Tenside

Lernen mit der BASF

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Geschichte und EntwicklungBereits das Volk der Sumerer vor mehr als 4500 Jahren verwendete eine selbst hergestellte seifenähnliche Substanz zum Waschen und Walken von Wollstoffen. Die reinigende Wirkung der Seife beschrieb sehr viel später der Arzt Claudius Galenos (131–201 nach Christus) aus Rom genauer. Im Mittelalter boomte das Handwerk der Seifensiederei schließlich..  Im 17. und 18. Jahrhundert jedoch wurden die neben dem Öl als Rohstoff benötigten Holz- und Pottaschen (Kaliumcarbonat) knapp. Man wusste bereits, dass das Salz-Mineral Soda (Natriumcarbonat, Na2CO3) die Pottasche bei der Seifenherstellung ersetzen konnte. Doch auch die natürlichen Sodavorräte waren begrenzt. Es begann deshalb ein Wettlauf um ein Patent zur künstlichen Sodaherstellung, das eine Produktion in großem Maßstab erlauben würde.

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Nicolas Leblanc 1742 – 1806

Dem Franzosen Nicolas Leblanc gelang es 1791 erstmals, Soda synthetisch zu erzeugen. Das Verfahren von Leblanc hatte jedoch Nachteile, denn es benötigte viel Energie und es fielen übel riechende Abfallstoffe an.

Michel Eugène Chevreul 1786 – 1889

1823 klärte der Franzose Michel Eugène Chevreul die chemischen Abläufe beim Verseifungsprozess auf. Er legte damit die wissenschaftliche Basis für die Tensidchemie. Man verstand nun den Zusammenhang zwischen Struktur und Waschwirkung der Seife – eine Voraussetzung, um weitere Substanzen mit waschaktiven Eigenschaften herzustellen.

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Friedlieb Ferdinand Runge1794 – 1867

Der deutsche Chemiker und Naturwissenschaftler Friedlieb Ferdinand Runge stellte im Jahr 1834 den Vorläufer der modernen synthetischen Tenside her: das „sulfonierte Öl“ aus Schwefelsäure und Olivenöl. Später wurde das Olivenöl in der Rezeptur durch das billigere Rizinusöl ersetzt. Ergebnis war das Türkischrotöl, das eine sehr gute benetzende Wirkung hatte. Es lässt Wasser dadurch leichter in Gewebe oder Textilfasern eindringen. Türkischrotöle spielen bis heute als Färbehilfsmittel und Emulgatoren eine wichtige Rolle.

Ernest Solvay1838 – 1922

Der belgische Chemiker Ernest Solvay entwickelte 1865 ein neues, effektiveres Verfahren (Solvay-Verfahren) zur Herstellung von Soda, das das Leblanc-Verfahren ablöste. Dadurch ließen sich Seifen endlich großtechnisch und deshalb preisgünstig produzieren. Schon bald gehörten sie in jedem Haushalt zum Standard und verbesserten die Hygiene.

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Fritz GünterChemiker 1877 – 1957

Fritz Günter entwickelte im Jahr 1916 das erste synthetische Tensid. Eigentlich war der Chemiker von BASF auf der Suche nach einem alternativen Lösungsweg für die Herstellung von Glycerin. Stattdessen erhielt er die so genannte Di-isopropanylnaphthalin-sulfonsäure. Diese seifenartige Substanz schäumte stark, wenn man sie mit Wasser vermischte. Mit ihr ließ sich die benetzende Wirkung einer Flüssigkeit deutlich erhöhen. Günthers Entdeckung erhielt den Namen Nekal® und eignete sich unter anderem für Wasch- und Reinigungsmittel oder für den Einsatz als Schaummittel in der Färberei.

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Aufbau von Tensiden

Tensidmoleküle bestehen aus einem Wasser liebenden (hydrophilen) Kopf und einem fettliebenden, aber wasserabstoßenden (hydrophoben) Schwanz. Chemiker nennen die Tensidmoleküle deshalb amphiphil (beides liebend).

Den Kopf bildet dabei eine geladene, polare Gruppe. Bei der Seife ist dies beispielsweise eine negativ geladene Carboxylgruppe (COO-). Der unpolare Schwanz trägt dagegen keine Ladung und besteht in der Regel aus einem längeren verzweigten oder unverzweigten Kohlenwasserstoff. Bei der Seife ist dies ein Alkylrest.

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Tensidklassen

Je nachdem, welche polare Gruppierung die Tenside besitzen, werden sie in verschiedene Klassen eingeteilt: Anionische Tenside besitzen einen hydrophilen, negativ geladenen Kopf, beispielsweise ein Carboxylat-Anion (-COO-), ein Sulfonat-Anion (-SO3

-) oder ein Sulfat-Anion (-SO4-).

Anionische Tenside machen heute den Hauptteil der Tenside in Wasch- und Geschirrspülmitteln aus.  Kationische Tenside wie Quartäre Dialkylammoniumester (Esterquats) enthalten als Kopf eine positiv geladene, stickstoffhaltige Gruppe (NR4

+). Als Gegenion fungieren Chlorid- (Cl-) oder Methylsulfat-Ionen (CH3OSO3

-). Kationische Tenside werden vor allem in Weichspülern verwendet.. Amphotere Tenside besitzen sowohl eine positive als auch eine negativ geladene Gruppe am Kopf. Meist ist der polare Teil aus einer Carboxylat-Gruppe (-COO-) und einer quartären Ammoniumgruppe (NR4

+) aufgebaut. Ein gutes Beispiel sind Alkylbetaine, die etwa in Shampoos zum Einsatz kommen.  Nichtionische Tenside oder Niotenside: Hier tragen die Köpfe keine Ladung. Der hydrophile Teil besteht aus einer stark polaren Gruppe (beispielweise Hydroxy-, Ether- oder Amidgruppen), der hydrophobe Schwanz aus einem langkettigen Kohlenwasserstoffrest. Wichtige Vertreter dieser Tensidklasse sind Fettalkoholethoxlate (FAE) und Fettalkoholethoxylate (FAEO). Niotenside wirken schon bei niedrigen Temperaturen.

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Globaler Tensidmarkt

Rund zwölf Milliarden Euro werden heute weltweit jährlich beim Handel mit Tensiden umgesetzt.

Mehr als die Hälfte des globalen Marktes entfällt dabei auf anionische, kationische und amphotere Tenside. Für den großen Rest sind die Niotenside verantwortlich, die in letzter Zeit aber immer größere Marktanteile erreicht haben.

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Großtechnische Seifenherstellung

Die wichtigsten Ausgangsstoffe für die traditionelle Seifenproduktion sind natürliche Fette und Öle wie Rindertalg, Schweineschmalz, Kokosöl, Palmöl oder Palmkernöl.

Ohne Erdöl und natürliche Fette und Öle wären Tenside nicht herstellbar. Denn sie sind die wichtigsten Rohstoffquellen für die Tensidsynthese. Neben den Fetten kommen dabei je nach Syntheseweg beziehungsweise gewünschtem Tensid noch einige weitere Chemikalien zum Einsatz. Dazu gehören unter anderem Chlor und Natronlauge, aber auch Zucker, Schwefelsäure, Kalilauge und andere Substanzen. Am Ende stehen Tenside rein auf Erdölbasis, nur aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellte Tenside oder gemischte Produkte.

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Großtechnische Seifenherstellung

Bei der Verseifung werden diese Fette und Öle mit Natronlauge (NaOH) oder Kalilauge (KOH) gekocht. Dadurch beginnt eine chemische Reaktion, bei der die Esterbindungen im Fettmolekül gespalten werden.

Heute stellt man Seifen vor allem mit großtechnischen Verfahren her. Herzstück solcher Anlagen sind so genannte Kolonnen. In diesen Apparaturen werden Fette und Öle bei hohem Druck (20 - 60 bar) und hoher Temperatur (250°C) hydrolytisch in Fettsäuren und Glycerin gespalten.

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Großtechnische Seifenherstellung

Das entstandene Glycerin wäscht man mit Wasser aus.

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Großtechnische Seifenherstellung

Die übrig bleibenden freien Fettsäuren müssen zunächst noch mithilfe eines speziellen Verfahrens, der so genannten Vakuumdestillation, gereinigt werden. Anschließend erfolgt die Neutralisation mit Natronlauge (NaOH) oder Soda (Natriumcarbonat, Na2CO3).

Neutralisation mit Natronlauge:R-COOH + NaOH → R-COO-Na+ + H2O Neutralisation mit Soda (Natriumcarbonat)2 R-COOH + Na2CO3 → 2 R-COO-Na+ + H2O + CO2.

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Großtechnische Seifenherstellung

Es entstehen die Natrium- oder Kaliumsalze der Fettsäuren. Diese Salze sind Tenside und bilden daher die eigentliche Seife.

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Großtechnische Seifenherstellung

Anschließend werden noch Parfüm sowie Farb- und Konservierungsstoffe zugesetzt.

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Großtechnische Seifenherstellung

Natriumsalze der Fettsäuren ergeben am Ende feste Kernseifen. Die entsprechenden Kaliumsalze sind weicher und werden als Schmierseife bezeichnet.

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Großtechnische Seifenherstellung

Als Ausgangsstoff in der modernen Seifenherstellung kommen jedoch nicht nur tierische und pflanzliche Fette oder Öle in Frage, sondern auch Erdöl. Daraus gewinnt man zunächst die benötigten Fettsäuren, die nach Neutralisation Seifen liefern. Da genügend natürliche Fette und Öle zur Verfügung stehen, hat dieses Verfahren allerdings keine wirtschaftliche Bedeutung.

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Großtechnische Seifenherstellung

Aus unterschiedlichen Ausgangsstoffen entstehen über unterschiedliche Verfahren die verschiedenen Tensidarten.

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Verringern Tenside die Oberflächenspannung?

Die Oberflächenspannung bewirkt, dass ein Wassertropfen möglichst Kugelgestalt und damit die kleinste mögliche Oberfläche annimmt. Sie verleiht der Wasseroberfläche eine besondere Festigkeit. Das nutzen beispielsweise die Wasserläufer aus. Diese Insekten laufen auf der Wasseroberfläche, ohne unterzugehen. Auch eine Büroklammer schwimmt deshalb auf der Wasseroberfläche.

Kommen jedoch Tenside ins Spiel, verliert die Wasseroberfläche ihre Stabilität. Die Tensidmoleküle ordnen sich so an, dass der hydrophile Kopf ins Wasser ragt und die hydrophoben Schwänze die Grenzfläche zwischen Wasser und Luft bilden. Dadurch wird der Zusammenhalt der Wassermoleküle empfindlich gestört. Die Oberflächenspannung verringert sich. Büroklammer und Wasserläufer können sich nun nicht mehr auf der Oberfläche halten und sinken.

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Tenside sorgen für Schaum

Wird eine Tensidlösung kräftig geschüttelt oder gerührt, gerät Luft in die Flüssigkeit - sie schäumt. Der Schaum entsteht, weil sich die Tensidmoleküle an der Grenzschicht von Luft und Wasser anordnen. Getrennt durch einen dünnen Wasserfilm bilden sie eine Tensiddoppelschicht, auch Lamelle genannt - die Hülle der Seifenblasen.  Anionische Tenside, vor allem die Fettalkoholethersulfate (FAES), schäumen meist sehr stark, nichtionische Tensiden dagegen im Allgemeinen weniger. Je nach Verwendungszweck lässt sich deshalb durch die Auswahl geeigneter Tenside das Schaumverhalten genau einstellen.

Vollwaschmittel im Bereich von 30°C bis 95°C zum Beispiel dürfen nur wenig schäumen. Hier wird durch den Zusatz von Schauminhibitoren die Elastizität der Lamellen herabgesetzt und die Blasen platzen schnell.

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Wo werden Tenside im Alltag eingesetzt?

Rund elf Millionen Tonnen Tenside werden jährlich weltweit produziert. Allein vier Millionen Tonnen davon gehen auf das Konto des linearen Alkylbenzolsulfonats (LAS), das für Wasch- und Geschirrspülmittel sowie Haushaltsreiniger verwendet wird.

Tenside sind längst ein unverzichtbarer Bestandteil unseres Alltags geworden – oftmals ohne, dass wir davon wissen.

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Können Tenside abgebaut werden?

Tenside gelangen nach ihrem Gebrauch üblicherweise in das Abwasser und damit in die Kläranlage. Dort werden sie biologisch abgebaut, d.h. durch Mikroorganismen in natürliche Stoffwechselprodukte umgewandelt.

Beim Primärabbau finden erste Abbauschritte der Tenside statt, ihre wesentlichen Strukturmerkmale bleiben jedoch noch erhalten. Die Tenside verlieren dadurch beispielsweise ihre Grenzflächenaktivität und die Fähigkeit zur Schaumbildung. Sie wirken dann auch nicht mehr giftig. Beim vollständigen Abbau wird das Tensid schließlich in kleine und einfache Grundbausteine zerlegt. Letztendlich bleiben nur Kohlendioxid (CO2), Wasser (H2O), Mineralsalze und Biomasse übrig.