Nieuwe milieuvriendelijke smeermiddeltoevoegingen beschermen turbinematerieel, waterwegen

2 mei 2024

Dit artikel is beoordeeld volgens Science X's redactioneel proces en beleid. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt tijdens het waarborgen van de betrouwbaarheid van de inhoud:

• feit-gecontroleerd
• peer-reviewed publicatie
• betrouwbare bron
• gecorrigeerd

door Oak Ridge National Laboratory

Wetenschappers van het Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory hebben smeermiddeladditieven ontwikkeld die zowel waterturbine-apparatuur als de omringende omgeving beschermen.

Elk jaar wordt er in de Verenigde Staten alleen al ongeveer 2,47 miljard gallon smeermiddelolie verbruikt voor motoren en industriële machines, volgens het DOE, waarvan ongeveer de helft uiteindelijk in het milieu terechtkomt.

Hoewel er milieuvriendelijke smeermiddelen beschikbaar zijn, zijn ze niet geoptimaliseerd met additieven die de prestaties sterk kunnen verbeteren terwijl ze een minimale milieu-impact hebben als ze per ongeluk worden vrijgelaten. Om niet-toxische, biologisch afbreekbare en hoogwaardige smeermiddeladditieven voor waterkrachtturbines te creëren, wendden onderzoekers zich tot ionische vloeistoffen, of IL's: organische vloeibare zouten die goed mengen met olie, de wrijving tussen lagers en tandwielen verminderen en stabiel zijn in een reeks temperaturen.

Een team van materiaal- en milieukundigen bij ORNL werkte samen om de topkandidaat-IL's van ammoniumfosfaat en fosfoniumfosfaat te ontwerpen, synthetiseren en testen die een goede mix van eigenschappen bieden.

Wanneer toegevoegd aan basisoliën, vertoonden de IL's 50% minder wrijving en een tienvoudige afname van slijtage van de apparatuur in vergelijking met een commercieel verkrijgbare tandwielolie, terwijl ze voldeden aan federale normen voor milieutoxiciteit en biologische afbreekbaarheid, zoals beschreven in ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Het project bouwt voort op meer dan 20 jaar IL-onderzoek bij ORNL, inclusief de ontwikkeling van smeermiddeladditieven ontworpen om motorslijtage te verminderen en het brandstofverbruik in voertuigen te verhogen.

'Ons eerdere werk toonde ons dat je de prestaties van smeermiddelen drastisch kon verhogen met de toevoeging van slechts 1% of zelfs een half procent IL's,' zei ORNL's Jun Qu, die het project en de Surface Engineering and Tribology groep bij ORNL leidt.

Deze keer probeerden wetenschappers een niet-giftige additief te creëren voor gebruik in turbines die zijn geïnstalleerd in aquatische omgevingen, elektriciteit opwekken met behulp van golven, getijden, oceaan- en rivierstromingen. Hoewel IL's over het algemeen als minder toxisch worden beschouwd dan conventionele smeermiddelingrediënten, is hun impact op het milieu niet nauwkeurig bestudeerd.

'Aan de milieukant zijn er drie belangrijke factoren waar we ons met deze smeermiddelen zorgen over maken,' zei Teresa Mathews, leider van de Biodiversity and Ecosystem Health groep bij ORNL. 'Ze moeten zeer goed presteren, we willen niet dat ze giftig zijn voor aquatische organismen, en als er een morsing is, willen we niet dat de smeermiddelen stoffen zijn die in het milieu blijven hangen. We willen dat ze zeer snel afbreken.'

Streven naar een schonere formule

Het team probeerde eerst potentieel giftige elementen zoals fluor en chloor en metalen zoals zink en ijzer te elimineren uit de kandidaat-IL's. Ze richtten zich ook op het creëren van IL's die bestaan uit kortere koolwaterstofketens - ketens met minder dan zes koolstofatomen - die over het algemeen als minder giftig worden beschouwd.

'We vonden een vier-koolstofketen om de sweet spot te zijn,' zei Qu. Minder dan vier koolstofatomen resulteerde in een IL die niet goed mengde met olie en minder thermisch stabiel was, voegde hij eraan toe.

Wrijvingstesten werden uitgevoerd met metalen stukken die turbinetandwielen en lagers simuleren en gecoat zijn met een smeermiddel dat de IL bevat. Het resulterende oppervlakteslijtage van de stukken werd gekarakteriseerd met behulp van elektronenmicroscopie in het Center for Nanophase Materials Sciences, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij ORNL.

Deze specifieke IL's zijn vrij eenvoudig te produceren en kunnen gemakkelijk opgeschaald worden voor commercialisering, zei Huimin Luo, een chemicus in ORNL's Manufacturing Science Division die het chemische synthese werk leidde.

Om de milieueffecten van de additieven te bepalen, voerde ORNL ecotoxicoloog Louise Stevenson toxiciteit- en biologische afbreekbaarheidstests uit in ORNL's Environmental Toxicology Laboratory, waar routinematig beoordelingen worden uitgevoerd voor DOE, het Department of Defense en andere agentschappen. Volgens de protocollen van het Environmental Protection Agency werd de toxiciteitstesten uitgevoerd met Ceriodaphnia, kleine planktonische kreeftachtigen die algemeen bekend staan als watervlooien, die zich aan de onderkant van de voedselketen bevinden, een korte levenscyclus en een snel voortplantingstempo hebben, en zeer gevoelig zijn voor omgevingsomstandigheden.

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