Los nuevos aditivos ecológicos para lubricantes protegen los equipos de turbinas y las vías fluviales

2 de mayo de 2024

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por Oak Ridge National Laboratory

Científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han desarrollado aditivos lubricantes que protegen tanto el equipo de turbina de agua como el entorno circundante.

Cada año, aproximadamente 2.47 mil millones de galones de aceite lubricante son consumidos solo en los Estados Unidos para motores y maquinaria industrial, según el DOE, con aproximadamente la mitad encontrando eventualmente su camino hacia el medio ambiente.

Aunque existen lubricantes aceptables ambientalmente, no están optimizados con aditivos que pueden mejorar enormemente el rendimiento mientras representan un impacto ambiental mínimo si se liberan accidentalmente. Para crear aditivos lubricantes no tóxicos, biodegradables y de alto rendimiento para turbinas de energía hidráulica, los investigadores recurrieron a los líquidos iónicos, o IL: sales líquidas orgánicas que se mezclan bien con el aceite, reducen la fricción entre cojinetes y engranajes, y son estables en una variedad de temperaturas.

Un equipo de científicos de materiales y ambientales en ORNL trabajó en conjunto para diseñar, sintetizar y probar los ILs candidatos principales de fosfato de amonio y fosfato de fosfonio que proporcionan una buena mezcla de propiedades.

Cuando se agregaron a los aceites base, los IL demostraron un 50% menos de fricción y una disminución de desgaste del equipo de diez veces en comparación con un aceite de engranaje comercialmente disponible, mientras cumplían los estándares federales de toxicidad ambiental y biodegradabilidad, como se describe en ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

El proyecto se basa en más de 20 años de investigación de IL en ORNL, incluyendo el desarrollo de aditivos lubricantes diseñados para reducir el desgaste del motor y aumentar la economía de combustible en vehículos.

'Nuestro trabajo anterior nos mostró que podías aumentar dramáticamente el rendimiento de los lubricantes con la adición de solo el 1% o incluso un medio por ciento de IL', dijo Jun Qu de ORNL, quien lidera el proyecto y el Grupo de Ingeniería de Superficies y Tribología en ORNL.

En esta ocasión, los científicos buscaron crear un aditivo no tóxico para usar en turbinas instaladas en entornos acuáticos, generando electricidad utilizando ondas, mareas, océanos y corrientes de río. Aunque los IL generalmente se consideran menos tóxicos que los ingredientes lubricantes convencionales, su impacto en el medio ambiente no ha sido estudiado de cerca.

'En el lado ambiental, hay tres factores principales que nos preocupan con estos lubricantes', dijo Teresa Mathews, líder del grupo de Salud del Ecosistema y Biodiversidad en ORNL. 'Tienen que tener un alto rendimiento, no queremos que sean tóxicos para ningún organismo acuático, y si hay un derrame, no queremos que los lubricantes sean compuestos que perduran en el medio ambiente. Queremos que se degraden muy rápidamente.'

Buscando una fórmula más limpia

El equipo primero buscó eliminar elementos potencialmente tóxicos como el flúor y el cloro, y metales como el zinc y el hierro, de los ILs candidatos. También se centraron en la creación de IL con cadenas de hidrocarburos más cortas, cadenas que contienen menos de seis átomos de carbono, que generalmente se consideran menos tóxicas.

'Encontramos que una cadena de cuatro carbonos es el punto dulce', dijo Qu. Ir más corto que cuatro carbonos resultó en un IL que no se mezclaba bien con el aceite y era menos estable térmicamente, agregó.

La prueba de fricción se realizó con piezas metálicas que simulaban engranajes y rodamientos de turbinas recubiertas con un lubricante que contenía el IL. El desgaste superficial resultante de las piezas se caracterizó mediante microscopía electrónica en el Center for Nanophase Materials Sciences, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en ORNL.

Estos IL particulares son bastante simples de producir y pueden ser fácilmente escalados para su comercialización, dijo Huimin Luo, químico en la División de Ciencias de Producción de ORNL que lideró el trabajo de síntesis química.

Para determinar el impacto ambiental de los aditivos, Louise Stevenson, ecotoxicóloga de ORNL, realizó pruebas de toxicidad y biodegradabilidad en el Laboratorio de Toxicología Ambiental de ORNL, donde se realizan regularmente evaluaciones para el DOE, el Departamento de Defensa y otras agencias. Siguiendo los protocolos de la Agencia de Protección Ambiental, las pruebas de toxicidad utilizaron Ceriodaphnia, pequeños crustáceos planctónicos comúnmente conocidos como pulgas de agua que se encuentran en la parte inferior de la cadena alimentaria, tienen un ciclo de vida corto y una alta tasa de reproducción, y son muy sensibles a las condiciones ambientales.

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