Waschmittelchemie Ein Beitrag von: Anke Werthmöller und Stefan Herchl
Lied über das Wäschewaschen
Inhalt: 1. Geschichtliches 2. Inhaltsstoffe der Waschmittel 3. Wirkungsweise eines Waschmittels 4. Umweltprobleme
1.Geschichtliches 1. Waschmittel: kaltes Wasser, später warmes Wasser 1. überliefertes Seifenrezept (stammt aus der Zeit um 2500 v. Chr.; Waschhilfsmittel): 1 Liter ÖI und die fünfeinhalbfache Portion Pottasche: Keilschrifttafel mit Seifenrezeptur (Fund aus Tello, kleine Stadt in Mesopotamien) 1878: Bleichsoda (Soda + Natriumsilikat) 1907: Vollwaschmittel (Persil) (Seife, Soda, Natriumperborat, Natriumsilikat)
1933: Feinwaschmittel (Fewa) (1. synthetisches Tensid: Natriumalkylsulfat) Heute: Vollwaschmittel (Tenside, Enthärter, Bleichmittel, Enzyme, Weißtöner, Schaumregulatoren, Vergrauungsinhibitoren, Korrosionsinhibitoren, Parfümöle, Natriumsulfat)
2.0 Inhaltsstoffe der Waschmittel Inhaltsstoffe Beispiel 1.) Ionenaustauscher Zeolith A 2.) Bleichmittel Natriumperborat 3.) anionische Tenside Alkylbenzolsulfonate, Alkoholsulfate, Alkoholethersulfate 4.) nichtionische Tenside Alkoholethoxylate 5.) Alkali Soda (Na 2 CO 3 ) 6.) Stellmittel Natriumsulfat (Na 2 SO 4 ) 7.) Korrosionsinhibitoren Natriumsilikate 8.) Cobuilder Natriumpolycarboxylat 9.) Schaumhemmende Stoffe Seifen, Siliconöle 10.) Schmutzbindende Stoffe (Vergrauungsinhibitoren) Carboxymethylcellulose oder andere Celluloseether 11.) Bleichaktivatoren Tetraacetylethylendiamin 12.) Stabilisatoren Magnesiumsilicat, Phosphate, Cellulosen 13.) Enzyme Proteasen, Amylasen, Lipasen 14.) Optische Aufheller 15.) Duftstoffe ---- 16.) Farbstoffe ---- 17.) Wasser H 2 O Stilben-disulfonsäure-Derivate, Bis-(styryl)biphenyl-Derivate
2.1. Ionenaustauscher (Zeolith A) Zeolithe Typ A (sog. Kationenaustauscher) sind künstlich hergestellte kristalline, hydratisierte Alumosilikate mit Gerüststruktur. Wenn beim Aufbau von Silicaten vierwertige Silicium-Atome durch dreiwertige Aluminium-Atome ersetzt werden, entsteht aufgrund der unterschiedlichen Kernladungszahlen ein negativer Ladungsüberschuß im Gerüst. Im Inneren der Poren und Kanäle befinden sich dann Protonen sowie Metall-Kationen, um diesen Ladungsüberschuß auszugleichen. Ein charakteristisches Merkmal der Zeolithe ist die Austauschfähigkeit dieser gebundenen Ionen gegen andere. Die Natriumionen in den Hohlräumen des Zeolith A-Kristalls werden gegen Ca(II)- und Mg(II)-Ionen ausgetauscht.
2.2.Bleichmittel (Natriumperborat, NaBO 2 *H 2 O 2 ) Beim Bleichen werden die konjugierten p-elektronensysteme chromophorer Verbindungen oxidativ zerstört. Im alkalischen Milieu der Waschflotte reagiert das Wasserstoffperoxid zu Perhydroxyl-Ionen. Die Perhydroxyl-Ionen und der aus ihrem Zerfall entstehende atomare (nascierende) Sauerstoff sind die eigentlichen Oxidationsmittel. Durch die Oxidation der Farbstoffmoleküle werden die Farbstoffflecken aus den Textilien entfernt. Neuerdings wird Natriumperborat auch eingesetzt, um ein Verfärben der Wäsche, bedingt durch das "Ausbluten" einzelner Wäschestücke, zu verhindern.
2.3. Tenside Tensidklasse Modell Beispiel Anionische Tenside; Anteil (%) im Waschmittel: 5-15 Nichtionische Tenside; Anteil (%) im Waschmittel: 5-10 Alkylbenzolsulfonate, Alkoholethoxylate Hydrophobe (wasserfeindliche) Baugruppe Hydrophile (wasserfreundliche) Baugruppe
- hydrophoben (unpolaren, lipophilen) Rest und eine - hydrophile (polare, lipophobe) Gruppe auf. Sie besitzen also amphiphilen Charakter.
2.3.1. Aufbau und Wirkungsweise der Tenside Der hydrophobe Teil ist im allgemeinen ein linearer, verzweigter oder zyklischer Kohlenwasserstoffrest. Aufgrund ihres hydrophilen und lipophilen, d.h. amphiphilen Charakters reichern sich die Tenside in den Grenzflächen der wässrigen Phase an und richten sich aus: der polare hydrophile Teil steckt im Wasser, während das unpolare hydrophobe Ende in die Luft, bei einer Wasser/ Öl-Grenzschicht ins Öl ragt und sich bei Feststoffoberflächen zu diesen hin orientiert. 2.3.2. Eigenschaften der Tenside Tenside sind als waschaktive Substanzen in allen Waschmitteln enthalten. Durch die Erniedrigung der Grenzflächenspannung des Wassers erlauben sie ein umfassendes Benetzen der zu reinigenden Oberflächen und dadurch das Ablösen auch fettiger Verunreinigungen. Sie emulgieren und dispergieren Schmutzteilchen.
2.4. Alkali (Soda, Na 2 CO 3 ) - zum Heraufsetzen des ph Wertes von 10 11, um Um eine möglichst gute Schmutzentfernung zu erhalten. Der Schmutz und die Textilfaser werden stärker negativ aufgeladen und die elektrostatischen Abstoßungskräfte verstärkt. 2.5. Stellmittel (Natriumsulfat, Na 2 SO 4 ) - verbessert die Rieselfähigkeit u. verhindert die Bildung von Klumpen und Staub 2.6. Korrosionsinhibitoren (Natriumsilikate) - verzögert, hemmt das Rosten von Metallteilen zum Schutz der Waschmaschine
2.7. Cobuilder (Natriumpolycarboxylat) Um die Wirkung von Zeolithen zu unterstützen, werden den Waschmitteln Cobuilder zugesetzt. Von größter Bedeutung sind hierbei Polycarboxylate. Dies sind wasserlösliche Salze langkettiger Polycarbonsäuren. Technisch von Bedeutung ist u.a. das Copolymerisat aus Acrylsäure und Maleinsäure. Polycarboxylate verhindern die Fällung schwerlöslicher Erdalkalisalze, indem sie den Kristallisationsprozess durch Adsorption an Kristallisationskeimen (z.b. Calcit, Calciumcarbonat) stören. Ein Kristallwachstum während des Waschvorganges wird somit verhindert und dadurch ein Niederschlag auf Wäsche oder Heizstäben vermieden. Man spricht hierbei von der Threshold-Wirkung und bezeichnet Substanzen mit derartiger Wirkung als Thresholder.
Die Polycarboxylate wirken gleichzeitig als Komplexbildner und als Carrier. In ihrer Funktion als Carrier nehmen sie Ca- und Mg-Ionen auf und geben sie an den Ionenaustauscher Zeolith weiter. Neben den Polycarboxylaten werden Zeolith-haltigen Waschmitteln häufig Citrate(Salze der Zitronensäure) zugegeben. Durch Komplexierung von Erdalkali- Ionenverhindern sie die Bildung von Kalkseifen. 2.8. Schaumhemmende Stoffe (Klassische Schaumregulatoren sind Seifen mit 20 bis 22 C-Atomen im Rest R (z.b. Behensäure, mit 21 C-Atomen im Rest R)) um optimale Schaumgestaltung während des Waschvorgangs zu regulieren Folge: Überschäumung, wodurch waschaktive Substanzen verloren gehen
2.9. Vergrauungsinhibitoren (Carboxylmethylcellulose) Aufgrund ihrer ähnlichen Struktur ziehen sie auf die Faser auf und verhindern damit den Kontakt der Faser mit dem sich eventuell wieder absetzenden feindispergierten Schmutz. 2.10. Stabilisatoren (Magnesiumsilicat, Phosphate, Cellulosen) Zum Schutz vor dem Zerfall von Bleichmittel, die schon bei Schwermetallspuren einer unkontrollierten und zu schnellen Sauerstoffabgabe unterworfen werden. Diese Zersetzung wird durch Zugabe von Stabilisatoren zurückgedrängt.
2.11. Enzyme
2.12. Optische Aufheller Weiße Textilfasern erhalten mit der Zeit einen mehr oder weniger starken Gelbstich. Dieser rührt daher, dass von den Fasern bevorzugt blaues Licht absorbiert wird. Dadurch wird der Blauanteil des reflektierten Lichts erniedrigt und das menschlichen Auge nimmt die Komplementärfarbe der verstärkten Blauabsorption als gelben Farbton wahr. Fluoreszenzfarbstoffe (Benzol-Derivate), die nicht sichtbares UV-Licht in sichtbares, blaues Licht umwandeln. Das von der Wäschefaser reflektierte Licht hat dadurch einen verstärkten Blauanteil, die Gelbtöne der Faser werden überdeckt und die Wäsche erscheint "strahlend" weiß.
2.13. Duftstoffe Parfümöle sollen unangenehme Waschlaugengerüche überdecken 2.14. Farbübertragunsinhibitoren/ Farbstoffe Sie sorgen dafür, dass beim Waschvorgang abgelöste Farbstoffe nicht auf andere Textilien übertragen werden bzw. Farbstoffe geben dem Waschmittel seine Farbe, auch Abhängig vom Duft. 2.15. Wasser - als Hilfsstoff für flüssige Waschmittel
3.0. Wirkungsweise eines Waschmitteln
3.1.
3.3. ARTEN UND ZUSAMMENSETZUNG VON WASCHMITTELN Pulverförmige Vollwaschmittel Flüssige Vollwaschmittel Kompaktwaschmittel Colorwaschmittel Feinwaschmittel Wollwaschmittel Weichspüler Anionische Tenside Nichtionische Tenside Kationische Tenside Enthärter Bleichmittel Enzyme Optische Aufheller x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x
4.0. Umweltprobleme 4.1. Problem durch verzweigtes Tensid: Tetrapropylenbenzolsulfonat Jährlicher Verbrauch an Waschmitteln (Weichspülern, Reinigungsmitteln): 1 Million Tonnen früher hauptsächlicher Einsatz von dem Tensid: Tetrapropylenbenzolsulfonat (verzweigte Molekülstruktur) bedrohlicher Anstieg der Tensidkonzentration schwere Abbaubarkeit von MO durch verzweigte Molekülstruktur dieser Tenside und daher Schaumberge auf Flüssen und Seen 1964 Detergentiengesetz, wobei Auflage wurde, dass 80% der Tensidkonzentration biologisch abgebaut werden konnte Lösung: synthetische unverzweigte Tenside, z.b. Alkylbenzolsulfonate 4.2. Problem durch Phosphate 70er Jahren brachten die Phosphate erneut die Waschmittel in die Schlagzeilen, und der Begriff der Eutrophierung war in aller Munde 1980 Phosphathöchstmengen-VO, Auflage bis 1984 um 50% zu senken Stand heute: phosphatfreie Waschmittel
4.3. Zusammenfassung Grad der Umweltbelastung durch Waschmittel ist einerseits durch die Art der Inhaltsstoffe, andererseits durch den Stand der Abwasserreinigung festgelegt. Tenside werden in den Kläranlagen überwiegend - aber nicht zu 100 % - zurückgehalten. Sie wirken stark giftig auf Gewässerorganismen und können in bereits relativ geringen Konzentration Pflanzen und Tiere im Wasser schädigen. Die biologische Abbaubarkeit ist das für den Verbleib der Tenside in der Umwelt entscheidende Bewertungskriterium. Im Allgemeinen wird ein Stoff als biologisch abbaubar bezeichnet, wenn er durch Mikroorganismen in natürliche Stoffwechselprodukte überführt werden kann. Der biologische Abbau findet als Selbstreinigungsprozess in Oberflächengewässern statt und wird gezielt in den Kläranlagen zur Abwasserreinigung eingesetzt.
In der seit 1986 gültigen Fassung der Tensidverordnung ist festgelegt, dass nur solche anionischen und nichtionischen Tenside in Wasch- und Reinigungsmitteln eingesetzt werden dürfen, deren Abbaurate mindestens 90% ist. Die gesetzlichen Regelungen beziehen sich auf den Primärabbau. Kationische und amphotere Tenside unterliegen keiner gesetzlichen Regelung. Die wichtigsten enzymatisch katalysierten Reaktionen des Primärabbaus sind die Hydrolyse einer Ester- oder Etherfunktion (R-O-R) und die Oxidation einer endständigen Methylgruppe (-CH 3 ). Trotz aller Fortschritte gilt weiterhin der Satz: Waschen kann nie "umweltfreundlich" sein, sondern höchstens mehr oder weniger umweltverträglich.