Nowe ekologiczne dodatki do smarów chronią sprzęt turbinowy i drogi wodne

2 maja 2024

Ten artykuł został zrecenzowany zgodnie z procesem redakcyjnym Science X i jego polityką. Redaktorzy wyróżnili następujące atrybuty, zapewniając wiarygodność treści:

• sprawdzony pod kątem faktów
• opublikowany po recenzji
• źródło zaufane
• skorygowany

przez Narodowe Laboratorium Oak Ridge

Naukowcy z Departamentu Energetyki Narodowego Laboratorium Oak Ridge opracowali dodatki do smarów, które chronią zarówno sprzęt turbin wodnych, jak i otaczające środowisko.

Każdego roku w samych Stanach Zjednoczonych zużywa się około 2,47 miliarda galonów oleju smarowego na silniki i maszyny przemysłowe, a około połowa z niego ostatecznie trafia do środowiska.

Chociaż dostępne są smary akceptowalne dla środowiska, nie są one zoptymalizowane pod kątem dodatków, które mogą znacznie poprawić wydajność, jednocześnie minimalizując wpływ na środowisko w przypadku przypadkowego uwolnienia. Aby stworzyć nieszkodliwe, biodegradowalne i o wysokiej wydajności dodatki do smarów do turbin wodnych, badacze zwrócili się do cieczy jonowych, czyli IL: organicznych soli w postaci cieczy, które dobrze mieszają się z olejem, redukują tarcie między łożyskami i przekładniami, i są stabilne w różnym zakresie temperatur.

Zespół specjalistów od materiałów i naukowców zajmujących się środowiskiem w ORNL współpracował razem, aby zaprojektować, wytworzyć i przetestować IL amonowego fosforanu i fosforanu fosfonowego, które zapewniają odpowiednie właściwości.

Gdy dodano je do olejów bazowych, IL wykazały o 50% mniejsze tarcie i dziesięciokrotnie mniejsze zużycie sprzętu w porównaniu z dostępnym na rynku olejem przekładniowym, jednocześnie spełniając federalne normy dotyczące toksyczności dla środowiska i biodegradowalności, jak opisano w ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Projekt bazuje na ponad 20 latach badań nad IL w ORNL, w tym na opracowaniu dodatków do smarów mających na celu redukcję zużycia silników i zwiększenie ekonomii paliwa w pojazdach.

"Nasze wcześniejsze prace pokazały nam, że można dramatycznie zwiększyć wydajność smarów dzięki dodaniu zaledwie 1% lub nawet pół procenta IL"- powiedział Jun Qu z ORNL, który kieruje projektem i grupą inżynierii powierzchniowej i tribologii w ORNL.

Tym razem naukowcy starali się stworzyć nieszkodliwy dodatek do stosowania w turbinach zainstalowanych w środowiskach wodnych, generujących elektryczność za pomocą fal, pływów, prądów oceanicznych i rzecznych. Chociaż IL zazwyczaj uważa się za mniej toksyczne niż tradycyjne składniki smarów, ich wpływ na środowisko nie był dokładnie badany.

"Pod względem środowiskowym, istnieją trzy główne czynniki, na które zwracamy uwagę w przypadku tych smarów" - powiedziała Teresa Mathews, kierująca grupą Biodiversity and Ecosystem Health w ORNL. "Muszą dobrze działać, nie chcemy, aby były toksyczne dla jakichkolwiek organizmów wodnych, a jeśli dojdzie do wycieku, nie chcemy, aby smary były związkami, które utrzymują się w środowisku. Chcemy, aby bardzo szybko ulegały rozkładowi".

Poszukiwanie czystszego składu

Zespół najpierw starał się wyeliminować potencjalnie toksyczne elementy, takie jak fluor, chlor i metale, takie jak cynk i żelazo, z kandydujących IL. Skoncentrowali się również na tworzeniu IL składających się z krótszych łańcuchów węglowodorów - łańcuchów zawierających mniej niż sześć atomów węgla - które uważa się na ogół za mniej toksyczne.

"Ustaliliśmy, że cztery atomy węgla stanowią idealny punkt" - powiedział Qu. Skrócenie łańcucha do mniej niż czterech atomów węgla skutkowało IL, który źle mieszał się z olejem i był mniej stabilny termicznie - dodał.

Testowanie tarcia przeprowadzono na metalowych elementach symulujących przekładnie i łożyska turbin pokryte smarem zawierającym IL. Powstałe zużycie powierzchni tych elementów zostało scharakteryzowane przy użyciu mikroskopii elektronowej w Centrum dla Nanofazowych Nauk o Materiałach, laboratorium użytkowników Office of Science DOE w ORNL.

Te konkretne IL są dość proste do wytworzenia i łatwe do skalowania do komercjalizacji - powiedziała Huimin Luo, chemik w Division of Manufacturing Science w ORNL, który kierował pracami nad syntezą chemiczną.

Aby określić wpływ dodatków na środowisko, ekotoksykolog z ORNL Louise Stevenson przeprowadziła testy dotyczące toksyczności i biodegradowalności w Laboratorium Toksykologii Środowiskowej ORNL, gdzie rutynowo przeprowadza się oceny dla DOE, Departamentu Obrony i innych agencji. Testy toksyczności prowadzone były zgodnie z protokołami Agencji Ochrony Środowiska, użyto do nich Ceriodaphnia, niewielkich planktonicznych skorupiaków, znanych powszechnie jako wioślarki, które znajdują się na dnie łańcucha pokarmowego, mają krótki cykl życia i szybki wskaźnik rozmnażania, a także są wysoce wrażliwe na warunki środowiskowe.

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