Đánh giá một số đặc tính hóa lý của xà phòng sinh học sử dụng trong hải quân - Nguyễn Khánh Hoàng Việt

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 153 ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ ĐẶC TÍNH HÓA LÝ CỦA XÀ PHÒNG SINH HỌC SỬ DỤNG TRONG HẢI QUÂN Nguyễn Khánh Hoàng Việt*, Lê Duy Khánh, Nguyễn Thị Tâm Thư Tóm tắt: Bài báo này giới thiệu kết quả kiểm tra, đánh giá độ thân thiện môi trường (thông qua giá trị BOD5), đánh giá khả năng tẩy rửa vết bẩn trên vải (dựa trên chỉ số độ tẩy rửa: Detergency) và kiểm tra sức căng bề mặt trong cả điều kiện nước mặn và nước ngọt của mẫu xà phòng sinh học BioSoap đã tổng hợp được. Các phương pháp kiểm tra và đánh giá này cũng đã được áp dụng đối với một số sản phẩm có cùng tính năng và thể chất tương tự. Kết quả đánh giá cho thấy loại xà phòng đã tổng hợp được không chỉ tẩy rửa hiệu quả trong điều kiện muối mặn mà còn có độ phân hủy cao bởi vi sinh vật trong môi trường tự nhiên. Bởi vậy, mẫu xà phòng tổng hợp này có thể được sử dụng thuận lợi cho một số lực lượng Hải quân, Cảnh sát biển, ngư dân... thường xuyên hoạt động dài ngày trên biển. Từ khóa: Xà phòng, Thân thiện môi trường, Độ tẩy rửa, Nước mặn. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Một loại xà phòng được đánh giá là thân thiện với môi trường khi được tổng hợp từ nguồn nguyên liệu sinh học, có khả năng tái tạo và được phân hủy mạnh bởi các vi sinh vật khi đổ thải vào môi trường tự nhiên [3,6]. Các loại xà phòng hiện nay thường sử dụng các chất hoạt động bề mặt (HĐBM) có nguồn gốc từ dầu mỏ, phân tử mạch nhánh như: linear alkyl benzene sulphonate (LABS), alpha olefin sulphonate (AOS) nên rất khó phân hủy sinh học [6,10,14]. Ngoài ra, các chất phụ gia được sử dụng như là một tác nhân trao đổi ion thường chứa gốc phosphat để hạn chế ảnh hưởng của các ion kim loại đến sự hoạt động của các chất HĐBM. Khi được thải vào các lưu vực sông, hồ sự có mặt của chúng sẽ là điều kiện thuận lợi cho các loại thực vật thủy sinh phát triển, dẫn tới giảm nồng độ oxy và gây chết cho nhiều động vật sống trong môi trường này [9]. Việc đánh giá độ thân thiện với môi trường của xà phòng có thể thông qua kiểm tra nhu cầu oxi sinh hóa BOD (Biochemical Oxygen Demand) [1,11]. Chỉ số này phản ánh lượng oxy được vi sinh vật thu nhận để oxy hóa các chất hữu cơ trong mẫu nước thành cacbon dioxide và nước trong một khoảng thời gian xác định. Do đó, BOD thường được sử dụng để tính toán và thiết lập mức độ phân hủy sinh học của các chất hữu cơ được vi sinh vật phân hủy trong môi trường nước [1]. Để chuẩn hóa các số liệu người ta thường báo cáo kết quả dưới dạng BOD5 (BOD trong 5 ngày ở 20 oC). Từ giá trị BOD5 thu nhận được, với cùng lượng mẫu đưa vào mẫu được vi sinh vật phân hủy nhanh hơn sẽ có chỉ số BOD5 cao hơn [13,14 ]. Trong công trình đã được công bố trước đây [7], chúng tôi đã giới thiệu kết quả nghiên cứu về mẫu xà phòng sinh học (BioSoap) được tổng hợp từ hệ chất hoạt động bề mặt (HĐBM) dạng anion, nonion và chất HĐBM từ dầu thực vật (dầu dừa). Một số đặc tính hóa lý như: sức căng bề mặt, tỷ trọng, khả năng tạo bọt và độ ổn định bọt của mẫu xà phòng này đã được phân tích và đánh giá. Các đặc tính hóa lý này cũng đã được kiểm tra với mẫu xà phòng dùng trong nước mặn khác như Sailor Soap (Mỹ) và loại thông dụng trên thị trường (OMO) để so sánh hiệu quả sử dụng. Các kết quả kiểm tra cho thấy, BioSoap và Sailor Soap có các đặc tính hóa lý tương đương nhau và thể hiện tính ưu việt hơn hẳn xà phòng thông thường trong cả nước có độ mặn cao và nước ngọt. Kết quả này bước đầu khẳng định mẫu xà phòng tổng hợp được có nhiều đặc tính phù hợp để sử dụng hiệu quả trong điều kiện nước mặn. Hóa học & Kỹ thuật môi trường N.K.H. Việt, L.D. Khánh, N.T.T. Thư, “Đánh giá một số đặc tính trong hải quân.” 154 Với mục tiêu chế tạo xà phòng sinh học vừa có hoạt tính tẩy rửa mạnh trong nước mặn, vừa có tính năng thân thiện môi trường, trong bài báo này chúng tôi sẽ giới thiệu kết quả khảo sát, kiểm tra độ thân thiện môi trường thông qua thông số BOD5 và kiểm tra độ tẩy rửa trên vải của mẫu xà phòng BioSoap. Các đặc tính này cũng đã được kiểm tra đối chứng với xà phòng Sailor Soap và một số dòng sản phẩm có cùng tính năng và thể chất như BioSoap để so sánh. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Hóa chất và thiết bị 2.1.1. Hóa chất, nguyên vật liệu dùng cho nghiên cứu - Hóa chất dùng để phân tích phục vụ nghiên cứu bao gồm: H2SO4, (NH4)2SO4, NaOH, CaCl2, FeCl3.6H20 và một số hóa chất khác (độ sạch PA). - Nguyên vật liệu dùng cho nghiên cứu: Mẫu xà phòng BioSoap, xà phòng dùng trong nước mặn Sailor Soap (Mỹ), nước giặt SA8 (Amway, Mỹ); nước biển lấy tại vùng biển Đảo Nam Yết, Quần đảo Trường Sa (Cục Hậu cần Hải quân cung cấp có độ muối 34,6‰); vải cotton sạch (25 x 35 cm), dầu thực vật (Simply), hồ tinh bột và màu acrylic được mua trên thị trường. 2.1.2. Thiết bị dùng cho nghiên cứu Các thiết bị thí nghiệm được sử dụng chủ yếu như: Cân phân tích có độ chính xác 0,0001g hãng PRO SPS-602F (Mỹ); hệ thống bình cầu, thiết bị đo BOD (Mỹ), thiết bị đo pH ECO TESTR hãng EUTECH (Singapore), máy đo sức căng bề mặt TSD DAC 300 - Gibertini. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Kiểm tra BOD Xà phòng BioSoap, Sailor Soap, OMO được pha với nước máy theo tỷ lệ 1,5 % và giặt với cùng một loại vải với lượng nước như nhau. Lượng nước thải sau khi giặt được thu lại; quá trình ủ mẫu và lấy mẫu được thực hiện đồng thời trong môi trường tương đương nhau về nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm... Lượng mẫu được lấy ngay tại thời điểm ban đầu và lượng mẫu sau 5 ngày thu nhận được kiểm tra đo lượng oxy hòa tan. Sự biến đổi về lượng oxy hòa tan được tính toán và so sánh. Từ kết quả kiểm tra nhu cầu oxi sinh hóa có thể khẳng định khả năng phân hủy các thành phần trong mẫu thử bởi các vi sinh vật trong môi trường là cao hay thấp [1]. 2.2.2. Xác định sức căng bề mặt Các mẫu xà phòng cần kiểm tra được hòa tan trong nước với tỷ lệ 1 % khối lượng. Sức căng bề mặt của các dung dịch được xác định theo phương pháp ASTMD 971 và ASTMD 1331, đo trên máy đo sức căng bề mặt TSD DAC 300 [2,8]. 2.2.3. Đánh giá khả năng tẩy rửa Để đánh giá khả năng tẩy rửa của xà phòng có rất nhiều phương pháp như: dựa vào đo sức căng bề mặt, phương pháp đo độ trắng của vải, đo độ nhả bẩn, phương pháp đo trọng lượng [4]. Trong đó, phương pháp đo trọng lượng tương đối đơn giản với thời gian tiến hành nhanh đã được lựa chọn để kiểm tra độ tẩy rửa của sản phẩm. Để đánh giá khả năng tẩy rửa trên vải, chúng tôi thực hiện các bước sau: a) Chế tạo chất nhuộm bẩn: Thực tế cho thấy, những vết bẩn thường gặp phải trên quần áo khi chúng ta hoạt động thường ngày như: dầu mỡ, tinh bột, bùn đất... [4,12]. Do đó, chúng tôi đã chuẩn bị hỗn hợp chất nhuộm bẩn trên vải để đánh giá hiệu quả tẩy rửa của các mẫu xà phòng khác nhau. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 155 Thành phần và tỷ lệ của các chất trong hỗn hợp được tạo ra như sau: (1) Dầu thực vật (20 %); (2) bột than (20 %); (3) hồ tinh bột (30 %); (4) chất bám dính - màu acrylic (15 %) và nước (15 %). Chúng được trộn đều với nhau tạo thành một hỗn hợp paste ổn định đặc quánh, độ bám dính cao. b) Các bước thực hiện: - Sử dụng 2 g hỗn hợp chất nhuộm bẩn dàn đều và thấm hết lên khắp miếng vải cotton sạch (màu trắng, kích thước 25 x 35 cm, khối lượng: m0) đã được chuẩn bị trước. Để miếng vải khô tự nhiên trong khoảng 60 phút. - Tiếp tục sấy miếng vải trong tủ sấy chân không áp lực giảm ở nhiệt độ thấp 35-40oC (thời gian 45-60 phút) và được cân lại sau khi đã để nguội trong thời gian 5 phút (m1). - Quá trình giặt vải được thực hiện theo cách sử dụng thiết bị Terg-O-Tometer [12] với tốc độ 100 rpm, lượng nước 1000 ml, thời gian giặt 15 phút, thời gian ngâm 10 phút, nhiệt độ 500C. Loại nước được sử dụng tùy theo mục đích kiểm tra là nước máy hoặc nước mặn, với lượng xà phòng được sử dụng là 1 %. - Sau khi giặt và để khô tự nhiên trong khoảng 60 phút, miếng vải tiếp tục được sấy khô theo phương pháp tương tự và cân lại (m2) để tính toán độ tẩy rửa. c) Công thức tính độ tẩy rửa theo phương pháp đo khối lượng: Độ tẩy rửa (%) được tính theo công thức: (1) trong đó, m0 là khối lượng vải sạch được sấy, m1 là khối lượng vải được phủ vết bẩn sau khi sấy, m2 là khối lượng vải sau khi giặt đã được sấy. d) Đánh giá độ sạch: - Đánh giá qua kết quả kiểm tra độ tẩy rửa (D) dựa vào công thức (1); - Đánh giá cảm quan bằng cách quan sát mẫu vải sau khi giặt bằng mắt thường với 3 mức độ: (1) sạch hoàn toàn (+++: độ trắng tương đương với miếng vải ban đầu); (2) : sạch (++: vết bẩn nhìn mờ); (3) chưa sạch (+: vết bẩn nhìn rõ). 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1. Kiểm tra độ thân thiện môi trường Bảng 1. Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD). BOD Tên mẫu BOD5 tại thời điểm lấy mẫu ban đầu (Xo) (mg/l) BOD5 lấy mẫu sau 5 ngày (Xt) (mg/l) BOD5 (Xo-Xt) (mg/l) OMO (Unilever) 12,5 11,2 1,3 Sailor Soap (Mỹ) 27,1 23,1 4,0 BioSoap 44,0 35,8 8,2 Kết quả kiểm tra mức độ thay đổi nhu cầu BOD (Bảng 1) của một số mẫu xà phòng khác nhau thấy: Sailor Soap có BOD = 4,0 mg/l, BioSoap có BOD = 8,2 mg/l. Các mẫu này có nhiều thành phần dễ được phân hủy bởi vi sinh vật hơn nên có mức độ thay đổi nhu cầu BOD cao hơn so với xà phòng OMO (BOD = 1,3 mg/l). Kết quả này cho thấy loại xà phòng như BioSoap và Sailor Soap thân thiện hơn với môi trường do vi sinh vật dễ dàng oxy hóa các thành phần của chúng thành các hợp chất hữu cơ đơn giản. 3.2. Đánh giá độ tẩy rửa D = (m1 - m2) x 100 (m1 - m0) Hóa học & Kỹ thuật môi trường N.K.H. Việt, L.D. Khánh, N.T.T. Thư, “Đánh giá một số đặc tính trong hải quân.” 156 Để đánh giá khả năng tẩy rửa trong cả môi trường nước mặn và nước ngọt, chúng tôi đã lựa chọn một số mẫu xà phòng có thể chất dạng lỏng như: nước giặt OMO, nước giặt SA8 (Amway), sản phẩm xà phòng thông dụng trên thị trường (OMO dạng bột) và sản phẩm có tính năng tẩy rửa trong nước mặn (Sailor Soap). Kết qủa thu được như sau: 3.2.1. Đánh giá độ tẩy rửa trong nước mặn Kết quả kiểm tra độ tẩy rửa các vết bẩn trong nước mặn cho thấy, mẫu xà phòng BioSoap có Độ tẩy rửa (98,26 %) tương đương với Sailor Soap (98,08 %) và hơn hẳn các sản phẩm thông thường khác như: OMO dạng bột (94,63 %), OMO dạng dung dịch (95,85 %), SA8 (89,72 %). Bảng 2. Độ tẩy rửa và sức căng bề mặt trong nước mặn của một số mẫu xà phòng. Sản phẩm Đặc tính đánh giá SA8 (Amway, Mỹ) OMO bột (Unilever) Sailor Soap (Mỹ) BioSoap Nước giặt OMO (Unilever) Khối lượng (g) m0 9,6600 10,1200 10,292 10,292 10,9702 m1 10,6350 11,0507 11,176 11,171 11,8916 m2 9,7602 10,1700 10,309 10,307 11,0084 Độ tẩy rửa (%) 89,72 94,63 98,08 98,26 95,85 Sức căng bề mặt (dynes/cm ) 29,0001 28,9754 25,6642 26,0601 27,7869 Đánh giá cảm quan + + +++ +++ ++ Hình 1. Tương quan giữa Độ tẩy rửa vết bẩn và sức căng bề mặt trong nước mặn của một số mẫu xà phòng. Sức căng bề mặt thể hiện khả năng thấm ướt cao hay thấp, khi sức căng bề mặt càng thấp thì khả năng tẩy rửa của mẫu xà phòng được kiểm tra càng cao [2]. Kết quả kiểm tra các mẫu xà phòng cho thấy sự tương quan rõ rệt giữa độ tẩy rửa và giá trị sức căng bề mặt Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 157 thu được. Các mẫu được kiểm tra trong nước mặn có giá trị sức căng bề mặt cao như: xà phòng SA8 (29,0001 dynes/cm), OMO bột (28,9754 dynes/cm) nên có độ tẩy rửa thấp hơn xà phòng Sailor Soap (25,6642 dynes/cm) và BioSoap (26,0601 dynes/cm). Sau khi giặt trong nước mặn với xà phòng SA8 và OMO bột, các vết bẩn trên vải không sạch và vẫn dễ dàng phát hiện được bằng mắt thường. 3.2.2. Kiểm tra độ tẩy rửa trong nước ngọt Để so sánh và đánh giá hiệu quả sử dụng của các mẫu xà phòng trong điều kiện nước ngọt và nước mặn, phương pháp kiểm tra độ tẩy rửa trong nước ngọt cũng được tiến hành tương tự như trong nước mặn. Kết quả kiểm tra (Bảng 3) cho thấy BioSoap vẫn phát huy được khả năng tẩy rửa cả trong môi trường nước ngọt. Giá trị độ tẩy rửa của BioSoap (98.90 %) tương đương với nước giặt SA8 (98.91 %). Các loại xà phòng khác như OMO bột, OMO dung dịch và Sailor Soap đều có độ tẩy rửa trên 97,0 % và khả năng tẩy rửa các vết bẩn tương đối tốt cả khi được quan sát bằng mắt thường. Bảng 3. Độ tẩy rửa và sức căng bề mặt trong nước ngọt của một số mẫu xà phòng. Sản phẩm Đặc tính đánh giá SA8 (Amway, Mỹ) OMO bột (Unilever) Sailor Soap (Mỹ) BioSoap Nước giặt OMO (Unilever) Khối lượng (g) m0 10,9912 10,2342 10,5698 10,491 10,5920 m1 11,8092 11,2211 11,5343 11,426 11,5918 m2 11,0001 10,2612 10,5901 10,501 10,6082 Độ tẩy rửa (%) 98,91 97,26 97,90 98,90 98,37 Sức căng bề mặt (dynes/cm ) 27.850 29.6029 26.0537 26.0934 26.0447 Đánh giá cảm quan +++ +++ +++ +++ +++ Hình 2. Tương quan giữa độ tẩy rửa vết bẩn và sức căng bề mặt trong nước nước ngọt của một số mẫu xà phòng. Hóa học & Kỹ thuật môi trường N.K.H. Việt, L.D. Khánh, N.T.T. Thư, “Đánh giá một số đặc tính trong hải quân.” 158 Tuy độ tẩy rửa là khác nhau nhưng xét về độ thân thiện môi trường, các loại xà phòng thông thường như OMO đều sử dụng chất HĐBM như: Linear Alkylbenzensulfonate có nguồn gốc từ dầu mỏ, chứa vòng benzen rất khó phân hủy sinh học. Ngoài ra, OMO và nhiều loại chất tẩy rửa khác sử dụng sodium tripolyphosphate (chất trao đổi ion) là thành phần có chứa gốc phosphat đã bị cấm sử dụng tại nhiều vùng trên thế giới. Loại xà phòng SA8 tương đối thân thiện với môi trường, tuy nhiên, qua kết quả khảo sát cho thấy sản phẩm này không hiệu quả khi sử dụng trong nước mặn. Độ thân thiện môi trường của Sailor Soap và BioSoap đã được kiểm tra và cho thấy khả năng phân hủy bởi vi sinh vật thể hiện tính ưu việt hơn hẳn xà phòng OMO trên thị trường. 4. KẾT LUẬN Các kết quả kiểm tra thông số BOD là dữ liệu để khẳng định về tính năng thân thiện môi trường của mẫu xà phòng chế tạo được so với xà phòng thông thường như OMO và xà phòng có tính năng tương tự Sailor Soap. Với kết quả kiểm tra BOD của mẫu xà phòng được tổng hợp BioSoap cho thấy, trong môi trường tự nhiên mẫu xà phòng BioSoap sẽ được vi sinh vật phân hủy nhanh hơn so với các mẫu xà phòng thông thường khác được kiểm tra. BioSoap có khả năng tẩy rửa trong cả nước mặn và nước ngọt cao hơn hẳn một số mẫu xà phòng khác được khảo sát. Đặc biệt, trong môi trường nước mặn sản phẩm này có độ tẩy rửa (98,26 %) tương tự xà phòng dùng trong nước mặn Sailor Soap (98,08 %) và hơn hẳn các loại sản phẩm khác như: xà phòng OMO dạng bột (94,63 %), OMO dạng lỏng (95,85 %) và SA8 của Mỹ (89,72 %). Với các thông số về độ thân thiện môi trường và độ tẩy rửa của mẫu xà phòng tổng hợp được (BioSoap) so với mẫu xà phòng dùng trong nước mặn của Mỹ (Sailor Soap) và một số loại xà phòng thông dụng khác trên thị trường, có thể khẳng định mẫu xà phòng tổng hợp được có hoạt tính tẩy rửa vết bẩn tốt trong nước mặn và có độ phân hủy cao bởi vi sinh vật trong môi trường tự nhiên. Với những kết quả này, xà phòng sinh học – BioSoap sẽ tiếp tục được hoàn thiện nhằm phục vụ cho bộ đội Hải quân, Cảnh sát biển, Kiểm ngư... hoạt động dài ngày trên biển. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Alewo Opuada, Muhammed Tijani, “Biodegradable detergents from Azadirachta Indica seed oil”, J. of Practices and Tech. (2010), pp. 69-74. [2]. BIS:5785 (Part-III), “Methods of performance tests for surface active agents”, Bureau of India Standards, New Delhi (1970). [3]. Deveshree B. Narkhede, “Formulation and evaluation of coconut oil liquid soap”, International Journal of Pharma World Research, Vol.1, 2 (2010). [4]. Kharkate S K, Karadbhajne V Y, “Some resin based liquid detergents”, Journal of Sci & Industrial Research, Vol.64 (2005), pp. 752-755. [5]. Nguyễn Lệ Tố Nga, Đinh Thị Ngọ, “Nghiên cứu chế tạo chất tẩy rửa cho cặn bẩn xăng dầu”, Tạp chí Phân tích Hoá, Lý và Sinh học, T6 (2001), tr. 49-50. [6]. Nguyễn Lệ Tố Nga và cộng sự, “Tổng hợp chất tẩy rửa cặn bẩn xăng dầu trên cơ sở các loại dầu thực vật khác nhau”, TC. Nghiên cứu KHCNQS, số 3 (2003), tr. 63-69. [7]. Nguyễn Khánh Hoàng Việt và cộng sự, “Tổng hợp chất tẩy rửa thân thiện môi trường dùng trong Hải quân”, TC. Nghiên cứu KHCNQS, số 3 (2013), tr. 95-102. [8]. Milwidssky B.M, Gabriel, “Detergent analysis”, London (1982). [9]. Matthew J. Scott, Malcolm N. Jones, “The biodegradation of surfactants in the environment”, Biochimica et Biophysica Acta, 1508 (2000), pp. 235-251. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 159 [10]. Pravin A, BB.Gogte, “A novel short oil alkyd resin based on coconut oil and rosin for detergent compositions”, The Asian Journal of Experimental Chemistry, Vol.6, 1 (2011), pp.17-21. [11]. Pravin A, Dhakite et al., “Ecofriendly liquid detergents based on malenised vegetables oils”, The Asian J. of Exp.Chemistry, Vol.6, 1 (2011), pp. 35-37. [12]. Pravin A, BB.Gogte, “Eco- Green Polymers based on Maize Starch for Detergent”, Journal of ChemTech Research, Vol.2, 4 (2010), pp.1975-1979. [13]. Toliwal. S.D, D.Patel, “Liquid detergent from acid oil based polymer”, Journal of Applied Chemical Research, Vol.14 (2010), pp.14-22. [14]. Thorsten Bastigkeit et al., “Eco-friendly laundry detergent compositions comprising natural essence”, Patent No.: US 7,648,953 B2 (2010). ABSTRACT ASSESSMENT SOME CHARACTERISTICS OF BIOLOGICAL SOAP USED IN THE NAVY This article introduces the testing results eco-friendly through BOD values obtained; assesses the ability to clean the stain on fabric based on detergency and check the surface tension in both saltwater and freshwater conditions of synthesized bio-based soap. The method of testing and evaluation has also been applied to a number of products with the same features and physically. Evaluation results show that soaps were synthesized not only effective cleansing in saltwater condition but also have high level of decomposition by microorganisms in the natural environment. Therefore, this synthetic detergent can be conveniently used for the Navy, Coast Guard, fishermen ... often works long days at sea. Keywords: Soap, Eco-friendly, Detergency, Seawater. Nhận bài ngày 16 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 30 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 22 tháng 02 năm 2016 Địa chỉ: Viện Công nghệ mới/Viện KH-CN quân sự * Email : Hoangviet1015@gmail.com