Wetenschap
Nieuwe milieuvriendelijke smeermiddeladditieven beschermen turbineapparatuur en waterwegen
Volgens DOE wordt er alleen al in de Verenigde Staten elk jaar ongeveer 2,47 miljard liter smeerolie verbruikt voor motoren en industriële machines, waarvan ongeveer de helft uiteindelijk in het milieu terechtkomt.
Hoewel er voor het milieu aanvaardbare smeermiddelen beschikbaar zijn, zijn deze niet geoptimaliseerd met additieven die de prestaties aanzienlijk kunnen verbeteren en tegelijkertijd een minimale impact op het milieu hebben als ze per ongeluk vrijkomen. Om niet-giftige, biologisch afbreekbare en goed presterende smeermiddeladditieven voor waterkrachtturbines te creëren, hebben onderzoekers zich tot ionische vloeistoffen of IL's gewend:organische vloeibare zouten die goed met olie mengen, de wrijving tussen lagers en tandwielen verminderen en stabiel zijn in een reeks temperaturen.
Een team van materiaal- en milieuwetenschappers bij ORNL werkte samen om topkandidaat-IL's van ammoniumfosfaat en fosfoniumfosfaat te ontwerpen, synthetiseren en testen die een goede mix van eigenschappen bieden.
Wanneer ze aan basisoliën werden toegevoegd, vertoonden de IL's 50% minder wrijving en een tienvoudige afname van slijtage van apparatuur in vergelijking met een in de handel 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 die zijn ontworpen om motorslijtage te verminderen en het brandstofverbruik in voertuigen te verhogen.
"Ons eerdere werk heeft ons laten zien dat je de prestaties van smeermiddelen dramatisch kunt verbeteren met de toevoeging van slechts 1% of zelfs een half procent IL's", zegt Jun Qu van ORNL, die het project leidt en de Surface Engineering and Tribology-groep bij ORNL. .
Deze keer probeerden wetenschappers een niet-giftig additief te maken voor gebruik in turbines die in aquatische omgevingen zijn geïnstalleerd en elektriciteit opwekken met behulp van golven, getijden, oceaan- en rivierstromingen. Hoewel IL's over het algemeen als minder giftig worden beschouwd dan conventionele smeermiddelingrediënten, is hun impact op het milieu niet nauwkeurig onderzocht.
"Aan de milieukant zijn er drie belangrijke factoren waar we om geven bij deze smeermiddelen", zegt Teresa Mathews, hoofd van de Biodiversity and Ecosystem Health-groep bij ORNL. "Ze moeten zeer goed presteren, we willen niet dat ze giftig zijn voor waterorganismen, en als er iets gemorst wordt, willen we niet dat de smeermiddelen verbindingen zijn die lang meegaan in het milieu. We willen dat ze zeer slecht worden afgebroken." snel."
Een schonere formule nastreven
Het team probeerde eerst potentiële giftige elementen zoals fluor en chloor en metalen zoals zink en ijzer uit de kandidaat-IL's te elimineren. Ze concentreerden zich ook op het creëren van IL's die bestaan uit kortere koolwaterstofketens (ketens die minder dan zes koolstofatomen bevatten) die over het algemeen als minder giftig worden beschouwd.
"We vonden dat een keten met vier koolstofatomen de goede plek was", zei Qu. Een kortere levensduur dan vier koolstoffen resulteerde in een IL die niet goed mengde met olie en minder thermisch stabiel was, voegde hij eraan toe.
Wrijvingstests werden uitgevoerd met metalen stukken die turbinetandwielen en lagers simuleerden en die waren bedekt met een smeermiddel dat de IL bevatte. De resulterende oppervlakteslijtage van de stukken werd gekarakteriseerd met behulp van elektronenmicroscopie bij het Center for Nanophase Materials Sciences, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit bij ORNL.
Deze specifieke IL's zijn redelijk eenvoudig te produceren en kunnen gemakkelijk worden opgeschaald voor commercialisering, zegt Huimin Luo, een scheikundige bij de Manufacturing Science Division van ORNL die leiding gaf aan het chemische synthesewerk.
Om de impact op het milieu van de additieven te bepalen, voerde ORNL-ecotoxicoloog Louise Stevenson toxiciteits- en biologische afbreekbaarheidstests uit in het Environmental Toxicology Laboratory van ORNL, waar beoordelingen routinematig worden uitgevoerd voor DOE, het ministerie van Defensie en andere instanties. Volgens de protocollen van het Environmental Protection Agency werd bij de toxiciteitstests gebruik gemaakt van Ceriodaphnia, kleine planktonschaaldieren, algemeen bekend als watervlooien, die onderaan de voedselketen zitten, een korte levenscyclus en snelle voortplanting hebben, en zeer gevoelig zijn voor omgevingsomstandigheden. P>
Klein plankton levert grote inzichten op
De organismen "zijn als kanaries in een kolenmijn wat betreft aquatische toxiciteit, omdat ze filtervoeders zijn en met veel water interageren", zei Stevenson. "In een zevendaagse test krijgen we drie tot vier voortplantingsronden met dagelijks uitkomen, zodat we kunnen zoeken naar zowel dodelijke als subletale effecten, zoals reproductieve en groei-effecten die een effect hebben op de overleving van de populatie." P>
Hoewel de voor het milieu aanvaardbare basissmeeroliën geen effect hadden op de schaaldieren, bleken de commerciële smeermiddeladditieven en twee vroege IL-verbindingen extreem giftig voor de organismen, resulterend in 100% sterfte binnen één tot drie dagen na blootstelling. De uiteindelijke ontwerpen van het team voor ammoniumfosfaat- en fosfoniumfosfaat IL-additieven met een korte keten resulteerden na zeven dagen in overlevingspercentages van 90-100%.
De uiteindelijke, best presterende, met IL verbeterde smeermiddelen bleken ook zeer biologisch afbreekbaar te zijn in vergelijking met standaard smeermiddeladditieven. Bij het testen werden de verbindingen blootgesteld aan watermicroben en vervolgens werd de snelheid van de kooldioxideproductie gemeten terwijl de microben de materialen afbraken.
Hoogwaardige, milieuvriendelijke smeermiddelen die speciaal zijn ontworpen voor energieturbines op zee zijn belangrijk om andere redenen, waaronder de duurzaamheid van apparatuur. De smeermiddeltechnologie die momenteel wordt gebruikt voor scheepsturbines is geleend van windturbines, die elke zes tot achttien maanden een onderhoudsbeurt krijgen, zei Qu. Maar getijdenturbines die in de oceaan of rivieren worden geïnstalleerd, zijn doorgaans ontworpen voor gebruik om de zes jaar en werken onder veel zwaardere omstandigheden.
Verwacht wordt dat het project zich vervolgens zal richten op de verdere ontwikkeling van IL-smeermiddeladditieven, specifiek voor gebruik in getijdenturbines die in de oceaan werken en worden blootgesteld aan potentiële zeewaterverontreiniging en druk- en temperatuurextremen.
Het project benadrukt de diverse expertise en capaciteiten die bij ORNL zijn verzameld om een breed scala aan economische, ecologische en maatschappelijke uitdagingen aan te pakken, merkten de wetenschappers op.
Stevenson zei:"Groene chemie is een hot topic, en dit is een voorbeeld van hoe je dat daadwerkelijk doet en hoe je samenwerkt tussen materiaalwetenschappers en milieuwetenschappers om op een gezamenlijke, productieve manier tot een oplossing te komen."