Sabunlaşma – ultrasəs ilə sabun hazırlama prosesi

Sabunlaşma sabun hazırlamanın kimyəvi prosesidir. Bu reaksiyada xammal kimi istifadə olunan piylər və ya yağlar (triqliseridlər) sabun əmələ gətirmək üçün qələvi reaktantla reaksiyaya girir. Ultrasəs emalı fazalararası ötürmə katalizini yaxşılaşdıraraq reaksiyanın sürətini artırır, daha tam çevrilməni təmin edir və kalium hidroksid (KOH) və ya natrium hidroksid (NaOH) kimi əsasi reagentlərin həddindən artıq istifadəsinin qarşısını alır. Ultrasəs ilə başladılan qələvi hidrolizi kommersiya məqsədli sabun istehsalına asanlıqla tətbiq etmək mümkündür. Sabunlaşma üçün ultrasəs reaktorları heç bir katalizator istifadə etmədən və ya istifadə olunan katalizatorun miqdarını azaltmaqla daha qısa müddətdə daha çox məhsul istehsal edir.

Ultrasəs ilə sürətləndirilən sabunlaşma

Ultrasəs ilə sabunlaşmaya dair konkret tədqiqatlar

Müxtəlif tədqiqatlar göstərmişdir ki, ultrasəs emalı triqliseridlərin sabuna çevrilməsi ilə gedən sabunlaşmanı təşviq edir. Ultrasəs ilə sabunlaşma katalizator sərfini azaldaraq və ya katalizator istifadəsinə ehtiyacı aradan qaldıraraq çevrilməni sürətləndirir və onun dərəcəsini artırır. Bu, ultrasəs ilə sabunlaşmanı yüksək səmərəli istehsal üsuluna çevirir.

Faza katalizatoru olmadan triqliseridlərin qələvi hidrolizinin (sabunlaşmanın) ultrasəs ilə başladılması

Mercantili və başqaları (2013) ultrasəs emalının triqliseridlərin sabunlaşma kimi tanınan qələvi hidrolizinə təsirini tədqiq etmişlər. Onlar günəbaxan yağının qələvi hidrolizini başlatmaq üçün ultrasəs emalından istifadə etmişlər. Qələvi əsas kimi kalium hidroksid (KOH) istifadə olunmuşdur. Göstərilmişdir ki, ultrasəs reaksiyanı başlatmaq və davam etdirmək üçün enerji mənbəyi kimi effektivdir, ətraf mühit temperaturunda işləyərkən enerjinin ümumi tətbiq müddəti cəmi 15 min olduqda yüksək reaksiya çıxımına nail olmaq mümkündür və reaksiya zamanı aşkar edilə bilən əlavə məhsullar əmələ gəlmir. Ultrasəs vannası ilə zond tipli ultrasəs cihazının müqayisəsi ultrasəs zondunun daha üstün üsul olduğunu göstərir. Tədqiqat göstərir ki, ultrasəs ilə sabunlaşma artıq miqdarda qələviyə və ya fazalararası ötürmə katalizinə ehtiyac olmadan yaxşı çevrilmə dərəcəsi verir.

Triasilqliserolun qələvi hidrolizi

Sabunlaşma üçün ultrasəs ilə sürətləndirilən fazalararası ötürmə reaksiyası

Bhatkhande və başqaları (1998) göstərmişlər ki, soya yağı kimi bitki yağları ultrasəs emalı şəraitində KOH-un sulu məhlulu və müxtəlif fazalararası ötürmə katalizatorları (PTC) istifadə olunmaqla otaq temperaturunda səmərəli şəkildə sabunlaşdırıla bilər. Sabunlaşma dərəcəsi sabunlaşma ədədi istinad göstəricisi kimi götürülərək tədqiq edilmişdir. Müddət, fazalararası ötürmə katalizatorlarının seçimi, istifadə olunan katalizatorun miqdarı, KOH miqdarı və su miqdarı kimi müxtəlif parametrlər ultrasəs emalı və qarışdırma tətbiq edilməklə optimallaşdırılmışdır. Ultrasəsin təsirini tədqiq etmək üçün sabunlaşma həmçinin 35ºC-də müxtəlif şəraitlərdə, yəni qarışdırma, ultrasəs emalı, qarışdırma və ultrasəs emalı, eləcə də 100ºC-də qızdırma şəraitində aparılmışdır. Müəyyən edilmişdir ki, KOH/CTAB-ın sulu məhlulu istifadə olunmaqla müxtəlif bitki yağlarının heterogen maye–maye fazalı sabunlaşması 35ºC-də ultrasəs emalı və qarışdırma şəraitində əhəmiyyətli dərəcədə sürətlənmişdir.

Yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs cihazları

Hielscher Ultrasonics laboratoriya, pilot və sənaye istehsalı üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs avadanlığı təchiz edir. Möhkəm və etibarlı ultrasəs cihazları sabunlaşma kimi müxtəlif sonokimyəvi reaksiyalar üçün istifadə olunur. Hielscher şirkətinin zond tipli ultrasəs cihazları partiya və axın xəttində emal rejimlərində istifadə edilə bilər. Bütün mühüm proses parametrləri – amplituda, təzyiq, temperatur – dəqiq idarə oluna bilər və təkrarlana bilən nəticələri təmin edir.
Rəqəmsal idarəetmə sistemi proses parametrlərini avtomatik qeydə alır və onları inteqrasiya olunmuş SD kartda saxlayır. Əvvəlcədən təyin olunan parametrlər və brauzer vasitəsilə uzaqdan idarəetmə ultrasəs emalı prosesini çox sadə və istifadəçi üçün rahat edir.
Bir çox sonokimyəvi reaksiyada müəyyən temperatur saxlanmalıdır, buna görə temperaturun idarə olunması vacibdir. Hielscher şirkətinin rəqəmsal ultrasəs cihazları termocüt və temperaturun idarə olunması sistemi ilə təchiz edilir. Köynəkli axın hüceyrəsi istiliyin kənarlaşdırılmasına imkan verir.
Hielscher şirkətinin ultrasəs avadanlığının möhkəmliyi yüksək yük altında və çətin mühitlərdə 24/7 işləməyə imkan verir.
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal gücü barədə məlumat verir:

• Bhatkhande, B.S.; Samant, Shriniwas D. (1998): Sulu qələvidən istifadə etməklə bitki yağlarının ultrasəsin köməyi ilə PTC katalizli sabunlaşması. Ultrasonics Sonochemistry, cild 5, say 1, 1998. 7–12.
• Mercantili, Laura; Séamus, Frank Davis; Higson, P. J. (2014): Faza katalizi olmadan triqliseridlərin qələvi hidrolizinin (sabunlaşmanın) ultrasəs ilə başladılması. Journal of Surfactant and Detergents, cild 17, say 1, Jan 2014. 133–141.

Bilməyə dəyər faktlar

Sonokimya

Yüksək güclü ultrasəs reaksiyanı başlatmaq və intensivləşdirmək üçün sintez və kataliz kimi kimyəvi proseslərə tətbiq olunur (bunlar müvafiq olaraq sonosintez və sonokataliz də adlanır). Üzvi sintezdə ultrasəs şüalanmasının müxtəlif tətbiqləri dərindən tədqiq edilmiş və sənaye istehsalı üçün işlənib hazırlanmışdır. Sonokimyəvi emal əhəmiyyətli dərəcədə daha mülayim şəraitdə reaksiyanın sürətini, arzu olunan məhsulların çıxımını və selektivliyini artıra bilər. Bu, ultrasəs emalını effektiv və ekoloji təmiz emal üsuluna çevirir. Ultrasəsin köməyi ilə fazalararası ötürmə katalizinin (PTC) üzvi reaksiyalar üçün eyni reaksiyanın ultrasəssiz şəraitdə aparılması ilə müqayisədə kəskin şəkildə daha səmərəli və effektiv üsul olduğu sübut edilmişdir. Məsələn, ultrasəsin köməyi ilə fazalararası ötürmə katalizi ilə kataliz olunan Cannizarro reaksiyası əhəmiyyətli dərəcədə sürətlənərək sürətli çevrilməyə gətirib çıxarır. Digər mühüm nümunə katalizator kimi KOH və yüksək güclü ultrasəsin iştirakı ilə triqliseridlərin (yəni bitki yağları və heyvan piylərinin) və metanolun transesterifikasiyasıdır. Ultrasəs ilə transesterifikasiya sürətli çevrilmə və çox səmərəli, qənaətli proses vasitəsilə yüksək keyfiyyətli biodizel istehsalına gətirib çıxarır.

Ultrasəs ilə ekstraksiya akustik kavitasiyaya və onun hidrodinamik kəsilmə qüvvələrinə əsaslanır

Sabunlaşma

Sabunlaşma sabun əmələ gətirən kimyəvi reaksiyanı ifadə edir. Sabunlaşma prosesində bitki yağları və ya heyvan piyləri yağ turşularının duzlarına – “sabuna” – və spirt olan qliserola çevrilir. Reaksiyanı başlatmaq üçün qələvi əsasın (məsələn, NaOH və ya KOH) suda məhlulu və həmçinin istilik tələb olunur.
Sabunlaşma reaksiyasının mərhələləri aşağıdakılardır:

1. Hidroksidin yağ turşusu efirlərinə nukleofil hücumu
2. Ayrılan qrupun uzaqlaşdırılması
3. Deprotonlaşma

Sabunlaşma reaksiyası kommersiya məqsədilə sabun və sürtkü materialları istehsal etmək üçün istifadə olunur.
Natrium hidroksidlə hazırlanan bərk sabun və kalium hidroksidlə hazırlanan yumşaq sabun gündəlik təmizlik üçün istifadə olunsa da, digər metal hidroksidlərindən istifadə etməklə istehsal olunan xüsusi sabunlar da mövcuddur. Məsələn, litium sabunları və kalsium sabunları plastik sürtkü materialları kimi istifadə olunur. Metal sabunlarının qarışığından ibarət “kompleks sabunlar” da mövcuddur.

Hidroliz

Hidroliz üzvi kimyəvi maddənin su ilə reaksiyaya girərək iki və ya daha çox yeni maddə əmələ gətirməsini əhatə edir və adətən suyun əlavə olunması ilə kimyəvi rabitələrin parçalanmasını ifadə edir. Efirlər su və bir əsasla reaksiyaya girərək yenidən karboksil turşusuna və spirtə parçalana bilər. Sabun piy və ya yağ efirlərinin hidrolizi ilə istehsal olunur.

Qələvi əsas

Yağların və piylərin sabunlaşması üçün qələvi əsas reaktantları (qələvi məhlulları) tələb olunur. Qliserol və yağ turşusunun duzunu, yəni “sabun” adlanan maddəni istehsal etmək üçün triqliseridlər bir əsasla – natrium və ya kalium hidroksidlə – reaksiyaya daxil edilir. Kalium hidroksid formulu KOH olan qeyri-üzvi birləşmədir və adətən kaustik kalium adlanır. Natrium hidroksid (NaOH) güclü əsasların başqa bir tipik nümunəsidir. Natrium hidroksid istifadə olunduqda bərk sabun alınır, kalium hidroksidin istifadəsi isə yumşaq sabunun alınmasına gətirib çıxarır.

Reaktant və reagent

Reaktant kimyəvi reaksiyada sərf olunan və ya tükənən maddədir. Reagentlə müqayisədə reaktant daha böyük miqdarda tələb olunur. Reagent reaksiyanı başlatmaq və dəstəkləmək üçün istifadə olunan və reaksiyada sərf olunan maddədir; bu baxımdan reaksiyada sərf olunmayan katalizatorlardan fərqlənir.

Sabunlaşma – tez-tez verilən suallar

• Sabunlaşma prosesi nədir? Sabunlaşma piylərin və ya yağların qələvi ilə (adətən natrium hidroksidlə) reaksiyaya girərək sabun və qliserol əmələ gətirdiyi kimyəvi prosesdir. Bu reaksiya triqliseridlərin yağ turşularının duzlarına və qliserola hidrolizini əhatə edir.
• Sabunlaşma hansı reaksiya növüdür? Sabunlaşma piylərdə və ya yağlarda efir rabitələrinin qələvi ilə parçalandığı hidroliz reaksiyasının bir növüdür.
• Niyə sabunlaşma adlanır? Bu ad onun son məhsulu olan sabundan və triqliseridlərdəki efir rabitələrinin hidrolizi vasitəsilə sabun əmələ gətirmək qabiliyyətindən irəli gəlir.
• Sabunlaşmanın məqsədi nədir? Əsas məqsəd təmizləmə və yuma üçün geniş istifadə olunan səthi aktiv maddə olan sabunu istehsal etməkdir.
• Sabunlaşma hidrolizdirmi? Bəli, sabunlaşma piylərin və ya yağların qələvi ilə qliserola və yağ turşularının duzlarına (sabuna) parçalanmasını əhatə edən xüsusi hidroliz növüdür.
• Sabunlaşmanın mexanizmi necədir? Bu mexanizm hidroksid ionlarının triqliseridlərdəki efir rabitəsinin karbonil karbonuna nukleofil hücumunu əhatə edir və nəticədə spirt (qliserol) və sabun əmələ gəlir.
• Sabunlaşmada qarışdırma niyə vacibdir? Səmərəli qarışdırma reaktantlar arasında tam təması təmin edərək optimal çıxımlara nail olmaq üçün vacib olan daha tam və bərabər gedən reaksiyanı təşviq edir. Hielscher ultrasəs qarışdırıcıları intensiv kavitasiya və kəsilmə qüvvələri vasitəsilə bu prosesi gücləndirə bilər.
• Sabunlaşmaya hansı nümunəni göstərmək olar? Sabun və qliserol istehsal etmək üçün Hielscher ultrasəs reaktorunun iştirakı ilə natrium hidroksidin kokos yağı ilə qarışdırılması sabunlaşmaya nümunədir.
• Sabunlaşmanın əsas məhsulu nədir? Əsas məhsullar sabun (yağ turşularının natrium və ya kalium duzları) və qliseroldur.
• Sabunlaşma ədədi niyə vacibdir? Sabunlaşma ədədi müəyyən miqdarda piyi və ya yağı sabunlaşdırmaq üçün lazım olan qələvi miqdarını göstərir və onun tərkibindəki yağ turşularının molekul kütləsini müəyyən etməyə kömək edir.
• Sabunlaşma dönər reaksiyadırmı? Tipik şəraitdə əmələ gələn sabunun sabit təbiətinə görə sabunlaşma dönər deyil.
• Sabunlaşmanın əks prosesi nədir? Su və spirtlərin karboksil turşuları ilə reaksiyaya girərək efirlər və su əmələ gətirdiyi esterifikasiya əks prosesdir.
• Sabunlaşma istilik tələb edirmi? İstilik tələb olunmasa da, molekulyar hərəkəti və reaksiyanın sürətini artırmaqla sabunlaşma prosesini sürətləndirə bilər.
• Sabunlaşma ekzotermikdir, yoxsa endotermik? Sabunlaşma gedişi zamanı istilik ayıran ekzotermik reaksiyadır.
• Sabunlaşma əsasi reaksiyadır, yoxsa turşu reaksiyası? Bu, əsasi reaksiyadır, çünki əsasın (qələvinin) efirə (piyə/yağa) təsirini əhatə edir.
• Sabunlaşmanı necə dayandırmaq olar? Qələvini neytrallaşdırmaq üçün turşu əlavə etmək reaksiyanı dayandırır və bununla sabunlaşma prosesinə son qoyur.
• Sabunlaşmadan sonra nə baş verir? Reaksiya tam başa çatdıqdan sonra qarışıq adətən sabun və qliseroldan ibarət olur; bunlar nəzərdə tutulan istifadədən asılı olaraq təmizlənə və ya əlavə emal oluna bilər.
• Sabunlaşma təbii prosesdirmi? Bəli, təbii sabunlaşma müəyyən geoloji şəraitdə piy qələvi-torpaq metalları ilə təmas etdikdə baş verə bilər; həmçinin qədim xalqların ənənəvi sabun hazırlama üsullarında heyvan piylərini küllə qarışdırması zamanı da baş verə bilər.
• Sabunlaşmada zeytun yağı niyə istifadə olunur? Zeytun yağı olein turşusu ilə zəngin olduğu üçün sabunlaşmada üstün tutulur; bu turşu yaxşı təmizləmə xüsusiyyətlərinə və sabit köpüyə malik yumşaq təsirli, nəmləndirici sabun verir.
• Piyi sabuna necə çevirmək olar? Piylər onları güclü qələvi məhlulu, adətən natrium hidroksid məhlulu ilə qızdırmaqla sabunlaşma vasitəsilə sabuna çevrilir; bu məhlul piyi yağ turşularının duzlarına (sabuna) və qliserola parçalayır.
• Hansı yağın sabunlaşma ədədi yüksəkdir? Kokos yağının sabunlaşma ədədi yüksəkdir; bu, daha kiçik yağ turşusu molekullarının payının daha yüksək olduğunu göstərir və onu sabun əmələ gətirmək üçün qələvi ilə reaksiyaya girməyə çox meyilli edir.
• Sabunlaşma zamanı yağlara nə olur? Sabunlaşma zamanı yağlar qələvi ilə qliserola və yağ turşularının duzlarına hidroliz olunur; bu duzlar sabunu əmələ gətirir.
• Sabun üçün ən yaxşı piy hansıdır? Mal piyi və kokos yağı son sabun məhsulunda köpüklənmə və bərkimə xüsusiyyətlərinə görə sabun hazırlamaq üçün ən yaxşı yağ və piylərdən sayılır.
• Yağları qələvi məhlulu olmadan necə sabunlaşdırmaq olar? Ənənəvi sabun hazırlamada yağları qələvi məhlulu olmadan sabunlaşdırmaq mümkün deyil; lakin qələvi məhluluna əsaslanan sabunlaşma əvəzinə səthi aktiv maddələrdən və emulqatorlardan istifadə etməklə sabuna bənzər təmizləyici vasitələr hazırlamaq olar.