Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno sviluppato additivi lubrificanti che proteggono sia le apparecchiature delle turbine idrauliche che l'ambiente circostante.
Secondo il DOE, ogni anno nei soli Stati Uniti vengono consumati circa 2,47 miliardi di galloni di olio lubrificante per motori e macchinari industriali, di cui circa la metà finisce per finire nell'ambiente.
Sebbene siano disponibili lubrificanti accettabili dal punto di vista ambientale, non sono ottimizzati con additivi che possano migliorare notevolmente le prestazioni comportando un impatto ambientale minimo se rilasciati accidentalmente. Per creare additivi lubrificanti non tossici, biodegradabili e ad alte prestazioni per le turbine idrauliche, i ricercatori si sono rivolti ai liquidi ionici, o IL:sali liquidi organici che si mescolano bene con l’olio, riducono l’attrito tra cuscinetti e ingranaggi e sono stabili in un intervallo di temperature.
Un team di scienziati ambientali e dei materiali dell'ORNL ha lavorato insieme per progettare, sintetizzare e testare gli IL più candidati di fosfato di ammonio e fosfato di fosfonio che forniscono un buon mix di proprietà.
Quando aggiunti agli oli base, gli IL hanno dimostrato il 50% in meno di attrito e una diminuzione di dieci volte dell'usura delle apparecchiature rispetto a un olio per ingranaggi disponibile in commercio, rispettando al tempo stesso gli standard federali per la tossicità ambientale e la biodegradabilità, come descritto in ACS Sustainable Chemistry &Engineering .
Il progetto si basa su oltre 20 anni di ricerca IL presso ORNL, compreso lo sviluppo di additivi per lubrificanti progettati per ridurre l'usura del motore e aumentare il risparmio di carburante nei veicoli.
"Il nostro lavoro precedente ci ha mostrato che è possibile aumentare notevolmente le prestazioni dei lubrificanti con l'aggiunta di solo l'1% o addirittura lo 0,5% di IL", ha affermato Jun Qu dell'ORNL, che guida il progetto e il gruppo di ingegneria delle superfici e tribologia dell'ORNL. .
Questa volta, gli scienziati hanno cercato di creare un additivo non tossico da utilizzare nelle turbine installate in ambienti acquatici, generando elettricità utilizzando onde, maree, correnti oceaniche e fluviali. Sebbene gli IL siano generalmente considerati meno tossici degli ingredienti dei lubrificanti convenzionali, il loro impatto sull'ambiente non è stato studiato attentamente.
"Dal punto di vista ambientale, ci sono tre fattori principali a cui teniamo con questi lubrificanti", ha affermato Teresa Mathews, responsabile del gruppo Biodiversità e salute dell'ecosistema presso ORNL. "Devono essere altamente performanti, non vogliamo che siano tossici per nessun organismo acquatico e, in caso di fuoriuscita, non vogliamo che i lubrificanti siano composti che durano nell'ambiente. Vogliamo che si degradino molto rapidamente."
Perseguire una formula più pulita
Il team ha innanzitutto cercato di eliminare dagli IL candidati potenziali elementi tossici come fluoro e cloro e metalli come zinco e ferro. Si sono inoltre concentrati sulla creazione di IL costituiti da catene di idrocarburi più corte (catene contenenti meno di sei atomi di carbonio) che sono generalmente considerati meno tossici.
"Abbiamo scoperto che una catena di quattro atomi di carbonio è il punto debole", ha detto Qu. Una lunghezza inferiore a quattro atomi di carbonio ha prodotto un IL che non si mescolava bene con il petrolio ed era meno stabile termicamente, ha aggiunto.
I test di attrito sono stati eseguiti con pezzi metallici che simulavano ingranaggi e cuscinetti di turbine rivestiti con un lubrificante contenente IL. L'usura superficiale risultante dei pezzi è stata caratterizzata utilizzando la microscopia elettronica presso il Center for Nanophase Materials Sciences, una struttura per utenti del DOE Office of Science presso l'ORNL.
Questi particolari IL sono abbastanza semplici da produrre e possono essere facilmente ampliati per la commercializzazione, ha affermato Huimin Luo, un chimico della divisione Scienze della produzione dell'ORNL che ha guidato il lavoro di sintesi chimica.
Per determinare l'impatto ambientale degli additivi, l'ecotossicologa dell'ORNL Louise Stevenson ha condotto test di tossicità e biodegradabilità nel Laboratorio di Tossicologia Ambientale dell'ORNL, dove le valutazioni vengono regolarmente condotte per il DOE, il Dipartimento della Difesa e altre agenzie. Seguendo i protocolli dell'Environmental Protection Agency, i test di tossicità hanno utilizzato la ceriodafnia, minuscoli crostacei planctonici comunemente noti come pulci d'acqua che si trovano alla base della catena alimentare, hanno un ciclo di vita breve e un rapido tasso di riproduzione e sono altamente sensibili alle condizioni ambientali.
Gli organismi "sono come canarini in una miniera di carbone per la tossicità acquatica perché sono filtratori e interagiscono con molta acqua", ha detto Stevenson. "In un test di sette giorni, otterremo tre o quattro cicli di riproduzione con schiusa giornaliera, in modo da poter cercare sia effetti letali che effetti subletali come gli impatti sulla riproduzione e sulla crescita che hanno un effetto sulla sopravvivenza della popolazione."
Mentre gli oli base lubrificanti accettabili dal punto di vista ambientale non hanno avuto alcun effetto sui crostacei, gli additivi lubrificanti commerciali e i due primi composti IL sono risultati estremamente tossici per gli organismi, provocando una mortalità del 100% entro uno o tre giorni dall'esposizione. I progetti definitivi del team per gli additivi IL a base di fosfato di ammonio e fosfonio a catena corta hanno portato a tassi di sopravvivenza del 90-100% dopo sette giorni.
I lubrificanti finali potenziati con IL ad alte prestazioni sono risultati anche altamente biodegradabili rispetto agli additivi per lubrificanti standard. I test prevedevano l'esposizione dei composti ai microbi acquatici e la misurazione del tasso di produzione di anidride carbonica mentre i microbi scompongono i materiali.
I lubrificanti ad alte prestazioni ed ecologici progettati specificatamente per le turbine ad energia marina sono importanti per altri motivi, tra cui la durata delle apparecchiature. La tecnologia dei lubrificanti attualmente in uso per le turbine marine è stata presa in prestito dalle turbine eoliche, che vengono sottoposte a manutenzione ogni sei-18 mesi, ha affermato Qu. Ma le turbine mareomotrici installate nell'oceano o nei fiumi sono generalmente progettate per un servizio ogni sei anni e funzionano in condizioni molto più difficili.
Si prevede che il progetto si concentrerà successivamente sull'ulteriore sviluppo di additivi lubrificanti IL specifici per l'uso nelle turbine mareomotrici che operano nell'oceano ed esposte a potenziale contaminazione dell'acqua di mare e a pressioni e temperature estreme.
Gli scienziati hanno osservato che il progetto mette in luce le diverse competenze e capacità riunite presso l'ORNL per affrontare un'ampia gamma di sfide economiche, ambientali e sociali.
Stevenson ha affermato:"La chimica verde è un argomento scottante e questo è un esempio di come farlo davvero e di come lavorare insieme tra scienziati dei materiali e scienziati ambientali per arrivare a una soluzione in modo collaborativo e produttivo."
Ulteriori informazioni: Xin He et al, Minimizing Toxicity and Optimizing Lubrity of Ionic Liquids for Eco-Friendly Lubrification, ACS Sustainable Chemistry &Engineering (2024). DOI:10.1021/acssuschemeng.3c06194
Informazioni sul giornale: Chimica e ingegneria sostenibile ACS
Fornito da Oak Ridge National Laboratory
