新型節(jié)能環(huán)保型生物和物理洗滌材料研究

郁小兵 沈 軍 張志華 陳 瑤

1.江蘇安惠生物科技有限公司，江蘇 南通 226010

2.同濟(jì)大學(xué)納米材料與技術(shù)研究中心，上海 200092

3.廣東平易環(huán)保科技有限公司，廣東 汕頭 515041

4.上海市特殊人工微結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092

1 研究背景

衣物及各種家居用品的洗滌是人們?nèi)粘Ｉ钪凶罨镜男枨笾?，因此，全世界每年要消耗大量的各種各樣的洗滌劑，這些洗滌劑的絕大部分最終都通過各種途徑流向了地球表面的水體中，給環(huán)境造成了很大的污染和危害。雖然無磷洗滌劑已經(jīng)得到推廣，但是磷僅僅是一種主要污染物，洗滌劑中的其他成分，包括各種表面活性劑、輔助劑等對(duì)環(huán)境均存在不同程度的污染。因此，尋求更加安全環(huán)保的洗滌方式是人們的共識(shí)。

在我國，大部分人洗衣服還是選用傳統(tǒng)的洗衣粉、洗衣液或肥皂等，這些洗滌劑對(duì)環(huán)境造成的污染程度相對(duì)較高。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)越來越重視，研發(fā)一種對(duì)環(huán)境友好的洗滌用品非常重要。

傳統(tǒng)洗滌劑大量使用表面活性劑，其重要作用之一就是減少水的表面張力，增加水的活性，從而增加洗滌效果。天然礦物電氣石由于其獨(dú)特的壓電等物理效應(yīng)，可以明顯降低水的表面張力，增加水的活性[1]，因此本文基于電氣石及其他礦物，研究其對(duì)普通衣物的洗滌效果。

2 研究方法

研究方法分下面3步進(jìn)行：①調(diào)查研究傳統(tǒng)洗滌劑的成分、洗滌原理和洗滌效果；②研究分析新型節(jié)能環(huán)保生物和物理洗滌材料的成分、洗滌效果及洗滌原理；③將兩者進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)礦物新材料在使用過程中出現(xiàn)的問題提出解決思路和方案。

2.1 傳統(tǒng)洗滌劑的成分、洗滌原理和洗滌效果

傳統(tǒng)洗滌劑無論是洗衣粉還是洗衣液，其主要功效成分基本相同，主要是各種表面活性劑和各種輔助劑。下面列出的是常用洗衣粉的主要成分和作用。

洗衣粉的成分共有五大類：活性成分、助洗成分、緩沖成分、增效成分、輔助成分。

活性成分：陽離子表面活性劑（脂肪酸鹽、磺酸鹽、硫酸酯鹽、磷酸酯鹽）；陰離子表面活性劑（羧酸鹽、硫酸酯鹽、磺酸鹽和磷酸酯鹽）；非離子表面活性劑（如：烷基酚聚氧乙烯醚、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、聚氧乙烯胺、聚氧乙烯酰胺、聚丙二醇的環(huán)氧乙烷加成物、聚氧乙烯化的離子型表面活性劑……）。

助洗成分：部分含磷，部分無磷。

緩沖成分：純堿（碳酸鈉）、水玻璃（硅酸鈉）。

增效成分：酶、漂白劑（次氯酸鈣、氯化鈣）。

輔助成分：香精等。

其主要作用包括：①降低水的表面張力，對(duì)硬水起軟化作用；②可使污垢懸浮在溶液中而不沉淀在纖維上；③有良好的緩沖作用，在遇到酸性污垢時(shí)能保持水的pH值幾乎不變；④幫助污垢顆粒成型；⑤有利于去除油性和酸性污垢。

利用這些組分的作用，洗衣粉的洗滌效果就很好。本文采用普通的扇牌洗衣粉，對(duì)一塊人為弄臟的白毛巾進(jìn)行了洗滌，洗滌結(jié)果見“研究結(jié)果與討論”。洗衣液的洗滌作用和效果與洗衣粉類似，這里不詳述。

2.2 新型節(jié)能環(huán)保生物和物理洗滌材料的成分、洗滌效果及洗滌原理探究

本實(shí)驗(yàn)采用的礦物新材料選用電氣石粉、石英粉、硅砂、麥飯石、海藻類海底石及利用貝殼制備的羥基磷灰石等天然原料，經(jīng)高溫?zé)贫啥喾N高性能非致密陶瓷球（圖1），不同顏色系礦物組分有所不同。其中黑色主含電氣石，其他顏色分別主含海藻類海底石、貝類羥基磷灰石等，分別起到吸附、離子平衡、釋放負(fù)離子等作用。

圖1 新型節(jié)能環(huán)保生物和物理洗滌材料

將這些生物和物理洗滌材料放入洗衣機(jī)，對(duì)采用同樣方法弄臟的白毛巾進(jìn)行洗滌，發(fā)現(xiàn)與扇牌洗衣粉無顯著差異。

新型節(jié)能環(huán)保生物和物理洗滌材料（圖2）能釋放遠(yuǎn)紅外線，增加水的活性和滲透性。

圖2 天然電氣石原石（上）及粉末（下）

3 研究結(jié)果和討論

3.1 洗衣粉與新材料的洗滌效果對(duì)比

圖3是扇牌洗衣粉對(duì)一塊污染毛巾進(jìn)行2 min洗滌（普通家用洗衣機(jī)YOKO小鴨小管家連續(xù)工作）前后的對(duì)比，可見毛巾干凈了許多。

圖3 白毛巾經(jīng)扇牌洗衣粉2分鐘洗滌前（上）、后（下）的對(duì)比

圖4是黑色新材料對(duì)同樣條件污染的同樣品牌毛巾用同樣洗衣機(jī)洗滌2 min前后的對(duì)比，可見黑色新材料也具有很好的洗凈效果。其他顏色的新材料也分別進(jìn)行了同樣的洗滌實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其他3種的洗滌效果略差。

圖4 黑色新材料2分鐘洗滌前（上）、后（下）的對(duì)比

3.2 紅外光譜測(cè)試

進(jìn)行紅外光譜測(cè)試（圖5、圖6），可見黑色陶瓷球含有與電氣石原石完全吻合的特征吸收峰A、B、C，說明黑色陶瓷球含有明顯的較多電氣石成分。其他的棕色球、灰色球、白球（小）也含有不同程度電氣石的特征吸收峰A、B、C，說明也含有較明顯的電氣石成分（棕色、灰色小球），而白球（大）不含電氣石成分。

圖5 紅外光譜，自上而下：1.KBr本底；2.電氣石；3.黑色陶瓷球

圖6 紅外光譜，自上而下：1.棕色球；2.灰色球；3.白球（小）；4.白球（大）

3.3 凈衣原理討論

新材料主要靠的是綜合效果。電氣石是一種以含硼為特征的鋁、鈉、鐵、鈣、鎂的環(huán)狀硅酸鹽晶體礦物，具有壓電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)和鐵電效應(yīng)[2-3]，具有發(fā)射遠(yuǎn)紅外線能力[4]。在洗衣機(jī)工作時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致新材料中各礦物硬質(zhì)小球間相互摩擦、擠壓，甚至還有部分細(xì)小碎片脫落進(jìn)入水中。由于摩擦和擠壓，小球表面受到力的作用，電氣石的壓電效應(yīng)使其表面帶電，輕微電解水并釋放遠(yuǎn)紅外電磁波。同樣由于摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，熱釋電效應(yīng)也會(huì)使電氣石材料表面帶電，輕微電解水并釋放遠(yuǎn)紅外電磁波。永久電極性[3]使電氣石表面在厚度幾十微米的范圍內(nèi)存在高達(dá)107 V/m的電場(chǎng)強(qiáng)度，可以把水分子電解，使水呈現(xiàn)弱堿性[5]，從而提高水的界面活性，增強(qiáng)水的滲透力和溶解力[6]。電氣石在常溫下發(fā)射的波長(zhǎng)為4～14 μm的遠(yuǎn)紅外線，發(fā)射率在0.90以上，能夠活化水分子[7-8]。因此，電氣石與水相互作用后，可以增強(qiáng)水的洗滌效果。

水分子由2個(gè)氫原子和1個(gè)氧原子構(gòu)成，接觸到表面帶電的電氣石就會(huì)產(chǎn)生輕微的電解，變成H+和OH-，而H+更易被電氣石帶電表面吸附，因此水中會(huì)出現(xiàn)過量的OH-而呈弱堿性，水的pH值為7.4左右，這種堿性負(fù)離子水具有較強(qiáng)的活性和洗滌功能。

另外，電氣石對(duì)液態(tài)水團(tuán)簇有重要影響[9-10]，可減小水分子團(tuán)簇，降低水分子締合度。通常情況下水不會(huì)以單獨(dú)的水分子存在，它會(huì)以氫鍵相互結(jié)合，形成分子集團(tuán)，稱為分子束。一般自來水的分子束為12～16個(gè)水分子，一旦水含有氯或重金屬等不純物時(shí)，這些不純物會(huì)進(jìn)入分子束中，形成數(shù)十個(gè)（一般為35～36個(gè)）分子的大團(tuán)簇，抑制水分子的活動(dòng)，所以受到污染的水惰性比較大，洗滌能力大大下降。這就是為什么在傳統(tǒng)洗滌用品中要加入大量表面活性劑的原因。而如果利用電氣石發(fā)出的4～14 μm的遠(yuǎn)紅外電磁波作用于分子束較高的水，就會(huì)打斷分子束中的氫鍵，使大分子團(tuán)簇分裂成含5～6個(gè)水分子的理想小分子束。通?；罨乃褪?～6個(gè)分子結(jié)合的分子束，在此狀態(tài)下，水分子的活動(dòng)最旺盛，滲透能力強(qiáng)，與污垢分子容易結(jié)合，因此可以方便滲入到織物纖維內(nèi)部，使污垢從衣物上脫離，從而達(dá)到理想的洗滌效果。

那些含電氣石少或不含電氣石的礦物陶瓷球可以在水中通過摩擦等運(yùn)動(dòng)，釋放多種礦物質(zhì)離子，平衡水中的離子濃度，同時(shí)部分礦物質(zhì)（如羥基磷灰石等）對(duì)污染物有較強(qiáng)的吸附作用，可以有很好的輔助洗滌效果。因此，將這些礦物質(zhì)球以合理的比例配比，封裝在特別設(shè)計(jì)的鏤空塑料外殼中，可以達(dá)到較好的洗衣效果。

3.4 新材料洗滌后水的情況研究

洗衣粉、洗衣液等洗滌完后，水是很臟的，至少含有大量的表面活性劑、增白劑、助洗劑等，對(duì)人和環(huán)境會(huì)造成很大危害。

將用新材料洗滌20 min后的水做一個(gè)紅外光譜，同時(shí)用普通自來水做一個(gè)紅外光譜進(jìn)行對(duì)比（圖7），可見兩者沒有明顯區(qū)別。普通自來水經(jīng)新材料20 min洗滌后，水中不顯示明顯的其他雜質(zhì)或污染物的光譜；而用洗衣粉洗滌后的水成分就比較復(fù)雜，紅外光譜顯示多個(gè)有機(jī)基團(tuán)的吸收峰。

圖7 自來水與新材料洗滌后的水，以及洗衣粉洗滌后的水的紅外光譜對(duì)比

造成這種結(jié)果的原因很簡(jiǎn)單，新材料在工作時(shí)主要通過相互摩擦、擠壓等釋放電荷和遠(yuǎn)紅外電磁波，沒有化學(xué)物質(zhì)釋放出來，僅僅有礦物質(zhì)離子及微量礦物經(jīng)摩擦進(jìn)入到水中，因此，新材料本身的損耗是非常小的，這也是為什么新材料可以反復(fù)使用200次到500次，有些甚至可以使用1000次的原因。這些掉下的礦物不僅含量很少，而且是一些鎂鈣的化合物，都是無機(jī)物，類似礦泉水中的礦物質(zhì)，對(duì)環(huán)境沒有不良影響。因此，用新材料洗滌后的水排放是安全環(huán)保的。

3.5 新材料的局限及解決辦法

洗衣實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于油性特別大的污漬，單純使用新材料洗滌效果不是很理想，主要原因是油性污染物大多為非極性分子，而水本身是極性分子，他們之間很難相容，因此很難用水將其洗掉。雖然電氣石可以大大增加水的活性，增加水的滲透性，但改變不了水是極性分子的基本特性，因此電氣石較難解決純油性的污漬。解決這個(gè)問題可以配備特殊的環(huán)保去污膏，對(duì)于油性大的頑固污漬，在洗滌前先在污漬表面涂抹一些擁有非極性基團(tuán)的去污膏，然后再與新材料一起放入洗衣機(jī)洗滌，效果就會(huì)很好。

4 研究結(jié)論與展望

第一，含有適當(dāng)電氣石及其他礦物質(zhì)成分的新材料具有與洗衣粉類似的凈衣效果，但是由于洗滌的水中不含有毒有害物質(zhì)，因此是安全環(huán)保的，值得推廣。

第二，洗衣粉不僅污染環(huán)境，而且對(duì)皮膚特別是敏感性皮膚及透皮性吸收存在損害隱患，須漂洗多次，耗水耗電，而新型生物物理洗滌材料節(jié)水節(jié)電，只需漂洗1次，可節(jié)省大約1/3的水電，這對(duì)我國節(jié)能減排、碳中和，以及創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)具有極其重大的戰(zhàn)略意義。

第三，環(huán)保型生物和物理洗滌新材料研究是一項(xiàng)多學(xué)科的顛覆性創(chuàng)新，涉及生物、物理、環(huán)境、醫(yī)學(xué)、水資源循環(huán)利用等多學(xué)科交叉協(xié)同，尚有許多課題需要多學(xué)科聯(lián)合探索、發(fā)現(xiàn)。但是可以肯定的是，環(huán)保型生物和物理洗滌新材料對(duì)我國節(jié)能減排、碳中和，以及創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)具有極其重要的應(yīng)用前景。