Charakterystyka, rodzaje i występowanie brudu

Rozważania na temat zabrudzeń powinny być uprzedzone wyjaśnieniem terminu „czysty”. Z fizykochemicznego punktu widzenia powierzchnia jest czysta, gdy nie zawiera cząstek molekularnych innych niż te znajdujące się w wewnętrznych stykających się fazach. Taki stan jest trudno osiągnąć nawet w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. W znaczeniu praktycznym czysta powierzchnia zostanie osiągnięta, gdy doprowadzi się ją do pożądanego stanu z uwzględnieniem obecnych na niej cząstek obcych, a także gdy będzie wolna od niepożądanej obcej materii. Czystość według większości standardów oceniana jest wizualnie lub optycznie. Czystość takich powierzchni jak naczynia czy szkło określana jest często wizualnie i poprzez badanie zwilżalności powierzchni roztworami myjącymi. Czystość włókien tekstylnych ocenia się wizualnie oraz optycznie za pomocą leukometru lub kolorymetru [Johansson i Somasundaran 2007; Kohli i Mittal 2007].

Brudem określa się wieloskładnikową, niejednorodną mieszaninę substancji organicznych i nieorganicznych, pochodzenia zewnętrznego, gromadzącą się na powierzchni lub wewnątrz struktury różnych materiałów. Charakter zanieczyszczeń, ich skład i struktura zależą od warunków, w jakich powstało zabrudzenie.

Zabrudzenia można podzielić w zależności od różnego rodzaju kryteriów. Jednym z nich jest podział ze względu na właściwości fizyczne i przynależność do grupy związków chemicznych (tab. 1) [Przondo 2010].

Tab. 1. Rodzaje składników występujących w zabrudzeniach

Składniki zabrudzeń Organiczne Nieorganiczne

Rozpuszczalne w wodzie

- skrobia - węglowodany - białka – albuminy

- kwasy organiczne i owocowe

- sole nieorganiczne (chlorki, siarczany) - glinokrzemiany Nierozpuszczalne w wodzie - węglowodory

- tłuszcze pochodzenia roślinnego i zwierzęcego - kwasy tłuszczowe pochodzące z wydzielin skóry - benzyna, nafta

- smoły, asfalty

- syntetyczne żywice, masy uszczelniające, tworzywa sztuczne

- pył celulozowy pochodzący ze sproszkowanego drewna, papieru i pochodzenia wtórnego z ropy naftowej, węgla - smary, oleje - farby - lakiery - sadze - pył uliczny

- pył przemysłowy, cement - pył i proszek

krzemionkowy (piasek) - pigmenty mineralne

Źródło: Przondo J., 2010, Związki powierzchniowo czynne i ich zastosowanie w produktach chemii gospodarczej, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom, 332 - 333

Innym kryterium podziału brudu jest źródło jego pochodzenia. Wyróżnić można pyły pochodzące z atmosfery, substancje wywodzące się z wydzielin skórnych i ciała ludzkiego czy zwierzęcego, a także zanieczyszczenia powstałe na skutek aktywności człowieka, np. plamy wywodzące się z żywności, wyrobów chemii gospodarczej lub przemysłu (smary, oleje). Wiedza dotycząca składników brudu i rodzaju oddziaływań jego cząsteczek z powierzchnią, do której przylega, może pozwolić na skuteczne jego usunięcie [Smulders 2002].

W skład pyłów atmosferycznych głównie wchodzą cząstki kwarcu i agregaty glinokrzemianowe zawierające zamiennie Fe, K, Ca, Ti, Na, Mg i C (od kilkunastu do kilkudziesięciu procent). Zaledwie kilka procent w składzie zajmują: skalenie, łyszczyki, amfibole, pirokseny, minerały ciężkie, sferule, cząstki o pokroju włóknistym (włókna azbestowe i szklane), miedź rodzima, gips, grafit, kaolinit, sadza, koksik i inne. Najczęściej spotykaną fazą krystaliczną występującą w pyłach atmosferycznych jest krzemionka w postaci kwarcu SiO2 [Grafender 2010].

Plamami pochodzącymi z ciała ludzkiego lub zwierzęcego są mieszaniny potu, moczu i innych wydzielin. Składają się głównie z tłuszczu, białka, glikoprotein, składników krwi, soli i innych związków wydalanych przez organizm. Wydzieliny tłuszczowe zawierają głównie wielonienasycone kwasy tłuszczowe, triacyloglicerydy i nienasycone węglowodory, które będąc w kontakcie z ciepłem, powietrzem lub wilgocią ulegają autooksydacji. Końcowym efektem jest wyodrębnienie się wysokocząsteczkowej, lepkiej masy składającej się z tłuszczy, białek i węglowodorów, zbierającej wszelkie zanieczyszczenia z otoczenia i przenoszącej je na odzież.

Plamy pochodzące z napojów i żywności zawierają duże ilości tłuszczów roślinnych i zwierzęcych oraz białek. W produktach spożywczych obszernie stosowane są również barwniki i pigmenty (np. karoten, chlorofil), które są trudne do usunięcia z tkanin.

Skład brudu może być warunkowany geograficznie. Wiąże się to z naturalnym zróżnicowaniem pierwiastków w przyrodzie, zależnym od rejonu ziemi, a także z różnymi typami zachowań i zwyczajami ludzi zamieszkujących różne części świata. Dla przykładu Hiszpanie najczęściej pozostawiają plamy pochodzące z tłustych pokarmów, sosu pomidorowego i czekolady. Z kolei w Niemczech częściej można spotkać plamy pochodzące z błota, kawy, krwi, moczu czy też olejów i smarów używanych w przemyśle motoryzacyjnym [Aehle 2007].

Na właściwości brudu wpływają procesy fizyczne i chemiczne, przebiegające często samoistnie lub w wyniku działania czynników zewnętrznych (np. wysychanie). W czasie odparowywania wody, emulsja ulega rozbiciu, a zdyspergowane do tej pory cząstki brudu łączą się, w wyniku czego plamy stają się trudniejsze do usunięcia, ponieważ wymagają użycia dodatkowej energii niezbędnej do ich rozbicia. Pod wpływem temperatury i czynników chemicznych dochodzi do denaturacji białek, rozkładu tłuszczy, a także karmelizacji cukrów (przy T > 100ºC). Promieniowanie słoneczne i tlen z atmosfery wywołują polimeryzację tłuszczów. Pod wpływem tych procesów powstają plamy nierozpuszczalne w wodzie i trudniejsze do usunięcia.

Trudniejszym do pozbycia się jest brud przylegający, a nawet wnikający w strukturę materiałów szorstkich, np. tkanin. Zanieczyszczenia łączą się z niegładką powierzchnią przy pomocy kilku sił. Mając na uwadze włókna przędzalnicze, można wyróżnić następujące rodzaje sił:

 siły mechaniczne (słabe siły wiążące), cząsteczki przylegają mechanicznie i utrzymują się między włóknami tkaniny; siły te są słabsze na włóknach syntetycznych o gładszej powierzchni niż w przypadku naturalnych włókien celulozowych,

 siły chemiczne (występujące dosyć rzadko) dotyczą zabrudzeń barwnikami, np. plamy z owoców, wina, atramentu, rdzy, kosmetyków itd.; takie plamy są usuwane za pomocą specjalnych środków, które niszczą połączenia pomiędzy tkaniną a barwnikiem lub rozkładają sam barwnik na tkaninie,

 siły międzyfazowe (siły van der Waalsa w przypadku plam ciekłych); gdy zabrudzenie jest ciałem stałym lub cieczą polarną występuje proces adsorpcji, gdzie oddziaływują siły wiązania chemicznego; siła przylegania brudu do powierzchni zależy od właściwości adsorpcyjnych, które zależą od właściwości chemicznych i rodzaju powierzchni włókna,

 siły Coulomba są znaczące podczas usuwania brudu; ładunek elektrostatyczny brudu i włókien jest przeważnie ujemny, więc ich powierzchnie powinny się odpychać, ale wartość ich potencjałów elektrokinetycznych jest zbyt mała i nie stanowi przeciwwagi dla oddziaływań międzyfazowych; siły te są znaczące wówczas, gdy w roztworze piorącym podczas procesu prania potencjał elektrokinetyczny obu powierzchni rośnie, dzięki czemu następuje ich wzajemne odpychanie i brud zostaje usunięty [Przondo 2010].