Anonim

Nanodiamond vaskemiddel kan gøre dit tøj gnistre

Omkring hjemmet

Brian Dodson

2. juli 2012

4 billeder

Diamanter i din vaskemaskine kan gøre dit tøj gnistre (Foto: Shutterstock)

Vi vasker alle, eller er måske heldige nok til at have nogen, der gør vasketøj til os. Størstedelen af ​​denne vask foregår i varmt eller varmt vand, fordi de fleste vaskemidler, uanset påstanden om vaskemidler, ikke virker meget godt i koldt vand. Desværre skal vaskevandet opvarmes, og det giver en gennemsnitlig vasketemperatur på ca. 40 ° C (104 ° F), der bruger ca. 5-10 kWh pr. Belastning. Hvis både vandets temperatur og mængden af ​​vand, der anvendes til vask af tøj, kan skæres i halvdelen, kan der spares næsten en bilion kilowatt-energimængde hvert år - 0, 5% af verdens samlede energiforbrug. Alt, der stopper os, er at finde bedre vaskemidler. Det er der diamanterne kommer ind.

Den kemiske ingeniørudfordring, der præsenteres ved en vaskevask, er betydelig. En gennemsnitlig belastning af tøjvask indeholder 40-120 gram snavs (1, 4-4, 2 oz). Dette snavs er en hekss bryg af proteiner, carbs, stivelser, kulbrinter, fedtstoffer, mineraler, ler og andre schmutz, der er moset mellem og inden for fibrene i de forskellige stoffer. Næsten alt dette materiale er hydrofobt, det vil sige aktivt afviser vand, fordi det har lavere overfladeenergi end vand. (Et alternativt udtryk er lipofilt, da snavs er olielignende og tiltrækkes af mere olie.) Så hvordan får vi dette hydrofobe snavs suspenderet i vaskevandet, så det kan fjernes ved dræning og skylning? Dette er opgaven med vaskemiddelet.

Kemisk struktur af sæbe - venstre ende har strukturen af ​​en olie, mens den højre ende har en struktur, der er tiltrukket af vand (Billede: Røgfoot)

Et grundlæggende vaskemiddel er også kendt som et overfladeaktivt stof. Et overfladeaktivt middel er typisk et organisk molekyle, som har to adskilte kemiske grupper, hvoraf den ene er hydrofil, og den anden er hydrofob. I ovenstående figur vises det ældste kendte overfladeaktive middel - en simpel sæbe. Soppemolekylet er i alt væsentligt et lineært carbonhydrid med et natriumsalt i den ene ende.

Skematisk struktur af en micelle. Den hydrofile ende af de overfladeaktive molekyler hviler i kontakt med den vandige opløsning omkring micellen, medens de hydrofobe (eller lipofile) kæder forbliver i oliedråben indesluttet af micellen (Billede: Emmanuel Boutet via Wikimedia)

Når et overfladeaktivt middel sættes i vand og mekanisk blandes med olie, optages olien i miceller, som vist i figuren ovenfor. Overfladen af ​​micellerne er glade i kontakt med vand, så olien kan adskilles i små dråber (måske 10-20 nm i størrelse). Desuden giver disse miceller ikke olien til konglomerat i større dråber, så olien forbliver suspenderet i vandet. Fjernelse af vaskevandet og skylning af vasketøjet fjerner så det meste af snavs.

Et ægte vaskemiddel indeholder mere sofistikerede overfladeaktive stoffer end sæbe, som regel, så de fungerer bedre i hårdt vand. Derudover er vaske- og rengøringsmidler sædvanligvis ca. 50% vandblødgørere, der tilsættes kemikalier for at fjerne calciumioner fra vaskevandet. De kan også omfatte blegemiddel, enzymer (for at hjælpe med at nedbryde fedtet snavs, så det kan opløses), skummidler, farveoverføringshæmmere, duft og mange andre tilsætningsstoffer.

Vaskemidler gør et bemærkelsesværdigt godt arbejde med en meget kompleks kemisk proces. Men de fleste konventionelle vaskemidler virker ikke godt i koldt vand. De sværeste ingredienser i snavs til opløsning med vaske- og rengøringsmidler er krystalliseret fedt og andre lipidmolekyler - ikke for overraskende, som vi ved, at fedtstikker er gode til at smøre. Professor Andrew Marsh og hans team ved University of Warwick besluttede at tage fat på dette problem.

De kom op med den tilsyneladende vanvittige ide at tilføje diamanter til vaskemiddel til at forbedre sin kolde vaskeevne. Men lad os grave ned for at opdage, hvorfor denne tilgang ikke er så fjollet som det kan synes ved første øjekast.

For det første er et centralt skridt i diamantudvindingen samt fremstilling af syntetisk diamant at adskille diamanter fra gangen (affaldsmaterialet) ved at passere det diamantholdige materiale over et fedtbord. Overfladerne på en diamant er meget hydrofobe, så diamanterne holder sig til fedtet. Det er derfor, smykker butikker har ultralyd rengøringsmidler, at forsigtigt skrubbe væk på den fedtede overflade af en diamant. Så ideen om, at herunder diamanter i vaskeprocessen kan ændre, hvordan det krystalliserede fedt reagerer på tilstedeværelsen af ​​vaskemiddelet, har en vis begrundelse.

For det andet er industrielle diamanter næsten ikke så dyre, som du måske tror. En perle-kvalitet en-karat diamant (vejer 0, 2 gram / 0, 007 oz) kan nemt koste US $ 10.000. I modsætning hertil kan industrielle diamantkorn i store mængder koste så lidt som fire eller fem cent per karat, eller omkring 200 dollar pr. Kg. Koncentrationen afgjort ved marts team var 0, 1 g / liter (0, 003 oz / 0, 26 gal US) af vaskevand (ca. 0, 0025 volumenprocent), hvilket kun ville tilføje en amerikansk dollar til en gennemsnitlig last vaskeri.

Fem nanometer diamanter set af et scanning elektronmikroskop (Foto: University of Warwick)

For det tredje kan man mistanke om, at en sådan lille mængde diamant ikke kunne have nogen mærkbar effekt på vaskeprocessen. Dette er en af ​​grundene til, at Marshs hold studerede effekten af ​​at tilføje fem nanodiamanter med nanometer. Ved 0, 1 g / l er den gennemsnitlige afstand mellem individuelle nanodiamond-krystallitter ca. 200 nm. Når man mener at nanodiamanterne i vid udstrækning vil koncentrere sig om det værste snavs i tøjet, kan man forestille sig, at overfladegrupperne af krystalliseret fedt vil blive godt dækket af nanodiamanter.

Men vent - der er et indlysende problem her. Da nanodiamanterne er hydrofobe, hvordan kan de være godt spredt i vandbaseret vaskevæske? De bør agglomerere i større klynger af nanodiamanter, og i sidste ende slå sig ud af væsken eller i det mindste blive for sparsomme til at påvirke vaskeprocessen. Denne bekymring er gyldig og undgås ved først at danne et kolloid, som placerer overfladeaktive molekyler på overfladerne af nanodiamanterne. De overfladeaktive molekyler selvmonterer, så deres hydrofobe grupper er bundet til nanodiamondfladerne, og deres hydrofile grupper udsættes for det omgivende vand. Resultatet er, at nanodiamanterne bevarer deres individuelle identiteter og forbliver i suspension i vandet.

Det er måske overraskende, at tøjvask er dette kompliceret, men vi når den gode del. Måden at forestille sig de overfladeaktive belagte nanodiamanter, der angriber den krystalliserede voks, er som en flåde af meget små Pac-Man spise. Mundene forbliver lukkede, indtil de rammer voksoverfladen, hvorefter de overfladeaktive molekyler bevæger sig til side, hvilket gør det muligt for nanodiamonden at komme i kontakt med voksen. Nu fungerer nanodiamonden som et håndtag på vokskrystallitten, hvortil den er fastgjort, således at væskebevægelse og kollisioner virker for at bryde vokskrystallitten for at flyde væk med nanodiamonden. Når voks og nanodiamond er omgivet af vand, er det energisk gunstigt for nanodiamonden at adskille sig fra vokskrystallitten, hvorefter voksen er belagt med detergenterne, der også er til stede i vaskevæsken, og det overfladeaktive belagte nanodiamond regenereres for yderligere nedrivning af voksaflejringer.

Resultatet? Mængden af ​​fedt, der blev fjernet under en given vaskeprøve ved brug af vaske- og rengøringsmidlet med nanodiamanter, var dobbelt så meget, at der kun blev anvendt vaskemiddel. På dette tidspunkt er det ikke klart, at vi snart vil købe vaskemidler indeholdende nanodiamanter. Marshs forskning kan dog vise sig at være et udgangspunkt for en mere praktisk forbedring. Under alle omstændigheder stimulerer det sig til at støde på et forskningsprojekt, der er så effektivt at gnide en næs i den ekstraordinære kompleksitet af almindelige aktiviteter.

Kilde: University of Warwick

Fem nanometer diamanter set af et scanning elektronmikroskop (Foto: University of Warwick)

Kemisk struktur af sæbe - venstre ende har strukturen af ​​en olie, mens den højre ende har en struktur, der er tiltrukket af vand (Billede: Røgfoot)

Skematisk struktur af en micelle. Den hydrofile ende af de overfladeaktive molekyler hviler i kontakt med den vandige opløsning omkring micellen, medens de hydrofobe (eller lipofile) kæder forbliver i oliedråben indesluttet af micellen (Billede: Emmanuel Boutet via Wikimedia)

Diamanter i din vaskemaskine kan gøre dit tøj gnistre (Foto: Shutterstock)

Anbefalet Redaktørens Valg