Nye miljøvenlige smøremiddeladditiver beskytter turbineudstyr, vandveje

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har udviklet smøremiddeladditiver, der beskytter både vandturbineudstyr og det omgivende miljø.

Hvert år forbruges omkring 2,47 milliarder gallons smøreolie alene i USA til motorer og industrimaskiner, ifølge DOE, hvor omkring halvdelen til sidst finder vej til miljøet.

Mens miljømæssigt acceptable smøremidler er tilgængelige, er de ikke optimeret med additiver, der i høj grad kan forbedre ydeevnen, mens de har minimal miljøpåvirkning, hvis de frigives ved et uheld. For at skabe ugiftige, biologisk nedbrydelige og højtydende smøremiddeladditiver til vandkraftturbiner, vendte forskere sig til ioniske væsker eller IL'er:organiske flydende salte, der blandes godt med olie, reducerer friktionen mellem lejer og gear og er stabile i en række temperaturer.

Et team af materiale- og miljøforskere hos ORNL arbejdede sammen om at designe, syntetisere og teste topkandidat IL'er af ammoniumphosphat og phosphoniumphosphat, der giver en god blanding af egenskaber.

Når de blev tilføjet til basisolier, viste IL'erne 50 % mindre friktion og et ti gange fald i udstyrsslid sammenlignet med en kommercielt tilgængelig gearolie, mens de opfyldte føderale standarder for miljøtoksicitet og biologisk nedbrydelighed, som beskrevet i ACS Sustainable Chemistry &Engineering .

Projektet bygger på mere end 20 års IL-forskning hos ORNL, herunder udviklingen af ​​smøremiddeladditiver designet til at reducere motorslid og øge brændstoføkonomien i køretøjer.

"Vores tidligere arbejde viste os, at du dramatisk kunne øge ydelsen af ​​smøremidler med tilføjelsen af ​​kun 1% eller endda en halv procent af IL'er," sagde ORNLs Jun Qu, der leder projektet og Surface Engineering and Tribology-gruppen på ORNL .

Denne gang forsøgte forskere at skabe et ikke-giftigt additiv til brug i turbiner installeret i vandmiljøer, der genererer elektricitet ved hjælp af bølger, tidevand, hav- og flodstrømme. Selvom IL'er generelt anses for at være mindre giftige end konventionelle smøremiddelingredienser, er deres indvirkning på miljøet ikke blevet nærmere undersøgt.

"På miljøsiden er der tre hovedfaktorer, vi bekymrer os om med disse smøremidler," sagde Teresa Mathews, leder for Biodiversity and Ecosystem Health-gruppen hos ORNL. "De skal være højtydende, vi ønsker ikke, at de skal være giftige for nogen vandlevende organismer, og hvis der er et spild, ønsker vi ikke, at smøremidlerne skal være forbindelser, der holder i miljøet. Vi ønsker, at de nedbrydes meget hurtigt."

Forfølger en renere formel

Holdet forsøgte først at eliminere potentielle giftige elementer såsom fluor og klor og metaller såsom zink og jern fra kandidat-IL'erne. De fokuserede også på at skabe IL'er, der består af kortere kulbrintekæder - kæder indeholdende færre end seks kulstofatomer - som generelt anses for at være mindre giftige.

"Vi fandt en fire-carbon kæde til at være det søde sted," sagde Qu. At gå kortere end fire kulstoftyper resulterede i en IL, der ikke blandede sig godt med olie og var mindre termisk stabil, tilføjede han.

Friktionstestning blev udført med metalstykker, der simulerede turbine gear og lejer belagt med et smøremiddel indeholdende IL. Resulterende overfladeslid på stykkerne blev karakteriseret ved hjælp af elektronmikroskopi på Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science brugerfacilitet på ORNL.

Disse særlige IL'er er ret ligetil at producere og kan nemt skaleres op til kommercialisering, sagde Huimin Luo, en kemiker i ORNL's Manufacturing Science Division, der ledede det kemiske syntesearbejde.

For at bestemme tilsætningsstoffernes miljøpåvirkning gennemførte ORNL-økotoksikolog Louise Stevenson toksicitets- og bionedbrydelighedstests i ORNL's Environmental Toxicology Laboratory, hvor vurderinger rutinemæssigt udføres for DOE, Department of Defense og andre agenturer. I henhold til Miljøstyrelsens protokoller brugte toksicitetstestene Ceriodaphnia, små planktoniske krebsdyr, almindeligvis kendt som vandlopper, der sidder i bunden af ​​fødekæden, har en kort livscyklus og hurtig reproduktionshastighed og er meget følsomme over for miljøforhold.

Lille plankton giver stor indsigt

Organismerne "er som kanariefugle i en kulmine for akvatisk toksicitet, fordi de er filterfødere og interagerer med meget vand," sagde Stevenson. "I en syv-dages test vil vi få tre til fire runder af reproduktion med daglig udklækning, så vi kan se efter både dødelige effekter og subletale effekter såsom reproduktions- og vækstpåvirkninger, der har en effekt på befolkningens overlevelse."

Mens de miljømæssigt acceptable smørebaseolier ikke havde nogen effekt på krebsdyrene, viste de kommercielle smøremiddeladditiver og to tidlige IL-forbindelser sig at være ekstremt giftige for organismerne, hvilket resulterede i 100 % dødelighed inden for en til tre dage efter eksponering. Holdets ultimative design for kortkædet ammoniumphosphat og fosfoniumphosphat IL-additiver resulterede i 90-100 % overlevelsesrater efter syv dage.

De endelige, bedst ydende IL-forstærkede smøremidler viste sig også at være meget biologisk nedbrydelige sammenlignet med standard smøremiddeladditiver. Test involverede at udsætte forbindelserne for akvatiske mikrober og derefter måle hastigheden af ​​kuldioxidproduktion, efterhånden som mikroberne nedbrød materialerne.

Højtydende, miljøvenlige smøremidler designet specielt til havenergiturbiner er vigtige af andre årsager, herunder udstyrets holdbarhed. Smøremiddelteknologi, der i øjeblikket bruges til marineturbiner, blev lånt fra vindmøller, som serviceres hver sjette til 18. måned, sagde Qu. Men tidevandsturbiner installeret i havet eller floder er typisk designet til service hvert sjette år og fungerer under meget barske forhold.

Projektet forventes næste gang at fokusere på yderligere udvikling af IL-smøremiddeladditiver specifikt til brug i tidevandsturbiner, der opererer i havet og udsættes for potentiel havvandsforurening og ekstreme tryk og temperaturer.

Projektet fremhæver den mangfoldige ekspertise og kapacitet, der er samlet hos ORNL for at løse en bred vifte af økonomiske, miljømæssige og samfundsmæssige udfordringer, bemærkede forskerne.

Stevenson sagde:"Grøn kemi er et varmt emne, og dette er et eksempel på rent faktisk at gøre det og arbejde sammen mellem materialeforskere og miljøforskere for at finde en løsning på en kollaborativ, produktiv måde."

Flere oplysninger: Xin He et al, Minimering Toxicity and Optimizing Lubricity of Ionic Liquids for Eco-Friendly Lubrication, ACS Sustainable Chemistry &Engineering (2024). DOI:10.1021/acssuschemeng.3c06194

Journaloplysninger: ACS Sustainable Chemistry &Engineering

Leveret af Oak Ridge National Laboratory