Загрязнение моющими средствами

Начало применения бытовых синтетических моющих средств относится к 1950 году. В состав коммерческих поверхностно-активных веществ (ПАВ) обычно входят одна или более групп поверхностно-активных агентов и несколько связывающих компонентов. Группы, обеспечивающие такие свойства ПАВ, выполняют две функции: уменьшение поверхностного натяжения жидкости, в которой они растворяются и образуют стабильную эмульсию или суспензию с частицами удаляемых загрязнений, и снижение жесткости воды за счет образования с водой щелочного раствора, в котором моющие свойства поверхностно-активных групп особенно эффективны.
Кроме того, ПАВ содержат добавочные ингредиенты: ароматизирующие вещества, отбеливающие реагенты (персульфаты, пербораты) и придающие блеск вещества, токсичные для водных организмов. Отбеливание улучшает внешний вид очищенных предметов. Блеск изделию придают флуоресцирующие краски, которые наносят на текстиль. Эти краски преобразуют ультрафиолетовые лучи в видимый свет. Отражательная способность как белых, так и окрашенных тканей, таким образом, улучшается.
Для придания желательных свойств в состав ПАВ могут быть включены также другие составляющие (ферменты, ингибиторы коррозии, душистые вещества).
Выпускаются разнообразные поверхностно-активные вещества для использования в различных по составу моющих средствах. Поверхностно-активные агенты подразделяют обычно на три класса: анионоактивные, катионоактивные и неионогенные. Химические формулы типичных представителей этих трех классов приведены ниже:
1)анионоактивные-

алкилбензолсульфонат (АБС) линейный алкилсульфонат (ЛАС)

2) катионоактивные -

четвертичная аммонийная соль, где R1, R2,R3 - углеводородные радикалы, R4 - ароматический углеводород, Х - галоген или кислотная группа

3) неионогенные -

Поверхностно-активные вещества, входящие в состав определенных моющих средств, выбирают исходя из условий использования и типа предполагаемой обработки. Гидрофильные (поглощающие воду) волокна (хлопок, шерсть и шелк) могут совмещаться с анионоактивными ПАВ; полиамидные и полиэфирные волокна гидрофобны (отталкивают воду), поэтому они очищаются в присутствии неионогенных веществ.
Анионоактивные вещества начали применяться ранее других, до сих пор они остаются основными ПАВ, включаемыми в состав большинства моющих средств. До 60-х годов используемые анионоактивные вещества были типа АБС, затем они были заменены веществами типа ЛАС. Катионоактивные вещества дороже анионоактивных, однако они обладают антибактерицидными свойствами. Некоторые катионоактивные вещества используются для придания мягкости тканям.
В состав моющих средств входят связывающие компоненты. Они могут взаимодействовать с ионами кальция и магния, присутствующими в виде солей в воде, а также в твердых загрязнениях и в текстиле (особенно в хлопке). К твердым загрязнениям относятся также продукты выделений человеческого тела (пот), ороговевшая кожа, пищевые отходы, сажа, пыль и др. Наиболее распространены в качестве связывающих агентов смеси полифосфатов с триполифосфатом натрия Na5P3O10. Активным связывающим агентом в этом веществе является ион P3O105-. Состав ПАВ различается в разных странах, так как эти средства применяются в разнообразном стиральном оборудовании для обработки различных текстилей.
Стиральная техника большинства европейских стран значительно отличается от американской и канадской. Так, для этой цели в Европе (кроме Англии и Норвегии) применяют реверсивные барабанные машины, имеющие встроенные водонагревательные элементы (температура стирки изменяется от 60 до 100 0С). Машины сконструированы таким образом, чтобы загрузка воды в один стиральный цикл была минимальной; минимальной будет и загрузка фосфатов, требуемых для обработки жесткой воды.
В Северной Америке большинство стиральных машин представляют собой устройства пульсационного типа без встроенных нагревательных элементов. Подобные машины, но с нагревательными элементами применяются в Англии и Норвегии. Для пульсационной стиральной машины требуется в 4 раза больше воды на один стиральный цикл по сравнению с барабанными, поэтому очевидными является увеличенный расход фосфатных связывающих агентов. В связи с этим американские моющие средства по сравнению с европейскими содержат больше фосфатов.
Все ПАВ биохимически устойчивы, поэтому их применение должно быть ограничено и регламентировано. Во многих странах приняты решения о производстве только биодеградирующих моющих средств, что значительно снизило нагрузку на окружающую среду. Для решения этой проблемы была изменена химическая структура ПАВ, что сделало их легко поддающимися разложению - вещества типа ЛАС. Сточные воды, содержащие тяжелые ПАВ, несут огромную шапку пены в районах использования, особенно ниже водослива и ворот шлюзов. Пена оказывает отрицательное влияние на водные экосистемы в некотором роде аналогичное воздействию нефтяной пленки (уменьшение светопропускания, ухудшение воздухообмена между атмосферой и водной поверхностью).
Особое значение для водных экосистем имеют полифосфатные связывающие агенты. Фосфорные компоненты моющих средств легко гидролизуются с образованием нетоксичных монофосфатов:
P3O105- + 2H2O ® 2HPO44- + H2PO4-
Образующиеся продукты гидролиза не представляют угрозы для человека и животных, обитающих в воде. Однако необходимо учитывать эффект воздействия фосфатов на растения. Они являются питательной средой для фитопланктона, вызывая его интенсивный рост, что в свою очередь может создать серьезные проблемы в водоемах. Это выражается в загрязнении ранее чистых водоемов, где по мере отмирания растений начинается их гниение, а вода обедняется кислородом. Были предложены различные способы ограничения количества фосфатов в ПАВ до полного отказа от их применения. Однако выведение этих веществ из состава ПАВ дискуссионно, так как не установлено, уменьшается ли содержание питательных веществ в водной среде с уменьшением содержания фосфатов в ПАВ.
С целью частичной или полной замены фосфатсодержащих связывающих агентов были исследованы тысячи компонентов. Необходимым условием являлось сохранение качеств, присущих фосфатам (нетоксичность, отсутствие агрессивности, коррозионного воздействия на материалы и т.д.). Наибольший интерес из всех исследованных соединений представляет натриевая соль нитрилтриуксусной кислоты (НТК):

Это соединение обладает хорошими связывающими свойствами, что приближает его к характеристикам триполифосфата. Оно легко поддается биологическому разложению и относительно недорого. Однако НТК обладает гигроскопичностью, что приводит к слеживанию в открытых упаковках. Кроме того, в 1970 г. появилось сообщение, что соединение НТК-кадмий - тератогенно (тератогены - вещества, вызывающие возникновение дефектов у зародыша в период его утробного развития). Таким образом, пока не будет получен приемлемый связывающий агент, полифосфаты будут вводится в состав ПАВ, несмотря на влияние этих веществ на рост водных растений.