I nuovi additivi lubrificanti eco-compatibili proteggono le apparecchiature delle turbine e le vie d'acqua

2 Maggio, 2024

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dal Laboratorio Nazionale Oak Ridge

Gli scienziati del Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno sviluppato additivi lubrificanti che proteggono sia l'attrezzatura per turbine idriche che l'ambiente circostante.

Ogni anno, negli Stati Uniti da soli vengono consumati circa 2,47 miliardi di galloni di olio lubrificante per motori e macchinari industriali, secondo il DOE, e circa la metà finisce infine nell'ambiente.

Sebbene siano disponibili lubrificanti accettabili per l'ambiente, non sono ottimizzati con additivi che possono migliorare notevolmente le prestazioni con un impatto ambientale minimo in caso di rilascio accidentale. Per creare additivi lubrificanti non tossici, biodegradabili e ad alte prestazioni per le turbine idroelettriche, i ricercatori si sono rivolti ai liquidi ionici, o IL: sali liquidi organici che si mescolano bene con l'olio, riducono l'attrito tra cuscinetti e ingranaggi e sono stabili in una gamma di temperature.

Una squadra di scienziati dei materiali e dell'ambiente dell'ORNL ha lavorato insieme per progettare, sintetizzare e testare i migliori IL candidati di fosfato di ammonio e fosfato di fosfonio che forniscono un buon mix di proprietà.

Quando aggiunti agli oli base, gli IL hanno dimostrato il 50% in meno di attrito e una diminuzione dei danni all'attrezzatura pari a 10 volte rispetto a un olio per ingranaggi disponibile commercialmente, pur rispettando gli standard federali per la tossicità ambientale e la biodegradabilità, come descritto in ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Il progetto si basa su oltre 20 anni di ricerca IL all'ORNL, incluso lo sviluppo di additivi lubrificanti progettati per ridurre l'usura del motore e aumentare l'economia di carburante nei veicoli.

'Il nostro precedente lavoro ci ha mostrato che è possibile aumentare notevolmente le prestazioni dei lubrificanti con l'aggiunta di solo l'1% o anche dello 0,5% di IL,' ha detto Jun Qu dell'ORNL, che guida il progetto e il gruppo di Ingegneria delle Superfici e Tribologia presso l'ORNL.

Questa volta, gli scienziati hanno cercato di creare un additivo non tossico da utilizzare nelle turbine installate in ambienti acquatici, per produrre elettricità utilizzando onde, maree, correnti oceaniche e fluviali. Sebbene gli IL siano generalmente considerati meno tossici degli ingredienti lubrificanti convenzionali, il loro impatto sull'ambiente non è stato studiato attentamente.

'Sul fronte ambientale, ci sono tre fattori principali che ci preoccupano con questi lubrificanti,' ha detto Teresa Mathews, responsabile del gruppo Biodiversità e Salute degli Ecosistemi presso l'ORNL. 'Devono essere ad alte prestazioni, non vogliamo che siano tossici per gli organismi acquatici e, in caso di sversamento, non vogliamo che i lubrificanti siano composti che durano nell'ambiente. Vogliamo che si degradino molto rapidamente.'

Alla ricerca di una formula più pulita

Il team ha prima cercato di eliminare potenziali elementi tossici come il fluoro e il cloro e metalli come lo zinco e il ferro dagli IL candidati. Si sono anche concentrati sulla creazione di IL composti da catene di idrocarburi più corte: catene contenenti meno di sei atomi di carbonio, che sono generalmente considerati meno tossici.

'Abbiamo trovato che la catena di quattro carboni è il punto dolce,' ha detto Qu. Andare sotto i quattro carboni ha risultato in un IL che non si mescolava bene con l'olio ed era meno termicamente stabile, ha aggiunto.

I test di attrito sono stati effettuati con pezzi di metallo che simulavano ingranaggi e cuscinetti di turbine rivestiti con un lubrificante contenente l'IL. L'usura superficiale dei pezzi è stata caratterizzata utilizzando la microscopia elettronica presso il Center for Nanophase Material Sciences, un impianto utente dell'Office of Science del DOE presso l'ORNL.

Questi particolari IL sono piuttosto semplici da produrre e possono essere facilmente aumentati per la commercializzazione, ha detto Huimin Luo, chimico della Manufacturing Science Division dell'ORNL che ha guidato il lavoro di sintesi chimica.

Per determinare l'impatto ambientale degli additivi, l'ecotossicologa dell'ORNL Louise Stevenson ha condotto test di tossicità e biodegradabilità nel Laboratorio di Tossicologia Ambientale dell'ORNL, dove vengono regolarmente condotte valutazioni per il DOE, il Dipartimento della Difesa e altri enti. Seguendo i protocolli dell'Environmental Protection Agency, i test di tossicità hanno utilizzato i Ceriodaphnia, piccoli crostacei planctonici comunemente noti come pulci d'acqua, che si trovano alla base della catena alimentare, hanno un ciclo vitale breve e un tasso di riproduzione rapido e sono molto sensibili alle condizioni ambientali.

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