Mydła i sztuczne detergenty

Detergenty
<łac. od detergere 'ścierać; wyczyszczać'>
Związki obniżające napięcie powierzchniowe wody, stosowane jako środki piorące, myjące, czyszczące (działające w postaci rozpuszczonej). Szeroko używane zarówno w gospodarstwach domowych jak i w przemyśle. Pierwszym znanym i używanym detergentem było mydło, wynalezione na Bliskim Wschodzie ponad 5000 lat temu. Na początku używano go głównie do prania odzieży i przemywania ran. Dopiero w II wieku n.e. zaczęto używać mydła do mycia się. Środki czyszczące dzielimy na mydła i detergenty syntetyczne nie zwierające mydeł. Mimo ogromnej różnorodności dostępnych na rynku preparatów i różnych obszarów ich zastosowań, łączy je wspólna cecha: niemal wszystkie zawierają tzw. substancje powierzchniowo czynne.


Związki powierzchniowo czynne (surfaktanty – z ang. surface active agents)

To związki chemiczne, które rozpuszczone w cieczy (nawet przy niewielkim stężeniu) gromadzą się na granicy fazy ciekłej z fazą: gazową, ciekłą lub stałą.

Najważniejsze ugrupowania hydrofilowe (polarne)
- COOH grupa karboksylowa
- SO3H grupa sulfonowa
- OSO3H grupa siarczanowa
- OPO(OH)2 grupa fosforanowa
- NR2 grupa aminowa
- [NR3]+ grupa amoniowa
- O - grupa eterowa
- CONH - grupa amidowa
- CH2CH2O - grupa etoksylowa
- ugrupowanie cukrowe

Najważniejsze ugrupowania hydrofobowe (niepolarne)

Zawierające z reguły 8-18 atomów węgla:
 nierozgałęziony łańcuch węglowodorowy, jak w przypadku kwasów tłuszczowych, tłuszczów naturalnych, a także ich pochodnych
 rozgałęziony łańcuch węglowodorowy, w przypadku reszt związków pochodzenia naftowego lub syntetycznego
 zbudowane z węglowodoru aromatycznego z długim łańcuchem alkilowym
 ugrupowanie oksypropylenowe – CH2CH2CH2O –
 ugrupowanie fluorowęglowe

Mydła

Mydła należą do grupy substancji powierzchniowo czynnych anionoaktywnych o wzorze ogólnym:


[R – C – O]

Mydła to sole sodowe, potasowe lub amonowe wyższych kwasów tłuszczowych o długich łańcuchach węglowodorowych. Łańcuch wodorowy stanowi resztę hydrofobową, a grupa karboksylowa resztę hydrofilową.

Mydła możemy podzielić na:

o mydła alkaliczne (rozpuszczalne w wodzie, stałe mydła sodowe, np. mydło toaletowe, oraz maziste mydło potasowe, np. tzw. mydło ciekłe) odznaczają się doskonałymi właściwościami piorącymi w wodzie miękkiej i w środowisku zasadowym. Ich wadą jest to, że dają osady nierozpuszczalne, trudno dyspergujące się w wodzie twardej. Otrzymuje się je m.in. z tłuszczów jadalnych.

o mydła metaliczne (nierozpuszczalne w wodzie, stosowane do produkcji smarów i napalmu, a także w przemyśle tłuszczowym i w kosmetyce). Duża zawartość metali pozwala na zastosowanie jako sykatywyw przemyśle lakierów i jako katalizatory

o mydła aminowe posiadają zwykle cechy mydeł alkalicznych, lecz mają mniejszą alkaliczność hydrolityczną


Otrzymywanie

Mydło jest wyrabiane przez przereagowanie tłuszczu, jak łój, olej kokosowy czy olej palmowy, z jakimś wodorotlenkiem (ługiem), na przykład wodorotlenkiem sodowym (sodą kaustyczną) lub wodorotlenkiem potasowym (potażem żrącym). Ten proces chemiczny nazywa się zamydlaniem. W procesie wytwarzania mydła ważnym surowcem nieorganicznym jest także NaCl, stosowany w celu wydzielenia mydła z mieszaniny poreakcyjnej.
Mydła sodowe otrzymuje się przez wysuszenie stopionego mydła oraz dodanie środków zapachowych i barwiących, po czym formuje się je w kostki. Mydła toaletowe są wytwarzane z lepszych gatunków tłuszczu, a po wysuszeniu są ponownie podgrzewane aby zmniejszyć zawartość wody.

Zasada działania

Tworzenie się miceli

np. podczas prania -
zwilżanie powierzchni
tworzenie emulsji z brudem (micele)
Jedną z konsekwencji dwubiegunowej
struktury surfaktantów jest tworzenie
MICELI – dużych agregatów
molekularnych

Do micelyzacji dochodzi
łatwo dla cząsteczek
o długich nierozgałęzionych
łańcuchach alkilowych
Przy rozgałęzieniach w grupach
niepolarnych micelizacja nie zachodzi.


Detergenty syntetyczne

Ważną zaletą detergentów syntetycznych w porównaniu z mydłami jest ich niewrażliwość na obecność w wodzie jonów wapnia lub magnezu, czyli twardość wody. Mydło w roztworze zawierającym jony wapnia źle się pieni, a z bardziej stężonych roztworów strąca się po pewnym czasie kłaczkowaty osad. Jest to spowodowane słaba rozpuszczalnością w wodzie soli wapniowych i magnezowych wyższych kwasów tłuszczowych. Nierozpuszczalny w wodzie stearynian wapnia nie wykazuje już czynności powierzchniowej. W przypadku detergentów obecność soli Ca2+ lub Mg2+ nie stanowi przeszkody, ponieważ albo ich sole wapniowe i magnezowe są rozpuszczalne w wodzie, albo też te detergenty nie są solami.
Nowoczesne środki piorące, oprócz odpowiedniej kombinacji kilku na ogół detergentów, zawierają także rozmaite dodatki zwiększające ich skuteczność. Te dodatki to na przykład środki zmiękczające wodę, środki wybielające, a także odpowiednie enzymy mające właściwości katalizowania hydrolizy białek i tłuszczów - częstych składników plam na odzieży.


Klasyfikacja surfaktantów według oddziaływania na środowisko

Surfaktanty można podzielić na następujące grupy:
• chemodegradowalne – ulegają rozkładowi pod wpływem odczynników chemicznych na prostsze związki chemiczne, nieuciążliwe dla środowiska
• biodegradowalne – ulegają biochemicznemu rozkładowi przez organizmy żywe (bakterie, pierwotniaki, promieniowce, grzyby, glony, robaki) na prostsze składniki chemiczne, nieuciążliwe dla środowiska
• trudnodegradowalne
• niedegradowalne

Wszystkie te związki chemiczne trafiają do ścieków i dalej do środowiska naturalnego, przede wszystkim wodnego, głównie po procesach prania i mycia, zarówno w gospodarstwach domowych, jak i w wielu dziedzinach przemysłu, gdzie procesy te są stosowane. Odporność związków powierzchniowo czynnych na biochemiczną degradację jest jedną z przyczyn zanieczyszczenia rzek i zbiorników wodnych tymi związkami.


Surfaktanty i detergenty a środowisko naturalne

Detergenty to wszystkie środki wykazujące właściwości detergencyjne, czyli zdolność usuwania brudu z powierzchni ciał stałych i utrzymania go w postaci zdyspergowanej w kąpieli myjącej.
Głównym składnikiem kompozycji detergentowych są związki powierzchniowo czynne. Dzięki ich właściwościom adsorpcyjnym możliwe staje się lepsze zwilżanie powierzchni oraz usuwanie i dyspergowanie cząstek brudu. Oprócz związków powierzchniowo czynnych kompozycje piorące lub myjące zawierają wiele innych składników pomocniczych. Ich zadaniem jest m.in. utrzymanie brudu w kąpieli w stanie zdyspergowanym i zapobieganie jego ponownemu osadzaniu na oczyszczonej powierzchni. Bardzo pomocne są w tym tak zwane koloidy ochronne, np. karboksymetyloceluloza, a sprzyjają temu także krzemiany i węglany. Innym ważnym zadaniem detergentów jest kompleksowanie metali ziem alkalicznych i metali ciężkich podczas procesu mycia, czemu służą znakomicie polifosforany i niektóre związki organiczne, tzw. kompleksony, np. sole kwasu etylenodiaminotetraoctowego (EDTA), glikonian sodu i inne. Kompozycje detergentowe zawierają poza tym wiele innych składników, jak np. środki wybielające, aktywatory i stabilizatory nadboranu sodowego.

Toksyczność
Badanie toksyczności w stosunku do organizmów wodnych prowadzi się najczęściej dla małych rybek i skorupiaków.
Jednym ze sposobów oznaczania toksyczności jest wyznaczenie stężenia związku, przy którym 50% osobników badanej populacji ponosi śmierć, czyli wyznaczenie LC50 (lethal concentration).
Przyjęto w stosunku do organizmów wodnych, że związki dla których wartość LC50 jest mniejsza od 1mg/l, są silnie toksyczne, wartość LC50 jest większa od 1000 mg/l, są nietoksyczne.

W przypadku głównych składników kompozycji detergentowych, a więc związków powierzchniowo czynnych, stężenia toksyczne są znacznie niższe i wynoszą dla surfaktantów anionowych i niejonowych kilka mg/l. Są to więc związki toksyczne.

Uciążliwość surfaktantów wynika z ich właściwości fizykochemicznych. a mianowicie wskutek adsorpcji na powierzchni wody utrudniają one przenikanie tlenu w głąb wód naturalnych. Tym samym utrudniony jest rozwój organizmów żywych, a także samooczyszczanie się zbiorników wodnych w procesach biodegradacji. Poza tym podczas rozkładu biochemicznego samych surfaktantów zużywa się tlen, co pogłębia deficyt tlenowy wód.
Przy większej ilości surfaktantów występuje pienienie się wody, co stwarza kłopoty w pracy różnego typu urządzeń, m.in. turbin i urządzeń napowietrzających w oczyszczalniach ścieków.
Z kolei nadmierna zawartość fosforu w wodach powoduje ich eutrofizację, której przejawem jest nadmierny rozwój pewnych form życia, kosztem innych, czyli zachwianie równowagi ekologicznej prowadzące w krańcowych przypadkach do zamierania życia w zbiornikach wodnych.

Nie są one szkodliwe dla zdrowia, czasami jednak mogą wywołać stany zapalne skóry.

Będąc środkami ułatwiającymi rozpuszczanie oraz emuglowanie surfaktanty są pośrednio szkodliwe gdyż powodują rozpuszczenie w wodzie substancji trudno lub zupełnie nierozpuszczalnych, toksycznych lub rakotwórczych. W formie zemuglowanej substancje te są znacznie łatwiej wchłaniane przez organizmy żywe. Również oczyszczanie ścieków zawierających produkty ropopochodne jest bardzo utrudnione w przypadku obecności związków powierzchniowo czynnych.

Ze względu na niekorzystny wpływ jaki wywierają związki powierzchniowo czynne na środowisko, ważne jest skuteczne ich usuwanie ze ścieków. Stosowane metody zależą od stężenia tych związków. Mogą to być metody fizykochemiczne (adsorpcja, odwrócona osmoza, wypienianie, ekstrakcja), biologiczne lub chemiczne. W przypadku znacznego stężenia surfaktantów w ściekach możliwy jest ich odzysk np. metoda wypieniania.