Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han desarrollado aditivos lubricantes que protegen tanto los equipos de turbinas hidráulicas como el medio ambiente circundante.
Cada año, según el DOE, se consumen aproximadamente 2,47 mil millones de galones de aceite lubricante solo en los Estados Unidos para motores y maquinaria industrial, y aproximadamente la mitad termina finalmente en el medio ambiente.
Si bien se encuentran disponibles lubricantes ambientalmente aceptables, no están optimizados con aditivos que puedan mejorar en gran medida el rendimiento y al mismo tiempo representar un impacto ambiental mínimo si se liberan accidentalmente. Para crear aditivos lubricantes no tóxicos, biodegradables y de alto rendimiento para turbinas hidráulicas, los investigadores recurrieron a líquidos iónicos o IL:sales líquidas orgánicas que se mezclan bien con el aceite, reducen la fricción entre cojinetes y engranajes y son estables en un rango de temperaturas.
Un equipo de científicos ambientales y de materiales de ORNL trabajó en conjunto para diseñar, sintetizar y probar las IL principales candidatas de fosfato de amonio y fosfato de fosfonio que brindan una buena combinación de propiedades.
Cuando se agregan a los aceites base, los IL demostraron un 50% menos de fricción y una disminución diez veces mayor en el desgaste del equipo en comparación con un aceite para engranajes disponible comercialmente, al mismo tiempo que cumplen con los estándares federales de toxicidad ambiental y biodegradabilidad, como se describe en ACS Sustainable Chemistry &Engineering .
El proyecto se basa en más de 20 años de investigación de IL en ORNL, incluido el desarrollo de aditivos lubricantes diseñados para reducir el desgaste del motor y aumentar la economía de combustible en los vehículos.
"Nuestro trabajo anterior nos mostró que se podía aumentar drásticamente el rendimiento de los lubricantes con la adición de sólo un 1% o incluso un medio por ciento de IL", dijo Jun Qu de ORNL, quien dirige el proyecto y el grupo de Tribología e Ingeniería de Superficies de ORNL. .
Esta vez, los científicos buscaron crear un aditivo no tóxico para usar en turbinas instaladas en ambientes acuáticos, generando electricidad a partir de olas, mareas, corrientes oceánicas y fluviales. Aunque los IL generalmente se consideran menos tóxicos que los ingredientes de los lubricantes convencionales, su impacto en el medio ambiente no se ha estudiado detenidamente.
"Desde el punto de vista ambiental, hay tres factores principales que nos preocupan con estos lubricantes", dijo Teresa Mathews, líder del grupo de Biodiversidad y Salud de los Ecosistemas de ORNL. "Tienen que ser de alto rendimiento, no queremos que sean tóxicos para ningún organismo acuático, y si hay un derrame, no queremos que los lubricantes sean compuestos que duren en el medio ambiente. Queremos que se degraden muy rápidamente."
Buscando una fórmula más limpia
El equipo primero buscó eliminar elementos tóxicos potenciales como el flúor y el cloro y metales como el zinc y el hierro de los IL candidatos. También se centraron en la creación de LI formadas por cadenas de hidrocarburos más cortas (cadenas que contienen menos de seis átomos de carbono) que generalmente se consideran menos tóxicas.
"Encontramos que una cadena de cuatro carbonos es el punto ideal", dijo Qu. Usar menos de cuatro carbonos dio como resultado un IL que no se mezclaba bien con el petróleo y era menos estable térmicamente, añadió.
Las pruebas de fricción se realizaron con piezas metálicas que simulaban engranajes de turbina y cojinetes recubiertos con un lubricante que contenía IL. El desgaste superficial resultante de las piezas se caracterizó mediante microscopía electrónica en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL.
Estos IL en particular son bastante sencillos de producir y pueden ampliarse fácilmente para su comercialización, afirmó Huimin Luo, químico de la División de Ciencias de Fabricación de ORNL que dirigió el trabajo de síntesis química.
Para determinar el impacto ambiental de los aditivos, la ecotoxicóloga del ORNL, Louise Stevenson, realizó pruebas de toxicidad y biodegradabilidad en el Laboratorio de Toxicología Ambiental del ORNL, donde se realizan evaluaciones de rutina para el DOE, el Departamento de Defensa y otras agencias. Siguiendo los protocolos de la Agencia de Protección Ambiental, las pruebas de toxicidad utilizaron Ceriodaphnia, pequeños crustáceos planctónicos comúnmente conocidos como pulgas de agua que se encuentran en la parte inferior de la cadena alimentaria, tienen un ciclo de vida corto y una tasa de reproducción rápida, y son muy sensibles a las condiciones ambientales. P>
Los organismos "son como canarios en una mina de carbón en cuanto a toxicidad acuática porque se alimentan por filtración e interactúan con mucha agua", dijo Stevenson. "En una prueba de siete días, obtendremos de tres a cuatro rondas de reproducción con eclosión diaria, por lo que podemos buscar efectos letales y subletales, como impactos reproductivos y de crecimiento que tienen un efecto en la supervivencia de la población". P>
Si bien los aceites base lubricantes ambientalmente aceptables no tuvieron ningún efecto sobre los crustáceos, se descubrió que los aditivos lubricantes comerciales y dos de los primeros compuestos IL eran extremadamente tóxicos para los organismos, lo que resultaba en una mortalidad del 100% entre uno y tres días después de la exposición. Los diseños definitivos del equipo para aditivos IL de fosfato de amonio y fosfato de fosfonio de cadena corta dieron como resultado tasas de supervivencia del 90 al 100 % después de siete días.
También se descubrió que los lubricantes finales mejorados con IL de alto rendimiento eran altamente biodegradables en comparación con los aditivos lubricantes estándar. Las pruebas implicaron exponer los compuestos a microbios acuáticos y luego medir la tasa de producción de dióxido de carbono a medida que los microbios descomponían los materiales.
Los lubricantes de alto rendimiento y respetuosos con el medio ambiente diseñados específicamente para turbinas de energía marina son importantes por otras razones, incluida la durabilidad del equipo. La tecnología de lubricantes que se utiliza actualmente para las turbinas marinas se tomó prestada de las turbinas eólicas, que reciben mantenimiento cada seis a 18 meses, dijo Qu. Pero las turbinas mareomotrices instaladas en el océano o en los ríos suelen estar diseñadas para funcionar cada seis años y funcionan en condiciones mucho más duras.
Se espera que el proyecto se centre a continuación en un mayor desarrollo de aditivos lubricantes IL específicamente para su uso en turbinas mareomotrices que operan en el océano y están expuestas a una posible contaminación del agua de mar y a presiones y temperaturas extremas.
El proyecto destaca la diversa experiencia y capacidades reunidas en ORNL para abordar una amplia gama de desafíos económicos, ambientales y sociales, señalaron los científicos.
Stevenson dijo:"La química verde es un tema candente y este es un ejemplo de cómo hacerlo y trabajar juntos entre científicos de materiales y científicos ambientales para llegar a una solución de una manera colaborativa y productiva".
Más información: Xin He et al, Minimización de la toxicidad y optimización de la lubricidad de líquidos iónicos para una lubricación ecológica, ACS Química e ingeniería sostenibles (2024). DOI:10.1021/acssuschemeng.3c06194
Información de la revista: ACS Química e Ingeniería Sostenible
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge
