Новые экологически чистые присадки к смазочным материалам защищают турбинное оборудование и водные пути

Ученые из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики разработали присадки к смазочным материалам, которые защищают как оборудование водяных турбин, так и окружающую среду.

По данным Министерства энергетики, ежегодно только в Соединенных Штатах для двигателей и промышленного оборудования потребляется около 2,47 миллиарда галлонов смазочного масла, причем около половины в конечном итоге попадает в окружающую среду.

Несмотря на то, что экологически приемлемые смазочные материалы доступны, они не оптимизированы с помощью присадок, которые могут значительно улучшить производительность, оказывая при этом минимальное воздействие на окружающую среду в случае случайного выброса. Чтобы создать нетоксичные, биоразлагаемые и высокоэффективные смазочные присадки для гидротурбин, исследователи обратились к ионным жидкостям, или ИЖ: органическим жидким солям, которые хорошо смешиваются с маслом, уменьшают трение между подшипниками и шестернями и стабильны в диапазоне температур.

Команда ученых-материаловедов и ученых-экологов из ORNL работала вместе над разработкой, синтезом и испытанием лучших кандидатных ИЖ на основе фосфата аммония и фосфата фосфония, которые обеспечивают хорошее сочетание свойств.

При добавлении к базовым маслам IL продемонстрировали на 50 % меньше трения и десятикратное снижение износа оборудования по сравнению с коммерчески доступными трансмиссионными маслами, при этом отвечая федеральным стандартам по экологической токсичности и биоразлагаемости, как описано в ACS Устойчивая химия и инженерия.

Проект основан на более чем 20-летних исследованиях IL в ORNL, включая разработку присадок к смазочным материалам, предназначенных для снижения износа двигателя и повышения экономии топлива в транспортных средствах.

«Наша предыдущая работа показала нам, что можно значительно повысить эффективность смазочных материалов, добавив всего 1% или даже полпроцента IL», — сказал Цзюнь Цюй из ORNL, который возглавляет проект и группу поверхностной инженерии и трибологии в ORNL. .

На этот раз ученые стремились создать нетоксичную добавку для использования в турбинах, установленных в водной среде, генерирующих электроэнергию с помощью волн, приливов, океанских и речных течений. Хотя IL обычно считаются менее токсичными, чем традиционные смазочные материалы, их воздействие на окружающую среду тщательно не изучалось.

«Что касается окружающей среды, то при использовании этих смазочных материалов мы заботимся о трех основных факторах», — сказала Тереза ​​Мэтьюз, руководитель группы по биоразнообразию и здоровью экосистем в ORNL. «Они должны быть высокоэффективными, мы не хотим, чтобы они были токсичными для каких-либо водных организмов, а в случае разлива мы не хотим, чтобы смазочные материалы представляли собой соединения, устойчивые в окружающей среде. Мы хотим, чтобы они сильно разлагались. быстро.»

В поисках более чистой формулы

Сначала команда попыталась исключить из потенциальных IL потенциально токсичные элементы, такие как фтор и хлор, а также металлы, такие как цинк и железо. Они также сосредоточились на создании ИЖ, состоящих из более коротких углеводородных цепей — цепей, содержащих менее шести атомов углерода, — которые обычно считаются менее токсичными.

«Мы обнаружили, что цепочка из четырех атомов углерода является лучшим вариантом», — сказал Цюй. По его словам, использование короче четырех атомов углерода привело к тому, что IL плохо смешивался с маслом и был менее термически стабильным.

Испытания на трение проводились с использованием металлических деталей, имитирующих шестерни и подшипники турбины, покрытых смазкой, содержащей ИЖ. Результирующий поверхностный износ деталей был охарактеризован с помощью электронной микроскопии в Центре наук о нанофазных материалах, пользовательском центре Министерства науки США в ORNL.

«Эти конкретные ИЖ довольно просто производить, и их можно легко масштабировать для коммерциализации», — сказал Хуймин Луо, химик из отдела производственных наук ORNL, который руководил работой по химическому синтезу.

Чтобы определить воздействие добавок на окружающую среду, экотоксиколог ORNL Луиза Стивенсон провела испытания на токсичность и биоразлагаемость в лаборатории экологической токсикологии ORNL, где оценки регулярно проводятся для Министерства энергетики, Министерства обороны и других агентств. В соответствии с протоколами Агентства по охране окружающей среды в тестах на токсичность использовались цериодафнии, крошечные планктонные ракообразные, широко известные как водяные блохи, которые находятся в самом низу пищевой цепи, имеют короткий жизненный цикл и высокую скорость размножения и очень чувствительны к условиям окружающей среды.

Крошечный планктон дает большую информацию

Эти организмы «подобны канарейкам в угольной шахте по водной токсичности, потому что они являются фильтраторами и взаимодействуют с большим количеством воды», — сказал Стивенсон. «В ходе семидневного теста мы получим три-четыре раунда размножения с ежедневным вылуплением, поэтому мы можем искать как летальные, так и сублетальные эффекты, такие как влияние на репродуктивную функцию и рост, которые влияют на выживаемость популяции».

Хотя экологически приемлемые базовые масла смазочных материалов не оказали никакого воздействия на ракообразных, коммерческие присадки к смазочным материалам и два ранних соединения IL оказались чрезвычайно токсичными для организмов, что привело к 100% смертности в течение одного-трех дней после воздействия. Окончательные разработки команды для добавок IL с короткоцепочечным фосфатом аммония и фосфатом фосфония привели к показателям выживаемости 90-100% через семь дней.

Также было обнаружено, что окончательные, высокоэффективные смазочные материалы с повышенными IL обладают высокой биоразлагаемостью по сравнению со стандартными смазочными присадками. Тестирование включало воздействие на соединения водных микробов, а затем измерение скорости образования углекислого газа по мере того, как микробы расщепляли материалы.

Высокоэффективные, экологически чистые смазочные материалы, разработанные специально для морских энергетических турбин, важны и по другим причинам, в том числе по долговечности оборудования. Технология смазок, используемая в настоящее время для морских турбин, была заимствована у ветряных турбин, которые обслуживаются каждые шесть-восемнадцать месяцев, сказал Цюй. Но приливные турбины, установленные в океане или реках, обычно рассчитаны на обслуживание каждые шесть лет и работают в гораздо более суровых условиях.

Ожидается, что в дальнейшем проект будет сосредоточен на дальнейшей разработке присадок к смазочным материалам IL специально для использования в приливных турбинах, работающих в океане и подверженных потенциальному загрязнению морской воды, а также экстремальным давлениям и температурам.

По словам ученых, проект подчеркивает разнообразный опыт и возможности, собранные в ORNL для решения широкого спектра экономических, экологических и социальных проблем.

Стивенсон сказал: «Зеленая химия — актуальная тема, и это пример того, как действительно можно это сделать и работать вместе между учеными-материаловедами и учеными-экологами, чтобы найти решение совместным и продуктивным способом».