Nya miljövänliga smörjmedelstillsatser skyddar turbinutrustning, vattenvägar

2 maj 2024

Den här artikeln har granskats enligt Science X's redaktionella process och policyer. Redaktörer har framhävt de följande egenskaperna samtidigt som de säkerställt innehållets trovärdighet:

• faktagranskad
• granskad i vetenskaplig tidskrift
• betroullig källa
• korrigerad

av Oak Ridge National Laboratory

Vetenskapsmän vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har utvecklat smörjmedelstillägg som skyddar både vattenturbinutrustning och den omgivande miljön.

Varje år förbrukas ungefär 2,47 miljarder gallon smörjolja i USA för motorer och industriella maskiner, enligt DOE, varav hälften till sist hamnar i miljön.

Medan det finns miljövänliga smörjmedel, är de inte optimerade med tillsatser som kan förbättra prestanda avsevärt samtidigt som de har minimal miljöpåverkan vid eventuell utsläpp. För att skapa icke-giftiga, nedbrytbara och högpresterande smörjmedelstillägg för vattenkraftturbiner, vände sig forskarna till joniska vätskor, eller IL:er: organiska vätskesalter som blandar sig väl med olja, minskar friktionen mellan lager och växlar, och är stabila inom ett intervall av temperaturer.

Ett team av material- och miljövetenskapsmän på ORNL arbetade tillsammans för att designa, syntetisera och testa de bästa kandidaterna IL:er av ammonium- och fosfoniumfosfat som erbjuder en bra blandning av egenskaper.

När IL:erna tillsattes till basoljor, visade de 50% mindre friktion och en tiofaldig minskning av utrustningsslitage jämfört med en kommersiellt tillgänglig växelolja, samtidigt som de uppfyllde federala standarder för miljötoxicitet och nedbrytbarhet, som beskrivits i ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Projektet bygger på mer än 20 års IL-forskning på ORNL, inklusive utvecklingen av smörjmedelstillägg som syftar till att minska motorernas slitage och öka fordonens bränsleekonomi.

'Vårt tidigare arbete visade oss att du kunde dramatiskt öka prestanda för smörjmedel genom att bara lägga till 1% eller till och med en halv procent av IL:er,' sa ORNL:s Jun Qu, som leder projektet och Surface Engineering and Tribology gruppen på ORNL.

Den här gången försökte forskarna skapa ett icke-giftigt tillsats för användning i turbiner installerade i vattenmiljöer, som genererar el med hjälp av vågor, tidvatten, ocean och flodströmmar. Även om IL:er generellt anses mindre giftiga än konventionella smörjmedelsingredienser, har deras inverkan på miljön inte studerats noggrant.

'På miljösidan finns det tre huvudfaktorer vi bryr oss om med dessa smörjmedel,' sa Teresa Mathews, ledare för Biodiversity and Ecosystem Health gruppen på ORNL. 'De måste prestera bra, vi vill inte att de ska vara giftiga för vattenorganismer, och om det blir ett spill, vill vi inte att smörjmedlen ska vara föreningar som varar i miljön. Vi vill att de skall brytas ner mycket snabbt.'

Strävar efter en renare formel

Teamet försökte först eliminera potentiellt giftiga element som fluor och klor och metaller som zink och järn från de kandidat-IL:er. De fokuserade också på att skapa IL:er med kortare kolvätekedjor - kedjor som innehåller färre än sex kolatomer - som i allmänhet anses vara mindre giftiga.

'Vi hittade en fyra kolatomers kedja som var den bästa punkten,' sa Qu. Att gå kortare än fyra kolatomer resulterade i en IL som inte blandades bra med olja och var mindre termiskt stabil, tillade han.

Friktionstestning utfördes med metalldelar som efterliknade turbinväxlar och lager med en smörjmedel innehållande IL. Resultatetvis ytterlig slitage av delarna karakteriserades med hjälp av elektronmikroskopi vid Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science användaranläggning vid ORNL.

Dessa specifika IL:er är ganska enkla att producera och kan lätt skalas upp för kommersialisering, sa Huimin Luo, en kemist i ORNL:s Manufacturing Science Division som ledde det kemiska syntesarbetet.

För att fastställa tillsatsernas miljöpåverkan, utförde Louise Stevenson, en ekoteknolog vid ORNL, tester av toxicitet och nedbrytbarhet i ORNL:s Environmental Toxicology Lab, där bedömningar regelbundet, för DOE, Department of Defense och andra organ. Enligt Environmental Protection Agency:s protokoll användes Ceriodaphnia, små planktoniska kräftdjur som kallas vattenloppor som sitter längst ner i näringskedjan, har en kort livscykel och snabb reproduktionstakt, och är mycket känsliga för miljöförhållanden, i toxicitetstesterna.

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