Разработка эффективного моющего средства для посудомоечной машины на основе природного компонента

Работа Шиха Мажеда в секции «Экология» на краевой конференции «Эврика» заняла призовое первое место

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………3

  1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Анализ составов существующих моющих таблеток…………………………….…….4

1.2. Основные функции компонентов………………………………………………………4

1.3. Постановка гипотезы……………………………………………………………………5

2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Выбор состава моющего средства………………………………………………………7

2.2. Конструирование и изготовление устройства для формирования таблетки……….8

2.3. Анализ смывов посуды на наличие ионов натрия…………………………………….9

2.4. Расчет себестоимости разработанного средства……………………………………..10

3.ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………….…….11

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………….12

ПРИЛОЖЕНИЕ………………………………………….……………………………….….13

 

ВВЕДЕНИЕ

В связи с усугубляющейся экологической обстановкой вызывает опасение качественный состав моющих средств, предлагаемых ведущими фирмами — производителями порошков, гелей и таблеток для посудомоечных машин. Вода из посудомоечной машины, поступая в канализацию, содержит избыточное количество фосфатов, которые вызывают бурный рост сине-зеленых водорослей [1], что нежелательным образом сказывается на состоянии водоемов, а также многие химические реагенты попадают в организм человека из-за недостаточно хорошего ополаскивания посуды. Объем потребляемой воды может отличаться в зависимости от года выпуска и марки посудомоечной машины. Общее правило таково: чем дороже посудомойка, тем меньше она потребляет электроэнергии и воды. Однако, какой бы простой или старенькой не была посудомоечная машина, расход воды за цикл крайне редко превышает 20 литров. А большинство новейших моделей вообще «укладываются» в 10 литров. Фосфаты добавляют в моющие средства для смягчения воды. Именно в мягкой воде свойства других компонентов средства проявляются в полной мере. Но фосфаты являются далеко не самыми опасными компонентами. Так как основной задачей мытья посуды является уничтожение микроорганизмов, бактерий и удаление остатков пищи и жиров, в состав моющих средств вводится много компонентов, позволяющих получать стаканы прозрачными и блестящими, а сковороды и кастрюли нежирными. Одни из используемых компонентов неблагоприятным образов влияют на здоровье человека [2], а другие отравляют водоемы и почву окружающей среды [3]. Современные моющие средства при низкой себестоимости имеют очень высокую цену. На рынке нет надежных и экологически безопасных моющих средств с оптимальной ценой.

В представленной работе поставлена цель — разработать состав экологически безвредной моющей смеси для посудомоечных машин с низкой себестоимостью, в отличие от ведущих производителей рынка. Для достижения этой цели необходимо решить ряд задач:

— изучить составов существующих таблеток для посудомоечных машин ведущих марок

— изучить токсичности компонентов современных моющих средств

— составить композицию, после мытья которой посуда отвечала бы требованиям СанПин [4]

— проанализировать смывы с чистой посуды.

 

  1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

  • Анализ составов существующих моющих таблеток

Прежде, чем разработать экологически безвредный (нетоксичный) состав моющего средства, необходимо выяснить, какие моющие средства существуют на современном рынке, в чем их положительные и отрицательные стороны, какие фирмы и торговые марки создают средства для мытья посуды, чем некоторые ингредиенты опасны.

 В продаже есть самые разные моющие средства для посудомоечных машин. Некоторые средства стоят достаточно дорого, а высокая стоимость не всегда является показателем качества. Порой дешевое средство может справиться с мытьем даже лучше, чем его дорогостоящий аналог.

Состав таблеток для посудомоечных машин различных производителей:

  1. ARCFNDIS фирмы Kiehl (Германия). Состав – неионные ПАВ, поликарбоксилаты, отбеливающие компоненты на основе кислорода 5-10%, энзимы, ароматизатор (Limonene). Средняя стоимость 1 таблетки 19 рублей.
  2. ECOVER от бельгийского производителя. Состав–цитрат натрия, карбонат натрия, карбонат натрия, гидрокарбонат натрия, дисиликат натрия, уксусная кислота, изооктилглюкозит, глюцитол (сорбитол), метиловые эфиры рапсового масла, глицерин, амилаза, субтилизин, лимонен, глюконат натрия. Средняя стоимость 25 рублей за таблетку.
  3. SOMAT.Состав – соли органические, комплексообразователь, кислородосодержащий отбеливатель, фосфонаты, поликарбоксилаты, неионогенные ПАВ, ТАЭД, полимер, энзимы, отдушка, краситель, консервант. Средняя 22 рубля за таблетку.
  4. FINISH. Состав–30% и более фосфаты, отбеливатель, поликарбоксилаты, неионогенные ПАВ, фосфонаты, энзимы, ароматизатор. Средняя стоимость за таблетку 21 рубль.

 

  • Основные функции компонентов
  1. Цитрат натрия (натриеваясоль лимонной кислоты Na3C6H5O7) необходим для стимулирования образования пены, обладает антибактериальными свойствами.
  2. Перкарбонат натрия (кристаллосольват карбоната натрия и пероксида водорода Na2CO31,5H2O2) обладает отбеливающими свойствами, необходим для расщепления грязи.
  3. Карбонат натрия (Na2CO3 кальцинированная сода) смягчает воду.
  4. Гидрокарбонат натрия (NaНCO3пищевая сода) смягчает воду.
  5. Дисиликат натрия (Na2Si2O5) смягчает воду и скрепляет компоненты таблетки в гранулы.
  6. Глюконат натрия (натриевая соль глюконовой кислоты HOCH2(CHOH)4COONa) борется с накипью, смягчая воду.
  7. Этилендиаминтетрауксусная кислота необходима для вымывания накипи из посудомоечной машины (механизм действия не уточнён).
  8. Изооктилглюкозид — синтетическое анионно- активное вещество, входящее в состав ополаскивателя, снижающее поверхностное натяжение воды
  9. Сорбитол – подсластитель.
  10. Эфиры рапсового масла – необходимы для снижения поверхностного натяжения воды, входят в состав ополаскивателя.
  11. Глицерин – необходим для вязкости, склеивания всех веществ.
  12. Амилаза и протеаза (ферменты) – способствуют расщеплению белков и углеводов.
  13. Субтилизин- фермент класса гидролаз, сериновая эндопептидаза, катализирующая гидролиз белков и пептидов.
  14. Поверхностно активные вещества для образования пены [5].

 

  • Постановка гипотезы

Проведя анализ всех компонентов, становится понятно, что:

  • продукция со многими из таких компонентов в составе, безусловно, вредна; они могут накапливаться в организме, не разлагаться в природе, нанося вред окружающей среде [6];
  • в их состав входит большое количество дублирующих по своему функционалу веществ;
  • подсластитель вводится явно для того, чтобы при использовании посуды после мытья не ощущать «невкусные» недомытые компоненты;
  • ароматизаторы — вещества, которые нередко входят в моющие средства; одно дело, если они содержатся в стиральных порошках для придания запаха белью, но зачем нужен запах посуде? Наверное, для того, чтобы скрыть запах «неполной свежести» недомытой посуды.

Таким образом, мы считаем, что часть компонентов из моющих веществ можно легко исключить из состава таблеток, гелей и порошков, а свойства моющих средств при этом не ухудшатся, либо заменить их другими, чтобы сделать продукцию дешевле, качественнее и экологичней, если это возможно.

 

  1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Выбор состава моющего средства

При изучении состава моющих средств, стало очевидно, что кроме моющих обезжиривающих компонентов список пополнен различными отдушками, сульфатами и многими другими веществами. Все это хоть и смывается водой, но часть из них попадает в организм. Количественные соотношения ингредиентов в промышленных моющих средствах постоянно изменяются: самые токсичные химикаты из списка исчезают, стоимость продукции постоянно растет. Моющих средства не должны подвергаться обязательной сертификации, состав ингредиентов строго не регламентируется. Поэтому он может колебаться от партии к партии, а иногда и не соответствовать заявленной формуле.

Для изготовления таблеток с хорошими моющими свойствами конкурентными на рынке, есть смысл использовать нетоксичные вещества, расщепляющие жиры и углеводы (ферменты), вещества, смягчающие воду, ПАВы для снижения поверхностного натяжения воды, соединения для скрепления компонентов изготавливаемой таблетки [7].

 В данной работе предлагаются составы моющих смесей из трех – четырех компонентов. В качестве жирорастворимого вещества можно использовать порошок горчицы, цитрат натрия — для стимулирования образования пены, создания антибактериальной среды. В качестве отбеливателя и умягчителя воды предложено использовать кальцинированную или пищевую соду. Для достижения эффекта «блеска» стеклянной посуды была предпринята попытка использования лимонной кислоты (для смягчения жесткости).

Была предпринята попытка использования необычного для промышленных смесей компонента растительного происхождения. Поскольку в нём содержатся сапонины-сложные безазотистые органические соединения из гликозидов растительного происхождения с поверхностно-активными свойствами, растворы сапонинов при взбалтывании образуют густую стойкую пену, характерную для моющих веществ [8]. Название происходит от латинского sapo– мыло.

В качестве связующего компонента использовалась вода [9].

На протяжении полугода подбирался оптимальный состав таблетки для посудомоечной машины по необходимым компонентам и их процентному соотношению. В качестве веществ, разлагающих жиры, смывающих грязь с посуды, смягчающих воду, придающих ей блеск, дезинфицирующих посуду были выбраны безопасные с медицинской точки зрения вещества: горчица, лимонная кислота, кальцинированная и пищевая сода, цитрат натрия, природный моющий компонент и некоторые другие (приложение табл.1). Горчичный порошок идеально справлялся с остатками жира, но на прозрачной посуде оставлял тонкий слой суспензии. Кальцинированная сода выщелачивала прозрачное стекло, оставляя матовые подтеки. В ходе длительного эксперимента от этих компонентов пришлось отказаться, хотя их можно рекомендовать для мытья очень жирных кастрюль и сковородок. Особых результатов не принесла лимонная кислота, ее тоже убрали из состава смеси. Самым «волшебным» компонентом оказались высушенные плоды растения из рода сапонинов. Они были измельчены в ступке и добавлены в качестве нового компонента.

Состав, справившийся с жиром и матовым налетом на прозрачной посуде, содержал пищевую соду, цитрат натрия и природный моющий порошок.

Эксперименты производились на двух посудомоечных машинках различных марок: Grand и Whirlpool. Степень загрязненности посуды и степень загрузки была примерно одинаковыми.

2.2. Конструирование и изготовление устройства для формирования таблетки

После подбора оптимального состава моющего средства для более удобного его использования было принято решение придать ему форму таблетки. Для этого была создана круглая металлическая форма-пресс, в которую засыпался заранее подготовленный, увлажненный порошок. Данная форма помещалась в тиски и прессовалась. На выходе получалась таблетка, которая высушивалась и после этого была готова к использованию.

       

Рис 1. Конструкция пресса для изготовления моющих таблеток:

а) стальной цилиндр для формирования таблетки, б) шайбы, позволяющие сжимать компоненты смеси

 

2.3. Анализ смывов посуды на наличие ионов натрия

В связи с нежелательными побочными эффектами ионов натрия (отек и увеличение веса), находящихся в употребляемой человеком воде и пище, некоторые специалисты предупреждают о контроле электролитов в организме.  Так как в качестве компонентов разработанного состава использовались цитрат натрия и гидрокарбонат натрия, было проведено качественное определение ионов натрия микрокристаллоскопической реакцией с антимонатом калия для доказательства того, что на поверхности промытой посуды не остается остатков моющего средства [10]. Предел обнаружения натрия 0,04 мкг, предельное разбавление 1 2,5-10. Испытуемый раствор предварительно обрабатывали 0,5 М раствором К2СО3 для удаления ионов тяжелых и щелочноземельных металлов [11].

 Посуда промывалась с моющим средством, затем эта же загрузка посудомоечной машины тщательно ополаскивалась проточной водой, машина дважды работала со всем объемом посуды без моющего средства, и затем выключалась без режима сушки. Ватной палочкой снимался влажный слой со стенок посуды, помещался на предметное стекло и проводился качественный анализ на наличие ионов натрия. Часть промытой таким образом посуды загружалась в машину и процесс анализа на присутствие ионов натрия повторялся с каждым из пяти моющих средств промышленного состава и разработанного.

Ионы Na+ открывают микрокристаллоскопической реакцией с антимонатом калия (KH2SbO4). При этом в нейтральной среде образуется белый мелкокристаллический осадок антимоната натрия NaH2SbO4:

Na+ + KH2SbO4 → NaH2SbO4↓ + K+

При выполнении рассматриваемой реакции соблюдались следующие условия:

а) достаточно большая концентрация соли натрия

б) нейтральная реакция исследуемого раствора (рН ≈ 7)

в) ведение реакции на холоду, поскольку растворимость NaH2SbO4 сильно возрастает с повышением температуры.

Каплю раствора, полученного после удаления ионов NH4+, выпаривают досуха на предметном стекле. Затем прямо на высохшую каплю наносят каплю раствора KH2SbO4. Если ионы Na+ присутствуют, то под микроскопом отчетливо видны бесцветные прозрачные кристаллы зернообразной формы (рис. 2).

 

Рис.2 Кристаллы NaH2SbO4, подтверждающие наличие ионов натрия

 

Кристаллы образуются в месте соединения капли реактива и высушенной капли. Часто кристаллы встречаются только в определенном месте

капли и их нужно поискать. При выполнении этой реакции необходимо провести холостой опыт, так как в растворе самого реактива практически всегда под микроскопом заметны кристаллы. Они имеют другую форму, которая отличается от формы, приведенной на рис. 2.

Пробирочная реакция с KH2SbO4. В пробирку наливают 2–3 капли раствора, полученного после удаления ионов NH4+. Затем создают строго нейтральную среду, добавляя пипеткой раствор HNO3 или KOH до рН 7 по индикаторной бумаге. К нейтральному раствору прибавляют равный объем раствора реактива KH2SbO4 и перемешивают стеклянной палочкой. Образование белого кристаллического (не аморфного!) осадка свидетельствует о наличии в растворе ионов Na+. Для ускорения образования осадка надо потереть палочкой о стенки пробирки и охладить ее содержимое.

Так как в водопроводной воде и так присутствуют ионы натрия, то качественная реакция могла дать положительный результат только при большой концентрации ионов натрия на поверхности посуды.

При мытье посуды был использован разработанный состав. После анализа смывов с тарелок [12] положительного результата на наличие ионов натрия ни в одной пробе анализ не дал,

поэтому был сделан вывод, что взятое в таблетку количество цитрата натрия было оптимальным (табл. 2 приложения).

2.4. Расчет себестоимости разработанного средства по составляющим компонентам

Себестоимость нового состава улучшенной формулы по составляющим компонентам рассчитывалась по формуле:

S = C · N, где

C – цена каждого компонента

N – процентное содержание каждого из компонентов

S – себестоимость каждого компонента.

Общая себестоимость таблетки складывается из суммы цен всех компонентов [13].

Подставив данные в формулу, получена стоимость разработанной таблетки: 3 рубля 92 копейки.

На эффективность моющих средств для посудомоечных машин влияют два аспекта:

во-первых, правильное хранение — таблетки гигроскопичны, впитывая влагу, они могут потерять свои потребительские свойства, а значит, не должны находиться во влажном помещении, а также попадать под прямые солнечные лучи

во-вторых, посуда в машине во время мойки должна быть загружена не впритык, примерно на две трети от заявленной производителем объема машины, в этом случае, эффективность моющего средства, и работы самой машины будут выше, посуда отмоется качественнее [14].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенной работы:

1) разработан состав моющего средства для посудомоечных машин в виде таблетки, который отличается экологичностью по отношению к окружающей среде и человеческому организму

2) изготовленные таблетки имеют низкую себестоимость, что отличает их от нынешних средств в среднем в 6 – 7 раз

3) сконструировано и внедрено устройство для формирования четырех сыпучих компонентов в виде таблетки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

  1. Лихтер Е., Казен Б. (ГДР). Проблемы замены фосфатов в современных моющих средствах (обзор). — М: НИИТЭХИМ, -1980. -14(99). -19 с.
  2. Ентус В.А. Научное обоснование системы мониторинга острых бытовых отравлений населения.: Автореф. дисс. канд. мед. наук. Екатеринбург, 2002. – 24 с.
  3. Онищенко Г.Г. Критерии опасности загрязнения окружающей среды // Гигиена и санитария. 2003. — №6. — С.3-5.
  4. Санитарные правила для предприятий продовольственной торговли-санитарные правила и нормы – СанПин 2-3-5-021-94
  1. Ермолаева В.А. Химическая структура основных компонентов синтетических моющих средств / Современные наукоемкие технологии. – 2007. – № 10. – С. 34-38
  2. Алексеева O.F., Дуева Л.А. Аллергия к промышленным химическим соединениям. М.: Медицина, 1978. — 271 с.
  3. Рязанова P.A., Ильницкая A.B., Федорова Н.Е. и др. Комплексная токсиколого-гигиеническая оценка поверхностно-активного вещества (ПАВ) // Гигиеническая наука и практика на рубеже века. М., 2001. — Т.1 — С.595-597.
  4. Биологически активные вещества лекарственных растений / Георгиевский В.П., Комиссаренко Ф., Дмитрук С.Е.- Новосибирск: Наука, Сиб. отделение, 1990, — 333 с.
  5. Абрамзон A.A. Поверхностно-активные вещества и моющие средства. М., 1993. – 270
  6. Михеев А.Г., Невский Д.И., Ракитин А.Б., Ракитин Б.В. Исследование динамики рН при щелочном тесте // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. – 2006. Спецвыпуск. – С. 44–46.
  7. Жуков А.Ф., Колосова И.Ф. Аналитическая химия. Физические и физико-химические методы анализа: Учебник для вузов / Под ред. О. М. Петрухина. — М.: Химия, 2001. — 496 с.
  8. Новановский М.С., Красносельская Е.А. Исследование процесса комплексообразования между ионами кальция и магния с Трилоном «Б» методом растворимости. -Учены записки ХГУ. -1961. — т.17, С.127-128.
  9. Атаманов Д. Расчет себестоимости продукции методом АВС //Финансовый директор. — 2007. — № 10. — С. 76-86.
  10. Фроловская Т.Н., Дронникова Т.В. Повышение эффективности производства моющих средств и улучшение качества продукции / Масложировая пром-сть.- 2003,- № 3.- с. 27-28.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

 

Таблица 1

Подбор состава моющего средства

 

Состав образца Вес таблетки Массовая доля  компонентов Эффект от испытания Выводы
Горчичный порошок

Цитрат натрия

Кальцинированная сода

55 г В связи с тем, что по материалам работы планируется

оформить авторское свидетельство, считаем невозможным указывать соотношения компонентов

(приложение табл.3)

Не растворившаяся часть таблетки осталась  в отсеке Необходимо уменьшение веса таблетки
Горчичный порошок

Цитрат натрия

Кальцинированная сода

30 г  

 

//-

Таблетка растворилась полностью, но остался толстый налёт на посуде Принято решение заменить кальцинированную соду на пищевую для удаления налёта на посуде
Горчичный порошок

Цитрат натрия

Пищевая сода

21,5 г  

 

//-

Таблетка растворилась полностью, жир на посуде смылся, но на стеклянной посуде остался белесый налет горчичного порошка Для удаления  налёта принято решение добавить в состав таблетки лимонную кислоту и еще уменьшить количество горчицы
Горчичный порошок

Цитрат натрия

Пищевая сода

Лимонная кислота

23,5 г  

 

//-

Жир удалился полностью, но стеклянная посуда не блестит Введение лимонной кислоты не дало желаемого результата. Принято решение убрать ее из состава таблетки и заменить горчицу
Цитрат натрия Пищевая сода

Порошок растительного происхождения

20 г  

 

//-

Посуда чистая, стекло блестит Замена горчицы на порошок сапонина дало желаемый результат

 

Таблица 2

Обнаружение ионов натрия на поверхности отмытой посуды

 

Марка моющего средства Наличие ионов натрия
Без моющего средства кристаллов NaH2SbO4 не обнаружено
ARCFNDIS кристаллы NaH2SbO4 обнаружены
ECOVER кристаллы NaH2SbO4 обнаружены
SOMAT кристаллы NaH2SbO4 обнаружены
FINISH кристаллы NaH2SbO4 не обнаружены
Разработанное средство кристаллов NaH2SbO4 не обнаружено

 

 

 

 

 

 

Автор: Артем

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *