý và bám dính hóa học. Bám dính vật lý bao gồm bám dính cơ học và bám dính tĩnh điện.

Sự bám dính hóa học chủ yếu đề cập đến sự bám dính đạt được thông qua các liên kết hóa học. Ví dụ, các vết bẩn protein và rỉ sét bám vào các vật dụng bằng sợi thuộc loại bám dính hóa học. Vì lực tương tác hóa học của loại bám dính này thường rất mạnh, nên chất bẩn bám chặt vào bề mặt và cực kỳ khó loại bỏ, đòi hỏi các phương pháp xử lý đặc biệt.

Lực tương tác giữa bụi bẩn bám dính bằng liên kết vật lý và bề mặt tương đối yếu, do đó dễ loại bỏ hơn so với liên kết hóa học. Bụi bẩn liên kết cơ học dễ loại bỏ; chỉ khó loại bỏ khi các hạt bụi bẩn nhỏ (<0,1 μm). Liên kết tĩnh điện biểu hiện dưới dạng tương tác giữa các hạt bụi bẩn tích điện và các điện tích trái dấu. Lực này mạnh hơn lực cơ học, dẫn đến việc loại bỏ bụi bẩn tương đối khó khăn.

Quá trình giặt tẩy bụi bẩn thường bao gồm các giai đoạn sau:

A. Hấp phụ: Các chất hoạt động bề mặt trong chất tẩy rửa trải qua quá trình hấp phụ định hướng tại giao diện giữa chất bẩn và chất mang.

B. Làm ướt và Thẩm thấu: Nhờ sự hấp phụ định hướng tại giao diện của chất hoạt động bề mặt, chất tẩy rửa có thể thẩm thấu vào giữa bụi bẩn và chất mang, làm ướt chất mang và giảm lực bám dính giữa bụi bẩn và chất mang.

C. Phân tán và ổn định bụi bẩn: Bụi bẩn bong ra từ bề mặt vật liệu được phân tán, nhũ hóa hoặc hòa tan trong dung dịch chất tẩy rửa, đảm bảo rằng bụi bẩn đã bong ra sẽ không bám trở lại vào bề mặt đã được làm sạch.

3.1.1 Các loại đất

Bụi bẩn ở đây đề cập đến các chất béo bám dính vào chất mang cũng như chất kết dính của các chất béo đó, có thành phần cực kỳ phức tạp. Dựa trên các dạng khác nhau, nó có thể được phân loại sơ bộ thành bụi bẩn rắn, bụi bẩn lỏng và bụi bẩn đặc biệt.

Các loại vết bẩn rắn thường gặp bao gồm rỉ sét, bụi, các hạt muội than và những chất tương tự. Bề mặt của các chất này thường mang điện tích âm, khiến chúng dễ bám dính vào bề mặt. Hầu hết các vết bẩn rắn dạng hạt đều không tan trong nước, nhưng chúng có thể dễ dàng phân tán trong dung dịch nước chứa chất tẩy rửa; các hạt rắn lớn hơn sẽ dễ loại bỏ hơn. Hầu hết các vết bẩn lỏng thường gặp đều tan trong dầu và có thể bị xà phòng hóa với dung dịch kiềm, điều này giải thích tại sao hầu hết các chất tẩy rửa đều có tính kiềm. Các vết bẩn đặc biệt chủ yếu là các vết bẩn cứng đầu như vết máu, nhựa cây và dịch tiết của con người. Loại vết bẩn này chủ yếu được loại bỏ bằng chất tẩy trắng, vì tính chất oxy hóa mạnh của chất tẩy trắng có thể phá hủy các nhóm tạo màu của chúng.

3.2 Các thành phần hoạt tính trong chất tẩy rửa

Chất hoạt động bề mặt, hay còn gọi là chất hoạt tính bề mặt, là thành phần chức năng chính trong chất tẩy rửa. Chúng hòa tan nhanh trong nước và thể hiện nhiều đặc tính tuyệt vời bao gồm khử trùng, tạo bọt, hòa tan, nhũ hóa, làm ướt và phân tán.

3.2.1 Chất hoạt động bề mặt: Nguồn gốc và sự phát triển

Các thí nghiệm đã chứng minh rằng việc thêm một số chất nhất định vào nước có thể làm thay đổi sức căng bề mặt của nước, và các chất khác nhau sẽ tạo ra những tác động khác nhau lên sức căng bề mặt của nước.

Về khả năng làm giảm sức căng bề mặt, khả năng hạ thấp sức căng bề mặt của dung môi được định nghĩa là hoạt tính bề mặt, và các chất có hoạt tính bề mặt được gọi là chất hoạt động bề mặt. Các chất có thể làm thay đổi đáng kể trạng thái giao diện của hệ dung dịch khi được thêm vào với lượng nhỏ được gọi là chất hoạt động bề mặt.

Chất hoạt động bề mặt là một chất, khi được thêm vào dung môi với liều lượng rất nhỏ, có thể làm giảm đáng kể sức căng bề mặt của dung môi và thay đổi trạng thái giao diện của hệ thống. Điều này tạo ra một loạt các chức năng như làm ướt hoặc làm khô, nhũ hóa hoặc tách nhũ tương, phân tán hoặc kết tủa, tạo bọt hoặc khử bọt, hòa tan, giữ ẩm, khử trùng, làm mềm, chống thấm nước, chống tĩnh điện và chống ăn mòn, để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng thực tế.

Các chất hoạt động bề mặt gốc xà phòng lần đầu tiên xuất hiện ở Ai Cập cổ đại vào khoảng năm 2500 trước Công nguyên, nơi người Ai Cập cổ đại đã tạo ra các sản phẩm tẩy rửa từ hỗn hợp mỡ cừu và tro thực vật. Khoảng năm 70 sau Công nguyên, Pliny của Đế chế La Mã đã tạo ra bánh xà phòng mỡ cừu đầu tiên. Xà phòng không được phổ biến rộng rãi cho đến năm 1791, khi nhà hóa học người Pháp Nicolas Leblanc phát hiện ra phương pháp sản xuất xút ăn da bằng phương pháp điện phân natri clorua. Một sản phẩm của giai đoạn thứ hai trong quá trình phát triển chất hoạt động bề mặt là dầu đỏ Thổ Nhĩ Kỳ, còn được gọi là dầu thầu dầu sunfonat hóa. Nó được tổng hợp bằng cách cho dầu thầu dầu phản ứng với axit sulfuric đậm đặc ở nhiệt độ thấp, sau đó trung hòa bằng natri hydroxit. Dầu đỏ Thổ Nhĩ Kỳ có khả năng nhũ hóa, thấm, làm ướt và khuếch tán vượt trội, và có khả năng chống lại nước cứng, axit và muối kim loại tốt hơn xà phòng.

3.2.2 Cấu trúc hoạt động bề mặt

Các đặc tính độc đáo của chất hoạt động bề mặt bắt nguồn từ cấu trúc phân tử đặc biệt của chúng. Chất hoạt động bề mặt thường là các phân tử mạch thẳng chứa cả các nhóm cực ưa nước và các nhóm kỵ nước không phân cực ưa dầu.

Các nhóm kỵ nước có cấu trúc đa dạng như chuỗi thẳng, chuỗi nhánh và cấu trúc vòng. Phổ biến nhất là các chuỗi hydrocarbon bao gồm ankan, anken, xicloankan và hydrocarbon thơm, với số nguyên tử carbon chủ yếu nằm trong khoảng từ 8 đến 20. Các nhóm kỵ nước khác bao gồm rượu béo, ankylphenol và các nhóm nguyên tử chứa flo, silic và các nguyên tố khác. Các nhóm ưa nước được phân loại thành các loại anion, cation, lưỡng tính ion và không ion. Chất hoạt động bề mặt ion có thể ion hóa trong nước để mang điện tích, trong khi chất hoạt động bề mặt không ion không thể ion hóa trong nước nhưng có tính phân cực và khả năng hòa tan trong nước.

3.2.3 Các chất hoạt động bề mặt có hại thường gặp

Chất hoạt động bề mặt được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày của con người, nhưng không thể phủ nhận chúng là các chất hóa học. Nhiều nguyên liệu thô để sản xuất chất hoạt động bề mặt có độc tính và khả năng gây ô nhiễm nhất định. Điều này tất yếu dẫn đến việc chúng gây hại cho môi trường; khi tiếp xúc với con người, chúng có thể gây kích ứng da, và một số thậm chí còn có độc tính và tính ăn mòn mạnh, gây tổn hại nghiêm trọng cho cơ thể người. Sau đây là một số chất hoạt động bề mặt gây hại phổ biến:

A. APEO

APEO là một loại chất hoạt động bề mặt không ion phổ biến, bao gồm một nhóm alkyl và một nhóm ethoxy. Chiều dài chuỗi carbon khác nhau của phần alkyl và lượng bổ sung khác nhau của phần ethoxy dẫn đến nhiều dạng APEO hiện có với sự khác biệt đáng kể về hiệu năng giữa các dạng khác nhau. Trong quá trình tổng hợp APEO, sản phẩm chính không gây ung thư, nhưng các sản phẩm phụ của nó có tính ăn mòn đối với da và mắt, và một số thậm chí có thể gây ung thư trong trường hợp nghiêm trọng. Mặc dù không trực tiếp gây hại cho sinh vật, APEO tiềm ẩn nguy cơ ảnh hưởng đến hormone trong môi trường. Các chất hóa học này xâm nhập vào cơ thể người qua nhiều con đường khác nhau, gây ra các tác dụng giống estrogen, làm rối loạn quá trình tiết hormone bình thường của con người và làm giảm số lượng tinh trùng ở nam giới. Nó không chỉ gây hại cho con người; các báo cáo cho thấy nguyên liệu thô tổng hợp NPEO của nó cũng gây ra thiệt hại đáng kể cho cá.

B. PFOS

PFOS, tên đầy đủ là Perfluorooctane Sulfonate, là thuật ngữ chung cho một nhóm các chất hoạt động bề mặt perfluorinated. Nó có tác động khuếch đại môi trường. Do các đặc tính vật lý và hóa học đặc biệt, PFOS cực kỳ khó phân hủy và được coi là một trong những chất khó phân hủy nhất. Sau khi xâm nhập vào cơ thể động vật và con người qua chuỗi thức ăn, nó tích tụ với số lượng lớn và đe dọa nghiêm trọng đến sức khỏe sinh học.

C. LAS

LAS là một chất ô nhiễm hữu cơ chính gây hại nghiêm trọng cho môi trường. Nó có thể làm thay đổi các tính chất vật lý và hóa học của đất, chẳng hạn như thay đổi giá trị pH và hàm lượng nước trong đất, do đó ức chế sự phát triển của cây trồng. Ngoài ra, khi xâm nhập vào các nguồn nước, LAS có thể kết hợp với các chất ô nhiễm khác để tạo thành các hạt keo phân tán và gây độc hại cho các sinh vật bậc cao và bậc thấp non.

D. Chất hoạt động bề mặt Fluorocarbon

PFOA và PFOS là hai chất hoạt động bề mặt fluorocarbon truyền thống chính. Các nghiên cứu liên quan đã chỉ ra rằng các hợp chất này có độc tính cao, gây ô nhiễm môi trường dai dẳng và tích lũy với số lượng lớn trong cơ thể sinh vật. Do đó, chúng đã được Liên Hợp Quốc liệt kê là các chất ô nhiễm hữu cơ bền vững (POPs) vào năm 2009.

4 chất hoạt động bề mặt xanh và kiểu mới

A. Chất hoạt động bề mặt gốc axit amin

Các chất hoạt động bề mặt gốc axit amin chủ yếu được làm từ nguyên liệu sinh khối có nguồn cung dồi dào. Chúng có đặc điểm là ít độc hại và tác dụng phụ, tính chất dịu nhẹ, ít gây kích ứng cho cơ thể và khả năng phân hủy sinh học tuyệt vời. Dựa trên tính chất điện tích của các nhóm ưa nước sau khi ion hóa trong nước, chúng cũng có thể được phân loại thành bốn loại: cation, anion, không ion và lưỡng tính. Các loại phổ biến bao gồm loại axit amin N-alkyl, loại este axit amin và loại axit amin N-acyl.

B. Chất hoạt động bề mặt enzyme từ dứa

Các chất hoạt động bề mặt enzyme từ dứa được sản xuất bằng cách lên men bột hạt trà và bã dầu còn lại sau khi ép dầu, vỏ dứa, cùng với bột men, pectinase và các vi sinh vật khác. Mặc dù cấu trúc phân tử của các thành phần hoạt tính vẫn chưa rõ ràng, nhưng dữ liệu thực nghiệm chứng minh chúng có hiệu quả giặt tẩy tốt.

C. SAA

SAA là một dẫn xuất của dầu cọ. Là một sản phẩm được làm từ nguyên liệu thực vật tái tạo, nó đã thu hút sự chú ý rộng rãi. Quy trình sản xuất của nó thân thiện với môi trường. Hơn nữa, trong nước cứng có hàm lượng ion canxi và magiê cao, nó kết tủa các muối canxi chậm hơn nhiều so với các chất hoạt động bề mặt thường được sử dụng như LAS và AS, có nghĩa là nó mang lại hiệu quả tẩy rửa vượt trội trong các ứng dụng thực tế.

5. Triển vọng phát triển chất tẩy rửa

Trên thị trường chất tẩy rửa toàn cầu, các quốc gia có những ưu tiên và xu hướng phát triển khác nhau, nhưng hướng nghiên cứu chung về sản phẩm chất tẩy rửa vẫn nhất quán. Việc cô đặc và hóa lỏng chất tẩy rửa đã trở thành xu hướng chủ đạo, trong khi tiết kiệm nước, an toàn, tiết kiệm năng lượng, tính chuyên nghiệp, thân thiện với môi trường và đa chức năng nổi lên như những hướng phát triển phổ biến. Chất hoạt động bề mặt, nguyên liệu thô cốt lõi của chất tẩy rửa, đang được phát triển theo hướng dịu nhẹ, công thức phức hợp và tương thích với môi trường. Các chế phẩm enzyme, với hiệu quả cao, tính đặc hiệu và thân thiện với môi trường, đã trở thành điểm nóng nghiên cứu trong phát triển chất tẩy rửa. Nhìn chung, các xu hướng phát triển của ngành công nghiệp chất tẩy rửa được tóm tắt như sau:

Đa dạng hóa, chuyên môn hóa và phân khúc thị trường sản phẩm chất tẩy rửa. Chất tẩy rửa có thể được chia thành các loại rắn, bột, lỏng và gel theo hình thức; loại đậm đặc và loại thông thường theo hàm lượng hoạt chất; và nhiều loại khác nhau theo bao bì, màu sắc và mùi hương.

Nước giặt sẽ trở thành loại sản phẩm triển vọng nhất. So với nước giặt dạng rắn, nước giặt dạng lỏng giặt sạch hơn ở nhiệt độ thấp, có công thức pha chế linh hoạt hơn và quy trình sản xuất đơn giản hơn. Chúng cũng đòi hỏi ít vốn đầu tư thiết bị hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn trong quá trình sản xuất.

Sự gia tăng nồng độ chất tẩy rửa trong các sản phẩm. Từ năm 2009, chất tẩy rửa đậm đặc đã phát triển thành ba loại chính: bột giặt đậm đặc, viên giặt đậm đặc và nước giặt đậm đặc. Chất tẩy rửa đậm đặc có những ưu điểm vượt trội so với các sản phẩm truyền thống, bao gồm hàm lượng hoạt chất cao, khả năng tẩy rửa mạnh và tiết kiệm năng lượng. Ngoài ra, chúng còn tiết kiệm vật liệu đóng gói, giảm chi phí vận chuyển và chiếm ít không gian kho bãi hơn nhờ công thức đậm đặc.

Định hướng an toàn cho người sử dụng. Với sự cải thiện mức sống, người ta không còn chỉ đánh giá chất tẩy rửa dựa trên khả năng loại bỏ vết bẩn. An toàn cho người sử dụng, không độc hại và dịu nhẹ, không gây kích ứng đã trở thành những tiêu chí quan trọng khi lựa chọn chất tẩy rửa.

Phát triển sản phẩm thân thiện với môi trường. Hiện tượng phú dưỡng do chất tẩy rửa chứa phốt pho và tác động tiêu cực đến môi trường của chất tẩy trắng đã thu hút sự quan tâm rộng rãi của công chúng. Đáp ứng yêu cầu của hóa học xanh, việc lựa chọn nguyên liệu thô cho chất tẩy rửa đang dần chuyển sang các lựa chọn thân thiện với môi trường và dịu nhẹ hơn.

Đa chức năng hóa. Đa chức năng là xu hướng phát triển phổ biến đối với nhiều sản phẩm xã hội, và các vật dụng thiết yếu đa năng đã trở nên phổ biến trong cuộc sống. Trong tương lai, chất tẩy rửa sẽ tích hợp khả năng tẩy vết bẩn với các chức năng như khử trùng, diệt khuẩn và tẩy trắng.