مقاله ای در رابطه با مواد شوینده، پاک کننده های صابونی و غیرصابونی

نگاه کلی

منظور از پاک کننده‌ها (detergents) موادی هستند که ذره‌های چربی و چرک را از پارچه‌ها و یا اجسام دیگر بزدایند و در انواع مختلف تهیه می‌شوند. اولین ماده ای که به عنوان شوینده ساخته شد، صابون بود. از عمر صابون صدها سال می‌گذرد. آخرین دستگاه های صابون کشف شده مربوط به ۲۰۰۰ سال پیش است، ۷۰۰ سال است که صابون‌سازی بطور صنعتی و به مقادیر زیاد رونق دارد و ۲۰۰ سال است که ساخت آن متحول گشته است. از آن زمان تا کنون، تعداد شوینده‌ها به حدی رسیده که قابل شمارش نیست، بطوری که امروزه با حجم انبوهی از شوینده‌ها به همراه تبلیغات آنها مواجه هستیم. در حال حاضر در برخی کشورها، تقریبا بیش از ۸۰ درصد از مواد پاک کننده مصرفی از شوینده‌های سنتزی تهیه می‌شوند.

در مصارف عمومی واژه صابون، مشخص کننده یک نمک فلز قلیایی یا آمونیوم یک اسید کربوکسیلیک راست زنجیر با تعداد ۱۰-۱۸ اتم کربن است. از طرف دیگر ، صابون‌های فلزی، کربوکسیلات های قلیایی خاکی یا فلزات سنگین با زنجیره طویل هستند. این صابون‌ها در آب نامحلول بوده و در سیستم های غیر آلی، به عنوان مثال مواد افزودنی به روغن های روان کننده ، جلوگیری کننده از زنگ زدگی، ضد آب کردن مواد و سوخت های ژلاتین‌دار (مواد سوختنی مانند بنزین که با مواد غلیظ کننده ممزوج شده‌اند و از آنها در بمب‌های ناپالم و شعله افکن‌ها استفاده می‌شود) کاربرد دارند.

خصوصیت قابل توجه این است که عدم توازن پلاریته (قطبیت) در داخل مولکول صابون‌ها و مواد شوینده و پاک کننده موجب قابلیت انحلال و ماهیت فاز غیر معمول در حلال های قطبی و غیر قطبی می‌شود. این رفتار دقیقاً باعث سودمندی چنین ترکیباتی در زمینه‌های خیس شوندگی، قابلیت انحلال، شویندگی، رنگرزی و بسیاری از سایر فراورده‌های صنعتی و خانگی است. ترکیب اساسی ساختمان مولکولی پاک کننده‌ها موجب بوجود آمدن چنین صفاتی می‌گردد و نام مواد شوینده به مواد صناعی با ساختار مشابه اطلاق می‌شود. از این مواد در مصارف زیادی از جمله برای پاک کردن، شستشو و در فرایندهای نساجی و غیره استفاده می‌شود.

انواع مواد پاک کننده

صابون (Soap)

صابون‌ها را می‌توان از هیدرولیز قلیایی چربی ها و روغن‌های طبیعی استر اسیدهای چرب با گلیسرول مانند پیه، روغن‌های نارگیل، زیتون، نخل و تالو طبق فرمول زیر که به فرایند صابونی شدنموسوم است، تهیه کرد.

C_۳H_۵(OOCR)_۳ + ۳NaOH → ۳NaOOCR+C_۳H_۵(OH)_۳

باید توجه داشت که در روش های جدید، از هیدرولیز مستقیم چربی‌ها بوسیله آب در دمای زیاد استفاده می شود. این موضوع تصفیه و ایزولاسیون اسیدهای چرب را که با صابون‌ها خنثی می‌شوند ممکن ساخته، اساس یک فرایند پیوسته را بوجود می‌آورد. از نظر شیمیایی صابون‌ها، نمک های فلزی اسیدهای چرب – اسیدهای کربوکسیلیک راست ‌زنجیر با حدود ۱۰- ۱۸ اتم کربن می‌باشند. با اینکه همه نمک های فلزی اسیدهای چرب صابون هستند، اما تنها نمک های قلیایی مانند سدیم و پتاسیم در آب حل می‌شوند و خاصیت پاک‌کنندگی دارند. نمک های فلزهای قلیایی خاکی مانند کلسیم و منیزیم در آب حل نمی‌شوند. از این رو صابون‌های معمولی در آب سخت در مجاورت یون‌های کلسیم و منیزیم رسوب می‌کنند. به این ترتیب صابون خوب کف نمی کند و خاصیت پاک کنندگی خود را از دست می‌دهد.

نمک های آلومینیوم اسیدها نیز در آب نامحلول و در روغن‌ها محلول هستند و از این ماده، در چربی‌های نرم کننده، رنگ، روغن جلا و ضد آب کردن مواد استفاده می‌شود. نمک اسیدهای فلزات سنگین مانند کبالت یا مس نیز به عنوان ماده خشک کننده در رنگ های ساختمانی و جوهر، قارچ کش ها و مواد ضد آب استفاده می‌شود.

کیفیت و مرغوبیت صابون، به نوع چربی روغن بکار رفته بستگی دارد. لذا از خالص ترین و بی‌بو ترین آنها استفاده می‌گردد. علاوه بر چربی و قلیا، مواد افزودنی دیگری هم در فرمولاسیون صابون وارد می‌شوند. برخی از این مواد عبارت از مواد جلوگیری کننده از اکسیداسیون مثل تری اتانول آمین اولئات، مواد جلوگیری کننده از فساد صابون مانند دی سیانو دی آمیدو سدیم سولفانیلات و روغن‌های معطر برای ایجاد بوی خوب صابون می باشند.

پاک کننده های سنتزی (Synthetic detergents)

مواد شوینده سنتزی که امروزه بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند، مانند صابون از یک زنجیر هیدروکربن متصل به نمک یک اسید محلول در آب تشکیل شده اند. البته در تهیه این پاک کننده‌ ها باید توجه داشت که طول زنجیر و نوع هیدروکربن مورد استفاده به طور مناسب انتخاب گردد. از گروه های قطبی مشتق شده از اسید سولفوریک به صورت عمومی برای جایگزینی کربوکسیلات استفاده می‌گردد. به عنوان مثال می‌توان به آلکیل سولفاتها (ROSO_۳Na) آلکان سولفوناتها (RSO_۳Na) و آلکیل آریل سولفونات ها  (R-C_۶H_۴-SO_۳Na) اشاره کرد و از مهم ترین این مواد می‌توان سدیم لوریل (دودسیل) سولفات  (C12H25-OSNa)  و سدیم دودسیل بنزن سولفونات (C12H25-C6H4-SO3-Na)  را که دارای قدرت پاک کنندگی بالایی هستند، نام برد. استرها و آمید اسیدهای چرب نیز که از تورین (H2NCH2CH2SO3H)  و اسیدایزاتیونیک (HOCH2CH2SO3H)  تهیه می‌شوند، از جمله اولین ترکیبات سنتزی تلقی می‌شوند. مضافاً، آلکان فسفوناتها معرف نوع دیگری از مواد صناعی آنیونی می‌باشد.

از طرف دیگر احتمال دارد که تغییر و اصلاح گروه های قطبی بوسیله تغییر در علامت بار الکتریکی یون فعال در سطح مسیر شود. یک مثال بسیار معروف از مواد شوینده کاتیونی (invert soaps) ، ملح آمونیوم نوع چهارم این طبقه بفرمول C16H33N(CH3)Br است. در طبقه دیگر یعنی مواد شوینده غیر معدنی، گروه قطبی عبارت از گروه آب دوست غیر مجتمع شده می‌باشد که معمولاً حاوی چند گانگی وظایف اکسیژن اتر و الکل است که در پیوند هیدروژنی با آب برگزیده شده است. مثالی در این مورد، استر تهیه شده از یک اسید چرب و قند است.

از انواع عمومی دیگر، می‌توان به پلیمریزاسیون تعدادی از واحدهای اکسید اتیلن با یک الکل اشاره کرد که دارای فرمول عمومی R- O-(CH2CH2O)2H  می‌باشد. همچنین اکسیدهای آمین مانند R-N(CHsub>3)2→O  و اکسیدهای فسفین منسوب آنها نیز تهیه شده‌اند. مهم ترین شوینده های سنتزی در ادامه ذکر شده اند.

صابون مایع

صابون مایع، در واقع از نظر مواد تشکیل دهنده جزئ صابون‌ها محسوب نمی‌شود و از پاک کننده‌ های سنتزی می‌باشد. البته اگر در ساختار معمولی از روغن نارگیل زیاد و یا روغن هایی مثل روغن بزرک استفاده شود، می‌توان صابون را به صورت مایع در آورد. صابون‌های مایع علاوه بر ماده اولیه و اصلی خود، دارای مواد دیگری مثل نرم کننده، پاک کننده و کف کننده، ضد باکتری و چرب کننده هستند.

شامپوها

شامپوها نیز از پاک کننده های سنتزی هستند. ماده اصلی تشکیل دهنده شامپوها عبارت است از:

– عامل پاک کننده خود شامل سه دسته مواد فعال سطحی آنیونی مثل سدیم لوریل اتر سولفات و تری اتانول آمین سولفات، آمفوتری مثل بتائین کوکوآمیدوپروپیل و غیر یونی می باشد.

–  عامل تقویت کننده کف مثل بتائین

–  عامل حالت دهنده مو

–  عامل نگهدارنده مواد ضدعفونی کننده و میکروب کش

–  عامل صدفی کننده مثل اتیلن گلیکول

–  عامل غلیظ کننده مثل نمک طعام

–  عامل رنگ و بو مثل عصاره گیاهان

پودرهای لباسشویی

پودرهای ماشین لباسشویی نسبت به پودرهای رختشویی چند ماده اضافه دارند که بر قدرت پاک کنندگی آنها می‌افزاید. یکی از این مواد، پر بورات است که از سفید کننده ها و رنگ برهاست. اجزای اصلی پودرهای لباسشویی شامل موارد زیر هستند:

–  ماده اصلی و فعال (مواد غیریونی و آنیونی) که عامل پاک کنندگی و جدا کردن چرک از لباس است.

–  عامل قلیایی کننده (مثل سیلیکات ها) که از خوردگی بدنه لباسشویی جلوگیری می کند.

–  عامل سفیدکننده و رنگ سرکه معمولا پربورات سدیم است.

–  عامل کنترل کننده کف و پاک کننده کمکی.

–  عامل کاهش سختی آب که به پاک کنندگی هم کمک می‌کند (مثل فسفات ها) .

–  عامل جلوگیری از رسوب مجدد چرک که از شستن دوباره چرک روی لباس جلوگیری می‌کند.

–  اپتیکال براتیز که باعث درخشندگی پارچه می‌شود.

–  مواد میکروب کش و ضدعفونی کننده.

سفید کننده ها و رنگ برها

بسیاری از لکه برها موادی هستند که از آن ها به عنوان سفید کننده، ضدعفونی کننده و پاک کننده استفاده می‌شود. رایج ترین ماده ای که از آن به عنوان سفید کننده استفاده می‌شود، آب ژاول است که خاصیت ضدعفونی کننده نیز دارد، زیرا یک سفید کننده کلردار است.

 از سفید کننده های دیگر، پربورات سدیم است که از آنبیشتر در خشک شویی‌ها و نیز در ترکیب پودرهای ماشین لباسشویی استفاده می‌شود. قدرت سفیدکنندگی پربورات از آب ژاول کمتر است.

آب اکسیژنه یا پراکسید هیدروژن هم یک ماده رنگ بر و سفید کننده است. علاوه بر مواد ذکر شده ، موادی مثل الکل ، آمونیاک، استن، اسید نیتریک، اسید اگزالیک، تربانیتن، جوش شیرین، کربنات سدیم، تتراکلریدکربن و غیره نیز خاصیت رنگ بری و پاک کنندگی دارند.

مقایسه صابون و پاک کننده های سنتزی

صابون‌ها در هنگام واکنش با ناخالصی های یون های فلزی موجود در آب های طبیعی، بویژه کلسیم و منیزیم، منجر به تشکیل نمک های نامحلول در آب می‌شوند و به صورت رسوب از آب جدا می‌شوند. اما نمک های فلزات قلیایی خاکی و املاح فلزات سنگین مواد شوینده سنتزی در آب محلول هستند. لذا این شوینده ها در آب سخت نیز پاک کنندگی خوبی دارند و رسوب جدید تشکیل نمی‌دهند. صابون های کربوکسیلات در PH پایین، هیدرولیز شده و به صورت صابون اسیدی نامحلول راسب می‌شوند، ولی شوینده های سنتزی، پایداری زیادی در برابر اسیدیته از خود نشان می‌دهند. زیرا پاک کننده های صابونی، نمک هایی هستند که آنیون تشکیل دهنده آنها به اسیدهای ضعیف تعلق دارد و در محیط اسیدی به راحتی هیدرولیز می‌شوند.

 از دیگر تفاوت های شوینده های سنتزی با صابون ها، تغییر و اصلاح در ساختار این مواد نسبت به مولکول صابون است که باعث ایجاد بهترین حالت تعادلی آب دوستی، چربی دوستی و خصوصیات انحلال پذیری، اثر میکروب کشی و ایجاد نرمی در منسوجات می‌شود.

پاک کننده های سنتزی به تنهایی از نظر قدرت پاک کنندگی با صابون ها معادل نیستند، اما دو افزاینده مهم، قابلیت تخمیر کنندگی آنها را به نحو قابل ملاحظه ای افزایش می‌دهد؛ سدیم تری پلی فسفات که به عنوان یک سازنده بکار می‌رود، قابلیت شکستن و تعلیق برخی از خاکهای رسی، رنگ ها و سایر مواد جامد بسیار ریز محلول در آب را داراست. بعلاوه این جسم با تعداد زیادی از یون های فلزی، کی‌لیت تشکیل می‌دهد. پاک کننده های خانگی، همچنین محتوی نیم تا یک درصد کربوکسی متیل سلولز هستند که این جسم، از واکنش سلولز با کلرواستیک اسید در محلول بازی تهیه می‌شود. این ماده پلیمری قادر است از رسوب مجدد جرم بر روی منسوجاتی که به وسیله پاک کننده ها پاک شده است، جلوگیری کند. سایر افزاینده های معمولی عبارت از مواد سفید کننده ، مواد کف زا و سایر مواد تنظیم کننده می‌باشند.

علت اثر پاک کنندگی مواد پاک کننده

ذره های چربی و چرک، جامدند و به پارچه یا بدن می‌چسبند و با شستشوی ساده و بوسیله آب زدوده نمی‌شوند، اما با صابون و دیگر شوینده ها شسته می‌شوند. اثر پاک کنندگی صابون و شوینده ها به این دلیل است که مولکول آنها از دو قسمت آبدوست (هیدروفیل) و آب گریز یا چربی دوست (هیدروفوب یا لیپوفیل) تشکیل شده است. قسمت آبدوست که همان سر نمکی صابون یا گروه سولفات و دیگر گروه های قطبی در انتهای مولکول مواد شوینده است، مولکولهای آب را جذب می‌کند و در آب محلول می‌باشد و بوسیله حلال های آلی دفع می‌شود. سر دیگر مولکول های صابون و مواد شوینده سنتزی یک هیدروکربن با زنجیر طولانی است که آب را از خود دفع می‌کند، ولی در حلال های آلی حل می‌شود.

پس از حل شدن مولکول های صابون در آب از طریق قسمت یونی، از بهم پیوستن زنجیرهای هیدروکربنی آب گریز ، مجموعه های بسیار کوچکی بوجود می‌آیند که سطح خارجی آن را آنیون های آبدوست می‌پوشانند. این مجموعه های کوچک با مولکول های آب پیوند هیدروژنی تشکیل می‌دهند و به صورت ذره های شناور در آب باقی می‌مانند. بدین ترتیب مولکول صابون مانند پلی بین ذرات چربی و آب قرار گرفته، به واسطه انحلال ذرات چربی و چرک در ذره های شناور صابون از روی الیاف پارچه یا اجسام دیگر به داخل آب کشیده شده و با شستشو پاک می‌شوند. در شوینده های سنتزی نیز چربی ها و چرک ها به زنجیر آلکیل می چسبند و گروه سولفونات سبب حل شدن آنها در آب شده، همراه با آب برده می‌شوند.

مواد پاک کننده و آلودگی محیط زیست

مواد شیمیایی می توانند در چرخه های طبیعی وارد و در مرحله ای خاص بوسیله باکتری‌ها تجزیه شوند. به عنوان مثال چربی‌های موجود در طبیعت که مولکول های آنها شاخه جانبی در زنجیره هیدروکربنی ندارند و صابون معمولی را از آنها می‌سازند، بوسیله باکتریها تجزیه می‌شوند. اما تنها تعدادی از شوینده های سنتزی، بویژه آلکیل بنزن سولفوناتهای مشتق شده از مواد شیمیایی نفتی، دارای شاخه جانبی در زنجیره هیدروکربنی می‌باشند و توسط باکتریها تجزیه می‌شوند. از این رو، باقی ماندن و تراکم این مواد غیر طبیعی ساخته دست بشر در طبیعت، سبب آلودگی روزافزون آب ها و مخازن زیرزمینی می‌شود.

برای جلوگیری از آلودگی های روزافزون حاصل از این نوع پاک کننده ها، هم اکنون در بسیاری از کشورها، قوانین و مقررات، اجازه استفاده از مواد شوینده مقاوم در برابر تجزیه بیولوژیکی (شوینده های سخت) را نمی‌دهد و کارخانجات بسوی تولید مواد شوینده نرم با ساختار راست زنجیر سوق داده شده‌اند. اشکال اساسی دیگر شوینده های سنتزی، ترکیب های فسفردار آنهاست که برای تنظیم PH و جلوگیری از واکنش یون های کلیسم و منیزیم موجود در آب سخت با ماده شوینده، به آن افزوده می‌شود. فسفات ها در اعماق رودخانه ها و دریاچه ها رسوخ کرده، سبب رشد غیر عادی قارچ ها و جلبک ها می‌شوند و به این ترتیب با مصرف اکسیژن محلول در آب توسط این گیاهان، زندگی ماهی ها و دیگر آبزیان به خطر می‌افتد.