Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har utvecklat smörjmedelstillsatser som skyddar både vattenturbinutrustning och den omgivande miljön.
Varje år förbrukas ungefär 2,47 miljarder liter smörjolja enbart i USA för motorer och industrimaskiner, enligt DOE, och ungefär hälften hittar så småningom sin väg ut i miljön.
Även om miljömässigt acceptabla smörjmedel finns tillgängliga, är de inte optimerade med tillsatser som avsevärt kan förbättra prestandan samtidigt som de ger minimal miljöpåverkan om de släpps av misstag. För att skapa ogiftiga, biologiskt nedbrytbara och högpresterande smörjmedelstillsatser för vattenkraftturbiner vände sig forskare till joniska vätskor, eller IL:organiska flytande salter som blandas väl med olja, minskar friktionen mellan lager och växlar och är stabila i en rad olika temperaturer.
Ett team av material- och miljöforskare vid ORNL arbetade tillsammans för att designa, syntetisera och testa toppkandidater av ammoniumfosfat och fosfoniumfosfat som ger en bra blandning av egenskaper.
När de lades till basoljor visade IL:erna 50 % mindre friktion och en tiofaldig minskning av utrustningsslitage jämfört med en kommersiellt tillgänglig växellådsolja, samtidigt som de uppfyllde federala standarder för miljötoxicitet och biologisk nedbrytbarhet, som beskrivs i ACS Sustainable Chemistry &Engineering .
Projektet bygger på mer än 20 år av IL-forskning vid ORNL, inklusive utvecklingen av smörjmedelstillsatser utformade för att minska motorslitage och öka bränsleekonomin i fordon.
"Vårt tidigare arbete visade oss att du dramatiskt kunde öka prestandan hos smörjmedel med tillsatsen av bara 1% eller till och med en halv procent av IL", säger ORNL:s Jun Qu, som leder projektet och Surface Engineering and Tribology-gruppen på ORNL .
Den här gången försökte forskare skapa en giftfri tillsats för användning i turbiner installerade i vattenmiljöer, som genererar elektricitet med hjälp av vågor, tidvatten, havs- och flodströmmar. Även om IL i allmänhet anses vara mindre giftiga än konventionella smörjmedelsingredienser, har deras påverkan på miljön inte studerats noggrant.
"På miljösidan finns det tre huvudfaktorer som vi bryr oss om med dessa smörjmedel", säger Teresa Mathews, ledare för gruppen för biologisk mångfald och ekosystemhälsa på ORNL. "De måste vara högpresterande, vi vill inte att de ska vara giftiga för några vattenlevande organismer, och om det finns ett spill vill vi inte att smörjmedlen ska vara föreningar som håller i miljön. Vi vill att de ska brytas ned väldigt mycket. snabbt."
Sträva efter en renare formel
Teamet försökte först eliminera potentiella giftiga element som fluor och klor och metaller som zink och järn från kandidat-IL. De fokuserade också på att skapa IL som består av kortare kolvätekedjor – kedjor som innehåller färre än sex kolatomer – som i allmänhet anses vara mindre giftiga.
"Vi hittade en fyrkolskedja som den söta punkten," sa Qu. Att gå kortare än fyra kol resulterade i en IL som inte blandade sig bra med olja och var mindre termiskt stabil, tillade han.
Friktionstestning utfördes med metalldelar som simulerade turbinväxlar och lager belagda med ett smörjmedel innehållande IL. Resulterande ytslitage på bitarna karakteriserades med hjälp av elektronmikroskopi vid Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science-användaranläggning vid ORNL.
Dessa speciella IL:er är ganska enkla att producera och kan lätt skalas upp för kommersialisering, säger Huimin Luo, en kemist vid ORNL:s Manufacturing Science Division som ledde det kemiska syntesarbetet.
För att fastställa tillsatsernas miljöpåverkan genomförde ORNLs ekotoxikolog Louise Stevenson toxicitets- och biologiskt nedbrytbarhetstester i ORNL:s Environmental Toxicology Laboratory, där bedömningar rutinmässigt utförs för DOE, försvarsdepartementet och andra myndigheter. I enlighet med miljöskyddsmyndighetens protokoll använde toxicitetstesterna Ceriodaphnia, små planktoniska kräftdjur, allmänt kända som vattenloppor som sitter längst ner i näringskedjan, har en kort livscykel och snabb reproduktionshastighet och är mycket känsliga för miljöförhållanden.
Organismerna "är som kanariefåglar i en kolgruva för akvatisk toxicitet eftersom de är filtermatare och interagerar med mycket vatten," sa Stevenson. "I ett sju dagars test kommer vi att få tre till fyra omgångar av reproduktion med daglig kläckning, så vi kan leta efter både dödliga effekter och subletala effekter som reproduktions- och tillväxteffekter som har en effekt på befolkningens överlevnad."
Medan de miljömässigt acceptabla smörjmedelsbasoljorna inte hade någon effekt på kräftdjuren, visade sig de kommersiella smörjmedelstillsatserna och två tidiga IL-föreningar vara extremt giftiga för organismerna, vilket resulterade i 100 % dödlighet inom en till tre dagar efter exponering. Teamets ultimata design för kortkedjiga ammoniumfosfat- och fosfoniumfosfat-IL-tillsatser resulterade i 90-100 % överlevnad efter sju dagar.
De slutliga, högpresterande IL-förbättrade smörjmedlen visade sig också vara mycket biologiskt nedbrytbara jämfört med vanliga smörjmedelstillsatser. Testningen innebar att man exponerade föreningarna för vattenlevande mikrober och sedan mätte graden av koldioxidproduktion när mikroberna bröt ner materialen.
Högpresterande, miljövänliga smörjmedel designade specifikt för marina energiturbiner är viktiga av andra skäl, inklusive utrustningens hållbarhet. Smörjmedelsteknik som för närvarande används för marina turbiner lånades från vindkraftverk, som servas var sjätte till 18:e månad, sa Qu. Men tidvattenturbiner installerade i havet eller floder är vanligtvis konstruerade för service vart sjätte år och fungerar under mycket tuffare förhållanden.
Projektet förväntas härnäst fokusera på vidareutveckling av IL-smörjmedelstillsatser specifikt för användning i tidvattenturbiner som arbetar i havet och utsätts för potentiell havsvattenförorening och tryck- och temperaturextrema.
Projektet belyser den mångsidiga expertis och kapacitet som samlats på ORNL för att möta ett brett spektrum av ekonomiska, miljömässiga och samhälleliga utmaningar, konstaterade forskarna.
Stevenson sa:"Grön kemi är ett hett ämne, och det här är ett exempel på att faktiskt göra det och arbeta tillsammans mellan materialvetare och miljöforskare för att komma fram till en lösning på ett samarbetande, produktivt sätt."
Mer information: Xin He et al, Minimizing Toxicity and Optimizing Lubricity of Ionic Liquids for Eco-Friendly Lubrication, ACS Sustainable Chemistry &Engineering (2024). DOI:10.1021/acssuschemeng.3c06194
Journalinformation: ACS Sustainable Chemistry &Engineering
Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory
