De nouveaux additifs lubrifiants respectueux de l'environnement protègent les équipements de turbine et les voies navigables

2 mai 2024

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par le Laboratoire national d'Oak Ridge

Les scientifiques du département de l'énergie du Laboratoire national d'Oak Ridge ont développé des additifs pour lubrifiants qui protègent à la fois l'équipement des turbines à eau et l'environnement environnant.

Chaque année, environ 2,47 milliards de gallons d'huile lubrifiante sont consommés rien qu'aux États-Unis pour les moteurs et les machines industrielles, selon le DOE, environ la moitié finissant par se retrouver dans l'environnement.

Bien que des lubrifiants acceptables pour l'environnement soient disponibles, ils ne sont pas optimisés avec des additifs qui peuvent grandement améliorer les performances tout en ayant un impact environnemental minimal en cas de rejet accidentel. Pour créer des additifs pour lubrifiants non toxiques, biodégradables et performants pour les turbines hydrauliques, les chercheurs se sont tournés vers les liquides ioniques, ou IL : des sels liquides organiques qui se mélangent bien avec l'huile, réduisent les frictions entre les roulements et les engrenages, et sont stables dans une gamme de températures.

Une équipe de matériaux et de scientifiques de l'environnement à l'ORNL a travaillé ensemble pour concevoir, synthétiser et tester des IL candidats de phosphate d'ammonium et de phosphate de phosphonium qui offrent un bon mélange de propriétés.

Lorsqu'ils sont ajoutés à des huiles de base, les IL démontré 50% de friction en moins et une diminution de l'usure de l'équipement par dix comparativement à une huile pour engrenages disponible sur le marché, tout en répondant aux normes fédérales en matière de toxicité environnementale et de biodégradabilité, comme décrit dans ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Le projet s'appuie sur plus de 20 ans de recherche sur les IL à l'ORNL, y compris le développement d'additifs pour lubrifiants conçus pour réduire l'usure des moteurs et augmenter l'économie de carburant dans les véhicules.

"Nos travaux antérieurs nous ont montré que vous pouviez augmenter considérablement les performances des lubrifiants avec l'ajout de seulement 1 % ou même un demi pourcentage d'IL", a déclaré Jun Qu de l'ORNL, qui dirige le projet et le groupe Ingénierie des surfaces et Tribologie à l'ORNL.

Cette fois-ci, les scientifiques ont cherché à créer un additif non toxique pour utilisation dans les turbines installées dans les environnements aquatiques, produisant de l'électricité à l'aide des vagues, des marées, des courants océaniques et fluviaux. Bien que les IL soient généralement considérés comme moins toxiques que les ingrédients conventionnels des lubrifiants, leur impact sur l'environnement n'a pas été étudié de près.

"Du point de vue environnemental, il y a trois facteurs principaux qui nous préoccupent avec ces lubrifiants", a déclaré Teresa Mathews, responsable du groupe Santé de la biodiversité et des écosystèmes à l'ORNL. "Ils doivent être très performants, nous ne voulons pas qu'ils soient toxiques pour aucun organisme aquatique, et en cas de déversement, nous ne voulons pas que les lubrifiants contiennent des composés qui persistent dans l'environnement. Nous voulons qu'ils se dégradent très rapidement."

Chercher une formule plus propre

L'équipe a d'abord cherché à éliminer des éléments potentiellement toxiques tels que le fluor et le chlore et des métaux tels que le zinc et le fer des IL candidats. Ils se sont également concentrés sur la création d'IL composés de chaînes d'hydrocarbures plus courtes - des chaînes contenant moins de six atomes de carbone - qui sont généralement considérées comme moins toxiques.

"Nous avons trouvé qu'une chaîne de quatre carbones était le point idéal", a déclaré Qu. Aller en dessous de quatre carbones a abouti à un IL qui ne se mélangeait pas bien avec l'huile et était moins stable thermiquement, a-t-il ajouté.

Des tests de friction ont été réalisés avec des pièces métalliques simulant des engrenages de turbine et des roulements revêtus d'un lubrifiant contenant l'IL. L'usure de surface résultante des pièces a été caractérisée en utilisant la microscopie électronique au Centre for Nanophase Materials Sciences, un équipement de la DOE Office of Science à l'ORNL.

Ces IL particuliers sont assez faciles à produire et peuvent être facilement mis à l'échelle pour la commercialisation, a déclaré Huimin Luo, chimiste dans la division Manufacturing Science de l'ORNL, qui a dirigé le travail de synthèse chimique.

Pour déterminer l'impact environnemental des additifs, l'écotoxicologue de l'ORNL, Louise Stevenson, a effectué des tests de toxicité et de biodégradabilité dans le Laboratoire de toxicologie environnementale de l'ORNL, où des évaluations sont régulièrement effectuées pour le DOE, le département de la Défense et d'autres agences. En suivant les protocoles de l'Agence de Protection de l'Environnement, les tests de toxicité ont utilisé Ceriodaphnia, de minuscules crustacés planctoniques communément appelés puces d'eau, qui se trouvent au bas de la chaîne alimentaire, ont un cycle de vie court et un taux de reproduction rapide, et sont très sensibles aux conditions environnementales.

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