شوینده ها و محیط زیست

ورود شوینده‌ها به فاضلاب به لحاظ بروز مسائل و عوارض متعدد چون پدیده مغذی شدن و تجزیه ناپذیری گروه سخت شوینده‌‌ها و ایجاد کف و … سبب آلودگی منابع آبی و محیط زیست می‌شود.

• عهده دار مکاتیات

در این مقاله ترکیب شیمیایی شوینده‌ها، مشکلات زیست‌محیطی ناشی از شوینده‌ها و تأثیرات فسفات در محیط زیست و راهکارهای مقابله با این مشکلات نظیر انتخاب مواد اولیه مناسب، تهیه محصولاتی با کارایی بیشتر، کاهش مواد پرکننده، تجزیه‌پذیری شوینده‌ها و تولید محصولات شوینده کنسانتره بررسی و پیشنهادهایی به منظور کاهش اثرات مخرب شوینده‌ها در محیط زیست ارائه شده است.

• مقدمه

آشنایی با صابون به عنوان اولین پاک کننده به قرن ها پیش برمی گردد، ولی رشد جمعیت و توجه انسان به بهداشت موجب شد که تولید صابون با منشأ طبیعی جوابگوی مصرف نباشد. در نتیجه از اوایل قرن نوزدهم میلادی مواد شوینده مصنوعی به نام دترجنت وارد بازار شد. استفاده از دترجنت ها پس از جنگ جهانی دوم گسترش یافت.

به ترکیباتی که علاوه بر انحلال و پخش در‌ آب قدرت پاک کنندگی آن را افزایش ‌دهند دترجنت گفته می‌شود. انواع طبیعی پاک کننده‌ها مثل صابون، گل سرشور و غیره از زمانهای قدیم مورد استفاده قرار گرفته‌اند ولی آنچه که امروز به نام دترجنت مصرف می‌شود سنتیک (تولید شده به صورت مصنوعی) می‌باشد. ورود این مواد در زندگی انسان به سرعت باعث کاهش کاربرد انواع طبیعی پاک کننده‌ها شده است.

کف کردن صابون ها در آبی که املاح کلسیم و پتاسیم داشته باشد به تأخیر افتاده و در نتیجه این املاح باعث کاهش قدرت پاک کنندگی می‌شوند؛ در حالی که این مشکل به علت فرمول خاص دترجنت ها تا حدود زیادی برطرف شده است.

اجزای شیمیایی یک پاک کننده به طور کلی به سه دسته عمومی طبقه‌بندی می‌شود:

۱) سورفاکتانت ها (مواد فعال سطحی یا مواد مؤثر)

۲)سازنده‌ها (پرکننده‌ها)

۳) مواد متفرقه

سورفاکتانت‌ها به عنوان عامل خیس کننده عمل کرده کشش سطحی آب را کم می‌کنند و در نتیجه آب بهتر وارد بافت الیاف می‌گردد. این مواد همچنین ذرات کثیف و آب را به یکدیگر اتصال می‌دهند.
سازنده‌ها نقش اصلی در پاک کننده‌ها دارند و عامل جدا کنندگی هستند. سازنده‌ها، یون‌های منیزیم و کلسیم موجود در آب سخت را به شکل یون‌های بزرگ محلول در آب درمی‌آورند. مواد سازنده خاصیت قلیایی در آب ایجاد می‌کنند و مانع از نشست مجدد لکه‌ها می‌شوند. امروزه بیشترین سازنده‌های متداول مورد استفاده، پلی‌فسفات‌ها هستند

پاک کننده‌ها دارای مواد دیگر مختلفی از قبیل براق کننده‌ها، عطرها، عوامل ضد خوردگی، آنزیم‌ها، نرم‌کننده‌ها، خوشبو کننده‌ها و مات کننده‌ها هستند.

دترجنت ها اصولاً ترکیبات آلی زنجیره‌ای کربن‌دار هستند که دارای ۲ قطب هیدروفیل و لیپوفیل می‌باشند. قطب هیدروفیل، آب دوست و قطب لیپوفیل، چربی دوست می‌باشد.

بر اساس خصوصیات قطب هیدروفیل دترجنتها به ۳ گروه تقسیم می‌شوند:

۱) دترجنت های آنیونی: این ترکیبات در اثر یونیزاسیون در محیط آبی به یونهایمنفی که در آن R یک زنجیر کربنی طولانی الکیلی و یک یون مثبت که اغلب سدیم است تفکیک می شوند. بیشترین دترجنت مصرفی در منازل و مصارف عمومی در این گروه قرار دارد.

۲) دترجنت های کاتیونی: این دترجنت ها در اثر یونیزاسیون به یون های مثبت گروه آمونیومی که دافع آب است و گروه یون‌های منفی جاذب آب تبدیل می‌شود و دارای قدرت زیاد باکتری کشی می‌باشند.
۳) دترجنت های خنثی: این پاک کننده‌ها از ترکیب چند شاخه اتیلن بر روی یک ریشه‌ای که دافع آب است حاصل می‌شود و بهترین مثال از آنها پلی‌گلیکول اتوالکیل فنل است که قدرت پاک کنندگی شدیدی دارد.

شوینده‌ها بر اساس مواد فعال سطحی به دو دسته سخت و نرم تقسیم می‌شوند که شوینده‌های نرم شامل LABS یا الکیل بنزن سولفونات خطی هستند که تجزیه پذیر می‌باشد. شوینده‌های سخت که شامل ABS یا الکیل بنزن سولفونات شاخه‌ای می‌باشند از این گروه می‌توان به مشهورترین عامل دودسیل بنزن سولفونات سدیم اشاره کرد که به دلیل داشتن شاخهٔ فرعی در محیط زیست تجزیه نمی‌شود و سبب آلودگی محیط زیست می‌گردد.

در کشورهای پیشرفته با ارتقاء بهداشت و پاکیزه‌تر شدن محیط زندگی، بدون تردید مصرف پاک کننده‌ها افزایش یافته و لزوماً با رعایت جنبه‌های اقتصادی همراه شده است. برای ترسیم آینده‌ای که حتی‌الامکان کمتر دچار خطا و اشتباه باشد نگرشی بر روند تولید محصولات، تغییرات فرمولاسیون و مصرف مواد اولیه مختلف در سطح جهان ضروری است. به طور کلی در کشورهای پیشرفته وضعیت شوینده‌ها متأثر از تغییراتی در فرمولاسیون محصولات بوده است، مثل تمایل به تولید محصولات عاری از فسفات و یا تمایل به ساخت پودرهای سنگین و غیره
● اثرات زیست‌محیطی شوینده‌ها و راهکارهای مقابله با آن ها

سال های زیادی است که صنایع صابون و دترجنت به دلیل ایجاد آلودگی‌هایی در آب مانند آلودگی کف و مغذی شدن توجه مسئولان محیط ‌زیست را به خود جلب نموده است. دترجنت ها پس از مصرف به همراه پساب به دریاچه‌ها یا رودخانه‌ها ریخته می‌شوند و روی محیط‌زیست تأثیر مخرب می‌گذارند. آلودگی محیط زیست ناشی از مصرف دترجنت ها بیشتر از نظر دو عامل قابل بررسی است:

۱) اثر مواد مؤثر موجود در دترجنت.

۲) اثر مواد پر کننده موجود در دترجنت.

آثار سوء حیاتی شوینده‌ها بر محیط زیست عبارتند از:

۱) تجمع کف بر روی آبهای سطحی و جلوگیری از عمل اکسیژن‌گیری آب

۲) تولید بو و طعم نامطبوع در آب

۳) اثرات سمی بر موجودات زنده مانند انسان، موجودات آبی و گیاهان

۴) تخریب و انهدام اکوسیستم

۵) حذف و کاهش مواد معلق آب در حضور شوینده‌ها به صورت دلخواه مقدور نیست.

۶) به خودگیری میکروبها بیماری‌زا و مساعد نمودن شرایط محیطی در جهت شیوع بیماری ها

۷) اشکال در امر انعقاد و ته‌نشینی و صاف کردن آب

۸) وقوع پدیده EUTROFICATION به لحاظ مصرف فسفات ها

۹) تجزیه‌ناپذیری گروه سخت دترجنت ها

۱۰)ایجاد واکنش فیزیولوژیکی در مصرف کننده آب آلوده

به بررسی برخی از مهمترین آثار سوء شوینده‌ها و راهکارهای مقابله با آن ها پرداخته می‌شود.
همچنان که پاک کننده بیشتری به وسیله پساب به آب های طبیعی اضافه می‌شود، کف بیشتری ایجاد می‌کند که تأثیر به‌سزایی در محیط زیست دارد. عامل ایجاد کف، سورفاکتانت پاک کننده‌ها می باشد.

وجود کف در حوض های هوادهی در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب میزان انتقال اکسیژن به فاضلاب را به شدت تقلیل می‌دهد به طوری که گاهی تقلیل راندمان تصفیه در اثر کف دترجنتها به ۸۰ درصد می‌رسد. در حوض های ته‌نشینی اولیه وجود ماده مؤثر دترجنت مانع ته‌نشینی کامل مواد معلق می‌شود و چربی موجود در فاضلاب در اثر کف زیاد به سایر قسمت های تصفیه خانه نیز راه می‌یابد. ماهیان و آبزیان نیز از آثار سوء شوینده‌ها بی‌بهره نیستند زیرا شوینده‌ها باعث کاهش میزان اکسیژن گیری آب می‌شوند. شوینده‌ها قادرند حالت و کیفیت پروتئین را تغییر دهند و متابولسیم باکتری‌ها را مختل سازند و موجب کندی اعمال حیاتی آن ها گردند، این امر ناشی از اثر شوینده‌ها در کاهش کشش سطحی آب می‌باشد

غشاء میکروارگانسیم‌ها در اثر شوینده‌ها پاره شده و موجب از بین رفتن آنزیم‌ها می شود. این موارد در مورد مصرف دترجنت هایی است که ماده مؤثر آن تجزیه شونده نیست. اما مواد مؤثر تجزیه شونده در روشهای تصفیه و دیگر موارد یاد شده اشکالات مهمی به وجود نمی‌آورد.
به عنوان طرحی در جهت جلوگیری از پدیده کف کردن، الکیل بنزن سولفونات‌های خطی LAS در جهان مورد استفاده قرار گرفتند که جایگزین گروه آلکیلی شاخه‌دار ABS به منظور سهولت تجزیه شدند. عموماً LAS در مقایسه باABS سریعتر و شدید‌تر تجزیه می شود. البته سرعت تجزیه LAS با موقعیت گروه فنیلی تحت تأثیر قرار می‌گیرد.

از طرفی تولید کنندگان تمام تلاش خود را صرف توسعه مواد خام دترجنت با قابلیت تجزیه بیشتر کردند. یکی از این مواد آلفااولفین سولفونات‌ بدون گروه فنیل(AOS) هستند. AOS به دلیل کارآیی خوب شستشو، مانند پاک‌کنندگی، قدرت کف کنندگی و خواص آبکشی آن، یکی از بهترین سورفاکتانت‌ها می‌باشد. پاک‌کنندگی AOS نسبت به LAS، در آب های سخت، کمتر کاهش پیدا می‌کند. طبق آزمایش‌های انجام شده بر روی حیوانات، ایمنی AOS اثبات شده است و هیچ مورد غیرعادی در آزمایش مسمومیت مزمن و حاد مشاهده نشده است.

با توجه به بحران نفت در سال ۱۹۷۳ میلادی تمایلات شدیدی برای معرفی سورفاکتانت هایی که از مواد خام طبیعی حاصل شوند پدیدار شد. یکی از این موادآلفاسولفوفتی ‌اسیدمتیل‌استر(a-SFme) بود. بعدها این ماده نظر سازندگان دترجنت را به دلیل درجه تجزیه‌پذیری زیاد و قابلیت پایداری در مقابل کلسیم، به عنوان سورفاکتانت آنیونی در دترجنت‌های بدون فسفات جلب کرد.

a-SFMe را می‌توان از روغن موجود در خرما یا نارگیل به دست آورد. a-SFMe ساخته شده از روغن نخل، مواد فعال در سطح آنیونی دارای طول زنجیر الکیل C۱۸, C۱۶, C۱۴ هستند. از دیدگاه قدرت پاک کنندگی، a-SFMe با توجه به طول زنجیر کربنی به طریق زیرطبقه‌بندی می‌شود:

C۱۶a- SFMe>C۱۸a-SFMe>C۱۴a-SFMe

نتیجه قابل ذکر این است که C۱۶a- SFMe و C۱۸a-SFMe به طور نسبی قدرت پاک کنندگی بالاتر از مواد فعال سطحی موجود مثل LAS و یا AS را نشان می‌دهد. قدرت پاک‌کنندگی تقریبی a-SFMe به صورت زیر می‌باشد:

C۱۶a- SFMe, C۱۸a-SFMe>LAS(C۱۲)>AS(C۱۲), C۱۴a-SFMe

با وجود این، a-SFMe هنوز موقعیت سورفاکتانتهای صنعتی LAS و AS را به دست نیاورده است. دلیل اصلی این امر عدم شناخت کافی تکنولوژی سولفوناسیون a-SFMe با کیفیت بالاست
نگرانی کنونی محیط زیست بیشتر در مورد سازنده‌هاست. این مواد مشکل تجزیه زیست محیطی را ندارند بلکه فرآورده‌های هیدرولیز سازنده‌ها (ارتوفسفات‌ها) مسلماً دارای فسفر می باشد که باعث اشکال در فرآیند تغذیه طبیعی می‌شود. آبی که در آن مواد مغذی مانند نیترات و فسفات در اثر تخلیه فاضلاب زیاد باشد محیط خوبی برای رشد بیش از اندازه آلگ ها خواهد بود.

این آلگ ها در اثر پدیده فتوسنتز با مصرف مواد غذایی موجود در آب باعث زیاد شدن اکسیژن در محیط می شوند. چون عمر این آلگ ها کوتاه است و از بین رفتن بیولوژیکی آن ها مستلزم صرف مقدار زیادی اکسیژن می باشد، لذا بیلان اکسیژن محیط به هم می‌خورد و با کاهش این ماده حیاتی، فعل و انفعالات بی‌هوازی پیشرفت می‌کند. در نتیجه به مرور لجن کف جریان ها افزایش یافته و از عمق مفید کانال ها کاسته شده و انواع گیاهان در این منطقه رشد می‌کنند و تمام منطقه به مرداب تبدیل می‌شود. این پدیده EUTROPHICATION نامیده می شود. از سال های ۱۹۶۸ و ۱۹۶۹ میلادی سر و صدای آلودگی آب در اثر این پدیده در آمریکا به پا خواست و دترجنت های حاوی فسفات به این جرم محکوم شدند. بنابراین یکی از مهمترین علت‌های مغذی شدن آب، فسفر ناشی از مصرف دترجنت های سنتزی خانگی است. برای حل این مسئله و رفع این آلودگی سعی شد که به طور تدریجی فسفات‌های موجود در دترجنت ها را کاهش دهند و مادهٔ دیگری راجایگزین کنند. در یک مطالعه و تحقیق مشترک که توسط تهیه‌کنندگان زئولیت صورت گرفت، ویژگی های زئولیت مناسب برای‌جایگزین‌شدن و توسعه و ترویج مصرف زئولیت در دترجنت ها مطرح شد.

زئولیت ها، ترکیبات طبیعی یا مصنوعی‌آلومینیم سیلیکات ها می باشند. ساختمان مولکولی زئولیت یک چهار وجهی با چهار اتم اکسیژن در حول یک اتم سیلیس(SiO۴) می‌باشد و رئوس این چهاروجهی‌ها با اشتراک گذاشتن اتم اکسیژن بهم متصل می‌شوند تا واحدهای ساختمانی کوچک ثانویه را شکل دهند که خود با اتصال به همدیگر دامنه وسیعی از چند وجهی‌ها را تشکیل می دهند. پس از شناسایی خواص فیزیکوشیمیایی منحصر به فرد زئولیت توجه بسیاری از محققین علوم مختلف به این رشته جلب گردید و طی ۳۰ سال گذشته توسعه فوق‌العاده‌ای در زمینه علوم مختلف پدید آمد. ساختمان و ترکیب شیمیایی زئولیت های طبیعی و فرم های اصلاح شده گونه‌های مختلف، آن ها را منابع بالقوه مهمی در زمینه‌های کاربردی و تحقیقاتی مختلفی از جمله تبادل یون، جذب و واجذب گازها و نیز استفاده به عنوان کاتالیست نموده است. انتخاب زئولیت به عنوان جایگزین فسفات ها به دو خاصیت اساسی متکی می باشد؛ اول ظرفیت تعویض یونی بالا حتی در آب سرد و دوم سرعت جایگزینی بالا که بتواند یون هایی مانند کلسیم را به سرعت اسیر کند. در میان زئولیت های سنتز شده انواع A و P وX مشخص شده است که زئولیت A به فرم سدیم (NaA) نسبت به کاتیون کلسیم گزینش پذیری بسیار خوبی دارد ولی نسبت به منیزیم چندان مؤثر نیست در حالی که زئولیت X تبادل با یون منیزیم را به سرعت و به خوبی انجام می دهد. بنابراین استفاده از مخلوط این دو زئولیت بسیار مؤثر خواهد بود.

• استفاده از دترجنت های کنسانتره، راهکاری نوین

در اثر فشارهای محیط زیستی در سراسر دنیا از سال ۱۹۸۷ میلادی انواع جدیدی از دترجنت های کنسانتره به بازار جهان وارد شد. دترجنت های کنسانتره هم در حجم و هم در وزن متراکم شده اند و وزنی ۵/۲ به ۴ و حجمی معادل ۱ به ۴ در مقایسه با انواع موجود دارند. استفاده از پودرهای کنسانتره دو مزیت دارد؛ یکی صرفه جویی در انرژی و منابع است و دیگری صرفه جویی در فضای انبارخانه‌ها، حمل و نقل و فضای لازم در خرده‌فروشی‌ها می‌باشد. همراه با ورود دترجنت های پودری کنسانتره به بازار، مواد افزودنی جدید نظیر سلولز قلیایی و لیپازها قلیایی، فعال کننده برای پراکسید نیز در این زمینه معرفی شدند.