شیمی مواد پاک کننده

شیمی مواد پاک کننده






نگاه کلی

منظور از پاک کننده‌ها (detergehts) ، 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 دستگاههای صابون کشف شده ، مربوط به 2000 سال پیش است، 700 سال است که صابون‌سازی بطور صنعتی و به مقادیر زیاد ساخته می‌شود و 200 سال است که ساخت آن ، متحول گشته و به صورت کلاسیک و مدرن در آمده است.
از آن زمان تا کنون ، تعداد شوینده‌ها به حدی رسیده که قابل شمارش نیست، بطوری که امروزه در حجم انبوهی از شوینده‌ها ، به همراه تبلیغات آنها مواجه شده‌ایم. در حال حاضر در برخی کشورها ، تقریبا بیش از 80 درصد از مواد پاک کننده مصرفی از شوینده‌های سنتزی تهیه می‌شوند. لکن در مصارف عمومی واژه صابون ، مشخص کننده یک نمک فلز قلیایی یا آمونیوم یک اسید کربوکسیلیک راست زنجیر با تعداد 10-18 اتم کربن است و نام مواد شوینده به مواد صناعی با ساختمان مشابه اطلاق می‌شود. از این مواد ، در مصارف عدیده ای از جمله برای پاک کردن ، شستشو و در فرایندهای نساجی و غیره استفاده می‌گردد.
از طرف دیگر ، صابون‌های فلزی ، کربوکسیلاتهای قلیایی خاکی یا فلزات سنگین با زنجیره طویل هستند. این صابون‌ها در آب نامحلول بوده و در سیستمهای غیر آلی ، به عنوان مثال مواد افزودنی به روغنهای روان کننده ، جلوگیری کننده از زنگ زدگی ، ضد آب کردن مواد و سوختهای ژلاتین‌دار (مواد سوختنی مانند بنزین که با مواد غلیظ کننده ممزوج شده‌اند و از آنها در بمب‌های ناپالم و شعله افکن‌ها استفاده می‌شود) ، قارچ‌کشها دارای کاربرد می‌باشد.
خصوصیت قابل توجه این است که عدم توازن پلاریته (قطبیت) در داخل مولکول صابون‌ها و مواد شوینده و پاک کننده ، موجب ابراز قابلیت انحلال و ماهیت فاز غیر معمول در حلالهای قطبی و غیر قطبی می‌شود. این رفتار ، دقیقا باعث سودمندی چنین ترکیباتی در زمینه‌های خیس شوندگی ، قابلیت انحلال ، شویندگی (در مورد شستشو و خشک شویی بصورت ترامان) ، رنگرزی و بسیاری از سایر فراورده‌های صنعتی و خانگی است.
ترکیب اساسی ساختمان مولکولی پاک کننده‌ها موجب بوجود آمدن چنین صفاتی می‌گردد.
انواع مواد پاک کننده
صابون (Soap)

صابون‌ها را می‌توان از هیدرولیز قلیایی چربیها و روغن‌های طبیعی (استر اسیدهای چرب با گلیسرول) مانند پیه ، روغن‌های نارگیل ، زیتون ، نخل و تالو تهیه کرد که این واکنش به نام فرایند صابونی شدن (Saponification) موسوم است:
C3H5(OOCR)3 + 3NaOH → 3NaOOCR+C3H5(OH)3
باید توجه داشت که در روشهای جدید ، از هیدرولیز مستقیم چربی‌ها بوسیله آب در دمای زیاد استفاده می شود. این موضوع ، تصفیه و ایزولاسیون اسیدهای چرب را که به صابون‌ها خنثی می‌شوند، ممکن ساخته، اساس یک فرایند پیوسته را بوجود می‌آورد. از نقطه نظر شیمیایی ، صابون‌ها ، نمکهای فلزی اسیدهای چرب (اسیدهای کربوکسیلیک) راست‌زنجیر با حدود 10-18 اتم کربن می‌باشند.
با اینکه همه نمکهای فلزی اسیدهای چرب ، صابون هستند، اما تنها نمکهای قلیایی مانند (سدیم و پتاسیم) در آب حل می‌شوند و خاصیت پاک‌کنندگی دارند. نمکهای فلزهای قلیایی خاکی (مانند کلسیم و منیزیم و..) 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.
نمکهای 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 بعنوان ماده خشک کننده در رنگهای 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 خالصترین و بی‌بو ترین آنها استفاده می‌گردد. علاوه بر چربی و قلیا مواد افزودنی دیگری هم در فرمولاسیون صابون وارد می‌شوند. این مواد عبارتند از:مواد جلوگیری کننده از اکسیداسیون مثل تری اتانول آمین اولئات ، مواد جلوگیری کننده از فساد صابون مانند دی سیانو دی آمیدو سدیم سولفانیلات ، روغن‌های معطره برای ایجاد بوی خوب صابون و غیره.
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 است. البته در تهیه این پاک کننده‌ها باید توجه داشت که طول زنجیر و نوع هیدروکربن مورد استفاده بطور مناسب انتخاب گردد. از گروههای قطبی مشتق شده از اسید سولفوریک در حد بسیار عمومی برای جایگزینی کربوکسیلات استفاده می‌گردد.
بعنوان مثال می‌توان به آلکیل سولفاتها (ROSO3Na) ، آلکان سولفوناتها (RSO3Na) و آلکیل آریل سولفوناتها (R-C6H4-SO3Na) اشاره کرد و از مهمترین 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. مضافا ، آلکان فسفوناتها معرف نوع دیگری از مواد صناعی آنیونی می‌باشد.
از طرف دیگر احتمال دارد که تغییر و اصلاح گروههای 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 معمولا 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. مهمترین شوینده های سنتزی عبارتند از:
صابون مایع

صابون مایع ، در واقع از نظر مواد تشکیل دهنده ، جزو صابون‌ها محسوب نمی‌شود و از پاک کننده‌ های سنتزی می‌باشد. البته اگر در ساختمان 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 عبارتند از: عامل پاک کننده که 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 هستند. عامل تقویت کننده کف (مثل بتائین) ، عامل حالت دهنده مو و عامل نگهدارنده (مواد ضدعفونی کننده و میکروب کش) ، عامل صدفی کننده مثل اتیلن گلیکول و عامل غلیظ کننده مثل نمک طعام و عامل رنگ و بو مثل عصاره گیاهان.
پودرهای لباسشویی

پودرها 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 پوردهای 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 مثل CMC 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 آنها 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 و از سفید کننده های دیگر ، پربورات سدیم است که از آن ، بیشتر 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.
قیاس صابون و پاک کننده های سنتزی

صابون‌ها در هنگام واکنش با ناخالصیهای یونهای فلزی موجود در آبهای طبیعی ، بویژه کلسیم و منیزیم ، منجر به تشکیل نمکهای نامحلول در آب می‌شوند و به صورت رسوب از آب جدا می‌شوند. اما نمکهای 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.
صابونهای 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 ، نمکهایی هستند که آنیون تشکیل دهنده آنها ، به اسیدهای ضعیف تعلق دارند و در محیط اسیدی به راحتی هیدرولیز می‌شوند.
از دیگر تفاوتهای شوینده های سنتزی با صابونها ، تغییر و اصلاح در ساختار این مواد نسبت به مولکول صابون است که باعث ایجاد بهترین حالت تعادلی آب دوستی ف چربی دوستی و خصوصیات انحلال پذیری ، اثر میکروب کشی و ایجاد نرمی در منسوجات و غیره می‌شود.
پاک کننده های سنتزی به تنهایی از نظر قدرت پاک کنندگی با صابونها 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 ، رنگها و سایر مواد جامد بسیار ریز محلول در آب را داراست. بعلاوه این جسم با تعداد زیادی از یونهای فلزی ، کی‌لیت تشکیل می‌دهد.اک کننده های خانگی ، همچنین محتوی نیم تا یک درصد کربوکسی متیل سلولز (CMC) هستند که این جسم ، از واکنش سلولز با کلرواستیک اسید در محلول بازی تهیه می‌شود.
این ماده پلیمری ، قادر است که از رسوب مجدد جرم بر روی منسوجاتی که به وسیله پاک کننده ها پاک شده است، جلوگیری کند. سایر افزاینده های معمولی عبارتند از: مواد سفید کننده ، مواد کف زا و یا سایر مواد تنظیم کننده می‌باشد.
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 وشوینده 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 COO- یا گروه سولفات و دیگر گروههای قطبی در انتهای مولکول مواد شوینده است، مولکولهای آب را جذب می‌کند و در آب محلول می‌باشد و بوسیله حلالهای آلی دفع می‌شود. سر دیگر مولکولهای صابون و مواد شوینده سنتزی یک هیدروکربن با زنجیر طولانی است که آب را از خود دفع می‌کند، ولی در حلالهای آلی حل می‌شود.
پس از حل شدن مولکولهای 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 آنیونهای آبدوست می‌پوشانند. این مجموعه های کوچک با مولکولهای 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 می‌شوند و با شستشو پاک می‌شوند. در شوینده های سنتزی نیز چربی ها و چرکها 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 مولکولهای آنها شاخه جانبی در زنجیره هیدروکربنی ندارند و صابون معمولی را از آنها می‌سازند، بوسیله باکتریها تجزیه می‌شوند. تعدادی از شوینده های شنتزی ، بویژه آلکیل بنزن سولفوناتهای مشتق شده از مواد شیمیایی نفت ، 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 آبها و مخازن زیرزمینی می‌شود.
برای جلوگیری از آلودگیهای 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 ساختمانهای راست زنجیر سوق داده شده‌اند. اشکال اساسی دیگر شوینده های سنتزی ، ترکیبهای فسفردار آنهاست که برای تنظیم PH و جلوگیری از واکنش یونهای کلیسم و منیزیم موجود در آب سخت با ماده شوینده ، به آن افزوده می‌شود. فسفاتها در اعماق رودخانه ها و دریاچه ها رسوخ کرده، سبب رشد غیر عادی قارچها و جلبکها می‌شوند و به این ترتیب با مصرف اکسیژن محلول در آب توسط این گیاهان ، زندگی ماهی ها و دیگر آبزیان به خطر می‌افتد.