Synthetische Tenside – Segen und Fluch zugleich

Die Natur macht es uns vor: Saponine, Lecithine und Phospholipide sind pflanzliche Inhaltstoffe von Hülsenfrüchten, Kastanien, Nüssen und vielen anderen. Trotz aller chemischen Unterschiede ist diesen Substanzen eine Eigenschaft gemein: Sie können die Grenzflächenspannung zwischen miteinander nicht mischbaren Phasen soweit herabsetzen, dass beide unter Bildung von Suspensionen oder Dispersionen nebeneinander bestehen können. Es handelt sich um natürliche Tenside. Die moderne Chemie hat sie längst „nachgebaut“ und, angepasst an den jeweiligen Verwendungszweck, verfügbar gemacht. So sind synthetische Tenside heute nicht nur nützliche Helfer im Haushalt beim Wäschewaschen, Hausputz und als Geschirrspülmittel, sondern für viele Industriebereiche unverzichtbar geworden.

Tenside und Detergenzien

Der Begriff „Tensid“ wird im alltäglichen Gebrauch oft als Synonym für „Detergens“ oder „Reinigungsmittel“ verwendet. Tenside im eigentlichen Sinn sind jedoch Stoffe, welche einen Reinigungsprozess lediglich unterstützen.

Die Begriffe „Detergens“ und „Reinigungsmittel“ beziehen sich hingegen auf Produkte, die neben dem Tensid noch weitere Substanzen enthalten.

Die EU Verordnung Nr. 648/2004, Absatz 2.1, definiert ein Detergens deshalb auch als einen „Stoff oder eine Zubereitung, welcher/welche Seifen und/oder andere Tenside enthält und für Wasch- und Reinigungsprozesse bestimmt ist.“

Wirkungsweise

Die Vielseitigkeit der Verwendung von Tensiden liegt in den Strukturmerkmalen dieser Moleküle sowie deren vielfältige Möglichkeiten der Zusammensetzung und den daraus resultierenden chemischen und physikalischen Eigenschaften. Tenside haben eine amphiphile Molekülstruktur. Das bedeutet, sie sind mit einem hydrophilen und einem hydrophoben Teil ausgerüstet.

Der hydrophile Teil trägt polare Gruppen, wie Alkohol-, Ether-, Carboxylat- oder Sulfonatgruppen, die zur Wasserlöslichkeit beitragen, wohin gegen der hydrophobe Teil vorwiegend aus unpolaren Kohlenwasserstoffketten besteht, gesättigte oder ungesättigte Alkylgruppen, die in unpolaren Medien löslich sind.

Natriumlaurinat Hydrophober Alkylrest grau und hydrophile Carboxylatgruppe blau Synthetische Tenside
Natriumlaurinat: Hydrophober Alkylrest (grau) und hydrophile Carboxylatgruppe (blau)

Bei Perfluor- und Silicontensiden besteht der hydrophobe Teil aus perfluorierten Kohlenstoffatomen oder Siloxangruppen.

Durch ihren chemischen Aufbau sind all diese Substanzen grenzflächenaktiv und sind so in der Lage, auf Grund der Herabsetzung der Grenzflächenspannung Anhaftungen von Oberflächen zu entfernen und in der Schwebe zu halten.

Ab einer kritischen Tensid-Konzentration in Wasser oder einer anderen Flüssigkeit kommt es zur Bildung von Assoziationskomplexen, den sogenannten Mizellen. Hierbei agglomeriert ein Teil des Tensids in der Weise, dass sich der hydrophobe Rest vom Wasser weg ins Innere des Agglomerats richtet und nur der hydrophile Teil Kontakt zum umgebenden Wasser hat. Derartige heterogene Gemische werden als Dispersionen bezeichnet.

Mizelle in einer Tensidloesung Synthetische Tenside
Mizelle in einer Tensidlösung

Die Vielfalt an verfügbaren Tensiden wird von dem hydrophilen Teil bestimmt, der sowohl kationisch als auch anionisch oder nichtionisch sein kann. Des Weiteren gibt es auch amphotere Moleküle, die sowohl eine positive als auch eine negative funktionelle Gruppe tragen, wie zum Beispiel eine Carboxylat- und eine quartäre Ammoniumgruppe. Auch die Kettenlänge und die chemische Zusammensetzung des hydrophoben Teils tragen zur Vielfalt an Tensiden bei.

Seifen

Die ersten von Menschen gemachten und verwendeten Tenside waren Seifen, die man schon in der Antike durch Verkochen von Olivenöl mit Knochenasche oder mit natürlicher Soda aus Salzseen und Salzwüsten zu gewinnen verstand.

Lange vor dem, seit der Jungsteinzeit, soll bereits das heute als Echtes Seifenkraut oder Waschwurz (Saponaria officinalis) bekannte Nelkengewächs genutzt worden sein, das in seinen Blättern und Stängeln, vor allem aber in den Wurzeln die waschaktiven Saponine enthält.

Öle und ebenso Fette sind Ester des Glycerins, des dreiwertigen Alkohols Propantriol, mit langkettigen Carbonsäuren, die deswegen auch „Fettsäuren“ genannt werden. Fette und Öle werden beim Kochen mit Alkalilaugen, dem „Verseifen“ mit Natronlauge oder Kalilauge, aufgespalten. Es entstehen Glycerin und die wasserlöslichen Natrium- oder Kaliumsalze der zugrunde liegenden Carbonsäuren, die Seifen, deren langkettiger „Kohlenwasserstoff-Rest“ hydrophob ist. Die endständige Carboxylgruppe ist dagegen hydrophil.

Während Natronlauge feste Seifen liefert – die Kernseifen, die mit Zusätzen zu Feinseifen und anderen Seifenprodukten weiterverarbeitet werden – haben Kaliseifen eine weiche, schmierige Konsistenz. Sie werden deshalb auch Schmierseifen genannt und hauptsächlich für Industriereiniger verwendet.

Deutsche Kernseife (Natriumseife) Synthetische Tenside
Deutsche Kernseife (Natriumseife)

In hartem Wasser, das sich durch merkliche Konzentrationen an Magnesium- und/oder Calciumionen auszeichnet, bilden Seifen schwerlösliche „Kalkseifen“, die keine oder nur stark verminderte Wascheigenschaften aufweisen.

Wäsche waschen

Verantwortlich für die Waschwirkung der Tenside in Waschpulvern oder anderen Waschmitteln ist ihre Befähigung, sich an Oberflächen oder anderen Molekülen zu adsorbieren sowie ihr Dispergier-Vermögen, Schmutzteilchen in Lösung in Schwebe zu halten. Ebenso sind ihre Netzeigenschaften von Bedeutung als Vorstufe und Voraussetzung für den Nassreinigungsprozess.

Einmal von der Textiloberfläche gelöste Schmutzteilchen werden von den Tensidmolekülen durch Dispergierung in Lösung gehalten und können so ausgewaschen werden; ein Wiederaufziehen der Teilchen an dem zu reinigenden Wäschestück wird so verhindert.

Beim abschließenden Spülen der Wäsche werden sie zusammen mit den Waschmittelresten ausgeschwemmt.

Tenside als Flotationshilfsmittel

Tenside in ihrer Funktion als Flotationshilfsmittel unterstützen die Abwasserreinigung sowie das Recyceln von Altpapier und die Erzaufbereitung.

Das Flotationsverfahren ist ein physikalisch-chemisches Anreicherungsverfahren für Feststoffe aus wässerigen Suspensionen mit Hilfe von tensidischen Netzmitteln. Das Grundprinzip ist einfach: Tensidhaltige Suspensionen werden beim Einleiten von Luft aufgeschäumt. Dabei erfahren die stofflich unterschiedlichen Partikel durch Anlagerung von Gasbläschen, die ihrer Benetzbarkeit entsprechen, unterschiedlichen Auftrieb. Hydrophobere Partikel haben wegen der vermehrten Anlagerung von Luftbläschen gegenüber weniger hydrophoben einen höheren Auftrieb und gelangen folglich eher an die Oberfläche, als jene, von wo sie abgenommen werden können.

Ob beim Waeschewaschen, Geschirrspuelen oder Hausputz Tenside sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken Synthetische Tenside
Ob beim Wäschewaschen, Geschirrspülen oder Hausputz: Tenside sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken

Auf diese Weise können beim Recycling von bedrucktem Altpapier nach dem De-Inking-Flotationsverfahren Druckerschwärze und Farbstoffe auf dem Papier durch nichtionische und kationische Tenside abgelöst werden, um anschließend in weiteren Prozessschritten wieder zu Verpackungsmaterialien und recyceltem Papier weiter aufbereitet und verarbeitet zu werden. Das gleiche Prinzip wird auch zur Trennung von Erz aus tauben Gestein angewandt.

Die bei diesen Prozessen anfallenden Abwässer und Schlämme stellen eine erhebliche Belastung für die Umwelt dar, die nach Behandlung in Kläranlagen den öffentlichen Gewässern zugeführt werden. Der verbleibende Klärschlamm wird entweder auf Deponien verbracht oder verbrannt. Seiner Nutzung als Dünger sind wegen der meist erheblichen Schwermetallgehalte strenge Grenzen gesetzt, die die EU Richtlinie 86/278/EWG über den Schutz der Umwelt und insbesondere der Böden bei der Verwendung von Klärschlamm in der Landwirtschaft vorgibt.

Tenside in Pflanzenschutzmitteln

Viele Formulierungen von Pflanzenschutzmitteln enthalten Tenside. Sie dienen hier als Netzmittel, um eine allumfassende, flächige Verteilung der Wirkstoffe zu erreichen und ihre Penetration durch die Zellmembranen der Pflanzen zu aktivieren.

Der Großeinsatz solcher Tenside in der Landwirtschaft ist jedoch stark umstritten, weil ihr Eintrag in natürliche Wasserreservoire nicht nur nachhaltig negative Folgen für Wasserorganismen hat, sondern bei ihrer Verbreitung über das Trinkwasser auch gesundheitliche Nachteile betroffener Bevölkerungsteile zu befürchten sind.

Im Zusammenhang mit der Neubewertung des Glyphosat-Einsatzes sind die bislang genutzten Talgfett-Aminoxethylate (engl.: polyethoxylated tallow amine, POEA) aus der Gruppe der nichtionischen Tenside in Verruf geraten; ihre Verwendung in Glyphosat-Formulierungen ist im Jahre 2016 verboten worden.

Reinigung von Kunststoffschläuchen

Für den Laborbetrieb, für die Gastronomie, für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie und für viele andere sind Schläuche als flexible Förderleitungen unabdingbar.

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Ob Kunststoffschläuche oder gummielastische Elastomer-Schläuche: Um Demontagen von Apparaturen für Reinigungsprozeduren möglichst zu vermeiden, müssen langlebige und strapazierfähige Schläuche eingesetzt werden, die auch wiederkehrende Reinigungsprozesse mit tensidhaltigen Reinigungsmitteln schadlos überstehen, um so den wiederholten Gebrauch auch nach Fördergutwechsel zu ermöglichen.

Schläuche aus Ethylen-Propylen-Dien / Polypropylen (EPDM/PP) sind gegenüber den meisten organischen und anorganischen Medien resistent und können daher mit alkalischen oder sauren tensidischen Waschmitteln gereinigt werden. Allerdings ist nach der Reinigungsprozedur reichliches Spülen unbedingt erforderlich, um sämtliche Waschmittelreste zu entfernen, zumal Schlauchreiniger für die Getränke- und Lebensmittelindustrie und für den medizinischen Bereich oft auch noch mit keimmindernden Hilfsstoffen versetzt sind.

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Auch zahlreiche harte, fluorierte Kunststoffe können als Ausgangsmaterial für auswaschbare Lebensmittel- und Medizintechnikschläuche eingesetzt werden, so etwa PTFE (Polytetrafluorethylen) oder FEP (Fluorethylenpropylen).

Der Fluch der Tenside

Infolge des Hitze-Sommers im Jahre 1959 in Deutschland, der zu niedrigen Wasserständen in den Flüssen führte und dem generell nur unzureichenden biologischen Abbau von Tetrapropylenbenzolsulfonat (TPS), das in großen Mengen als anionisches Tensid in Vollwaschmitteln und Industrieseifen eingesetzt wurde, kam es verbreitet zur Verschaumung von Flüssen und Oberflächengewässern. Die Bundesregierung reagierte darauf hin 1961 mit dem „Gesetz über Detergenzien in Wasch- und Reinigungsmitteln“, in dem „eine möglichst hohe Abbaubarkeit von grenzflächen – und waschaktiven Stoffen (Detergenzien) in Wasch- und Reinigungsmitteln“ gefordert wurde.

Wegen seiner wenig konkreten Forderungen, die leicht umgangen werden konnten, wurde es 1975 von dem „Gesetz über die Umweltverträglichkeit von Wasch- und Reinigungsmitteln“ abgelöst, das sogenannte „Wasch- und Reinigungsmittelgesetz“ (WRMG), das durch mehrere Novellierungen den Erfordernissen bis heute angepasst wurde und die umweltverträgliche Zusammensetzung von Wasch-und Reinigungsmitteln gesetzlich regelt.

Das Gesetz schreibt vor, dass Wasch- und Reinigungsmittel von Herstellern grundsätzlich nicht in den Verkehr gebracht werden dürfen, wenn die biologische Abbaubarkeit von mindestens 80 Prozent nach einem fest gelegten Messverfahren nicht nachgewiesen werden kann. Dies führte in der Folge nicht nur zum Verwendungsverbot von verzweigten, schwer abbaubaren Alkylbenzolsulfonaten, wie Tetrapropylenbenzolsulfonat (TPS), sondern auch zur Entwicklung besser biologisch abbaubarer Produkte, wie lineare Alkylbenzolsulfonate sowie von Fett- oder Oxoalkoholethoxylate.

Das verzweigte anionische Tensid TPS ist biologisch nur schlecht abbaubar und wurde bereits in den 60er Jahren durch lineare Alkylbenzolsulfonate ersetzt
Das verzweigte anionische Tensid TPS ist biologisch nur schlecht abbaubar und wurde bereits in den 60er Jahren durch lineare Alkylbenzolsulfonate ersetzt

Einige Vertreter von Tensiden, wie die Perfluoroctansäure (PFOA), welche als Emulgator für die Herstellung von Polymeren, wie Polytetrafluorethylen, benötigt werden, stehen im Verdacht, Krebs zu verursachen oder die Schilddrüsenhormone zu beeinflussen. PFOA ist bioakkumulativ, das heißt, es reichert sich im Körper an und wird nicht ausgeschieden.

Konsequenz aus dieser Erkenntnis ist die Ausarbeitung eines strengen Reglements über die Verbreitung und Verwendung von als toxisch eingestufter Tenside. So darf nach dem Stockholmer Abkommen ab Juli 2020 kein PFOA mehr hergestellt und in den Umlauf gebracht werden.

Müssen wir künftig auf die Nutzung von synthetischen Tensiden verzichten?

Die chemische Industrieforschung war und ist darauf ausgerichtet, Tenside zu entwickeln, die biologisch abbaubar sind. Tensidhaltige Wasch- und Reinigungsmittel, die heute im Handel erhältlich sind, sind geprüfte Produkte. Bei bestimmungsgemäßen Gebrauch sind davon ausgehende Gefahren für Mensch und Umwelt ausgeschlossen. Dennoch ist die Verwendung von Tensiden nicht generell unbedenklich und sollte von uns allen auf das Notwendige beschränkt werden. Denn sie belasten das Abwasser und damit die begrenzten Kapazitäten und Möglichkeiten der Klärwerke.

Die Verwendung von synthetischen Tensiden in der Landwirtschaft ist hingegen kritisch zu sehen, denn sie gelangen mit dem Ausbringen der Pflanzenschutz- und Unkrautvernichtungsmittel direkt in die Umwelt.

Auch bei erwiesener hoher Abbaubarkeit sind immer unmittelbare Auswirkungen auf die Ökosysteme zu befürchten, weil die Abbauprozesse Zeit benötigen. Da ein völliger Verzicht auf tensidhaltige Hilfsstoffe generell und insbesondere im Bereich der Intensivlandwirtschaft kaum realisierbar ist, ergeht die Forderung an die Industrie, umweltschonende, nichttoxische Produkte zu entwickeln.

Bildquellen:
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Natriumlaurinat | © Roland.chem – de.wikipedia.org
Mizelle in einer Tensidlösung | © Roland.chem – de.wikipedia.org
Kernseife (Natriumseife) | © Graf Foto – commons.wikimedia.org
Waschmittel | © New Africa – stock.adobe.com
Schaum im Meer | © Matthias Stolt – stock.adobe.com

Über Karl-Heinz Heise

Dr. Karl-Heinz Heise studierte an der Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg Chemie und der vormaligen Technischen Hochschule Dresden Radiochemie und Chemische Kerntechnik. Danach war er bis zur politischen Wende 1989 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Zentralinstitut für Kernforschung Rossendorf (ZfK) der Akademie der Wissenschaften in verschiedenen Bereichen der Isotopenproduktion und Markierungschemie tätig. 1990 wurde er im neu gegründeten Leibnitz-Forschungszentrum Dresden - Rossendorf, dem heutigen Helmholtz-Zentrum, mit der Leitung der Abteilung für Organische Tracerchemie des Instituts für Radiochemie betraut, die sich mit umweltchemischen Prozessen in den Hinterlassenschaften des Uranbergbaus der DDR befasste. Dr. Heise ist begeisterter Hobby-Numismatiker und beschäftigt sich dabei vornehmlich mit der höfischen Medaillenkunst des 19. Jahrhunderts in Sachsen.