Wissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums haben Schmiermittelzusätze entwickelt, die sowohl die Wasserturbinenausrüstung als auch die Umgebung schützen.
Laut DOE werden allein in den Vereinigten Staaten jedes Jahr etwa 2,47 Milliarden Gallonen Schmieröl für Motoren und Industriemaschinen verbraucht, wobei etwa die Hälfte irgendwann in die Umwelt gelangt.
Es sind zwar umweltfreundliche Schmierstoffe verfügbar, diese sind jedoch nicht mit Zusatzstoffen optimiert, die die Leistung erheblich verbessern können und bei versehentlicher Freisetzung nur minimale Auswirkungen auf die Umwelt haben. Um ungiftige, biologisch abbaubare und leistungsstarke Schmiermittelzusätze für Wasserkraftturbinen zu entwickeln, wandten sich die Forscher ionischen Flüssigkeiten oder ILs zu: organischen flüssigen Salzen, die sich gut mit Öl mischen, die Reibung zwischen Lagern und Zahnrädern verringern und in einem Temperaturbereich stabil sind.
Ein Team aus Material- und Umweltwissenschaftlern am ORNL arbeitete zusammen, um die besten ILs aus Ammoniumphosphat und Phosphoniumphosphat zu entwerfen, zu synthetisieren und zu testen, die eine gute Mischung von Eigenschaften bieten.
Beim Zusatz zu Grundölen zeigten die ILs eine um 50 % geringere Reibung und eine zehnfache Verringerung des Geräteverschleißes im Vergleich zu einem kommerziell erhältlichen Getriebeöl, während sie gleichzeitig die Bundesstandards für Umwelttoxizität und biologische Abbaubarkeit erfüllten. wie beschrieben In ACS Nachhaltige Chemie und Technik.
Das Projekt baut auf mehr als 20 Jahren IL-Forschung am ORNL auf, einschließlich der Entwicklung von Schmierstoffadditiven, die den Motorverschleiß reduzieren und den Kraftstoffverbrauch in Fahrzeugen steigern sollen.
„Unsere frühere Arbeit hat uns gezeigt, dass man die Leistung von Schmiermitteln mit der Zugabe von nur 1 % oder sogar einem halben Prozent ILs dramatisch steigern kann“, sagte Jun Qu vom ORNL, der das Projekt und die Gruppe für Oberflächentechnik und Tribologie am ORNL leitet .
Dieses Mal wollten Wissenschaftler einen ungiftigen Zusatzstoff für den Einsatz in Turbinen entwickeln, die in Gewässern installiert sind und mithilfe von Wellen, Gezeiten, Meeres- und Flussströmungen Strom erzeugen. Obwohl ILs im Allgemeinen als weniger toxisch gelten als herkömmliche Schmierstoffbestandteile, wurden ihre Auswirkungen auf die Umwelt nicht genau untersucht.
„Auf der Umweltseite gibt es drei Hauptfaktoren, die uns bei diesen Schmiermitteln am Herzen liegen“, sagte Teresa Mathews, Leiterin der Gruppe „Biodiversität und Ökosystemgesundheit“ am ORNL. „Sie müssen hochleistungsfähig sein, wir wollen nicht, dass sie für Wasserorganismen giftig sind, und wenn etwas verschüttet wird, wollen wir nicht, dass es sich bei den Schmierstoffen um Verbindungen handelt, die in der Umwelt bestehen bleiben. Wir wollen, dass sie stark abgebaut werden.“ schnell.“
Eine sauberere Formel verfolgen
Das Team versuchte zunächst, potenziell toxische Elemente wie Fluor und Chlor sowie Metalle wie Zink und Eisen aus den IL-Kandidaten zu entfernen. Sie konzentrierten sich auch auf die Schaffung von ILs, die aus kürzeren Kohlenwasserstoffketten bestehen – Ketten mit weniger als sechs Kohlenstoffatomen –, die allgemein als weniger toxisch gelten.
„Wir haben herausgefunden, dass eine Kette mit vier Kohlenstoffatomen der ideale Ort ist“, sagte Qu. Eine Reduzierung auf weniger als vier Kohlenstoffatome führte zu einer IL, die sich nicht gut mit Öl vermischte und thermisch weniger stabil war, fügte er hinzu.
Reibungstests wurden mit Metallteilen durchgeführt, die Turbinenräder und Lager simulierten und mit einem Schmiermittel beschichtet waren, das IL enthielt. Der daraus resultierende Oberflächenverschleiß der Stücke wurde mittels Elektronenmikroskopie am Center for Nanophase Materials Sciences, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am ORNL, charakterisiert.
„Diese speziellen ILs sind relativ einfach herzustellen und können leicht für die Kommerzialisierung vergrößert werden“, sagte Huimin Luo, ein Chemiker in der Abteilung für Fertigungswissenschaften des ORNL, der die Arbeiten zur chemischen Synthese leitete.
Um die Umweltauswirkungen der Zusatzstoffe zu bestimmen, führte die ORNL-Ökotoxikologin Louise Stevenson Toxizitäts- und biologische Abbaubarkeitstests im Umwelttoxikologielabor des ORNL durch, wo routinemäßig Bewertungen für das DOE, das Verteidigungsministerium und andere Behörden durchgeführt werden. Gemäß den Protokollen der Environmental Protection Agency wurden für die Toxizitätstests Ceriodaphnia verwendet, winzige planktonische Krebstiere, die allgemein als Wasserflöhe bekannt sind und am Ende der Nahrungskette stehen, einen kurzen Lebenszyklus und eine schnelle Reproduktionsrate haben und sehr empfindlich auf Umweltbedingungen reagieren.
Winziges Plankton ermöglicht große Erkenntnisse
Die Organismen „verhalten sich hinsichtlich ihrer aquatischen Toxizität wie Kanarienvögel in einem Kohlebergwerk, weil sie Filtrierer sind und mit viel Wasser interagieren“, sagte Stevenson. „In einem siebentägigen Test erhalten wir drei bis vier Fortpflanzungsrunden mit täglichem Schlüpfen, sodass wir sowohl nach tödlichen als auch nach subletalen Auswirkungen suchen können, wie z. B. Auswirkungen auf die Fortpflanzung und das Wachstum, die sich auf das Überleben der Population auswirken.“
Während die umweltfreundlichen Schmierstoffgrundöle keine Auswirkungen auf die Krebstiere hatten, erwiesen sich die kommerziellen Schmierstoffzusätze und zwei frühe IL-Verbindungen als äußerst giftig für die Organismen, was zu einer 100-prozentigen Sterblichkeit innerhalb von ein bis drei Tagen nach der Exposition führte. Die ultimativen Entwürfe des Teams für kurzkettige Ammoniumphosphat- und Phosphoniumphosphat-IL-Zusätze führten zu Überlebensraten von 90–100 % nach sieben Tagen.
Die endgültigen, leistungsstärksten IL-verstärkten Schmierstoffe erwiesen sich im Vergleich zu Standardschmierstoffadditiven auch als gut biologisch abbaubar. Bei den Tests wurden die Verbindungen Wassermikroben ausgesetzt und anschließend die Geschwindigkeit der Kohlendioxidproduktion gemessen, während die Mikroben die Materialien abbauten.
Hochleistungsfähige, umweltfreundliche Schmierstoffe, die speziell für Schiffsenergieturbinen entwickelt wurden, sind auch aus anderen Gründen wichtig, einschließlich der Haltbarkeit der Ausrüstung. Die derzeit für Schiffsturbinen verwendete Schmierstofftechnologie sei von Windturbinen übernommen worden, die alle sechs bis 18 Monate gewartet würden, sagte Qu. Doch im Meer oder in Flüssen installierte Gezeitenturbinen sind in der Regel alle sechs Jahre in Betrieb und arbeiten unter viel härteren Bedingungen.
Als nächstes wird sich das Projekt voraussichtlich auf die Weiterentwicklung von IL-Schmiermitteladditiven konzentrieren, die speziell für den Einsatz in Gezeitenturbinen gedacht sind, die im Ozean betrieben werden und potenzieller Meerwasserverschmutzung sowie Druck- und Temperaturextremen ausgesetzt sind.
Das Projekt unterstreicht die vielfältigen Fachkenntnisse und Fähigkeiten, die am ORNL gesammelt wurden, um ein breites Spektrum wirtschaftlicher, ökologischer und gesellschaftlicher Herausforderungen anzugehen, stellten die Wissenschaftler fest.
Stevenson sagte: „Grüne Chemie ist ein heißes Thema, und dies ist ein Beispiel dafür, wie man das tatsächlich tut und zwischen Materialwissenschaftlern und Umweltwissenschaftlern zusammenarbeitet, um auf gemeinschaftliche und produktive Weise eine Lösung zu finden.“
Mehr Informationen:
Xin He et al., Minimierung der Toxizität und Optimierung der Schmierfähigkeit ionischer Flüssigkeiten für eine umweltfreundliche Schmierung, ACS Nachhaltige Chemie und Technik (2024). DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c06194