創意化學實驗—環保手動肥皂機 / 葉凡愉、周明毅、王冠智、沈明勳、黃琴扉

星期二 , 29, 十二月 2015 Leave a comment

創意化學實驗—環保手動肥皂機

葉凡愉、周明毅、王冠智、沈明勳、黃琴扉*

國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
*chinf1027@yahoo.com.tw

n  前言

環境教育為目前我們極力推廣的教育理念,也希望此理念可以與各領域學科知識做結合,像是學生們在進行科學實驗課程時,也可以更有感地關心到他們的生活環境。其中,環保意識、水汙染防治的概念,更是要推廣到中小學的學生,以落實環境教育。國中理化有教導學生天然肥皂、合成清潔劑的原理與製程,天然肥皂的原料取得是比較環保,對環境的汙染低;使用過後排放到水中後是可以被細菌分解的,不會產生泡沫汙染。然而,合成清潔劑的原料取得為石化產品,在生產的過程中,對環境的傷害很大,並且排放到水中後會產生泡沫汙染。另外,市面上販售的合成清潔劑,可能還含有增稠劑、珠光劑、保濕劑、人工色素、香料、殺菌劑及防腐劑等化學添加物,因此,使用此種合成清潔劑,可能會導致洗劑殘留在皮膚上,侵入人體,並且可能會造成皮膚或肝腎的病變,對人體相當不好。

製作肥皂的方式大致上分為四種:熱製法、冷製法、再生法、融化再製法。目前國中理化實驗課大致上都使用熱製法教導學生製作肥皂。但是在實驗過程中,我們發現到:若是選擇不適當油品或者是加熱溫度過高,會產生不好聞的味道;然後最後製成的成品,也不太容易乾燥,這導致學生最終也不敢使用自己製做的肥皂。此種製作肥皂的方式,雖然學生學習到了實驗技巧,但如果實驗後就把成品都丟掉,那此實驗對環境是不友善的。有鑑於熱製法因需要加熱,對學生有危險性,加熱過程中,也有不好聞的氣味產生,因此我們選擇使用冷製法製作肥皂。冷製法做肥皂的過程,是無需加熱,並且不會有異味產生。但缺點就是要準備許多的容器裝原料,學生會覺得此實驗用到的器具過多,不好整理;然後需要用打蛋器攪拌四~五個小時,此過程是疲累而且無趣的。我們就此兩個缺點發想了一個「環保手動肥皂機」,希望可以藉此肥皂機,讓大家做起肥皂是輕鬆、簡單、環保,並且是有趣的。

為了提供一個更環保、更方便製作肥皂的器具,許多研究人員以及國、高中的學生都投入了環保手動肥皂機的研發。綜觀之前所有製作肥皂的實驗課程,是非常繁複,並且需要許多的器具,因此本文作者發想,是否可以製作一個一體成型的器具,只要使用這一個器具就可以輕鬆製作出肥皂,也不需加熱,所以我們就改良了身邊要丟掉的食物攪拌器,希望可以達到廢物利用的精神,開發出一個全新的「環保手動肥皂機」,然後再搭配本文作者研發之肥皂配方,就可以製作出天然、環保、又可以使用之手工肥皂。

n  裝置設計與製造肥皂

一、材料和藥品

廢棄的食物攪拌器1公升) 1氫氧化鈉 75公克(購自五金行和化工原料行)、椰子 125公克棕櫚油 150公克橄欖油 225公克冰塊 150公克電子磅秤 1個、量杯 1皂模 5紙碗 1個,如相片一所示。

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相片一:所需材料和藥品(由左而右排列)

二、設計與製造過程

1.        先量出冰塊約150公克(±20公克),加入廢棄攪拌器中,如相片二所示。

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相片二:將冰塊加入廢棄攪拌器中

2.        量出氫氧化鈉75公克,放入一個乾淨的紙杯內,如相片三所示。

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相片三:氫氧化鈉75公克

3.        一邊攪拌冰塊,一邊慢慢少量加入氫氧化鈉(若一瞬間倒入,怕溫度突然升高),一直攪拌到氫氧化鈉完全溶解在水中,鹼水就製造完成,如相片四所示。

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相片四:攪拌食物攪拌器中的冰塊並且緩辦加入氫氧化鈉

4.          當鹼水完成時,把攪拌器放置在電子磅秤上歸零,慢慢倒入棕櫚油150公克)、橄欖油225公克)、椰子油125公克),如相片五所示

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相片五:油品由我們改良的食物攪拌器上方漏斗倒入

5.        開始手動攪拌,攪拌約20分鐘左右,當皂化混合液呈現黏稠狀即可(注意液體中若有浮油,表示攪拌不完全,需繼續攪拌),且避免皂化混合液中有氣泡,因為皂化成形時肥皂中會有空洞,如相片六所示。

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相片六:攪拌完成的肥皂(內無空洞產生)

6.        當肥皂混合液完全攪拌成功時,再慢慢倒入皂模中,放置在陰涼處約一星期脫模,如相片七所示。

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相片七:將肥皂混合液倒入皂模中

7.        依上述步驟,製作並且使用「環保手動肥皂機」,環保好用的手工皂就完成了。

n  原理和概念

一、皂化反應

    油脂在鹼性溶液中加熱,發生水解反應,產生長鏈脂肪酸鹽(肥皂)和副產物甘油。肥皂分為鈉皂和鉀皂,通常稱鈉皂為肥皂。若鹼性物質使用氫氧化鈉,則生成鈉皂。若鹼性物質使用氫氧化鉀,則生成鉀皂。皂化反應如式[1]所示。

油脂 + clip_image028 長鏈脂肪酸鹽(肥皂)+ 甘油    [1]

二、肥皂之分子結構

1.        組成:具較長碳鏈的脂肪酸鹽。

2.        結構:為界面活性劑,具有親油性與親水性的結構,如圖一所示。(1) 親油端(圖一左方):長鏈烷基具親油性(或稱疏水性),可溶於油汙。(2) 親水端(圖一右方):羧酸酸根尾端具親水性,可溶於水。

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圖一:肥皂的分子結構

3.        脂肪酸:含有428個偶數碳的直鏈羧酸稱為脂肪酸,高等動、植物脂肪酸有偶數個碳原子,通常介於1422個碳之間,並且沒有支鏈。高級脂肪酸是指超過12個碳以上的長鏈羧酸。

4.        「環保手動肥皂機」的三種配方:

配方一

椰子油120

棕櫚油200

橄欖油180

氫氧化鈉88.0

冰水

195

甜杏仁油100

 

配方二

椰子油125

棕櫚油150

橄欖油225

氫氧化鈉75.0

冰水

150

 

 

配方三

椰子油160

棕櫚油80.0

橄欖油150

氫氧化鈉89.0

冰水

230

蔥麻油50.0

米糠油80.0

5.        皂化價依油脂不同所需要的氫氧化鈉毫克數也不同,需視油脂的「皂化價」來決定氫氧化鈉的添加量,「皂化價」亦即皂化公克油脂所需要之鹼質的毫克數。下表為油脂的皂化價:

油脂

氫氧化鈉
皂化價(mg/g

油脂

氫氧化鈉
皂化價(mg/g

椰子油

191

甜杏仁油

136

棕櫚油

141

蔥麻油

129

橄欖油

135

米糠油

128

 

一、   各種油脂需使用氫氧化鈉的克數(配方二為例)

油脂的公克數 clip_image032 皂化價 = 氫氧化鈉所需公克數

1.        125 g椰子油需使用氫氧化鈉的克數 = 125 g × 191 mg/g × (1 g/1000 mg) = 23.9 g

2.        150 g棕櫚油需使用氫氧化鈉的克數 = 150 g × 142 mg/g × (1 g/1000 mg) = 21.3 g

3.        225 g橄欖油需使用氫氧化鈉的克數 = 225 g × 135 mg/g × (1 g/1000 mg) = 30.4 g

4.        依照計算,需使用氫氧化鈉的總克數 = 23.9 g + 21.3 g + 30.4 g = 75.6 g

5.        依照用量,實際使用氫氧化鈉的克數 = 75.0 g

6.        實際使用氫氧化鈉重量百分比 = (75.0 g / 75.6 g) × 100% = 99.2%

7.        「配方二」實際使用氫氧化鈉的克數75.0 g稍低於計算所需的氫氧化鈉總克數(75.6 g),實際使用百分比為99.2%,不到100%或超過100%。亦即,當皂化完畢後如此用量製得的肥皂會有少許的油脂(0.8%)存在而有潤滑感。製造肥皂需要「減鹼」或「超脂」,減鹼是在計算配方時,依需求而定,先扣除3-9%的鹼量,使皂化後仍有少許的油脂未與鹼作用而達到不乾澀的洗滌效果。

二、   脂肪酸莫耳數計量方法:每一莫耳脂肪酸,需一莫耳氫氧化鈉來皂化。

脂肪酸莫耳數 = 氫氧化鈉莫耳數(氫氧化鈉的莫耳質量:39.99 g/mol

1.        125 g椰子油的脂肪酸莫耳數 = 125 g × 191 mg/g × (1 g/1000 mg) / (39.99 g/mol) = 0.597 mol

2.        150 g棕櫚油的脂肪酸莫耳數 = 150 g × 142 mg/g × (1 g/1000 mg) / (39.99 g/mol) = 0.533 mol

3.        225 g橄欖油的脂肪酸莫耳數 = 225 g × 135 mg/g × (1 g/1000 mg) / (39.99 g/mol) = 0.760 mol

4.        依照計算,使用油脂的脂肪酸總莫耳數 = 需使用氫氧化鈉的莫耳數 = 0.597 mol + 0.533 mol + 0.760 mol = 1.890 mol

5.        依照用量,實際使用氫氧化鈉的莫耳數 = 75.0 g / (39.99 g/mol) = 1.875 mol

6.        使用氫氧化鈉的莫耳數百分比 = (1.875 mol / 1.890 mol) × 100% = 99.2%

7.        「配方二」需使用油脂的脂肪酸總莫耳數(1.890 mol,過量反應物)稍高於使用氫氧化鈉的莫耳數(1.875 mol,限量試劑),這樣製得的肥皂會有少許的油脂(0.8%)存在而有潤滑感。

n  安全注意事項

l  氫氧化鈉為強鹼、腐蝕性藥品,實驗時應戴實驗用手套,避免直接接觸皮膚、眼睛,若不小心接觸,應該儘快用大量清水沖洗,沖洗15分鐘。

l  在調配鹼液過程中,因氫氧化鈉為強鹼性藥品,溶於水後會大量放熱,因此在此步驟要小心操作,避免被燙傷。

n  環保手動肥皂機之特點

「環保手動肥皂機」,可以讓連結課本上的學科知識,也可以讓老師教導實驗課程時,簡單、有趣、又方便。此「環保手動肥皂機」的發想是由廢棄的食物攪拌器來改良,完全符合環境保護,減廢減量等微型裝置與環境教育的整體概念,其特點如下:

l  器具廢物利用,組裝費用低廉。

l  裝置一體成型,課堂攜帶方便。

l  操作皆不沾手,實驗不需加熱。

l  天然肥皂製程,方法簡單有趣。

n  結語

所謂的環境教育是可以與各學科領域來做結合的,在自然科學實驗過程中,我們更需要讓學生有環境教育的概念,希望每個學生在學校的實驗課程不要對環境是不友善的,然後學習愛護環境、保護環境,並且運用學生的環境問題解決能力,思考如何降低實驗對環境破壞、環境汙染,進而開發一個可以簡化實驗過程以及對環境友善的「環保手動肥皂機」。

過去都是以傳統方法製作肥皂,熱製法:需要加熱、有安全疑慮、過程產生之氣味不好聞,學生製作出來的成品大多丟棄。冷製法:需要準備許多的器具,並且用打蛋器攪拌四~五個小時,導致學生會覺得此實驗是無趣的。為了解決上述一系列的問題,本文作者自行開發了全新的「環保手動肥皂機」,此環保手動肥皂機是由廢棄的食物攪拌器改良,製作方便簡易。由此環保手動肥皂機結合冷製法製作肥皂,簡化了繁雜的實驗,並且成功製作出可以使用的手工肥皂。

除此之外,環保手動肥皂機為一個一體成型的裝置,製作肥皂的過程,僅需要此一裝置即可,整組裝置攜帶方便,並且是廢物利用;實驗過程無廢棄物產生、不需加熱、安全性高,達到綠色化學的概念,讓學生、老師、一般民眾可以以這個裝置的發想,體驗到環境教育的核心價值,並也學習到了自然科學的理論。期盼本文的撰寫可以鼓勵此領域之研究人員、教師、學生、民眾等加入環境友善生活用品或教材教具的開發,一起為下一代孩子更完善的科學教育以及環境教育努力。

n  附註

本文之環保肥皂製造機,已獲得經濟部智慧財產局新型專利審核通過。

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