ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАНСУЛЬФОНОВОЙ, МУРАВЬИНОЙ И ДРУГИХ КИСЛОТ В СРЕДСТВАХ БЫТОВОЙ ХИМИИ

 

Практика использования кислот в средствах бытовой химии имеет давнюю традицию. В присутствии кислот легко удаляются известковые осадки, кальциевые мыла, мочевой камень, следы цементного раствора, ржавчина, патина, ярь-медянка, а также другие минеральные и  минерально-органические отложения. Кислотными средствами бытовой химии часто являются следующие продукты:  средства для чистки унитазов, средства для удаления накипи, средства для чистки ванных комнат, ополаскиватели для посудомоечных машин, средства для чистки металлических поверхностей, средства для чистки колёсных дисков автомобилей, кондиционеры для белья и др.

Эффективное действие кислот в составе моющих и чистящих средств обусловлено главным образом высокой концентрацией ионов водорода (H⁺), создаваемой ими в водных растворах при диссоциации. Кислую реакцию среды могут создавать также различные соли, например кислые (KHSO₄, NaHSO₄, NaH₂PO₄ и др.) и гидролитически кислые (NH₄Cl, (NH₄)₂SO₄ и др.). Перечень кислот достаточно велик. Кроме распространённых минеральных и органических кислот к нему можно отнести анионные поверхностно-активные вещества в кислой форме, фосфоновые и аминокарбоновые комплексоны, кислотные красители и ряд других соединений. В данной статье будут рассмотрены свойства метансульфоновой, муравьиной и других кислот, которые уже нашли своё широкое применение в средствах бытовой химии. Их выбор – не случайность.

Для использования в рецептурах моющих и чистящих средств кислоты выбираются в соответствии со следующими критериями:

– агрегатное состояние;

– растворимость;

– летучесть;

– токсичность;

– сила кислоты;

– комплексообразующая способность;

– коррозионное и разрушающее действие на материалы;

– совместимость с другими компонентами чистящих и моющих средств;

– биоразлагаемость.

Попытаемся подробнее рассмотреть, как свойства кислот определяют их применение.

Агрегатное состояние. Кислоты преимущественно производятся в двух товарных формах – жидкой и твёрдой. Жидкими продуктами могут быть не только индивидуальные вещества, как метансульфоновая и муравьиная кислоты, но и водные растворы. Так твердая ортофосфорная кислота производится промышленностью не в виде чистого твердого вещества, а в виде 85 %-ного водного раствора, представляющего собой сиропообразную жидкость. Жидкостью также являются водные растворы газообразного хлороводорода, называющиеся соляной кислотой. Каждая из форм кислот имеет свои преимущества в обращении. Твёрдые кислоты удобнее, безопаснее и дешевле транспортировать. В отсутствии воды они имеют низкую коррозионную активность по отношению к материалам, дольше хранятся и выдерживают резкие перепады температур. Из твёрдых веществ изготавливают порошкообразные, гранулированные и таблетированные чистящие средства. Жидкие кислотные продукты легче дозировать, загружать в герметичные реакторы (перекачивать, заливать), перемешивать с другими компонентами на производстве. Таким образом, в зависимости от агрегатной формы средств бытовой химии и технологии их производства востребованной оказывается или твердая или жидкая форма кислоты.

Растворимость. Кислоты являются полярными соединениями, поэтому, согласно правилу «подобное растворяется в подобном», они хорошо растворимы в таких полярных растворителях как вода и спирты. Кислоты с беконечной (как метансульфоновая и муравьиная) и высокой растворимостью позволяют изготавливать концентрированные моющие и чистящие средства. Концентраты особенно эффективны для применения на сильнозагрязнённых поверхностях, а также позволяют экономить на таре и транспортных расходах.

При оценке растворимости кислот всегда необходимо помнить также и о растворимости образуемых ими солей. Ионы кальция, магния, железа и других металлов, переходящие в водный раствор при удалении минеральных отложений, должны образовывать с анионами кислот хорошо растворимые соединения для того, чтобы очистка была эффективной. В качестве примера можно сравнить растворяющее действие метансульфоновой, соляной и фосфорной кислоты на карбонат кальция. Образующиеся в результате реакций соли – месилат кальция (кальциевая соль метансульфоновой кислоты) ((СH₃SO₃)₂Ca), хлорид кальция (CaCl₂) и дигидрофосфат кальция (Ca(H₂PO₄)₂), имеют разную растворимость. Для месилата кальция растворимость в воде при 20°С составляет 103,8 г/100г, для хлорида кальция 74,5 г/100г а для дигидрофосфата кальция 1,0 г/100г. Очевидно, что в растворе метансульфоновой кислоты раствориться гораздо большее количество карбоната кальция, чем в растворе соляной и тем более фосфорной кислоты. На данном примере важно учесть ещё одну особенность. В случае применения многоосновных кислот в растворе первоначально образуются кислые соли, а затем средние. Растворимость кислых солей, как правило, выше, чем средних, поэтому небольшой избыток многоосновной кислоты в растворе способствует процессу растворения минеральных осадков. В табл. 1 представлены сведения о растворимости некоторых распространённых минеральных и органических кислот в воде при комнатной температуре.  

 

 

 

 

Летучесть. Низкомолекулярные жидкие кислоты, такие как муравьиная, уксусная, пропионовая и соляная являются весьма летучими. При высоких концентрациях и температурах данные кислоты интенсивно испаряются, загрязняя воздух. Помимо острого кислого запаха, пары летучих кислот действуют раздражающе на слизистые оболочки, особенно на конъюктиву, носоглотку и верхние дыхательные пути. Особенно опасны пары летучих кислот в больших концентрациях. Они способны нанести серьёзный вред человеку и животным, а также могут образовывать с воздухом взрывчатую смесь и быть пожароопасными. Присутствие в воздухе кислотных паров может вызывать коррозию металлических конструкций, особенно во влажной атмосфере. Вредное воздействие летучих кислот можно уменьшить путём снижения их концентрации в рецептурах чистящих и моющих средств до приемлемого уровня. Для каждой летучей кислоты оптимальная концентрация устанавливается индивидуально. Так, содержание соляной кислоты в средствах готовых к употреблению не должно превышать 5-7% по массе (в пересчёте на хлороводород).

Летучесть кислот в отдельных случаях служит преимуществом. Так использование муравьиной кислоты в закрытых емкостях, позволяет дезинфицировать не только поверхности, контактирующие с чистящим раствором, но также и поверхности, контактирующие с газовой фазой.

Токсичность. Токсическое действие кислот может проявляться по-разному. Данные соединения обладают, в первую очередь раздражающим эффектом, сила которого частично зависит от диссоциации кислоты и ее растворимости в воде. Чтобы избежать воздействия кислотных паров во время и после применения кислотных средств бытовой химии помещение необходимо тщательно проветрить. Применять моющие и чистящие средства, содержащие кислоты, рекомендуются в резиновых перчатках и защитных очках если показатель активности водородных ионов (рН) средства или водного раствора средства с массовой долей 1% менее 3,0. Если средство контактирует с посудой, то удаление его следов достигается 2-3 кратным ополаскиванием тёплой водой. Все практически используемые минеральные и органические кислоты должны быть малотоксичными.

Сила кислоты. При очистке должны использоваться кислоты сильные или средней силы. Чем сильнее кислота, тем меньше рН рабочего раствора (при равных молярных концентрациях и основности кислот) и тем интенсивнее процесс растворения минеральных и минерально-органических отложений. Желательно применение многоосновных кислот и/или кислот небольшой молекулярной массой. Использование таких соединений значительно увеличивает буферную ёмкость раствора чистящего средства после его частичной нейтрализации в сравнении с одноосновными кислотами. При одинаковой силе кислот и их массовом содержании в чистящем средстве минимальное значение рН раствора будет соответствовать кислоте с меньшей молекулярной массой.

 

 

 

Комплексообразующая и коррозионная способность. Анионы кислот могут обладать комплексообразующим действием по отношению к ионам кальция, магния, железа, меди, никеля и других металлов. Образование устойчивых водорастворимых комплексных соединений ионов металлов с анионами кислот чистящего средства способствует растворению накипей, а также удалению продуктов коррозии с металлических поверхностей. Однако, комплексообразующие свойства анионов кислот обуславливают и их коррозионное действие на металлы. Так, анионы метансульфоновой кислоты не обладают комплексообразующими свойствами и коррозионное действие их на металлы минимально. Напротив, хлорид-ионы соляной кислоты, являются типичными комплексообразователями и поэтому, водные среды, содержащие хлорид-ионы, являются весьма агрессивными по отношению к металлическим поверхностям. Метансульфоновая кислота "Lutropur" от компании "BASF" в отличие от аналогичных продуктов, существующих  на рынке, не содержит хлоридов и поэтому не требует дорогостоящих ингибиторов коррозии при введении в рецептуры средств бытовой химии.

Многие используемые в быту материалы чувствительны к воздействию протонов кислот. В кислых средах легко разрушаются гипс и натуральные камни, содержащие известняк (мрамор, мозаика, цементные и бетонные поверхности, клинкер и т.п.); эмали; металлы; ткани, в особенности изготовленные из хлопчатобумажных и  полиамидных волокон; поливинилхлорид; полиэтилентерефталат. По отношению к определённым видам чувствительных к кислотам поверхностей можно подобрать определённую кислоту и её концентрацию, чтобы минимизировать разрушающее воздействие. На практике также широко используют различные добавки к кислотным средствам, например, ингибиторы кислотной коррозии металлов, чтобы предотвратить растравливание металлов.

Совместимость с другими компонентами чистящих и моющих средств. При введении кислот в рецептуры средств бытовой химии следует обращать особое  внимание на то, что кислая среда может приводить к разложению других соединений. Из сырьевых компонентов наиболее чувствительны к действию низких значений рН среды красители, отдушки, ферменты и поверхностно-активные вещества. Их стабильность может быть гарантирована тщательным анализом соответствующей технической информации, а также практическими испытаниями в климатической камере при высоких температурах в течение продолжительного времени.

Биоразлагаемость. Способность кислот в течение короткого промежутка времени химически разлагаться под действием факторов окружающей среды (например, воздуха, воды, солнца, микроорганизмов и др.) является одним из важных требований экологической безопасности. Как правило, наилучшую биоразлагаемость проявляют соединения широко распространённые в природе. Многие из представленных в таб. 1 органических кислот, в том числе метансульфоновая и муравьиная, имеют высокий уровень биоразлагаемости.

 

Литература

1. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. СПб.: Химия, 1994. 432 с.

2. Средства для очистки и ухода в быту. Химия, применение, экология и безопасность потребителей / Под ред. Германа Г. Хауталя  и Гюнтера Вагнера. М.: Косметика и медицина, 2007. 440 с.

3. Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. Краткий справочник по химии. Киев: Наукова думка. 1974. 991 с.