Spülmittel und Tenside

1.Einführung

Mit der Entwicklung der chemischen Industrie hat sich der Lebensstandard der Menschen kontinuierlich verbessert. Diese Verbesserung hat jedoch auch gravierende Umweltprobleme verursacht und sogar die menschliche Gesundheit und Sicherheit gefährdet. Da die Ansprüche der Bevölkerung an ihre Gesundheit stetig steigen, rückt die Sicherheit von im Alltag allgegenwärtigen chemischen Produkten immer stärker in den Fokus der Öffentlichkeit. Waschmittel, die als chemische Substanzen sowohl im Alltag als auch in der industriellen Produktion weit verbreitet sind, haben dabei besonders große Bedenken hinsichtlich ihrer Sicherheit hervorgerufen.

Die Sicherheit chemischer Produkte ist in eine Glaubwürdigkeitskrise geraten. Diese Situation resultiert einerseits aus der starken Abhängigkeit der Waschmittelproduktion von traditionellen Rohstoffen und andererseits aus dem mangelnden Fachwissen der Öffentlichkeit über chemische Produktionsprozesse.

Vor diesem Hintergrund und geleitet vom Kernkonzept der grünen Chemie – „Reduzierung und Beseitigung von Umweltverschmutzung an der Quelle“ – entwirft und entwickelt diese Studie neueWaschmittelFormulierungen. UmweltfreundlichTensideIn dieser Waschmittelformulierung werden chemische Reagenzien verwendet, die in der Lage sind, Mikroorganismen im Wasser zu hemmen.

2.Aktueller EntwicklungsstandWaschmittel

Seitdem die Menschheit in die Zivilisation eingetreten ist, gehört Waschen zu den unverzichtbaren Bestandteilen des menschlichen Lebens. Vor etwa 5.000 Jahren begannen die Menschen, natürliche, waschbare Substanzen wie die Früchte der Chinesischen Honigakazie und alkalische Bestandteile in Pflanzenasche zu sammeln. Dreihundert Jahre später wurden Tenside künstlich hergestellt. Vor über einem Jahrhundert wurde die Seife erfunden. Seitdem ist Seife, hergestellt aus Fett, Alkali, Salz, Gewürzen und Farbstoffen, ein traditionelles Waschmittel. Das erste künstlich hergestellte Waschmittel, Alkylnaphthalinsulfonat, entstand während des Ersten Weltkriegs. Es wurde 1917 von der deutschen BASF entwickelt und 1925 offiziell in Produktion genommen. Die Verbreitung synthetischer Waschmittel begann mit der Entdeckung von Natriumalkylbenzolsulfonat und Tetrapropylenalkylbenzol, die zwischen 1935 und 1939 offiziell in Produktion gingen.

3.Wirksame Inhaltsstoffe und Wirkungsmechanismus vonWaschmittel

3.1WaschenPrinzip

Waschen im allgemeinen Sinne bezeichnet den Vorgang der Entfernung von Schmutz von der Oberfläche eines Trägermaterials. Beim Waschen schwächt oder beseitigt das Waschmittel die Wechselwirkung zwischen Schmutz und Trägermaterial und wandelt die Bindung zwischen Schmutz und Trägermaterial in eine Bindung zwischen Schmutz und Waschmittel um. Schließlich wird der Schmutz durch Spülen und andere Methoden vom Trägermaterial getrennt. Der grundlegende Waschvorgang lässt sich durch folgende einfache Gleichung ausdrücken:

Trägerstoff·Schmutz + Waschmittel → Trägerstoff + Schmutzstoff·Waschmittel

Die Haftung von Schmutz an Gegenständen wird in physikalische und chemische Haftung unterteilt. Zur physikalischen Haftung zählen wiederum die mechanische und die elektrostatische Haftung.

Chemische Adhäsion bezeichnet im Wesentlichen die Haftung durch chemische Bindungen. Beispielsweise zählen Proteinablagerungen und Rost an Faserartikeln zu den Beispielen chemischer Adhäsion. Da die chemische Wechselwirkungskraft bei dieser Art der Adhäsion in der Regel stark ist, verbindet sich der Schmutz fest mit dem Untergrund und ist extrem schwer zu entfernen, weshalb spezielle Behandlungsmethoden erforderlich sind.

Die Wechselwirkungskräfte zwischen physikalisch haftendem Schmutz und dem Untergrund sind relativ schwach, wodurch die Entfernung im Vergleich zu chemischer Haftung erleichtert wird. Mechanisch haftender Schmutz lässt sich leicht entfernen; Schwierigkeiten treten nur bei kleinen Schmutzpartikeln (< 0,1 μm) auf. Elektrostatische Adhäsion entsteht durch die Wechselwirkung zwischen geladenen Schmutzpartikeln und entgegengesetzten Ladungen. Diese Kraft ist stärker als die mechanische, was die Schmutzentfernung erschwert.

Der Waschprozess zur Schmutzentfernung umfasst im Allgemeinen die folgenden Schritte:

A. Adsorption: Tenside in Waschmitteln unterliegen einer gerichteten Adsorption an der Grenzfläche zwischen Schmutz und Trägerstoff.

B. Benetzung und Penetration: Aufgrund der gerichteten Adsorption von Tensiden an der Grenzfläche kann das Reinigungsmittel zwischen Schmutz und Träger eindringen, den Träger benetzen und die Haftkraft zwischen Schmutz und Träger verringern.

C. Dispersion und Stabilisierung des Schmutzes: Der von der Trägeroberfläche abgelöste Schmutz wird in der Reinigungsmittellösung dispergiert, emulgiert oder solubilisiert, wodurch sichergestellt wird, dass sich der abgelöste Schmutz nicht wieder an der gereinigten Oberfläche anlagert.

3.1.1 Bodenarten

Der Begriff „Boden“ bezeichnet fettige Substanzen, die an Trägermaterialien haften, sowie die Bindemittel solcher fettiger Substanzen und zeichnet sich durch eine äußerst komplexe Zusammensetzung aus. Je nach Aggregatzustand lässt er sich grob in festen Boden, flüssigen Boden und spezielle Böden unterteilen.

Zu den häufigsten festen Verschmutzungen zählen Rost, Staub, Rußpartikel und ähnliche Stoffe. Die Oberflächen dieser Substanzen sind meist negativ geladen, wodurch sie leicht an Oberflächen haften. Die meisten partikulären festen Verschmutzungen sind wasserunlöslich, lassen sich aber in wässrigen Lösungen mit Reinigungsmitteln leicht dispergieren; größere Partikel sind dabei leichter zu entfernen. Flüssige Verschmutzungen sind meist öllöslich und können in alkalischen Lösungen verseift werden, was erklärt, warum die meisten Reinigungsmittel alkalisch sind. Hartnäckige Verschmutzungen wie Blutflecken, Pflanzensaft und Körperflüssigkeiten werden hauptsächlich mit Bleichmitteln entfernt, da deren starke Oxidationswirkung die chromophoren Gruppen dieser Verschmutzungen zerstören kann.

3.2 Wirkstoffe in Waschmitteln

Tenside, auch als oberflächenaktive Substanzen bekannt, sind die wichtigsten funktionellen Bestandteile von Waschmitteln. Sie lösen sich schnell in Wasser und weisen hervorragende Eigenschaften wie Dekontamination, Schaumbildung, Solubilisierung, Emulgierung, Benetzung und Dispersion auf.

3.2.1 Tenside: Ursprung und Entwicklung

Experimente haben gezeigt, dass die Zugabe bestimmter Substanzen zu Wasser dessen Oberflächenspannung verändern kann und dass verschiedene Substanzen unterschiedliche Auswirkungen auf die Oberflächenspannung des Wassers haben.

Die Fähigkeit eines Lösungsmittels, die Oberflächenspannung zu senken, wird als Oberflächenaktivität bezeichnet, und Substanzen mit Oberflächenaktivität heißen oberflächenaktive Substanzen. Substanzen, die den Grenzflächenzustand eines Lösungssystems bereits in geringen Mengen signifikant verändern können, werden als Tenside bezeichnet.

Ein Tensid ist eine Substanz, die, in geringsten Mengen einem Lösungsmittel zugesetzt, die Oberflächenspannung des Lösungsmittels deutlich verringern und den Zustand der Grenzfläche des Systems verändern kann. Dadurch ergeben sich vielfältige Funktionen wie Benetzung oder Entnetzung, Emulgierung oder Demulgierung, Dispersion oder Flockung, Schäumung oder Entschäumung, Solubilisierung, Befeuchtung, Sterilisation, Weichmachung, Wasserabweisung, antistatische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit, um den Anforderungen praktischer Anwendungen gerecht zu werden.

Seifenbasierte Tenside tauchten erstmals im alten Ägypten um 2500 v. Chr. auf, wo die alten Ägypter Reinigungsmittel aus einer Mischung aus Hammelfett und Pflanzenasche herstellten. Um 70 n. Chr. entwickelte Plinius der Ältere im Römischen Reich das erste Stück Hammelfettseife. Weitverbreitete Beliebtheit erlangte Seife jedoch erst 1791, als der französische Chemiker Nicolas Leblanc die Herstellung von Ätznatron durch Elektrolyse von Natriumchlorid entdeckte. Ein Produkt der zweiten Entwicklungsstufe von Tensiden ist Türkischrotöl, auch bekannt als sulfoniertes Rizinusöl. Es wird durch die Reaktion von Rizinusöl mit konzentrierter Schwefelsäure bei niedriger Temperatur und anschließende Neutralisation mit Natriumhydroxid synthetisiert. Türkischrotöl zeichnet sich durch hervorragende Emulgierkraft, Permeabilität, Benetzbarkeit und Diffusionsfähigkeit aus und ist Seife in Bezug auf Beständigkeit gegenüber hartem Wasser, Säuren und Metallsalzen überlegen.

3.2.2 Struktur der Oberflächenaktivität

Die einzigartigen Eigenschaften von Tensiden beruhen auf ihrer besonderen Molekülstruktur. Tenside sind im Allgemeinen lineare Moleküle, die sowohl hydrophile polare Gruppen als auch lipophile unpolare hydrophobe Gruppen enthalten.

Hydrophobe Gruppen weisen vielfältige Strukturen auf, darunter geradkettige, verzweigte und cyclische Ketten. Am häufigsten sind Kohlenwasserstoffketten wie Alkane, Alkene, Cycloalkane und aromatische Kohlenwasserstoffe, deren Kohlenstoffatomzahl meist zwischen 8 und 20 liegt. Weitere hydrophobe Gruppen sind Fettalkohole, Alkylphenole und atomare Gruppen, die Fluor, Silicium und andere Elemente enthalten. Hydrophile Gruppen werden in anionische, kationische, amphotere ionische und nichtionische Tenside unterteilt. Ionische Tenside ionisieren in Wasser und tragen elektrische Ladungen, während nichtionische Tenside in Wasser nicht ionisieren, aber Polarität und Wasserlöslichkeit aufweisen.

3.2.3 Häufig vorkommende schädliche Tenside

Tenside sind im Alltag weit verbreitet, dennoch handelt es sich unbestreitbar um chemische Substanzen. Viele Rohstoffe für Tenside weisen gewisse toxische und umweltschädliche Eigenschaften auf. Sie schädigen unweigerlich die Umwelt; bei Hautkontakt können sie Hautreizungen verursachen, und einige sind sogar stark toxisch und ätzend und können schwere Schäden am menschlichen Körper hervorrufen. Im Folgenden werden einige häufig vorkommende schädliche Tenside vorgestellt:

A. APEO

APEO ist ein gängiges nichtionisches Tensid, bestehend aus einem Alkyl- und einem Ethoxyrest. Unterschiedliche Kohlenstoffkettenlängen des Alkylrests und verschiedene Mengen des Ethoxyrests führen zu zahlreichen APEO-Varianten mit signifikanten Leistungsunterschieden. Das Hauptprodukt der APEO-Synthese ist nicht krebserregend, die Nebenprodukte hingegen sind ätzend für Haut und Augen und können in schweren Fällen sogar Krebs auslösen. Obwohl APEO Organismen nicht direkt schädigt, stellt es ein hormonelles Risiko dar. Diese chemischen Substanzen gelangen über verschiedene Wege in den menschlichen Körper, wirken östrogenähnlich, stören die normale Hormonsekretion und können die Spermienzahl beim Mann verringern. APEO ist nicht nur für den Menschen schädlich; Berichten zufolge verursacht sein synthetischer Rohstoff NPEO auch erhebliche Schäden bei Fischen.

B. PFOS

PFOS, vollständig Perfluoroctansulfonat genannt, ist ein Sammelbegriff für eine Gruppe perfluorierter Tenside. Es hat einen Umweltverstärkungseffekt. Aufgrund seiner besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften ist PFOS extrem schwer abbaubar und gilt als eine der persistentesten Substanzen. Nachdem es über die Nahrungskette in Tiere und den menschlichen Körper gelangt ist, reichert es sich in großen Mengen an und stellt eine ernsthafte Bedrohung für die Gesundheit dar.

C. LAS

LAS ist ein bedeutender organischer Schadstoff, der der Umwelt erheblichen Schaden zufügt. Er kann die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Bodens verändern, beispielsweise den pH-Wert und den Wassergehalt, und dadurch das Pflanzenwachstum hemmen. Gelangt LAS in Gewässer, kann es sich zudem mit anderen Schadstoffen zu dispergierten kolloidalen Partikeln verbinden und ist toxisch für Jungtiere höherer und niederer Organismen.

D. Fluorkohlenwasserstoff-Tenside

PFOA und PFOS sind die beiden wichtigsten traditionellen Fluorkohlenwasserstoff-Tenside. Studien haben gezeigt, dass diese Verbindungen hochgiftig sind, zu persistenter Umweltverschmutzung führen und sich massiv in Organismen anreichern. Daher wurden sie 2009 von den Vereinten Nationen als persistente organische Schadstoffe (POP) eingestuft.

4 Grüne und neuartige Tenside

A. Tenside auf Aminosäurebasis

Aminosäurebasierte Tenside werden hauptsächlich aus reichlich vorhandenen Biomasse-Rohstoffen hergestellt. Sie zeichnen sich durch geringe Toxizität und Nebenwirkungen, milde Eigenschaften, geringe Reizwirkung auf Organismen und ausgezeichnete biologische Abbaubarkeit aus. Entsprechend der Ladungseigenschaften ihrer hydrophilen Gruppen nach der Ionisierung in Wasser lassen sie sich in vier Kategorien einteilen: kationische, anionische, nichtionische und amphotere Tenside. Zu den gängigen Typen gehören N-Alkyl-Aminosäure-, Aminosäureester- und N-Acyl-Aminosäure-Tenside.

B. Ananas-Enzym-Tenside

Ananas-Enzym-Tenside werden durch Fermentation von Kameliensamenmehl und dem nach der Ölgewinnung verbleibenden Ölkuchen, Ananasschalen sowie Hefepulver, Pektinase und anderen Mikroorganismen hergestellt. Obwohl die molekulare Struktur ihrer Wirkstoffe noch nicht vollständig aufgeklärt ist, belegen experimentelle Daten ihre gute Waschwirkung.

C. SAA

SAA ist ein Palmölderivat. Als Produkt aus nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen hat es große Aufmerksamkeit erregt. Sein Herstellungsverfahren ist umweltfreundlich. Darüber hinaus fällt es in hartem Wasser mit hohem Kalzium- und Magnesiumionengehalt Kalziumsalze deutlich langsamer aus als gängige Tenside wie LAS und AS, was zu einer hervorragenden Reinigungswirkung in der Praxis führt.

5. Perspektiven der Waschmittelentwicklung

Auf dem globalen Waschmittelmarkt unterscheiden sich die Länder hinsichtlich ihrer Entwicklungsprioritäten und -trends, doch die allgemeine Forschungsrichtung für Waschmittelprodukte bleibt konstant. Die Konzentration und Verflüssigung von Waschmitteln haben sich zu wichtigen Trends entwickelt, während Wassereinsparung, Sicherheit, Energieeinsparung, Professionalität, Umweltfreundlichkeit und Multifunktionalität sich als populäre Entwicklungsrichtungen herauskristallisiert haben. Tenside, die wichtigsten Rohstoffe von Waschmitteln, werden in Richtung Milde, komplexerer Formulierungen und Umweltverträglichkeit weiterentwickelt. Enzympräparate, die sich durch hohe Effizienz, Spezifität und Umweltfreundlichkeit auszeichnen, sind zu einem Forschungsschwerpunkt in der Waschmittelentwicklung geworden. Zusammenfassend lassen sich die Entwicklungstrends der Waschmittelindustrie wie folgt darstellen:

Diversifizierung, Spezialisierung und Segmentierung von Waschmitteln. Waschmittel lassen sich nach ihrer Darreichungsform in feste, pulverförmige, flüssige und gelartige Waschmittel unterteilen; nach ihrem Wirkstoffgehalt in Konzentrate und Standardwaschmittel; und nach Verpackung, Farbe und Duft in verschiedene Kategorien.

Flüssigwaschmittel werden sich als die vielversprechendste Produktkategorie erweisen. Im Vergleich zu festen Waschmitteln erzielen Flüssigwaschmittel bessere Ergebnisse beim Waschen mit niedrigen Temperaturen, bieten eine flexiblere Rezepturgestaltung und einfachere Produktionsprozesse. Zudem erfordern sie geringere Investitionen in Anlagen und verbrauchen in der Produktion weniger Energie.

Konzentrierte Waschmittelprodukte entwickeln sich stetig weiter. Seit 2009 haben sich konzentrierte Waschmittel in drei Hauptkategorien weiterentwickelt: konzentriertes Waschpulver, konzentrierte Waschmittelkapseln und konzentriertes Flüssigwaschmittel. Konzentrierte Waschmittel bieten gegenüber herkömmlichen Produkten bemerkenswerte Vorteile, darunter ein hoher Wirkstoffgehalt, starke Waschkraft und Energieeinsparung. Dank ihrer konzentrierten Formel sparen sie außerdem Verpackungsmaterial, reduzieren die Transportkosten und benötigen weniger Lagerfläche.

Fokus auf die menschliche Sicherheit. Mit steigendem Lebensstandard beurteilen Verbraucher Waschmittel nicht mehr allein nach ihrer Fleckenentfernungsleistung. Sicherheit, Ungiftigkeit und Hautverträglichkeit sind zu entscheidenden Kriterien bei der Auswahl von Waschmitteln geworden.

Umweltfreundliche Produktentwicklung. Die durch phosphorhaltige Waschmittel verursachte Eutrophierung und die schädlichen Umweltauswirkungen von Bleichmitteln haben in der Öffentlichkeit große Besorgnis ausgelöst. Im Sinne der grünen Chemie verlagert sich die Rohstoffauswahl für Waschmittel zunehmend hin zu umweltfreundlicheren und milderen Alternativen.

Multifunktionalität. Multifunktionalität ist ein vorherrschender Entwicklungstrend bei diversen Konsumgütern, und Gebrauchsgegenstände mit mehreren Funktionen sind im Alltag weit verbreitet. Zukünftig werden Waschmittel die Fleckenentfernung mit Funktionen wie Sterilisation, Desinfektion und Bleichung kombinieren.