Les scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie ont développé des additifs lubrifiants qui protègent à la fois les équipements des turbines hydrauliques et l’environnement.
Chaque année, selon le DOE, environ 2,47 milliards de gallons d’huile lubrifiante sont consommés rien qu’aux États-Unis pour les moteurs et les machines industrielles, dont environ la moitié finissent par se retrouver dans l’environnement.
Bien que des lubrifiants respectueux de l’environnement soient disponibles, ils ne sont pas optimisés avec des additifs susceptibles d’améliorer considérablement les performances tout en ayant un impact minimal sur l’environnement en cas de libération accidentelle. Pour créer des additifs lubrifiants non toxiques, biodégradables et hautement performants pour les turbines hydrauliques, les chercheurs se sont tournés vers les liquides ioniques, ou IL : des sels liquides organiques qui se mélangent bien à l’huile, réduisent la friction entre les roulements et les engrenages et sont stables dans une plage de températures.
Une équipe de scientifiques des matériaux et de l’environnement de l’ORNL a travaillé ensemble pour concevoir, synthétiser et tester les meilleurs candidats IL de phosphate d’ammonium et de phosphate de phosphonium qui offrent un bon mélange de propriétés.
Lorsqu’elles sont ajoutées aux huiles de base, les IL ont démontré 50 % de friction en moins et une usure des équipements dix fois inférieure par rapport à une huile pour engrenages disponible dans le commerce, tout en répondant aux normes fédérales en matière de toxicité environnementale et de biodégradabilité. comme décrit dans ACS Chimie et ingénierie durables.
Le projet s’appuie sur plus de 20 ans de recherche IL à l’ORNL, y compris le développement d’additifs pour lubrifiants conçus pour réduire l’usure du moteur et augmenter l’économie de carburant des véhicules.
« Nos travaux antérieurs nous ont montré qu’il était possible d’augmenter considérablement les performances des lubrifiants avec l’ajout de seulement 1 %, voire un demi pour cent, d’IL », a déclaré Jun Qu de l’ORNL, qui dirige le projet et le groupe d’ingénierie de surface et de tribologie de l’ORNL. .
Cette fois-ci, les scientifiques ont cherché à créer un additif non toxique destiné aux turbines installées en milieu aquatique, générant de l’électricité à partir des vagues, des marées, des courants océaniques et fluviaux. Bien que les IL soient généralement considérés comme moins toxiques que les ingrédients lubrifiants conventionnels, leur impact sur l’environnement n’a pas été étudié de près.
« Du point de vue environnemental, nous nous soucions de trois facteurs principaux avec ces lubrifiants », a déclaré Teresa Mathews, responsable du groupe Biodiversité et santé des écosystèmes à l’ORNL. « Ils doivent être très performants, nous ne voulons pas qu’ils soient toxiques pour les organismes aquatiques, et en cas de déversement, nous ne voulons pas que les lubrifiants soient des composés qui durent dans l’environnement. Nous voulons qu’ils se dégradent très rapidement. »
À la recherche d’une formule plus propre
L’équipe a d’abord cherché à éliminer les éléments toxiques potentiels tels que le fluor et le chlore et les métaux tels que le zinc et le fer des IL candidats. Ils se sont également concentrés sur la création d’IL constituées de chaînes d’hydrocarbures plus courtes – des chaînes contenant moins de six atomes de carbone – qui sont généralement considérées comme moins toxiques.
« Nous avons trouvé qu’une chaîne à quatre carbones était le point idéal », a déclaré Qu. Un IL plus court que quatre carbones aboutissait à un IL qui ne se mélangeait pas bien avec le pétrole et était moins stable thermiquement, a-t-il ajouté.
Les tests de friction ont été réalisés avec des pièces métalliques simulant des engrenages et des roulements de turbine recouverts d’un lubrifiant contenant de l’IL. L’usure de surface résultante des pièces a été caractérisée par microscopie électronique au Center for Nanophase Materials Sciences, un établissement utilisateur du DOE Office of Science à l’ORNL.
Ces IL particulières sont assez simples à produire et peuvent être facilement mises à l’échelle pour la commercialisation, a déclaré Huimin Luo, un chimiste de la division des sciences de la fabrication de l’ORNL qui a dirigé les travaux de synthèse chimique.
Pour déterminer l’impact environnemental des additifs, Louise Stevenson, écotoxicologue de l’ORNL, a effectué des tests de toxicité et de biodégradabilité au laboratoire de toxicologie environnementale de l’ORNL, où des évaluations sont régulièrement effectuées pour le DOE, le ministère de la Défense et d’autres agences. Conformément aux protocoles de l’Environmental Protection Agency, les tests de toxicité ont utilisé des Ceriodaphnia, de minuscules crustacés planctoniques communément appelés puces d’eau qui se trouvent au bas de la chaîne alimentaire, ont un cycle de vie court et un taux de reproduction rapide, et sont très sensibles aux conditions environnementales.
Un petit plancton fournit de grandes informations
Ces organismes « sont comme des canaris dans une mine de charbon en termes de toxicité aquatique, car ils se nourrissent de filtres et interagissent avec beaucoup d’eau », a déclaré Stevenson. « Au cours d’un test de sept jours, nous obtiendrons trois à quatre cycles de reproduction avec des éclosions quotidiennes, afin que nous puissions rechercher à la fois les effets mortels et les effets sublétaux tels que les impacts sur la reproduction et la croissance qui ont un effet sur la survie de la population. »
Alors que les huiles de base lubrifiantes acceptables pour l’environnement n’ont eu aucun effet sur les crustacés, les additifs lubrifiants commerciaux et deux premiers composés IL se sont révélés extrêmement toxiques pour les organismes, entraînant une mortalité de 100 % dans un délai d’un à trois jours après l’exposition. Les conceptions finales de l’équipe pour les additifs IL à base de phosphate d’ammonium et de phosphate de phosphonium à chaîne courte ont abouti à des taux de survie de 90 à 100 % après sept jours.
Les lubrifiants finaux améliorés par l’IL, les plus performants, se sont également révélés hautement biodégradables par rapport aux additifs pour lubrifiants standards. Les tests impliquaient d’exposer les composés à des microbes aquatiques, puis de mesurer le taux de production de dioxyde de carbone à mesure que les microbes décomposaient les matériaux.
Les lubrifiants hautes performances et respectueux de l’environnement, conçus spécifiquement pour les turbines d’énergie marine, sont importants pour d’autres raisons, notamment la durabilité des équipements. La technologie des lubrifiants actuellement utilisée pour les turbines marines a été empruntée aux éoliennes, qui sont entretenues tous les six à 18 mois, a expliqué Qu. Mais les turbines marémotrices installées dans l’océan ou les rivières sont généralement conçues pour être entretenues tous les six ans et fonctionnent dans des conditions beaucoup plus difficiles.
Le projet devrait ensuite se concentrer sur le développement ultérieur d’additifs pour lubrifiants IL spécifiquement destinés à être utilisés dans les turbines marémotrices fonctionnant dans l’océan et exposées à une contamination potentielle de l’eau de mer et à des pressions et températures extrêmes.
Le projet met en évidence la diversité des expertises et des capacités rassemblées à l’ORNL pour relever un large éventail de défis économiques, environnementaux et sociétaux, ont noté les scientifiques.
Stevenson a déclaré : « La chimie verte est un sujet brûlant, et ceci est un exemple de réalisation concrète et de collaboration entre les scientifiques des matériaux et les scientifiques de l’environnement pour trouver une solution de manière collaborative et productive. »
Plus d’information:
Xin He et al, Minimiser la toxicité et optimiser le pouvoir lubrifiant des liquides ioniques pour une lubrification respectueuse de l’environnement, ACS Chimie et ingénierie durables (2024). DOI : 10.1021/acssuschemeng.3c06194