شوينده‌ها و محيط زيست

چكيده
رشد فزايندة جمعيت جهان، مشكلات عمده‌اي را در ارتباط با پاكيزه نگاه داشتن زمين ايجاد كرده است. نگراني دربارة تأمين بهداشت و رفع آلودگي‌هاي ناشي از صنعت كه سرنوشت و حيات زمين را به مخاطره خواهند افكند برنامه‌ريزيهاي جدي را براي تغيير و بهبود شرايط زندگي طلب مي‌كند.
در سالهاي اخير با پيدايش بيماريهايي مانند ايدز و انواع هپاتيت‌ها و همچنين بازگشت بيماريهاي عفوني فراموش شده‌اي مانند سل و تداخل آن با ويروس ايدز، اهميت مصرف محصولات بهداشتي بيش از بيش مشخص شده است. به طوري كه تحولات عمده‌‌اي در نحوه توليد و مصرف فرآورده‌هاي شوينده بهداشتي پديد آمده است.
گسترش بيش از حد صنايع صابون و شوينده‌ها در جهان عليرغم دارا بودن جنبه‌هاي مثبت فراوان آلودگي‌هاي نويني را به محيط زيست وارد كرد و توجه مسئولان محيط زيست كشورها را به خود جلب نمود.

ورود شوينده‌ها به فاضلاب به لحاظ بروز مسائل و عوارض متعدد چون پديده مغذي شدن و تجزيه ناپذيري گروه سخت شوينده‌‌ها و ايجاد كف و … سبب آلودگي منابع آبي و محيط زيست مي‌شود.

* عهده دار مکاتیات
در اين مقاله تركيب شيميايي شوينده‌ها، مشكلات زيست‌محيطي ناشي از شوينده‌ها و تأثيرات فسفات در محيط زيست و راهكارهاي مقابله با اين مشكلات نظير انتخاب مواد اوليه مناسب، تهيه محصولاتي با كارايي بيشتر، كاهش مواد پركننده، تجزيه‌پذيري شوينده‌ها و توليد محصولات شوينده كنسانتره بررسي و پيشنهادهايي به منظور كاهش اثرات مخرب شوينده‌ها در محيط زيست ارائه شده است.

مقدمه
آشنايي با صابون به عنوان اولين پاك كننده به قرنها پيش برمي گردد، ولي رشد جمعيت و توجه انسان به بهداشت موجب شد كه توليد صابون با منشأ طبيعي جوابگوي مصرف نباشد. در نتيجه از اوايل قرن نوزدهم ميلادي مواد شوينده مصنوعي به نام دترجنت وارد بازار شد ]۱[. استفاده از دترجنتها پس از جنگ جهاني دوم گسترش يافت.
به تركيباتي كه علاوه بر انحلال و پخش در‌ آب قدرت پاك كنندگي آن را افزايش ‌دهند دترجنت گفته مي‌شود. انواع طبيعي پاك كننده‌ها مثل صابون، گل سرشور و غيره از زمانهاي قديم مورد استفاده قرار گرفته‌اند ولي آنچه كه امروز به نام دترجنت مصرف مي‌شود سنتيك (توليد شده به صورت مصنوعي) مي‌باشد. ورود اين مواد در زندگي انسان به سرعت باعث كاهش كاربرد انواع طبيعي پاك كننده‌ها شده است ]۲[.

كف كردن صابونها در آبي كه املاح كلسيم و پتاسيم داشته باشد به تأخير مي‌افتد در نتيجه اين املاح باعث كاهش قدرت پاك كنندگي مي‌شوند. در حالي كه اين مشكل به علت فرمول خاص دترجنتها تا حدود زيادي برطرف شده است ]۳[.

اجزاي شيميايي يك پاك كننده به طور كلي به سه دسته عمومي طبقه‌بندي مي‌شود:
۱- سورفاكتانتها (مواد فعال سطحي يا مواد مؤثر)
۲- سازنده‌ها (پركننده‌ها)
۳- مواد متفرقه

سورفاكتانت‌ها به عنوان عامل خيس كننده عمل كرده كشش سطحي آب را كم مي‌كنند در نتيجه آب بهتر وارد بافت الياف مي‌گردد. اين مواد همچنين ذرات كثيف و آب را به يكديگر اتصال مي‌دهند.
سازنده‌ها نقش اصلي در پاك كننده‌ها دارند و عامل جدا كنندگي هستند. سازنده‌ها، يون‌هاي منيزيم و كلسيم موجود در آب سخت را به شكل يون‌هاي بزرگ محلول در آب درمي‌آورند ]۴[. مواد سازنده خاصيت قليايي در آب ايجاد مي‌كنند و مانع از نشست مجدد لكه‌ها مي‌شوند. امروزه بيشترين سازنده‌هاي متداول مورد استفاده، پلي‌فسفات‌ها هستند ]۴ و ۷[.
پاك كننده‌ها داراي مواد ديگر مختلفي از قبيل براق كننده‌ها، عطرها، عوامل ضد خوردگي، آنزيم‌ها، نرم‌كننده‌ها، خوشبو كننده‌ها و مات كننده‌ها هستند ]۷[.
دترجنتها اصولاً تركيبات آلي زنجيره‌اي كربن‌دار هستند كه داراي ۲ قطب هيدروفيل و ليپوفيل مي‌باشند. قطب هيدروفيل، آب دوست و قطب ليپوفيل، چربي دوست مي‌باشد.
بر اساس خصوصيات قطب هيدروفيل دترجنتها به ۳ گروه تقسيم مي‌شوند ]۳[:

۱- دترجنتهاي آنيوني: اين تركيبات در اثر يونيزاسيون در محيط آبي به يونهاي منفي كه در آن R يك زنجير كربني طولاني الكيلي و يك يون مثبت كه اغلب سديم است تفكيك مي شوند. بيشترين دترجنت مصرفي در منازل و مصارف عمومي در اين گروه قرار دارد ]۳[.
۲- دترجنتهاي كاتيوني: اين دترجنتها در اثر يونيزاسيون به يونهاي مثبت گروه آمونيومي كه دافع آب است و گروه يون‌هاي منفي جاذب آب تبديل مي‌شود و داراي قدرت زياد باكتري كشي
مي‌باشند ]۳[.
۳- دترجنتهاي خنثي: اين پاك كننده‌ها از تركيب چند شاخه اتيلن بر روي يك ريشه‌اي كه دافع آب است حاصل مي‌شود و بهترين مثال از آنها پلي‌گليكول اتوالكيل فنل است كه قدرت پاك كنندگي شديدي دارد ]۴[.

شوينده‌ها بر اساس مواد فعال سطحي به دو دسته سخت و نرم تقسيم مي‌شوند كه شوينده‌هاي نرم شامل LABS يا الكيل بنزن سولفونات خطي هستند كه تجزيه پذير مي‌باشد. شوينده‌هاي سخت كه شامل ABS يا الكيل بنزن سولفونات شاخه‌اي مي‌باشند از اين گروه مي‌توان به مشهورترين عامل دودسيل بنزن سولفونات سديم اشاره كردكه‌به دليل داشتن شاخة فرعي در محيط زيست تجزيه نمي‌شود و سبب آلودگي محيط زيست مي‌گردد ]۴ و ۹[.

در كشورهاي پيشرفته با ارتقاء بهداشت و پاكيزه‌تر شدن محيط زندگي، بدون ترديد مصرف پاك كننده‌ها افزايش يافته و لزوماً با رعايت جنبه‌هاي اقتصادي همراه شده است ]۵[. براي ترسيم آينده‌اي كه حتي‌الامكان كمتر دچار خطا و اشتباه باشد نگرشي بر روند توليد محصولات، تغييرات فرمولاسيون و مصرف مواد اوليه مختلف در سطح جهان ضروري است ]۸[. به طور كلي در كشورهاي پيشرفته وضعيت شوينده‌ها متأثر از تغييراتي در فرمولاسيون محصولات بوده است مثل تمايل به توليد محصولات عاري از فسفات و يا تمايل به ساخت پودرهاي سنگين و غيره ]۵[.

اثرات زيست‌محيطي شوينده‌ها و راهكارهاي مقابله با آنها
سالهاي زيادي است كه صنايع صابون و دترجنت به دليل ايجاد آلودگي‌هايي در آب مانند آلودگي كف و مغذي شدن توجه مسئولان محيط ‌زيست را به خود جلب نموده است. دترجنتها پس از مصرف به همراه پساب به درياچه‌ها يا رودخانه‌ها ريخته مي‌شوند و بر روي محيط‌زيست تأثير مخرب مي‌گذارند. آلودگي محيط زيست ناشي از مصرف دترجنتها بيشتر از نظر دو عامل قابل بررسي است.

۱- اثر مواد مؤثر موجود در دترجنت.
۲- اثر مواد پر كننده موجود در دترجنت.
آثار سوء حياتي شوينده‌ها بر محيط زيست عبارتند از:
۱- تجمع كف بر روي آبهاي سطحي و جلوگيري از عمل اكسيژن‌گيري آب
۲- توليد بو و طعم نامطبوع در آب
۳- اثرات سمي بر موجودات زنده مانند انسان، موجودات آبي و گياهان

۴- تخريب و انهدام اكوسيستم
۵- حذف و كاهش مواد معلق آب در حضور شوينده‌ها به صورت دلخواه مقدور نيست.
۶- به خودگيري ميكروبها بيماري‌زا و مساعد نمودن شرايط محيطي در جهت شيوع بيماريها
۷- اشكال در امر انعقاد و ته‌نشيني و صاف كردن آب
۸- وقوع پديده EUTROFICATION به لحاظ مصرف فسفاتها
۹- تجزيه‌ناپذيري گروه سخت دترجنتها
۱۰- ايجاد واكنش فيزيولوژيكي در مصرف كننده آب آلوده ]۹ و ۴ [.

به بررسي برخي از مهمترين آثار سوء شوينده‌ها و راهكارهاي مقابله با آنها پرداخته مي‌شود.
همچنان كه پاك كننده بيشتري به وسيله پساب به آبهاي طبيعي اضافه مي‌شود، كف بيشتري ايجاد مي‌كند كه تأثير به‌سزايي در محيط زيست دارد. عامل ايجاد كف، سورفاكتانت پاك كننده‌ها مي باشد.

وجود كف در حوضهاي هوادهي در تصفيه‌خانه‌هاي فاضلاب ميزان انتقال اكسيژن به فاضلاب را به شدت تقليل مي‌دهد به طوري كه گاهي تقليل راندمان تصفيه در اثر كف دترجنتها به ۸۰ درصد مي‌رسد. در حوضهاي ته‌نشيني اوليه وجود ماده مؤثر دترجنت مانع ته‌نشيني كامل مواد معلق مي‌شود و چربي موجود در فاضلاب در اثر كف زياد به ساير قسمتهاي تصفيه خانه نيز راه مي‌يابد ]۹[.

ماهيان و آبزيان نيز از آثار سوء شوينده‌ها بي‌بهره نيستند زيرا شوينده‌ها باعث كاهش ميزان اكسيژن گيري آب مي‌شوند. شوينده‌ها قادرند حالت و كيفيت پروتئين را تغيير دهند و متابولسيم باكتري‌ها را مختل سازند و موجب كندي اعمال حياتي آنها گردند، اين امر ناشي از اثر شوينده‌ها در كاهش كشش سطحي آب مي‌باشد ]۴[.
غشاء ميكروارگانسيم‌ها در اثر شوينده‌ها پاره شده و موجب از بين رفتن آنزيم‌ها مي شود. اين موارد در مورد مصرف دترجنتهايي است كه ماده مؤثر آن تجزيه شونده نيست. اما مواد مؤثر تجزيه شونده در روشهاي تصفيه و ديگر موارد ياد شده اشكالات مهمي به وجود نمي‌آورد ]۴ و ۳[.

به عنوان طرحي در جهت جلوگيري از پديده كف كردن، الكيل بنزن سولفونات‌هاي خطي LAS در جهان مورد استفاده قرار گرفتند كه جايگزين گروه آلكيلي شاخه‌دار ABS به منظور سهولت تجزيه شدند ]۴ و ۱[. عموماً LAS در مقايسه با ABS سريعتر و شديد‌تر تجزيه مي شود. البته سرعت تجزيه LAS با موقعيت گروه فنيلي تحت تأثير قرار مي‌گيرد.
از طرفي توليد كنندگان تمام تلاش خود را صرف توسعه مواد خام دترجنت با قابليت تجزيه بيشتر كردند. يكي از اين مواد آلفااولفين سولفونات‌ بدون گروه فنيل (AOS) هستند. AOS به دليل كارآيي خوب شستشو، مانند پاك‌كنندگي، قدرت كف كنندگي و خواص آبكشي آن، يكي از بهترين سورفاكتانت‌ها مي‌باشد. پاك‌كنندگي AOS نسبت به LAS، در آبهاي سخت، كمتر كاهش پيدا مي‌كند. طبق آزمايش‌هاي انجام شده بر روي حيوانات، ايمني AOS اثبات شده است و هيچ مورد غيرعادي در آزمايش مسموميت مزمن و حاد مشاهده نشده است.
با توجه به بحران نفت در سال ۱۹۷۳ ميلادي تمايلات شديدي براي معرفي سورفاكتانتهايي كه از مواد خام طبيعي حاصل شوند پديدار شد. يكي از اين مواد آلفاسولفوفتي ‌اسيدمتيل‌استر

(-SFme) بود بعدها اين ماده نظر سازندگان دترجنت را به دليل درجه تجزيه‌پذيري زياد و قابليت پايداري در مقابل كلسيم، به عنوان سورفاكتانت آنيوني در دترجنت‌هاي بدون فسفات جلب كرد.
-SFMe را مي‌توان از روغن موجود در خرما يا نارگيل به دست آورد. -SFMe ساخته شده از روغن نخل، مواد فعال در سطح آنيوني داراي طول زنجير الكيل C18, C16, C14 هستند. از ديدگاه قدرت پاك كنندگي، -SFMe با توجه به طول زنجير كربني به طريق زيرطبقه‌بندي مي‌شود:
C16- SFMe>C18-SFMe>C14-SFMe
نتيجه قابل ذكر اين است كه C16- SFMe و C18-SFMe به طور نسبي قدرت پاك كنندگي بالاتر از مواد فعال سطحي موجود مثل LAS و يا AS را نشان مي‌دهد. قدرت پاك‌كنندگي تقريبي -SFMe به صورت زير مي‌باشد:

C16- SFMe, C18-SFMe>LAS(C12)>AS(C12), C14-SFMe
با وجود اين، -SFMe هنوز موقعيت سورفاكتانتهاي صنعتي LAS و AS را به دست نياورده است. دليل اصلي اين امر عدم شناخت كافي تكنولوژي سولفوناسيون -SFMe با كيفيت بالاست ]۱[.
نگراني كنوني محيط زيست بيشتر در مورد سازنده‌هاست. اين مواد مشكل تجزيه زيست محيطي را ندارند بلكه فرآورده‌هاي هيدروليز سازنده‌ها (ارتوفسفات‌ها) مسلماً داراي فسفر مي باشد كه باعث اشكال در فرآيند تغذيه طبيعي مي‌شود ]۴[. آبي كه در آن مواد مغذي مانند نيترات و فسفات در اثر تخليه فاضلاب زياد باشد محيط خوبي براي رشد بيش از اندازه آلگها خواهد بود. اين آلگها در اثر پديده فتوسنتز با مصرف مواد غذايي موجود در آب باعث زياد شدن اكسيژن در محيط مي شوند. چون عمر اين آلگها كوتاه است و از بين رفتن بيولوژيكي آنها مستلزم صرف مقدار زيادي اكسيژن مي باشد، لذا بيلان اكسيژن محيط به هم مي‌خورد و با كاهش اين ماده حياتي، فعل و انفعالات بي‌هوازي پيشرفت مي‌كند در نتيجه به مرور لجن كف جريانها افزايش يافته و از عمق مفيد كانالها كاسته شده و انواع گياهان در اين منطقه رشد مي‌كنند و تمام منطقه به مرداب تبديل مي‌شود اين پديده EUTROPHICATION ناميده مي شود. از سالهاي ۱۹۶۸ و ۱۹۶۹ ميلادي سر و صداي آلودگي آب در اثر اين پديده در آمريكا بپا خواست و دترجنتهاي حاوي فسفات به اين جرم محكوم شدند ]۳[.

بنابراين يكي از مهمترين علت‌هاي مغذي شدن آب، فسفر ناشي از مصرف دترجنتهاي سنتزي خانگي است. براي حل اين مسئله و رفع اين آلودگي سعي شد كه به طور تدريجي فسفات‌هاي موجود در دترجنتها را كاهش دهند و مادة ديگري را جايگزين كنند. در يك مطالعه و تحقيق مشترك كه توسط تهيه‌كنندگان زئوليت صورت گرفت، ويژگيهاي زئوليت مناسب براي‌جايگزين‌شدن و توسعه و ترويج مصرف زئوليت در دترجنتها مطرح شد ]۱[.

زئوليتها، تركيبات طبيعي يا مصنوعي‌آلومينيم سيليكاتها مي باشند. ساختمان مولكولي زئوليت يك چهار وجهي با چهار اتم اكسيژن در حول يك اتم سيليس (SiO4) مي‌باشد و رئوس اين چهاروجهي‌ها با اشتراك گذاشتن اتم اكسيژن بهم متصل مي‌شوند تا واحدهاي ساختماني كوچك ثانويه را شكل دهند كه خود با اتصال به همديگر دامنه وسيعي از چند وجهي‌ها را تشكيل مي دهند. پس از شناسايي خواص فيزيكوشيميايي منحصر به فرد زئوليت توجه بسياري از محققين علوم مختلف به اين رشته جلب گرديد و طي ۳۰ سال گذشته توسعه فوق‌العاده‌اي در زمينه علوم مختلف پديد آمد. ساختمان و تركيب شيميايي زئوليتهاي طبيعي و فرمهاي اصلاح شده گونه‌هاي مختلف، آنها را منابع بالقوه مهمي در زمينه‌هاي كاربردي و تحقيقاتي مختلفي از جمله تبادل يون، جذب و واجذب گازها و نيز استفاده به عنوان كاتاليست نموده است ]۶[.

انتخاب زئوليت به عنوان جايگزين فسفاتها به دو خاصيت اساسي متكي مي باشد اول ظرفيت تعويض يوني بالا حتي در آب سرد و دوم سرعت جايگزيني بالا كه بتواند يونهايي مانند كلسيم را
به سرعت اسير كند. در ميان زئوليتهاي سنتز شده انواع A و P و X مشخص شده است كه زئوليت A به فرم سديم (NaA) نسبت به كاتيون كلسيم گزينش پذيري بسيار خوبي دارد ولي نسبت به منيزيم چندان مؤثر نيست در حاليكه زئوليت X تبادل با يون منيزيم را به سرعت و به خوبي انجام مي دهد. بنابراين استفاده از مخلوط اين دو زئوليت بسيار مؤثر خواهد بود ]۱۰[.

استفاده از دترجنتهاي كنسانتره، راهكاري نوين
در اثر فشارهاي محيط زيستي در سراسر دنيا از سال ۱۹۸۷ ميلادي انواع جديدي از دترجنتهاي كنسانتره به بازار جهان وارد شد. دترجنتهاي كنسانتره هم در حجم و هم در وزن متراكم شده اند و وزني ۵/۲ به ۴ و حجمي معادل ۱ به ۴ در مقايسه با انواع موجود دارند. استفاده از پودرهاي كنسانتره دو مزيت دارد يكي صرفه جويي در انرژي و منابع است و ديگري صرفه جويي در فضاي انبارخانه‌ها، حمل و نقل و فضاي لازم در خرده‌فروشي‌ها مي‌باشد ]۱[. همراه با ورود دترجنتهاي پودري كنسانتره به بازار، مواد افزودني جديد نظير سلولز قليايي و ليپازها قليايي، فعال كننده براي پراكسيد نيز در اين زمينه معرفي شدند ]۱[.