Zeszyty Studenckiego Ruchu Materiały 19 Sesji Studenckich Naukowego Uniwersytetu Kół Naukowych Uniwersytetu Humanistyczno- Przyrodniczego Humanistyczno- Przyrodniczego Jana Kochanowskiego Jana Kochanowskiego w Kielcach, 2010 w Kielcach, 2010 Agata Ogrodnik Joanna Opałka Studentki I roku chemii Studenckie Koło Naukowe Kalcyt Uniwersytet Humanistyczno-Przyrodniczy Jana Kochanowskiego w Kielcach Recenzent: dr Artur Michalik Streszczenie: Blaski i cienie detergentów Detergenty to syntetyczne substancje powierzchniowo czynne (SPC) o właściwościach piorących, emulgujących, zwilżających i flotujących, które wynikają ze specyficznej budowy oraz dodatku substancji pomocniczych. Detergenty powszechnie występują w proszkach do prania, płynach do mycia, szamponach, czy nawet pastach do zębów. Nie tylko usuwają zabrudzenia, ale również nadają tkaninom miękkość, włosom blask, a przedmiotom codziennego użytku połysk. Jednak detergenty to także wzmożona eutrofizacja, problemy z ich biodegradacją oraz silne właściwości wysuszające. Poniższy artykuł przedstawia budowę i mechanizm działania substancji powierzchniowo czynnych (w tym detergentów), przybliża zalety oraz wady wynikające z ich użytkowania. Słowa kluczowe: syntetyczne substancje powierzchniowo czynne, budowa, zalety, wady. Wstęp Szampony, płyny do mycia naczyń, proszki do prania swoją czyszczącą moc zawdzięczają zwartym w nich substancjom powierzchniowo czynnym. Poniższy artykuł ma na celu przybliżyć budowę i mechanizm działania substancji powierzchniowo czynnych, skupiając się zwłaszcza na powszechnie występujących detergentach. Poza bezsprzecznymi korzyściami jakie czerpiemy ze stosowania tych środków, warto również zwrócić uwagę na ich negatywny wpływ na środowisko przyrodnicze. Budowa, podział i zasada działania detergentów Zgodnie z definicją detergenty to syntetyczne substancje powierzchniowo czynne (SPC) stosowane jako środki piorące i mydlące, które gromadzą się na powierzchni cieczy, zmniejszając jej napięcie powierzchniowe. Niejednokrotnie przez detergenty rozumie się wszelkie środki czyszczące jako takie, jednak przemysł zajmujący się ich produkcją wyraźnie rozgranicza detergenty właściwe od pozostałych składników środków czyszczących do 1
których zaliczamy: nabłyszczacze, dodatki koloryzujące, dodatki zapachowe, odżywcze, antystatyczne, wybielające itp. Substancje powierzchniowo czynne do których zaliczamy detergenty charakteryzują się asymetryczna budowa (ryc. 1). Złożone są z części hydrofobowej, niepolarnej, nierozpuszczalnej w wodzie, ale rozpuszczalnej w rozpuszczalnikach niepolarnych oraz części hydrofilowe, polarnej, rozpuszczalnej w wodzie, ale nierozpuszczalnej w rozpuszczalnikach niepolarnych. Taka budowa powoduje, że substancje te częściowo rozpuszczają się w wodzie, a częściowo w fazie organicznej. część hydrofobowa część hydrofilowa Ryc. 1. Ogólna budowa cząsteczki substancji powierzchniowo czynnej. Detergenty wprowadzono w latach 40-tych XX wieku jako zamiennik dla popularnego mydła. Ze względu na budowę chemiczną syntetyczne substancje powierzchniowo czynne dzielimy na (ryc. 2): Anionowe SPC stanowią 60% wszystkich produkowanych obecnie SPC. Są to sole sodowe sulfonowanych węglowodorów alifatycznych, aromatycznych, alkoholi wielowodorotlenowych, kwasów tłuszczowych oraz estrów. Niejonowe SPC stanowią 30% wszystkich SPC. Zbudowane są z hydrofilowego łańcucha polietoksylowego (CH 2 CH 2 O) oraz hydrofobowych: alkilofenoli, alkoholi wielo-wodorotlenowych, amidów kwasów tłuszczowych. Kationowe SPC wraz z amfoterycznymi SPC stanowią około 10% wszystkich SPC. Zbudowane są z czwartorzędowego jonu amonowego oraz rodnika alkilowego. Amfoteryczne SPC złożone są głównie z polipeptydów, które w zależności od ph roztworu mogą się zachowywać jak anionowe lub kationowe substancje powierzchniowo czynne. a) b) c) d) Ryc. 2. Forma występowania SPC w roztworze wodnym: a) anionowa; b) kationowa; c) amfoteryczna; d) niejonowa. Zasada działania detergentów polega na odrywaniu cząsteczek brudu od powierzchni i przedstawiona jest na ryc. 3 (Dojlido, 1997; Pajdowski, 2002). kierunek procesu Ryc. 3. Schemat działania substancji powierzchniowo czynnych. 2
Dlaczego warto stosować detergenty? Podstawową zaletą detergentów są ich właściwości czyszczące. Nie tylko skutecznie usuwają wszelkie zabrudzenie, ale również dzięki substancjom pomocniczym mogą m.in. nadawać tkaninom miękkość, czy włosom blask. Detergenty: efektywnie zwilżają myte powierzchnie dzięki czemu ułatwiają mieszanie się brudu w wodą lub innym rozpuszczalnikiem; poprzez zmianę ph mytej powierzchni ułatwiają zrywanie wiązań wodorowych, wiążących brud, umożliwiając dalszy rozkład substancji zanieczyszczających; obniżają twardość wody, co z kolei zwiększa zwilżanie powierzchni oraz rozpuszczalność związków o charakterze jonowym, mogących wchodzić w skład zabrudzeń; działają enzymatycznie katalizując reakcje, umożliwiające rozkład cząsteczek organicznych wchodzących w skład brudu; działają pianotwórczo poprzez zwiększenie powierzchni styku brudu ze środkiem myjącym. Syntetyczne substancje powierzchniowo czynne stanowią bardzo istotną część handlowych preparatów, które zależnie od przeznaczenia, zawierają dodatkowe składniki takie jak: wypełniacze, substancje nadające tkaninom puszystość, enzymy, środki usztywniające, czy rozjaśniacze optyczne (Hart i in. 1999, Lautenschläger i in. 2007): wypełniacze są drugim co do ważności składnikiem handlowych środków piorących. Ich działanie polega na wiązaniu jonów dwuwartościowych (głównie Ca 2+, Mg 2+ ), zmiękczaniu wody i zwiększaniu efektu działania SPC. Do najczęściej stosowanych wypełniaczy zaliczyć można: tripolifosforan sodowy, pirofosforan sodowy, siarczan sodowy, sól sodową kwasu nitrylooctowego, cytrynian sodu; enzymy dodaje się do środków piorących, w celu usunięcia konkretnych rodzajów zanieczyszczeń, np. proteazy ułatwiają usuwanie zanieczyszczeń zawierających białka, amylazy zawierających skrobię; czynniki usztywniające są to substancje, które dodawane do środków piorących zmniejszają przyczepność kurzu i piasku do odzieży. Najczęstszym przykładem są estrowe lub eterowe pochodne celulozy; zmiękczacze to związki głównie z grupy kationowych substancji powierzchniowo czynnych, które nadają tkaninom miękkość i puszystość. Są one dodawane do środka piorącego lub osobno, do płukania; rozjaśniacze optyczne są to zazwyczaj barwniki absorbujące promieniowanie nadfioletowe o niebieskiej fluorescencji. Niwelują one zażółcenia powstające zwłaszcza na białych tkanin. Życie bez środków myjących, piorących, czyszczących w obecnych czasach wydaje się praktycznie niemożliwe. Do niezastąpionych obecnie produktów, które zawierają detergenty zaliczyć możemy: szampony, proszki do prania, płyny do płukania, płyny do mycia naczyń, a także pasty do zębów. Szampony to płynne środki przeznaczone do mycia włosów, w skład których wchodzi ciekłe mydło, substancje pieniące oraz związki zapachowe, odżywcze, nawilżające, koloryzujące, antystatyczne, natłuszczająco-nabłyszczające, i lecznicze. Detergenty są podstawowymi substancjami myjącym występującym w szamponach oraz głównymi czynnikami odpowiedzialnymi za ich pienienie się. W wielu przeznaczonych do użytku szamponach zastąpiono tradycyjne mydła potasowe i amonowe solami amonowymi i sodowymi monoestrów siarczanowych wyższych alkoholi alifatycznych. Odczyn szamponów jest zwykle lekko kwaśny, co zapobiega wymywaniu z włosów ich naturalnych 3
olejków natłuszczających i zapobiega elektryzowaniu się włosów. Ponadto, szampony zawierają substancje nadające wrażenie puszystości, błysku i "zdrowego wyglądu" włosów. Proszki do prania stanowią mieszaninę wielu substancji, a ich podstawowe zadanie sprowadza się do usuwania brudu z powierzchni tkanin w procesie prania. Proszki zawierają przede wszystkim związki powierzchniowo czynne, zazwyczaj o charakterze anionowym i niejonowym, jak również substancje zmiękczające wodę, enzymy zwiększające efektywność prania oraz środki wybielające. Odpowiednie właściwości proszków do prania uzyskuje się dzięki właściwemu doborowi poszczególnych składników i ich proporcji. Płyny do mycia naczyń są pospolitymi środkami czyszczącymi, stosowanymi w gospodarstwach domowych i w gastronomii. Ze względu na szerokie zastosowanie, skład chemiczny płynu powinien zapewniać jego neutralność dla środowiska naturalnego oraz szybką biodegradację. Oprócz substancji powierzchniowo czynnych, które stanowią podstawowy składnik płynów do mycia naczyń, zawierają one m.in. substancje zapachowe, zmiękczające wodę, substancje enzymatyczne oraz składniki ochronne. Pasta do zębów działa poprzez usuwanie z powierzchni zębów i dziąseł zanieczyszczeń i nalotów o zróżnicowanym składzie chemicznym, głównie płytki nazębnej. Pasty najczęściej zawierają laurylosiarczan sodu lub inne związki siarki, których zadaniem jest wytwarzanie piany podczas szczotkowania (http://detergenty.milion-stron.com/). Wady środków czyszczących Najczęściej stosowanymi detergentami w przemyśle kosmetycznym są laurylosiarczan sodu i siarczan lauretowo-sodowy. Są to związki niezwykle skuteczne i doskonale pieniące, ale poważną ich wadą jest działanie silnie wysuszające i drażniące skórę oraz oczy. Długotrwałe odłuszczenie skóry może prowadzić do szybkiego i nadmiernego rozluźnienia struktury naskórka. Taka skóra staje się miękka i gąbczasta w środowisku wodnym, a przy braku kontaktu z wodą twarda, krucha i łatwo pękająca. Zwiększa to jej podatność na infekcje bakteryjne i wpływ alergenów (Hart i in. 1999). Detergenty są szczególnie szkodliwe dla środowiska wodnego, do którego dostają się ze ściekami komunalnymi i przemysłowymi. Detergenty m.in.:: powodują pienienie się wód; zmniejszają dyfuzję tlenu atmosferycznego; działają jak emulgatory zmniejszając napięcie międzyfazowe między wodą a np. olejami; zawarte w detergentach fosforany wywołują eutrofizację wód stojących i wolno płynących. Eutrofizacja to proces polegający na wzbogaceniu wód w substancje odżywcze pierwiastki biogenne (głównie azot i fosfor). Powoduje to masowy rozwój roślin wodnych, zwłaszcza glonów, co prowadzi do gromadzenia się mułów. W zbiorniku zaczynają dominować organizmy beztlenowe, a z czasem przekształca się on w staw, bagno lub torfowisko (Ryc. 4). Kolejnym problemem jest biodegradacja syntetycznych SPC. Długość łańcuchów węglowych i stopień ich rozgałęzienia znacznie utrudniają rozkład detergentów. Zdolność do biodegradacji jest niezwykle istotna ze względu na pewną toksyczność, jaką wykazują detergenty w stosunku do organizmów żywych. W ostatnich latach wycofuje się z użycia detergenty, których okres rozkładu przekracza dwie doby. Dodatkowo w wielu krajach opracowano przepisy prawne, które określają stopień degradacji detergentów wprowadzonych do codziennego użytku (Dojlido, 1997). 4
Zakończenie: Ryc. 4. Zbiornik wodny ulegający procesowi eutrofizacji. Detergenty są substancjami niezbędnymi w codziennym życiu. Ich budowa i skład gwarantują, że wszelkiego rodzaju zabrudzenia i nieczystości zostają usuwane. Substancje pomocnicze dodawane do detergentów nadają tkaninom miękkość, włosom blask, a naczyniom codziennego użytku połysk i czystość. Wśród wielu zalet i korzyści płynących ze stosowania detergentów, trudno dostrzec ich negatywną stronę, która wiąże się przede wszystkim z negatywnym oddziaływaniem na środowisko wodne. I choć prawdą jest, że nikt z nas nie zrezygnuje ze stosowania środków myjących i czyszczących, to jednak warto się zastanowić, w jaki sposób ograniczyć ich stosowanie, a tym samym dbać o środowisko przyrodnicze. Literatura: 1. Lautenschläger K.-H., Schrӧter W., Wanninger A. Nowoczesne kompendium chemii, Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa, 2007. 2. Pajdowski L. Chemia ogólna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2002. 3. Hart H., Craine L.E., Hart D.J. Chemia organiczna krótki kurs, Wydanie I, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 1999. 4. Dojlido J.R. Chemia wód powierzchniowych, Białystok: Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko 1995.http://detergenty.milion-stron.com/. 5