XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование и влияние качественных характеристик синтетических моющих средств (СМС) на окружающую среду и человека
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение:
Синтетические моющие средства (СМС) играют важную роль в повседневной жизни, обеспечивая чистоту и гигиену в домах, учреждениях и на производстве. Однако их широкое использование вызывает все большее беспокойство относительно воздействия на окружающую среду и здоровье человека. В последние десятилетия наблюдается рост осведомленности о потенциальных негативных последствиях применения СМС, что делает необходимым глубокое исследование их качественных характеристик и влияния на экосистемы и здоровье населения.
Цель данного исследования заключается в анализе качественных характеристик синтетических моющих средств, оценке их воздействия на окружающую среду и здоровье человека, а также в поиске возможных альтернативных решений, которые могли бы минимизировать негативные последствия. В ходе работы будут рассмотрены существующие нормативные акты и стандарты, регулирующие использование СМС, а также проведен обзор современных тенденций в разработке экологически чистых моющих средств.
Объект проекта: синтетические моющие средства, поверхностно-активные вещества, качественные характеристики
Предмет проекта: качественный состав синтетических моющих средств, включая их химические компоненты, мыльность, устойчивость пены, эффективность действия при различных температурах, уровень pH и влияние этих факторов на эффективность
Цель работы: экспериментальным путем изучить и сравнить влияние различных характеристик на эффективность действия, безопасность и функциональные свойства различных типов моющих средств
Актуальность:
С ростом уровня жизни и урбанизации наблюдается постоянное увеличение использования синтетических моющих средств в быту, промышленности и сфере услуг. Это приводит к повышенному количеству отходов и загрязнению окружающей среды.
Гипотеза: качественные характеристики моющих средств отличаются незначительно
Задачи проекта:
1.Провести анализ литературных источников
2.Выбрать методику для изучения темы и провести экспериментальную часть
3.Сбор образцов, такие как моющие средства, гели и порошки. Провести химический анализ собранных образцов для выявления активных ингредиентов и других компонентов
4.Оценка безопасности: Исследовать потенциальные опасности и токсичность компонентов моющих средств для человека и окружающей среды
5.Выводы: на основе полученных данных разработать по выбору более безопасных и эффективных моющих средств, как для потребителя, так и для производителя.
Глава 1. Обзор литературы
1.1.История возникновения моющих средств
История моющих средств уходит в давние времена. Археологи выяснили, что в Древнем Египте, примерно 5000 лет назад, пользовались смесью растительных масел и щелочей для очистки тканей. Древние греки и римляне также использовали подсолнечное масло и различные алкали, больше известные как натрий, это было для мытья и очищения загрязнений..В Китае об известности средств уже знали в 3 веку до нашей эры. Мастера древесного угля, смешивая щелочь из золы и жирные вещества, создали первую формулу мыла. С увеличением развития торговли и обмена культурой в Средние века партии производства стали усложняться. В Европе мыло производили из жиров животных и оливково масла, к ним добавляли эфирные масла и так мыла приобретали приятный аромат. Начиная с 20 века, бурное развитие индустрии бытовой химии. После Второй мировой войны начался активный, массовый, общедоступный запуск бытового сырья. В новом же поколении появились разновидности моющих средств, таких как, порошки, гели, средства для мытья посуды и другие. В 1960-х годах были выведены порошки с ферментами, которые расщепляют белки. С начала 1970-х годов началось внимание к экологическим аспектам синтетических моющих средств. Появились требования к снижению токсичности и биоразлагаемости ПАВ. Это привело к разработке более безопасных и экологически чистых формул. Сегодня синтетические моющие средства продолжают развиваться с акцентом на устойчивость, эффективность и безопасность. Производители ищут новые ингредиенты и технологии, чтобы удовлетворить требования потребителей и минимизировать воздействие на окружающую среду.
1.2.Понятие синтетических моющих средств и их классификация
Синтетические моющие средства(СМС)-это многокомпонентные составы на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ), предназначенные для удаления загрязнений с различных поверхностей. Их классифицируют по типу ПАВ (анионные, катионные, неионные, амфотерные), форме выпуска (порошки, пасты, жидкости) и назначению (бытовые, профессиональные).
Классификацию синтетических моющих средств разделяют на типы поверхностно-активных веществ. Первый тип которых-"Анионные"-Считается одним из наиболее распространенных типов. Он эффективно удаляет жировые и органические загрязнения, имеет хорошее пенообразование.
Второй тип - "Катионные"-Обычно используется в кондиционерах для белья, так как отлично справляется с минеральными загрязнениями, к примеру как накипь и известковый налет.
Третий тип, который выделяют - "Неионные" -Этот вид не имеет заряда, поэтому он более устойчив к жесткой воде. Дают хорошее очищение, в особенности сочетания с анионными ПАВ, и их используют в низкотемпературных стирках.
Четвертый тип "Амфотерные" - Эта разновидность имеет как положительный, так и отрицательный заряд, их свойства зависят от pH среды. Они имеют многофункциональными моющими свойствами, их можно заметить в таких средствах, как шампуни и жидкие мыла. Следующая классификация - по форме выпуска. Они делятся на категории: порошкообразные, пастообразные, жидкие и гелеобразные, прессованные таблетки. Описание этой классификации средств:
1. Порошкообразные - Классическая форма СМС, больше всего распространена в России
2. Пастообразные - Используют для очищения трудноудаляемых загрязнений.
3. Жидкие и гелеобразные - Одна из современных форм СМС, удобна в применении, быстро растворима.
4.Прессованные таблетки - Удобны для пользования и стирки в стиральных и посудомоечных машинах.
Еще можно классифицировать по назначению: выделяют следующие 8 подгрупп. Эти подгруппы отличаются между собой процентным содержанием ПАВ и добавками, а также щелочной средой.
Подгруппы:
-СМС для ежедневной уборки общественных мест
-СМС для пищевой промышленности
-СМС для текстиля
-СМС для посуды
-СМС для транспорта
-СМС для металла
-СМС для тканей
-косметико-гигиенические МС
1.3. Компоненты синтетических моющих средств
Компонентами СМС являются:
1.Комплексообразователи
2.Цеолиты
3.Средства,придающие белизну
4.Активаторы отбеливания
5.Антиресорбенты
6.Ферменты
7.Ароматизаторы
8.Гидротропные вещества
1.1.Комплексообразователи
Эффективность ПАВ снижается в минерализованной воде, содержащая ионы кальция, магния и железа. Эта реакция обмена, которая протекает следующим типом:
Катионы солей при обменной реакции с натриевыми солями алкил карбоновых кислот образуют хлопья нерастворимых в воде солей кальция, магния, железа. Такие соли не проявляют моющего действия. Для связывания жесткости в рецептуры СМС вводят комплексообразующие вещества. Основными комплексообразователями неорганического происхождения, применяемыми в настоящее время в составе СМС, являются: пентанатрий фосфат, полифосфат натрия, гексаметафосфат натрия или калия.
1.2.Цеолиты
Это кристаллические водные алюмосиликаты каркасной структуры, из которых нагреванием может быть обратимо удалена вода без разрушения каркаса. Хорошо подобранные при синтезе условия кристаллизации, анионная основа цеолите обладает системой пор, напоминающая пространственное сито. В пределах этого сита и происходит ионообмен ионов натрия на катионы кальция и магния. Состояние ионного обмена зависит от следующих факторов: температуры, времени, концентрации, от характера поливалентного катиона и соотношение связи между радиусами пор цеолита и радиусами ионов.
1.3.Средства,придающие белизну
Такие средства можно рассмотреть как самостоятельный продукт, так и вспомогательный - он очищает белье во время стирки. Эти средства можно разделить на 2 группы: оптические и химические отбеливатели.
В оптические отбеливатели включают такие органические соединения, в состав молекул которых входят сопряженные двойные связи и имеющие способность абсорбировать ультрафиолетовое излучение, а излучать люминесцентный свет в голубой видимой части спектра.
По назначению отбеливатели разделяют по виду тканей (для хлопка, хлор резистентные отбеливатели и отбеливатели для синтетических тканей). Получение отбеливателей происходит на основе стильбена, кумарина, хинолина, пиразолина или бензимидазола с заместителями, содержащими двойные связи.
Химические отбеливатели получают путем активных радикалов кислорода, взаимодействующих с хромофорными участками молекул загрязнителей, превращая их в неокрашенные соединения или соединения белого цвета. Практическое значение пришло с окислительным отбеливанием, которое в настоящее время получают с помощью пероксидов и гипохлоритов. Пероксид водорода является одним из важнейшим окислителем в производстве химической промышленности, а самое главное - экологичность, но также есть недостаток - его перевоз из-за большого процента воды(60-70%).
1.4.Активаторы отбеливателя
В течение последних 20 лет стало актуальным повышение эффективности отбеливания при более низких температурах. Так как в быту стал большой спрос на окрашенные ткани, стала необходимость понижения затрат энергии(включая температуру и время), но при низких температурах (20-40°) пероксидсодержащие отбеливатели неэффективны. Гораздо более эффективны составы, которые реагируют с пероксоионами в растворе с образованием промежуточных соединений, более активных при низкотемпературном отбеливании. Эти компоненты называются активаторами отбеливания и наиболее часто используемым является тетраацетилэтилендиамин. Кроме того, применяются различные катионные соединения, например, диацетилдиоксогексагидротриазин.
Растворение пербората или перкарбоната натрия в воде, в щелочной среде, как при ручной стирке, так и при стирке в автоматической стиральной машине, приводит к образованию аниона пергидроксила.
1.5.Антиресорбенты
Это вещества, которые используются для предотвращения или уменьшения адсорбции других веществ на поверхности. Они могут применяться в различных областях, включая химию ,фармацевтику, пищевую промышленность и экологию. Наиболее распространенными являются водорастворимые эфиры целлюлозы, например, натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (НКМЦ).
Натрийкарбоксиметилцеллюлозу получают обработкой щелочной целлюлозы монохлоруксусной кислотой или ее натриевой солью.
1.6.Ферменты
Биологические катализаторы, ускоряющие химические реакции в живых организмах. Продуктами гидролиза белков являются водорастворимые аминокислоты и другие соединения. Наиболее распространенными ферментами являются микробные сериновые протеазы, относящиеся к типу бациллопептиаз, в частности, замещенные лизины. Они усиливают моющее действие за счет ферментативного гидролиза и эффективно уничтожают пятна от молока, крови, какао и других продуктов. Ферменты получают в несколько стадий: пробирка – колба - предварительный и основной ферментеры. Они представляют собой пылящие порошки, мелкие гранулы или таблетки.
1.7.Ароматизаторы
Вещества, которые придают продуктам специфический запах и вкус. Они широко используются в пищевой промышленности, парфюмерии, косметике и других отраслях. Ароматизаторы могут быть как натуральными, так и синтетическими. По химической природе эфирные масла могут быть высшими альдегидами, спиртами, терпенами. Среди терпенов следует отметить лимонен – важный компонент эфирного масла, получаемого из лимонной корки. Исходным сырьем для получения множества синтетических душистых веществ является пинен – главная составная часть живичного скипидара.
Эфирные масла из растений получают тремя основными способами: экстракцией из растений органическими растворителями, перегонкой с водяным паром, экстракцией эфирных масел твердым жиром.
1.8.Гидротропные вещества
Это химические соединения, которые обладают способностью образовывать водные растворы и влиять на свойства воды и других жидкостей. Они могут включать в себя различные классы соединений, такие как соли, кислоты, основания и органические вещества.
Наиболее распространенным гидротропом в технологии СМС является п-толуолсульфонат натрия (СH3C6H4SO3Na), который получают сульфированием толуола серной кислотой или триоксидом серы с последующей нейтрализацией продукта реакции водным раствором гидроксида натрия. Чаще сульфируют, а затем нейтрализуют смесь алкилбензолов, например, в производстве сульфонолов (процесс изучен нами ранее), получая в результате смесь ПАВ и гидротропов, которая и является эффективным сырьем для производства порошкообразных СМС.
1.4 Технология получения СМС
1.1.Схема башенного технологического процесса производства СМС
Этот процесс проводится в автоматическом режиме управления. Существенный недостаток этого процесса является то, что разлагаются отдельные компоненты при высокой температуре(300-350°С) сушки. Также еще недостатком является необходимость получения процесса поверхностно-активных веществ (ПАВ)на отдельном участке путем проведения нейтрализации алкилбензолсульфокислоты раствором гидроксида натрия:
C12H25C6H4SO3H+NaOH-C12H25C6H4SO3Na+H2O
1.2.Схема небашенного технологического процесса СМС
Основа этого метода-агломерация-смешивание твердых и жидких компонентов с однновременно сухой нейтрализацией алкилбензолсульфокислот. Реакция "сухой" нейтрализации алкилбензолсульфокислоты кальцинированной содой протекает в двух направлениях(в процентном соотношении 1:1)
1) C12H25C6H4SO3H+NaCO3-C12H25C6H4SO3Na+NaHCO3
2) C12H25C6H4SO3H+NaCO3-C12H25C6H4SO3Na+H2O+CO2
Одним из преимуществ метода сухой нейтрализации является возможность получения порошкообразных СМС с содержанием ПАВ(более 20%)В современных рецептурах большую основу включают в себя двухкомпонентные смеси ПАВ, включающие алкилбензолсульфонаты натрия,оксиэтилированные высшие жирные спирты - неионогенные ПАВ. Увеличение образования неионогенных ПАВ позволяет получать СМС с высокой моющей способностью и низким пенообразованием, что является непременным условием при стирке в современных автоматических машинах.
1.3.Схема комбинированного процесса производства СМС
Сущность метода определения заключается в сравнительной оценке моющей способности испытуемого моющего средства и состава сравнения. Моющая способность определяется отношением степени снятия загрязнения раствором испытуемого моющего средства на одном или нескольких видов ткани в зависимости от функционального назначения средства к степени снятия загрязнения раствором состава сравнения на таких же тканях и условиях стирки.
1.5 Загрязнения окружающей среды СМС
Одна из актуальнейших проблем в настоящее время-загрязнение окружающей среды от отходов производства. Главные источники загрязнения являются: заводы, предприятия, химчистки, прачечные и другие. Выбрасывая и смывая отработанные отходы в канализацию, которые содержат все химические соединения, входящие в состав СМС, вызывают гибель живых организмов и затрудняют очистку воды. Они характеризуются тем, что биоусвояемые, поэтому содержат в своем составе бензольное кольцо и соединения фосфора. Синтетические моющие средства, попадая в водоемы, изменяют кислотно-щелочной баланс (pH) воды. Так как основная часть СМС-поверхностно-активные вещества (ПАВ), обладающие эмульгирующей, пептизирующей и пенообразующей способностью. Комплекс этих свойств и устанавливает их моющее действие. Для усиления моющего эффекта в СМС добавляют щелочные и нейтральные электролиты, алкилоламиды, карбоксиметилцеллюлозу и другие. Так как pH отражает кислотность воды, то и в разных условиях он отличается. К примеру, в природных пресных водах, он составляет от 3,00-6,5-7,5.В речных водах он обычно варьируется в пределах 6,5-8,5,но концентрация ионов подвержена сезонным погодным условиям, поэтому зимой pH составляет 6,8-7,4,а летом достигает до 7,4-8,2. И из этого можно сделать вывод, что водные организмы приспособлены к разным величинам pH, в зависимости от местонахождения и погодных условий. Когда значение pH снижается до 4,5-5,00 большая часть организменных тел может исчезнуть. А если величина достигает более чем 9,00,то вода становится непригодной для организмов. Особенно, это хорошо можно наблюдать у мальков рыб и икры, из-за чувствительности к изменению кислотно-щелочного баланса. Уменьшение величины pH может также влиять на переход ионов металлов в воду, которые содержатся на дне отложений. Все чаще стало заметно, что в воде присутствуют фосфаты, содержащиеся в порошках для снижения жесткости воды, которыми мы стираемся. Таким образом, поверхностно-активные вещества(ПАВ) неблагоприятно влияют на органолептические(цвет, запах, вкус) и бактериологические показатели. Это происходит не только за счет свойств этих веществ, но и в результате стабилизации соединений других химических веществ, которые способны вследствие к солюбилизации и эмульгированию. Для очистки вод используют традиционные механический и физико-химический принцип работы, что часто оказывается недостаточно результативным. И поэтому, разработка высокоэффективных методов работы является актуальной задачей по сей день. В настоящее время, наиболее эффективными способами можно считать сочетание электрохимических и сорбционных процессов. Подводя итог, можно сказать, что недопустимо сбрасывать в водоемы и в воды очистки от синтетических моющих средств без предворительной очистки.
Глава 2(Организация и методы проведения исследований)
Исследование будут проведены в течение 2-х недель на базе МАОУ "Лицей"ВЕКТОРиЯ" В исследовании проведения будут проводиться экспериментальные, аналитические, теоретические и сравнительные методы.
Экспериментальные методы:
-Определение pH
-Оценка пенообразования
-Исследование содержание хлорид-ионов
-Изучение влияние на прорастание семян
Для проведения исследования были взяты пробы следующих моющих средств:
1.Стиральный порошок образец 1.
2.Хозяйственное мыло образец 2.
3.Гель для мытья посуды образец 3.
4.Гель для стирки образец 4.
5.Порошок образец 5.
6.Порошок образец 6.
7.Порошок образец 7.
2.1 Определение pH
Приготовление растворов. К 1 грамму каждого вещества добавить 100 мл водопроводной воды и размешать до однородности.
Оборудование: Химический стакан с раствором каждого вещества, индикаторная бумага,pH метр электронный
Ход определения:
1 опыт. Взять химический стакан уже с добавленным раствором. Взять одну индикаторную полоску и окунуть в раствор на 30 секунд(и так проделать с каждым раствором).Достать и положить на подготовленное заранее чистое место и оставить на секунд 10.Сравнить со шкалой pH и дать результаты.
2 опыт.
Следующий проделанный опыт был с pH метром.
Ход определения: Взять химический состав с раствором каждого вещества. Достать ph метр, включить и опустить кончиком в раствор. На экране будут показаны данные о результатах. Прибор может давать небольшие погрешности, поэтому будут небольшие изменения с 1 опытом, но сравнительный анализ проведен.
Анализ: Высокая щелочность нарушает естественный кислотный барьер кожи, что может привести к дерматологическим проблемам и раздражениям.
2.2 Оценка пенообразования
Оборудование: Химический стакан с раствором каждого СМС, колба, крышка, линейка
Ход определения: Взять химический стакан с раствором, перелить в колбу, закрыть ее и взболтать. Сделать измерения пенообразования, записать данные.Через 5 минут снова измерить и записать данные.Провести анализ полученных данных.
Анализ: Хотя пена ассоциируется с с моющей способностью, её избыток говорит о высоком содержании агрессивных а-ПАВ, которые плохо выполаскиваются и накапливаются в организме.
2.3 Исследования содержания хлорид-ионов
Оборудование: Химический стакан с раствором каждого СМС, азотнокислое серебро
Ход определения: Взять химический стакан с раствором СМС, добавить в этот раствор несколько капель азотнокислого серебра(AgNo3).Наблюдать за процессом, если есть признаки появления белого творожистого осадка, то в этом СМС присутствуют хлорид-ионы.
Анализ: Хлориды могут усиливать коррозию металлов в стиральных машинах, а пары хлора опасны для дыхательных путей.
2.4 Изучение влияние на прорастание семян
Оборудование: Кресс-салат, растворы СМС, чашка Петри, фильтровальная бумага
Ход определения: Взять чашки Петри, на них положить фильтровальную бумагу, смоченную предварительно в растворах СМС, положить на подготовленную основу кресс-салат и в течение 3-5 дней каждый день наблюдать за скоростью роста семян и процентом прорастания, а также делать анализ полученных данных.
Анализ: Это доказывает фитотоксичность СМС. Попадая со стоками в почву и водоемы, эти вещества угнетают жизнедеятельность растений и нарушают экологическое равновесие.
Глава 3. Результаты
Таблица 1. pH по индикаторной бумаге
Таблица 2. pH по датчику
1.По данным индикаторной бумаги
из всех изученных СМС наибольшее содержание pH имеет стиральные порошки образец 1. и образец 6. - 9 уровень. Наименьшее содержание pH имеет гель для мытья посуды образец 3. и гель для стирки образец 4.
2.По данным прибора
В ходе экспериментых исследований по pH метру были выявлены следующие показатели: Наибольшее содержание показали растворы СМС таких как, стиральный порошок образец 1. - его уровень составил 10.3, а также хозяйственное мыло образец 2. - его уровень составил 9.2. Наименьшее содержание показали такие СМС, как гель для мытья посуды образец 3. и гель для стирки образец 4. - их уровень составил - 7.
Таблица 3. пенообразование изначально
Таблица 4. пенообразование после 5 минут
Данные исследования показали, что самый высокий слой имеет - гель для мытья посуды образец 3, а также с небольшим отрывом в показаниях хозяйственное мыло-образец 2. Наименьшие показатели имеет - гель для стирки образец 4.
Через 5 минут были показаны другие результаты.
Наибольший слой имеет - порошок образец 7, а также с небольшим отрывом в показаниях порошок образец 5.Наименьший же показатель- гель для стирки образец 4.
Таблица 5. хлорид ионы
3.В ходе проведенных экспериментальных исследований было выявлено, что в 2-х растворах СМС находятся хлорид-ионы. Это хозяйственное мыло и порошок образец 5.
Таблица 6. Изучение роста растворов СМС на основе кресс-салата
В ходе проведенных экспериментальных исследований было выявлено, что в 2-х чашках Петри с растворами СМС кресс-салат не вырос.Эти СМС - стиральный порошок образец 1. и порошок образец 7. Больший рост кресс-салата наблюдается в хозяйственном мыле и геле доя мытья посуды образец 3. Наименьший рост кресс-салата наблюдается в таких растворах СМС,как гель для стирки образец 4, порошок образец 5. и порошок образец 6.
Выводы
1.Анализ литературы показал, что синтетические моющие средства можно классифицировать по разным подгруппам. Были рассмотрены компоненты синтетических моющих средств,
технологию получения, загрязнения окружающей среды. Также с помощью анализа литературы была предоставлена информация об истории с возникновения синтетических моющих средств.
2.Выбранные методики помогли увидеть влияние синтетических моющих средств (СМС) на различные экспериментальные исследования и проанализировать состав.
3.Анализ экспериментальной части показал, что вне зависимости от категории исследования, значения наибольших и наименьших результатов относительно схожи.
По экспериментальной части были сделаны некоторые выводы: средний уровень pH кожи человека составляет 6.2-6.5, и поэтому, более подходящими и щадящими для кожи человека являются следующие СМС: гель для стирки образец 4. и гель для мытья посуды образец 3.
Измена показателей может указывать на то, что концентрация влияет на прочность пены, иначе говоря, крастность пены увеличивается с повышением концентрации пенообразователя, добавлением высокомолекулярных веществ, их добавляют в СМС для повышения устойчивости пены, увеличивая вязкость пены, а также поверхностное натяжение раствора
Но неизменяемость или с небольшим уменьшением уровня пенообразования, также влияют некоторые факторы, например, жесткость воды. При высоком содержании солей пена образуется активнее, а порошок хуже растворяется. Также на это может влиять неправильная дозировка средства.
Хлорид-ионы могут наблюдаться в составе синтетических моющих средств в качестве наполнителя. Этот наполнитель используют как инертную добавку, которая улучшает структуру средства. Также, ионные ПАВ при взаимодействии с водой распадаются на ионы, включая хлорид-ионы-диссоциация поверхносто-активных веществ.
Гипотеза того, что качественные характеристики данных СМС отличаются незначительно, была доказана. Это подтвердилось за счет выше перечисленных сравнительных анализов и таблиц.
Список литературы
1. https://efart.by/history
2. https://moodle.kstu.ru/mod/book/view.php?id=24532&chapterid=5558
3. https://cyberleninka.ru/article/n/sposoby-polucheniya-sms-i-sravnitelnyy-analiz-ih-svoystv/viewer
4. https://school-science.ru/12/13/47779?ysclid=miirqjpb85689346557
5. https://cyberleninka.ru/article/n/ekologicheskie-svoystva-sinteticheskih-moyuschih-sredstv/viewer
6. https://infourok.ru/proekt-po-himii-moyuschie-sredstva-1442798.html