Neue umweltfreundliche Schmiermittelzusätze schützen Turbinenausrüstung, Wasserwege

2. Mai 2024

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vom Oak Ridge National Laboratory

Wissenschaftler am Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory haben Schmierstoffzusätze entwickelt, die sowohl Wasserturbinenausrüstung als auch die umgebende Umwelt schützen.

Jedes Jahr werden allein in den Vereinigten Staaten rund 2,47 Milliarden Gallonen Schmieröl für Motoren und Industriemaschinen verbraucht, so das DOE, wovon etwa die Hälfte schließlich in die Umwelt gelangt.

Obwohl umweltverträgliche Schmierstoffe erhältlich sind, sind sie nicht mit Zusatzstoffen optimiert, die die Leistung erheblich verbessern können und gleichzeitig eine minimale Umweltbelastung darstellen, wenn sie versehentlich freigesetzt werden. Um ungiftige, biologisch abbaubare und leistungsstarke Schmierstoffzusätze für Wasserkraftturbinen zu entwickeln, haben sich die Forscher auf ionische Flüssigkeiten, sogenannte ILs, verlassen: organische flüssige Salze, die sich gut mit Öl mischen, die Reibung zwischen Lagern und Zahnrädern reduzieren und in verschiedenen Temperaturbereichen stabil sind.

Ein Team von Material- und Umweltwissenschaftlern am ORNL arbeitete zusammen, um ILs mit Ammoniumphosphat und Phosphoniumphosphat zu entwerfen, zu synthetisieren und zu testen, die eine gute Mischung aus Eigenschaften bieten.

Wenn die ILs zu Basisölen hinzugefügt werden, zeigten sie 50% weniger Reibung und einen zehnfachen Rückgang des Verschleißes der Ausrüstung im Vergleich zu einem kommerziell erhältlichen Getriebeöl, während sie die Bundestandards für Umwelttoxizität und biologische Abbaubarkeit erfüllen, wie in ACS Sustainable Chemistry & Engineering beschrieben. Das Projekt baut auf mehr als 20 Jahren IL-Forschung am ORNL auf, einschließlich der Entwicklung von Schmierstoffzusätzen, die darauf abzielen, den Verschleiß von Motoren zu reduzieren und den Kraftstoffverbrauch in Fahrzeugen zu steigern.

"Unsere früheren Arbeiten haben uns gezeigt, dass man die Leistung von Schmierstoffen mit der Zugabe von nur 1% oder sogar einem halben Prozent von ILs dramatisch steigern kann", sagte Jun Qu vom ORNL, der das Projekt und die Gruppe für Oberflächentechnik und Tribologie am ORNL leitet.

Dieses Mal wollten die Wissenschaftler ein ungiftiges Additiv für den Einsatz in Turbinen entwickeln, die in aquatischen Umgebungen installiert sind und Elektrizität mit Wellen, Gezeiten, Ozean- und Flussströmungen erzeugen. Obwohl ILs im Allgemeinen als weniger giftig als herkömmliche Schmierstoffzutaten angesehen werden, wurde ihre Auswirkung auf die Umwelt noch nicht genau untersucht.

"Auf der Umweltseite gibt es drei Hauptfaktoren, die wir bei diesen Schmierstoffen berücksichtigen", sagte Teresa Mathews, Leiterin der Gruppe für Biodiversität und Ökosystemgesundheit am ORNL. "Sie müssen gut funktionieren, wir wollen nicht, dass sie für aquatische Organismen giftig sind, und wenn es zu einem Auslauf kommt, wollen wir nicht, dass die Schmierstoffe Verbindungen sind, die in der Umwelt beständig sind. Wir wollen, dass sie sehr schnell abgebaut werden."

Eine sauberere Formel verfolgen

Zunächst suchte das Team nach potenziell toxischen Elementen wie Fluor und Chlor sowie Metallen wie Zink und Eisen, um sie aus den IL-Kandidaten zu eliminieren. Sie konzentrierten sich auch darauf, ILs aus kürzeren Kohlenwasserstoffketten herzustellen - Ketten mit weniger als sechs Kohlenstoffatomen, die allgemein als weniger toxisch angesehen werden.

"Wir haben festgestellt, dass eine Vier-Kohlenstoff-Kette der Sweet Spot ist", sagte Qu. Wenn man kürzer als vier Kohlenstoffe ging, ergab sich eine IL, die sich nicht gut mit Öl mischte und weniger thermisch stabil war, fügte er hinzu.

Die Reibungsprüfung wurde mit Metallteilen durchgeführt, die Turbinenzahnräder und -lager simulieren und mit einem Schmierstoff beschichtet wurden, der die IL enthält. Der resultierende Oberflächenverschleiß der Teile wurde mit Hilfe der Elektronenmikroskopie am Center for Nanophase Materials Sciences, einer Forschungseinrichtung des DOE Office of Science am ORNL, charakterisiert.

Diese speziellen ILs sind recht einfach herzustellen und können leicht für die Kommerzialisierung skaliert werden, sagte Huimin Luo, eine Chemikerin in der Abteilung für Herstellungswissenschaften am ORNL, die die chemische Synthese leitete.

Um die Umweltauswirkungen der Zusatzstoffe festzustellen, führte die Ökotoxikologin Louise Stevenson vom ORNL Toxizitäts- und Abbaubarkeitstests im Environmental Toxicology Laboratory des ORNL durch, wo regelmäßig Bewertungen für das DOE, das Verteidigungsministerium und andere Stellen durchgeführt werden. Nach den Protokollen der Environmental Protection Agency wurden bei den Toxizitätstests Ceriodaphnia verwendet, winzige planktonische Krebstiere, die allgemein als Wasserflöhe bekannt sind, am Ende der Nahrungskette stehen, einen kurzen Lebenszyklus und eine schnelle Fortpflanzungsrate haben und sehr empfindlich auf Umweltbedingungen reagieren.

The organisms 'are like canaries in a coal mine for aquatic toxicity because they are filter feeders and interact with a lot of water,' Stevenson said. 'In a seven-day test, we'll get three to four rounds of reproduction with daily hatching, so we can look for both lethal effects and sublethal effects such as reproductive and growth impacts that have an effect on population survival.'

While the environmentally acceptable lubricant base oils had no effect on the crustaceans, the commercial lubricant additives and two early IL compounds were found to be extremely toxic to the organisms, resulting in 100% mortality within one to three days after exposure. The team's ultimate designs for short-chain ammonium phosphate and phosphonium phosphate IL additives resulted in 90-100% survival rates after seven days.

The final, top-performing IL-enhanced lubricants were also found to be highly biodegradable compared to standard lubricant additives. Testing involved exposing the compounds to aquatic microbes and then measuring the rate of carbon dioxide production as the microbes broke down the materials.

High-performing, environmentally friendly lubricants designed specifically for marine energy turbines are important for other reasons, including equipment durability. Lubricant technology currently in use for marine turbines was borrowed from wind turbines, which are serviced every six to 18 months, Qu said. But tidal turbines installed in the ocean or rivers are typically designed for service every six years and operate under much harsher conditions.

The project is expected to next focus on further development of IL lubricant additives specifically for use in tidal turbines operating in the ocean and exposed to potential seawater contamination and pressure and temperature extremes.

The project highlights the diverse expertise and capabilities assembled at ORNL to address a broad range of economic, environmental and societal challenges, the scientists noted.

Stevenson said, 'Green chemistry is a hot topic, and this is an example of actually doing that and working together between materials scientists and environmental scientists to get at a solution in a collaborative, productive way.'

Journal information: ACS Sustainable Chemistry & Engineering

Provided by Oak Ridge National Laboratory